无黏结材料颗粒流模型的宏细观参数关系研究

基于颗粒流(PFC2D/3D)模型的细观离散元方法是近些年来兴起的一种新的岩土数值计算方法,在岩土工程非连续介质领域中发挥着重要作用,但由于该类模型宏细观参数关系的复杂性,使其在实际工程应用中受到限制。在前人研究的基础上,以无黏结颗粒材料为例,采用4因素3水平正交试验方法设计了9类试样,并各自在3种侧压下进行双轴试验,以探求细观参数不同组合对介质宏观特性的影响,从而避免了控制变量法固定某些参数的局限,更加科学地分析了细观参量对宏观特性影响的敏感程度,并据此提出该类材料宏细观参数匹配的调整原则。最后利用人工神经网络实现了该类材料宏细观参数之间的互演计算,以供PFC模型在实际岩土工程计算时参考。

核级石墨PFC^(2D)模型的宏细观参数分析

颗粒流软件PFC能够很好地处理非连续介质力学的问题,模拟核级石墨的损伤和断裂过程具有独特的优势。在采用PFC^(2D)模拟核级石墨时,为了增加模拟的便捷性,实现了PFC^(2D)细观参数的快速标定。本文首先设计了四因素四水平的正交试验,分析了核级石墨的宏观参数与PFC^(2D)的细观参数关系;然后基于建立的核级石墨宏细观参数的关系,采用PFC^(2D)模拟石墨IG11的三点弯曲试验,并从位移场变形、荷载-位移曲线和断裂参数三个方面验证其宏细观参数关系的正确性。结果表明,弹性模量E随平节理模量E_(c)的增加线性增加;抗拉强度σ_(t)随平节理抗拉强度σ_(b)的增加线性增加;泊松比ν随平节理刚度比k_(n)/k_(s)的增加先增大后减小;数值模拟的位移场变化和荷载-裂缝口张开位移P-CMOD曲线与试验结果较吻合,此外,断裂参数的最大误差不超过3.57%。

基于细观组分实际分布的花岗岩宏细观参数关系

岩石通常由不同细观组分组成,细观组分的类型与相互作用决定了岩石的宏观力学性质。以北山花岗岩为例,使用室内试验视频和阈值分割技术确定细观组分的类别与位置,将细观组分颗粒和胶结物分别用圆盘和平行黏结来表征,细观力学性质使用颗粒力学性质参数(弹性模量、刚度比、摩擦因数)和平行黏结力学性质参数(弹性模量、刚度比、法向强度均值、切向强度均值)7个指标来表征,宏观力学性质使用弹性模量、泊松比、峰值应力3个指标来表征,使用颗粒流代码、像素和颗粒循环技术,建立考虑细观组分实际分布的颗粒流模型,进行7因素、4水平的32次正交数值模拟试验,研究宏细观力学性质关系和细观力学性质参数的调整方法。结果表明,数字图像处理技术可以有效用于建立基于细观组分实际分布的颗粒流模型;宏观弹性模量–细观弹性模量、宏观泊松比–细观刚度比、宏观峰值应力–细观强度具有很好的对应关系;宏细观弹性模量、泊松比、刚度比有较好的相关关系。由于细观组分的实际分布与力学特点控制了岩石的变形破坏过程,研究成果对估计岩石细观力学参数、预测宏观力学性状具有一定的参考价值。

基于中心组合设计的颗粒流平直节理模型宏−细观参数相关性研究

基于控制变量法,研究细观参数对宏观力学参数的影响规律,确定细观参数取值范围;采用适合多因素、多水平的中心组合设计方法及多元回归分析,建立岩石类材料PFC^(2D)平直节理模型的宏−细观参数关系式,并计算得到不同岩石PFC^(2D)细观参数;采用计算得到的细观参数通过PFC^(2D)模拟分析单、双轴压缩下完整岩石试件的应力−应变曲线和单轴压缩下含多裂纹的岩石试件断裂轨迹,并通过开展相应的试验进行验证。研究结果表明:应力−应变曲线和断裂轨迹模拟分析结果与试验结果较吻合,从而验证了基于中心组合设计法建立的PFC^(2D)宏−细观参数关系式的合理性和有效性。该中心组合设计方法可推广应用于PFC^(2D)其他模型和其他脆性材料的细观参数确定,为定量分析多裂纹多场耦合断裂的细观机理提供依据。

基于球面对称设计的离散元细观参数定量确定方法

采用球面对称设计法,通过宏观参数范围确定细观参数取值范围,得到多因素球面对称设计试验表,利用试验模拟计算结果和多元回归分析,建立岩石材料颗粒流PFC2D(particle flow code 2D)的宏-细观参数关系式。采用基于宏-细观参数关系式计算得到的PFC2D细观参数,进行单轴压缩下完整岩石的应力-应变曲线和宏观力学参数、含多裂纹岩石试件断裂轨迹的模拟计算。研究结果表明:岩石的应力-应变曲线、宏观力学参数、断裂轨迹的计算结果与试验结果较吻合,从而验证了该宏-细观参数关系式的有效性;采用球面对称设计建立PFC2D宏-细观参数关系式的方法可推广应用于其他脆性材料,可为PFC定量分析复杂荷载条件下的材料细观破坏机理提供参考依据。

定量确定PFC3D细观参数

细观参数的标定对于应用PFC研究岩石材料的力学特性和破坏机理具有重要意义。本文首次采用均匀设计的方法来确定三维离散元颗粒流程序中平行粘结模型的细观参数。通过分析细观参数对宏观参数(弹性模量E、泊松比v、单轴抗压强度σc、起裂应力与单轴抗压强度比σci/σc)的影响规律,得到细观参数的变化范围,从而建立了细观参数均匀设计表。通过均匀设计表和回归分析,建立了岩石材料细观参数与宏观参数的计算公式,从而可以定量确定PFC3D细观参数。完整岩石试件和预制裂纹岩石试件在单轴和三轴压缩下的PFC3D模拟结果(包括宏观力学参数、应力应变曲线和破坏过程)与实验结果吻合较好,验证了该细观参数与宏观参数计算公式的有效性。