堆石料宏细观力学特性离散元分析

堆石料的力学特性直接影响堆石坝工程的设计、施工和运行,对坝体变形及安全有重要影响。基于大石峡混凝土面板堆石坝工程,采用离散单元法(DEM)建立了接近于3BA区堆石料真实颗粒形状的椭球颗粒试样,开展了一系列常规三轴数值试验,研究了3BA区堆石料的宏、细观力学特性。通过不同围压下的宏观应力应变演化曲线,获得堆石料的宏观应力、变形指标。采用平均接触力将接触网络划分为强、弱2个子网络,分析强、弱接触网络的配位数分布与拓扑演化规律。结果表明:割线模量、泊松比、峰值内摩擦角与围压呈线性变化,剪胀角与围压呈非线性变化;颗粒体系内接触的拓扑演化主要发生在弱接触网络,进而影响堆石料的宏观体积变化,强接触网络内的接触保持不变,为堆石料提供稳定的传力通道。研究结果可用于指导实际工程中不同围压下宏观力学指标的选取。

基于复杂网络的岩土颗粒材料分散性失稳先兆研究

岩土颗粒材料在达到Mohr-Coulomb塑性极限之前可能已经发生了没有明显局部损伤的全域准均匀破坏,即分散性失稳。近年来,网络科学工具在颗粒材料环境中的应用为研究其失稳破坏现象提供了有趣新颖的洞见。采用离散单元法对不同初始密实度的颗粒体系进行等体积应变加载路径的数值试验,发现初始状态越松散的颗粒体系越有可能发生分散性失稳;采用网络科学的理论和方法分析颗粒接触网络的拓扑结构特性和演化规律,发现颗粒材料分散性失稳的结构根源是颗粒接触网络完全崩塌。将颗粒体系划分为强、弱接触系统以构建强接触子网络、弱接触子网络和强-弱接触子网络,研究颗粒接触网络及其3个子网络的特征量演化,结果表明:当颗粒材料开始处于不稳定状态时,易受扰动的弱接触系统的部分接触先失效,导致强接触系统失去其稳定支撑作用而降低承载能力。随着加载的继续,系统通过非局部的自组织过程导致接触结构的全面崩塌,最终触发整体分散性失稳。因此,先于整体失稳的部分弱接触的失效,可视为颗粒材料分散性失稳的关键性临界征兆。

粒间摩擦对岩土颗粒材料三维力学行为的影响机制

颗粒间摩擦是影响岩土颗粒材料力学特性的重要因素之一,现有研究主要集中在粒间摩擦对颗粒集合体堆积、宏观剪切强度等的影响,而其在复杂应力路径下对岩土颗粒材料的影响机制尚不明确。采用离散单元法(DEM)进行了颗粒材料的真三轴加载路径数值试验,通过改变颗粒间摩擦系数μ来研究粒间摩擦对颗粒材料宏观力学特性的影响。对比了4种三维强度准则,发现当0.2<μ≤0.5时,Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai准则能较好地拟合不同加载路径下的数据点。采用平均接触力将颗粒体系的接触网络划分为强、弱两个子网络,分析了强、弱接触网络的配位数分布、接触力和组构各向异性等。结果表明在峰值剪应力状态,随着颗粒间滑动摩擦系数μ的增加,强接触网络中参与形成"力链"的颗粒数目基本不变,但强接触网络中颗粒间法向接触力明显增加以及法向接触力各向异性加强,这是导致宏观抗剪强度增大的主要原因。而弱接触网络的配位数分布随μ值明显变化,其对颗粒体系剪胀程度的增加贡献显著。