模拟颗粒凝并过程的快速Monte Carlo方法

对常规异权值Monte Carlo(MC)方法进行改进,基于强核函数思想,通过颗粒群单重遍历即可求得强核函数最大值,采用接受-拒绝法随机搜寻凝并对,并利用搜寻过程中拒绝和接受的所有凝并对的信息来估计凝并事件的等待时间(时间步长),从而避免颗粒群的双重遍历,以提高MC的效率.对典型工况的模拟结果显示该快速方法计算代价仅为O(Ns),能够显著提高计算效率,同时保持足够的计算精度,较好地协调计算代价与计算精度之间的矛盾.

PFC3D颗粒流模拟纳米黏土改良黄土三轴试验

基于PFC3D软件研究不同纳米材料、掺量、围压、干密度对改良黄土力学性能的影响,确定改良黄土宏细观之间的参数关系,通过建立改良黄土数值模型、三轴试验,获得了改良黄土的应力–应变曲线。将数值模拟的结果与室内试验的结果相比较,通过数值模拟和室内三轴试验,得出的改良黄土抗剪强度指标基本吻合。试验结果表明:(1)围压一定时,改良黄土试样偏应力随纳米黏土掺量的增加而增大;改良黄土的应力与应变正相关,不同围压时,表现为软化型和强硬化型;(2)当凹凸棒土掺量小于2%时,数值模拟得到的抗剪强度总体小于室内试验得到的抗剪强度,材料大于2%时则相反;(3)纳米蒙脱土改良黄土数值试样材料掺量小于等于4%时,数值模拟得到的抗剪强度大于室内试验的抗剪强度,大于4%则相反。

应力波在非线性变形节理处传播规律的颗粒流模拟研究

岩体节理会对岩体中应力波的传播产生显著影响,研究节理岩体中应力波的传播规律对于爆破破岩、抗震与防爆等均具有重要实际意义和理论价值。运用FISH语言对光滑节理模型中的细观节理法向刚度进行修改,建立了具有非线性变形特性的岩石节理颗粒流模型,模拟分析了应力波在非线性变形节理处的传播特性,获得了节理刚度、应力波振幅和应力波频率对透反射系数的影响规律,并从细观角度揭示了应力波与节理相互作用的机理。结果表明:节理刚度对应力波透反射系数会产生较大影响,刚度越大透射系数越大,反射系数则越小。当节理刚度达到某一临界值后,透射系数增长缓慢并趋于稳定值;入射波幅值越大,透射系数越大,反射系数则越小;应力波透射系数随入射波频率的增加而减小,节理表现出高频滤波特性。

基于加州承载比试验的隧道弃渣颗粒接触力场形状影响因素分析

对级配碎石而言,不同的颗粒表面性质会影响颗粒接触力场形状、大小及梯度,进而改变试样所受约束力。分析加州承载比(California bearing ratio,CBR)试验过程中试样侧板及底板的受力演变,探究试样颗粒细观参数对试样颗粒接触力场及试样约束力的影响。通过对比不同刚度比、摩擦系数与黏结强度(设定其比值为1下)对试样接触力场形状的影响。结果表明:以刚度比值6为界,随法向刚度的增大,颗粒接触力场长细比先增加后减小;随摩擦系数或黏结强度增大,接触力场长细比相应减小。考虑颗粒相对运动中黏结强度比中法向及切向参数作用不同,以黏结强度比4为界,随法向黏结强度增大,其接触力场长细比先增加后减小;随切向黏结强度增大,所得接触力场长细比变化趋势则为先减小后增加。研究成果可为研究隧道弃渣制成的级配碎石颗粒细观参数与其接触力场形状间关联性提供一定参考。

充填节理特性对岩石静态压缩力学行为影响的颗粒流模拟

充填节理特性是影响节理岩体工程安全稳定性的重要因素。为研究充填节理特性对岩石静态压缩力学及变形特性的影响,基于充填节理岩石室内静态单轴压缩试验结果,采用颗粒流数值模拟的方法研究不同节理倾角、多条节理数以及不同节理厚度情况下充填节理岩石的力学参数变化规律、微裂纹发育状况和最终破坏形态特点。结果表明:峰值应力和弹性模量随着充填节理倾角的增大呈现出U型变化趋势、随着充填节理厚度的增加而不断降低,且弹性模量降低速度逐渐变缓。随着充填节理倾角的增大,起裂应力和微裂纹总数量出现先减小后增大的变化趋势,微裂纹总数量随着充填节理厚度的增加而不断增加。节理倾角改变会严重影响充填节理岩石微裂纹的发育状况和最终破坏形态;当节理倾角较大且含有多条充填节理时岩样会发生明显的滑移破坏,充填节理岩石整体稳定性较差、破坏程度严重。

高焓流动中的可压缩颗粒两相流并行求解器:数值方法及其验证

在极端力学环境下可压缩点力颗粒两相流理论方程的基础上,提出一种基于动态链表数组的并行颗粒求解器,使其与可压缩流体求解器耦合。与基于欧拉坐标系的携带流体相不同,基于拉格朗日坐标系的求解器采用动态链表数组对弥散颗粒相进行内存分配,可以解决因使用全局数组解决拉格朗日/欧拉坐标系转换带来的弥散颗粒群内存利用率低和计算效率低下问题。最后对多物理效应的可压缩颗粒两相流求解器进行验证,并在马赫数渐进趋于零的情况下,对两个不可压缩槽道颗粒湍流标模进行验证。

断续三裂隙岩石力学行为数值模拟研究

对断续三裂隙岩石力学行为数值模拟进行了研究,结果表明,随着横向岩桥长度L的增大,断续裂隙岩样峰值强度逐渐减小,而弹性模量则呈现先增大后减小的趋势;随着横向岩桥长度L的增大,断续裂隙岩样的裂纹扩展经历了裂隙间裂纹贯通、只有1组裂隙间裂纹贯通、裂隙间无贯通的过程;横向岩桥长度L的差异还会引起微裂纹数目的显著变化,随着L的增大,裂隙岩样的微裂纹数目呈逐渐减小的趋势。

盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟

通过对比室内三轴试验和颗粒流程序双轴数值试验结果,确定了颗粒流模拟砂土的细观参数;通过对室内挡板下落试验的颗粒流数值模拟,验证了颗粒流模拟土拱效应的可行性。在此基础上对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟,分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片上的土压力、土体位移和土体颗粒接触力的变化情况。结果表明,土拱效应主要发生在隧道上部1～2倍隧道直径的范围内,隧道顶部土体通过土拱效应可大幅度减少作用在隧道上的土压力。

固定床费托(FT)合成单颗粒催化剂模拟

对费托合成复杂反应体系的单颗粒催化剂进行了基于详细动力学的模型化和模拟。在模型建立中 ,用状态方程关联了多组分气相主体在催化剂孔道中蜡的溶解平衡 ,同时探讨了在被蜡填充的催化剂颗粒的孔道中的主要反应行为 ,初步考察了颗粒内扩散 -反应在不同操作温度和压力下的匹配规律。

螺旋挤土桩下旋成孔过程的颗粒流数值模拟

螺旋挤土桩在国际桩基工程领域占据着重要的地位,为了深入研究螺旋挤土桩下旋成孔过程的力学特性,运用颗粒离散元方法对螺旋挤土桩下旋成孔过程进行了仿真模拟。在直剪试验的基础上确定了土样细观参数,建立数值模型,模拟研究了螺旋挤扩钻具以不同掘进下旋速度比在浅层和深层土中的掘进过程,通过与试验规律的对比,验证了数值模型的有效性,分析了桩侧土体的位移发展模式和力学响应,探讨了钻具与土体作用机理。研究结果表明,成孔的机理同钻具的掘进旋转速度密切相关,降低掘进旋转速度比,能减小钻具对周围土体的扰动范围,浅层与深层土体的位移模式不同;孔周围应力分布同钻具掘进下旋速度比相关,降低钻具掘进旋转速度比,可有效地减小钻具掘进的竖向阻力。

软岩巷道开挖支护的颗粒离散元模拟

针对马路坪矿的一种典型软岩巷道,根据其地质条件和力学特性,将巷道围岩分成弹性区、塑性区和破裂区,进行弹塑性力学分析,得到其位移的封闭解析解。采用颗粒流软件PFC2D对软岩巷道开挖后围岩变形破坏规律进行数值模拟,探讨围岩各个关键部位的位移分布特征,研究结果与巷道弹塑性解能很好地吻合,说明基本模型的正确性,进而利用模型模拟支护,分析支护效果随支护时间的变化规律。所得结果可为类似巷道的破裂机制分析和支护设计提供理论指导。

硅酸钾材料加固土遗址耐风蚀颗粒元模拟分析

西北干旱地区土遗址受风化、风蚀等破坏严重,大量土质文物亟待加固抢修。加固后土遗址的各耐环境因素及加固机制研究是土遗址加固的理论基础。首次引入颗粒元程序PFC,通过改变模型中颗粒间平行连接强度,对硅酸钾(简称PS)加固前后的土样进行数值模拟。在考虑实际土样颗粒粒径和密度的前提下,拟合了生土PS加固前后的抗压和抗拉强度,并将拟合后的颗粒元模型应用于风蚀模拟。通过随机生成挟沙风颗粒,以一定的速度撞向土体,模拟挟沙风的吹蚀作用。挟沙风颗粒数与循环步数成正比例,因此,可以用挟沙风颗粒数来代表吹蚀时间的长短。挟沙风颗粒的速度则代表挟沙风风速。模拟结果表明,在20 m/s的挟沙风吹蚀作用下,风蚀程度随吹蚀时间的增加而增大,未加固土样的风蚀程度增幅度远大于加固土样;同样吹蚀时间条件下,加固土样的抗风蚀强度明显高于未加固土样。这些模拟结论与风洞试验结果的统计规律一致。本研究拟合的颗粒流模型可进一步应用于PS加固机制研究及耐风蚀、雨蚀、冻融等诸环境影响分析研究。

粘性土室内平面应变试验的颗粒流模拟

作为颗粒流理论实际应用的前期可行性研究,针对具有凝聚力的内摩擦材料粘性土进行了室内平面应变试验结果的颗粒流仿真。对三维颗粒流数值仿真技术(PFC2D)的4组数值仿真结果和粘土试样室内平面应变试验的实测曲线进行了对比,研究表明利用颗流理论所建立起来的PFC2D数值仿真试验模型是能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质,以及颗粒集合体的级配特征等给出与真实材料土工试验类似的本构行为的,这种可行性最根本的意义在于基于颗粒流理论的数值仿真试验能够突破常规土工试验在仪器设备能力、试验条件上的局限性,对实际土样的本构行为做出理论方面的预测。此外针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究,并揭示了一些规律。

复合土钉墙支护基坑颗粒流数值模拟研究

利用基于离散元理论的颗粒流软件PFC3d建立基坑开挖土钉支护的三维颗粒流模型,通过分析有复合土钉墙支护基坑和无复合土钉墙支护基坑数值模型的位移场和应力场,研究复合土钉支护基坑开挖过程的规律和土钉支护的机理.有复合土钉墙支护基坑和无复合土钉支护基坑在变形程度和变形模式等方面存在较大差异.复合土钉墙支护基坑挡墙变形较小,出现"两头小、中间大"的流鼓型变形模式,坑底隆起量和墙后土体沉降量相对于无土钉墙支护基坑均较小.利用土拱效应来分析复合土钉支护机理,认为土钉支护作用的关键是土拱效应,而不仅仅是土钉和土体之间相互拉拔作用.细观机理研究和颗粒流数值模拟为复合土钉墙支护基坑的机理研究提供新的思路和方法.

TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟

采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆—延—塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理。结果表明:含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生。随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为:15°<45°<60°<0°<30°<90°<75°破岩由易到难。有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大。

土的室内平面应变试验的颗粒流模拟

作为颗粒流理论实际应用的前期可行性研究 ,针对具有凝聚力和无凝聚力的两类典型的内摩擦地质材料粘性土与砂土进行了材料试样室内平面应变试验结果的颗粒流PFC2D仿真 .对比研究表明利用颗粒流理论所建立起来的PFC2D数值仿真试验模型是能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质 ,以及颗粒集合体的级配特征等给出与真实材料土工试验类似的本构行为的 .这种可行性最根本的意义在于基于颗粒流理论的数值仿真试验能够突破常规土工试验在仪器设备能力及试验条件上的局限性 ,对实际土样的本构行为作出理论方面的某种预测 .此外针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究 ,并揭示了一些规律 .这些工作对颗粒流理论在岩土工程实际应用方面的研究和开发有一定的参考价值 .

基于实际分布的花岗岩颗粒流模拟几何模型

岩石通常由不同组分组成,这些组分之间的类别差异与相互作用决定了岩石的宏观物理力学性质。以花岗岩为例,使用灰度阈值分割技术确定岩石中细观组分的具体类别与实际位置,使用平行连接表征颗粒间的胶结物,使用簇粒和聚粒分别表征黑云母、长石和石英,建立了考虑细观组分实际类型和分布的花岗岩颗粒流数值模拟的几何模型。结果表明:使用数字图像处理所得组分类型和位置可以作为建立数值模拟几何模型的基本数据;不同组分可以使用簇粒和聚粒来表征;不同组分的细观物理力学参数对花岗岩宏观力学行为有较大影响。由于细观组分的实际分布与细观物理力学性质控制了岩石的变形破坏过程,本文方法为研究岩石材料力学行为提供了一条新的研究途径。

降雨诱发残积土陡坡坡面冲刷破坏颗粒流模拟

为了明确降雨诱发的残积土陡坡坡面冲刷破坏机理,以福建省典型残积土陡坡为例,采用离散元模拟技术,依据所标定的参数,通过等效降雨法模拟陡坡坡面冲刷剥落过程,并分析冲刷速度对陡坡坡面冲刷破坏的影响规律。结果表明:陡坡仅在坡面浅层产生冲刷剥落破坏现象,其他部分未发生明显变形,陡坡整体形态保持良好;各时间点陡坡坡面土体颗粒的接触模型与其陡坡形态具有很好的一致性;冲刷破坏过程从初始存在黏聚力的接触黏结模型转变为黏聚力为0的抗转动线性模型;陡坡剥落后各颗粒间大部分为无黏性接触,呈松散土颗粒状,但是部分仍服从接触黏结模型,剥落类型为碎块状剥落;低流速径流冲刷时,剥落量从坡顶层到坡脚层呈现先减小后增大的趋势;流速越大,则坡脚冲蚀坑与深度越明显,坡面剥蚀厚度与总剥蚀量越大,并且坡顶层颗粒剥落量基本不变,而下层剥落量逐渐增大。

砂土中单桩静载室内模型试验及颗粒流数值模拟

通过自行设计的可视化模型箱,进行了单桩静载室内模型试验,考虑了不同桩径、不同土体密实度等影响因素,研究了单桩的沉降模式、桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥性状及随沉降的发展模式,并通过拍摄跟踪和图像处理技术,研究了桩端和桩周土体的孔隙率的变化规律;对二维颗粒流程序进行开发,模拟了单桩静载过程中桩端阻力和桩周土体孔隙率的变化情况。结果表明,颗粒流数值模拟能够较好地模拟单桩静载过程,研究成果进一步揭示了单桩静载过程的宏细观机制。

渗透压—应力耦合作用下煤体常规三轴试验的颗粒流模拟

为了研究在渗透压-应力耦合作用下围压和瓦斯压力对煤体变形破坏规律的影响,借助PFC2D软件进行了340组抗压及抗拉试验模拟,建立了煤体宏观力学参数与细观参数之间的关系。利用平行黏结模型和推导得出的细观参数,对煤体进行了不同围压和瓦斯压力条件下常规三轴试验的颗粒流模拟,并将模拟结果与物理试验结果进行对比及误差分析,对煤体宏观力学参数的变化规律进行了总结。分析结果表明,经过推导得到的宏细观参数关系,可以控制模拟结果的误差在10%之内,能较好地模拟煤体的力学特征;围压增大时,煤体的抗压强度、残余强度及弹性模量呈增大趋势,泊松比以及煤体的破裂角度变小,与物理试验所得围压对煤体的刚度和强度起增强作用的结论一致;瓦斯压力的升高会导致煤体抗压强度,残余强度及弹性模量减小,泊松比以及煤体破裂角度变大,验证了物理试验中瓦斯压力对煤体强度具有劣化作用的结论。