石灰岩细观力学特性的颗粒流模拟

岩体地区地质灾害的发生和发展取决于岩石细观组分的运动学行为。研究岩石运动学行为时通常将岩石作为整体研究对象较多,而直接以细观组分为对象的研究较少。以石灰岩为例,根据室内试验获得的岩石力学性质指标,使用基于非连续介质理论的颗粒流方法,将材料离散成刚性颗粒组成的模型,把颗粒细观变化与宏观力学特性联系起来,建立了石灰岩的细观结构模型,获得了颗粒接触力、颗粒接触模量、接触连接强度和连接刚度比等细观力学参数。由于文中直接以细观成分为研究对象、反映了岩石和岩体组成的本质特点,所得结论不仅对含裂隙岩石本构关系研究具有广阔的应用前景,而且对岩体工程性质和地质灾害机制研究也具有重要的理论意义。

侧限压缩下砂土的细观力学特性及其形态分析

本文基于室内固结试验,自行设计加工了土体受到轴向压力和侧限条件时,对土的细观结构进行观测的细观结构观测固结仪。通过对中砂半模固结仪试验的宏观变形场分析选择了细观特征观测点,发现中砂的位移场类似于抛物线形,位移量最大区总是发生在上透水石的底面中心处;利用M iFas图像软件对中砂压缩过程中的显微图像进行处理,分析了中砂试样在压缩过程中的细观力学特性,包括特征区域的颗粒面积分布、颗粒长短轴的变化、颗粒偏心度的变化、颗粒方向性和土体孔隙特征的变化。压缩试验的细观力学研究意义在于把土力学的宏观力学试验用细观结构分析和变形场分布来描述,为常规土力学试验开辟了一种可行的细观分析方法,仪器的构思和设计加工也为细观土力学工作开展提供了一种新的途径。

深埋花岗岩细观力学特性纳米压痕试验及参数均质化研究

采用纳米压痕试验研究双江口地下厂房花岗岩主要矿物石英、钾长石、斜长石以及云母的细观力学特性。为研究纳米压头压入峰值荷载与力学参数之间的关系,石英、钾长石和斜长石纳米压痕试验的峰值荷载取2×10^(-3),3×10^(-3),4×10^(-3),5×10^(-3),6×10^(-3),7×10^(-3)和8×10^(-3) N,云母的纳米压痕试验的峰值荷载取1×10^(-3),2×10^(-3),3×10^(-3),4×10^(-3)和5×10^(-3)N。基于细观力学参数结果,采用稀疏(Dilute)法、Mori-Tanaka法和自洽(Self-consistent)法3种均质化方法求解花岗岩的等效弹性模量和泊松比,并与三轴压缩试验测定的宏观弹性模量和泊松比进行对比。研究结果表明:石英力学性质良好,钾长石次之,斜长石较差,云母最差且其测试参数最为离散;石英、钾长石和斜长石的弹性模量和硬度随峰值荷载的增大呈减小趋势,当峰值荷载达到5×10^(-3) N时,弹性模量和硬度测试结果趋于稳定,其弹性模量均值分别为105.5,100.8和68.1 GPa,硬度均值分别为14.8,11.7和3.1 GPa;云母受其片状层理结构和内部孔洞的影响,弹性模量和硬度随峰值荷载的变化趋势不明显,其弹性模量和硬度分别为44.2~47.8 GPa和1.57~2.01 GPa。均质化方法获得的等效泊松比与三轴压缩试验测得的宏观泊松比基本相同;均质化方法获得的等效弹性模量均大于三轴压缩试验测得的结果,其中Self-consistent法所得等效弹性模量偏差最大,Mori-Tanaka法次之,Dilute法最小;均质化方法获得的等效弹性模量更接近于高围压下的宏观弹性模量。

粗粒含量对砂卵石土宏细观力学特性影响分析

砂卵石土粗粒含量对基坑及隧道围岩等稳定性影响较大,然而不同粗粒含量砂卵石土宏细观力学特性尚不明确。采用室内大型粗粒土三轴试验与数值三轴试验相结合的方法,对不同粗粒含量砂卵石土宏观及细观力学特性开展研究。研究结果表明:随着粗粒含量增加,砂卵石土的应力应变曲线表现为应变软化性;围压不变时,砂卵石土随着粗粒含量增加,应力峰值增大而达到峰值时的应变逐渐减小。建立了砂卵石土粗粒含量与内摩擦角和黏聚力等力学指标之间函数关系,随着粗粒含量的增加,砂卵石土的内摩擦角与黏聚力也以线性趋势增大;提出了不同粗粒含量砂卵石土的接触模量、颗粒刚度比、摩擦系数、接触粘结强度等颗粒离散元细观参数。研究成果为砂卵石地层工程精细化设计及施工提供理论支撑。

垃圾渗滤液侵蚀下混凝土宏细观力学特性演化规律

目前针对混凝土力学特性的研究多集中在硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀、酸侵蚀、冻融循环等,对经垃圾渗滤液侵蚀后的混凝土力学特性演化规律的研究还处于空白阶段。考虑到微纳米压痕试验是新兴起的一种测定材料细/微观力学行为的新方法,重点采用微米压痕试验研究了垃圾渗滤液对混凝土试样表面和不同侵蚀深度处的细观力学特性的影响。同时,通过单轴压缩试验研究了混凝土在垃圾渗滤液侵蚀下的宏观力学特性演化规律。相关试验可以为了解垃圾渗滤液侵蚀条件下混凝土结构宏/细观力学特性演化规律提供科学依据。

基于灰度方差统计的冰水堆积体细观建模与力学特性研究

提出一种基于数字图像处理技术生成颗粒流模型模拟冰水堆积体力学特性的新方法。该方法以基于比特平面分解的图像消噪技术对数字灰度图像进行预处理,采用最大类间方差算法求解自适应阈值实现图像二值化分割,通过最近像素插值算法建立反映冰水堆积体细观结构的隔层错位模型。将该方法应用于云南古水水电站坝前冰水堆积体工程,通过双轴压缩试验模拟表明:该方法能克服基于像素直接对应建立模型时发生轴向压缩的缺点;由土石混合而成的冰水堆积体在双轴压缩下的应力–应变关系呈硬化特性,岩块的存在增加了弹性模量和峰值强度;土体黏结强度提高对峰值强度有影响,但对初始弹性模量影响不明显;低应力条件下,堆积体近似满足莫尔–库仑强度准则,且与剔除块石影响的"土体"相比,内摩擦角提高了0°～9°,黏结力提高了300 kPa。该方法可为现场冰水堆积体的参数确定提供理论依据。

废轮胎颗粒砂混合物双轴压缩力学特性细观机理研究

轮胎颗粒砂混合物(简称橡胶砂)是一种典型的二元散体混合材料,关于其细观变形机制的研究还很少。基于颗粒流理论和PFC2D程序,建立橡胶砂的双轴压缩试验数值模型。通过与室内橡胶砂三轴CD剪切试验的对照,标定橡胶颗粒和砂颗粒细观参数。以砂的体积百分比为配比参数,分析不同配比橡胶砂的偏应力轴向应变曲线,基于对混合物试样颗粒旋转、力链结构和能量耗散规律的讨论,研究橡胶砂的细观变形机理。结果表明:1)橡胶砂的细观变形机制可归结为具有良好变形能力的橡胶颗粒对砂颗粒的粒间相对错动、翻滚等位移的延缓和抑制作用;2)当橡胶颗粒体积含量在30%~40%之间时,橡胶砂的强力链随着应变的增大而持续增大,其受荷变形能力关系最为稳定,是橡胶砂的最佳配比。同时,本文对橡胶砂力学特性的参数敏感性研究表明,砂细观泊松比、细观剪切模量、颗粒摩擦系数对橡胶砂应力应变特性的影响程度大小依次增大,但随着橡胶颗粒含量的增加,三个参数的影响程度均降低。

土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制的三维离散元精细模拟

为了更加精细的模拟土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制,针对已有三轴试验侧向柔性薄膜边界模拟方法进行改进,提出三维组合墙法实现了柔性薄膜边界的三维离散元模拟。结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体大型三轴数值试样,开展数值试验标定土石混合体数值模型的细观力学参数并与室内试验结果进行了对比验证。深入分析不同含石量下土石混合体的宏细观力学特性和变形破坏机制。结果表明:三维组合墙法原理简单、参数较少、易于实现且应用效果较好;大型三轴试验数值模拟能够较好地再现土石混合体宏观的应力–应变特征、强度特性和破坏模式;随含石量增加,土石混合体的骨架结构效应越来越显著;剪切带内土颗粒旋转量较大而块石颗粒旋转量较小,表明剪切面绕过了较大的块石颗粒。

CDC-16道岔捣固车对有砟道床作业的宏细观力学行为的影响

道岔是实现列车转线的关键设备,是铁路轨道的三大薄弱环节之一,定期进行捣固养护作业是保障列车安全运营的重要手段。但目前针对道岔捣固作业主要依赖实践经验,缺乏理论依据。为研究捣固作业对道岔区有砟道床力学特性的影响,首先,基于DEM-MBD耦合算法,建立CDC-16捣固车捣固装置-钢轨-轨枕-有砟道床仿真模型,实现道岔区捣固作业的有效模拟;其次,开展现场横向阻力试验,验证模型的正确性;最后,分析捣固作业前后道床阻力特性、轨枕竖向位移及道床支承刚度的变化规律,探讨捣固作业次数对有砟道床质量状态的影响。研究结果表明:捣固作业后道床横向阻力降低32.40%,纵向阻力降低28.13%,支承刚度降低86.23%;捣固作业不会改变枕侧、枕底和枕端3部分对纵横向阻力的贡献排序,但对枕侧区域的分担比影响最大;随着捣固次数增加,在一定范围内道床纵横向阻力和支承刚度提升较明显。综合考虑有砟道床质量状态、力学特性以及大机作业效率,建议对道岔区尖轨位置捣固作业以2~3次为宜。

基于微米压痕实验研究页岩力学特性

针对页岩储集层力学特性较难获取的问题,提出基于微米力学测试技术的页岩细观力学特性定量评价方法;通过开展四川盆地长宁区块寒武系龙马溪组页岩露头的微米压痕实验,分析页岩的细观力学特性,评价宏观、细观尺度下页岩力学特性的关系。页岩微米压痕实验结果分析表明:细观弹性模量和压入硬度呈非均匀分布;宏观、细观实验对比分析显示弹性模量的细观实验统计平均值近似于宏观实验测量值。通过引入页岩组成参量——颗粒堆积密度,得到页岩组成与力学性质的关系:细观弹性模量和压入硬度随颗粒堆积密度的增加,呈非线性递增变化。基于硬度-颗粒堆积密度模型,逆向分析细观内聚力和内摩擦角,细观测量值的统计平均值略小于宏观值。微米力学测试技术可较好地表征页岩细观力学特性并有效预测宏观力学参量。

空气动力学效应作用下高速铁路隧道细观力学数值模拟

在隧道衬砌压力变化规律研究的基础上,从混凝土细观力学的角度出发,建立了含初始孔隙的混凝土细观力学模型,对在高速列车运行条件下隧道中截面衬砌拱顶混凝土的力学特性进行了模拟计算,获得了不同时间点x方向应力图和第一主应力图,研究表明:高速铁路隧道空气动力学效应对高速铁路隧道衬砌的细观力学特性和耐久性有重要影响.

基于CT动态扫描的冻土细观二元介质本构模型

开展荷载作用下冻土的宏-细观力学特性试验研究,对揭示冻土细观力学特性和建立宏-细观力学性质之间的联系具有重要的意义。利用重新研制的可配合医用CT进行扫描的冻土三轴仪开展了不同温度、围压条件下的饱和冻土常规三轴压缩试验研究,其中在轴向加载过程中共对试样进行了8次CT扫描。通过对CT数平均值和应力应变曲线的分析发现:当应力应变曲线表现为应变硬化时,冻土试样CT数平均值随着轴向应变的增加而线性降低;当应力应变曲线表现为应变软化时,试样CT数平均值在软化阶段加速降低。结合动态扫描过程中试样CT数平均值的变化规律,提出利用试样CT数平均值对体积破损率进行表征,建立了饱和冻土的二元介质细观本构模型,并利用试验数据对建立的本构模型进行了验证,结果表明提出的本构模型能够很好的预测冻土在常规三轴应力路径下的应力应变行为。

基于离散元的碎片尺寸随机的颗粒破碎模拟方法

依据天然堆石颗粒的破碎特性,构建了子颗粒粒径随机的碎片替换模式,即立方体替换模式.采用立方体替换模式可得到符合天然堆石颗粒破碎特性的子颗粒粒径分布.单轴压缩模拟试验表明,与子颗粒粒径固定的4球和18球替换模式相比,立方体替换模式能提高试样级配曲线的连续性,并改善中间粒径缺失的问题.对比不同子颗粒数量替换模式的模拟结果可知,立方体替换模式对应试样的接触数目和平均接触力分布符合替换模式子颗粒数量对分布的影响规律;剔除无接触和单接触颗粒后,3种替换模式的细观力学特性的变化规律一致,表明立方体替换模式可以用于模拟粗粒土的颗粒破碎.

脆性硬岩CWFS强度准则模型等效塑性参数优化研究

为探究适应脆性硬岩加载破坏的强度准则,以杏山铁矿混合花岗岩为对象,根据室内试验获得岩石物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴(3=40 MPa)刚性加载试验进行模拟。通过岩石全应力–应变试验与模拟曲线、AE声发射与裂纹监测成果等综合比较研究,获得荷载作用下混合花岗岩细观力学特性及微宏观破裂演化规律。在此基础上,结合岩石单轴刚性加载试验曲线,裂纹数、摩擦力能量与轴向应变关系曲线,以及FLAC模拟,对脆性硬岩黏聚力弱化–摩擦力强化(CWFS)强度准则模型参数进行优化研究与验证。获得杏山铁矿混合花岗岩CWFS强度准则模型参数:初始黏聚力为23 MPa,残余黏聚力为4.3 MPa,初始摩擦角为0°,残余摩擦角为46.3°,临界塑性应变cp,pf分别为0.001 5,0.003 7。该研究成果对杏山铁矿露天转地下开采围岩体破坏机制和力学本构关系研究和工程稳定性分析等具有重要的意义。

锚固结构荷载传递机理离散元模拟研究

研究目的:岩土锚固技术是岩土工程领域的重要分支,被广泛应用于土木、矿山、水电等工程领域,但关于锚固结构荷载传递机理的细观力学研究相对较少。本文依据现场试验,通过建立锚杆拉拔试验颗粒流数值模型,探讨不同荷载作用下轴力、锚固界面剪应力分布特征以及周边岩土体的细观力学特性。研究结论:(1)建立了锚杆张拉试验颗粒流数值模型,通过将计算结果与试验数据进行对比,验证了模型的合理性与有效性;(2)分析了锚固结构的荷载传递机理,其界面剪应力沿锚杆方向的分布是不均匀的:在弹黏性阶段,锚固界面剪应力以及轴力分布均为单调递减曲线;在弹塑性阶段,界面剪应力峰值点大致位于弹塑性变形区和弹黏性变形区的分界位置,并且随着张拉荷载的逐渐增大,界面剪应力峰值不断增大,峰值点不断向远端推移;(3)无论是在重力作用下还是受到拉拔荷载时,锚孔周边岩土体的强力接触力和弱力接触力基本垂直,在受到拉拔荷载时,周边岩土体的颗粒会发生重排列,导致强力接触力与弱力接触力方向产生强烈偏转;(4)本文研究方法与结论可为类似锚固结构的设计与力学分析提供理论借鉴。