基于颗粒流程序的黏弹塑性本构模型开发与应用

在深入研究西原体模型黏弹塑性特征的基础上,推导出不同塑性条件下的流变特性方程,并将其推广到离散单元法中,研究了颗粒间力与位移关系的数值积分方案,总结出颗粒流程序中接触本构模型开发方法,并基于二维颗粒流程序(PFC2D)开发出具有黏弹塑性特征的西原体接触本构模型。通过两个互相接触的固定球体之间的应力松弛试验,分3种情况验证了模型编制的准确性。利用取自张家洼铁矿巷道内的岩石试样,通过单轴和三轴压缩试验获取计算参数,并进行了单轴压缩蠕变试验的模拟,通过与室内蠕变试验结果的对比,验证了PFC2D中自定义西原体模型用于岩石流变特性研究的可行性。利用西原体模型与线弹性模型对D型深埋巷道进行分析计算和破坏模式研究,结果显示,西原体模型预测结果与Hoek-Brown准则理论结果更为接近。在围岩蠕变作用下,巷道两帮变形量大于顶板和底板,破坏程度更为严重,计算结果与现场监测数据基本吻合。根据巷道长期稳定性的要求,提出着重支护两帮的治理建议。

基于颗粒流程序的广义Kelvin模型及其应用

研究具有流变特性的由一个Maxwell体和任意个Kelvin体串联组成的广义Kelvin模型,并对其本构关系进行推导。在Microsoft Visual Studio平台上采用C++语言编译模型的头文件和源文件,开发出广义Kelvin模型的动态链接库(DLL)文件,在二维颗粒流程序(PFC2D)中对DLL文件进行加载调用,实现对广义Kelvin模型的开发。对含不同数量Kelvin体的广义Kelvin模型进行应力松弛模拟试验,得到接触力随时间的变化关系并与理论解对比,验证了开发模型的准确性。在此基础上,以某露天煤矿的含粉质黏土边坡为工程实例,利用开发的广义Kelvin模型对其失稳过程进行模拟,所得结果与边坡现场特殊的帽檐形破坏模式相符,而与采用普通线弹性模型模拟得到的边坡失稳形态为"圆弧滑动"不一致,说明该模型可用于研究此类含粉质黏土边坡失稳的破坏机制,并在此基础上,提出了对该类含具有流变特性的粉质黏土边坡的处治建议,研究结论可为今后类似研究提供有益的参考。

基于颗粒流程序的仿真节理岩体模型及其应用

为实现采矿巷道周边节理网络的仿真模拟以及节理岩体中巷道的稳定性分析,构建了包含颗粒流块体模型、原生节理网络和次生节理网络的仿真节理岩体模型。针对岩体内部次生节理产状和面积不可准确测量的难题,提出了卸荷作用下次生节理产状和面积的计算方法:根据开挖前后应力张量变化计算卸荷方向,利用Fisher分布函数生成围绕在卸荷方向附近的随机节理产状;监测卸荷前后颗粒中储存能量的变化,计算节理面积和半径。通过布置测线方式获得巷道中原生节理密度和产状信息,利用Monte-Carlo方法实现对原生节理的重建;利用次生节理计算方法实现次生节理网络的建立,从而建立仿真节理网络以及仿真节理岩体模型。计算结果显示:无节理模型中顶板和底板先破坏,以张拉破坏为主;而在仿真节理岩体模型中节理部位最先破坏,原生节理以剪切破坏为主,次生节理以张拉破坏为主,在高应力作用下巷道周边基本全部破坏,需整体支护且重点在左右两帮。该计算方法可为节理岩体中巷道的稳定性计算提供参考及建议。

粉粒体斜面慢速流的三维颗粒流程序仿真

为了研究粉粒体斜面慢速流的机理,在分析粉体流动性影响因素的基础上,应用颗粒离散元法三维颗粒流程序建立斜槽仿真模型并进行三维流动过程模拟,观察颗粒在斜槽内的流动情况及单个颗粒在流动过程中的受力、位移和速度,测量颗粒内部力场和颗粒速度场变化。结果表明,随着斜槽倾角的增大,粉粒流的速度呈连续、不均匀增大,堆积颗粒之间的接触力与不平衡力显著增大,并对流速产生一定的影响。

基于颗粒流程序的ATB-30下面层细观响应

采用颗粒流程序建立了ATB-30下面层细观模型,模拟了施工时车辆荷载作用下ATB-30下面层的受力特性,追踪了标准轴载作用下ATB-30颗粒间接触力的演化及不同位置处颗粒的位移,比较了ATB-30与AC-20颗粒间接触力细观响应的差异.结果表明:颗粒间接触力的大小、延伸方向各异,较大的接触力出现在大颗粒间,施加荷载前颗粒间最大接触力为7.051×104N;荷载作用后最大接触力为1.393×105N,与未施加荷载相比增加约1.98倍,在轮胎下方接触力分布较密集,接触力较大;沿竖直方向颗粒位移逐渐减小,且轮隙处颗粒位移小于轮胎正下方颗粒,左右轮下方颗粒产生的位移最大差异出现在深度为0.04 cm处,两者相差0.28 mm.

基于颗粒流程序的ATB-30下面层细观响应研究

为了研究ATB-30下面层在荷载作用下的细观响应,利用颗粒流程序生成ATB-30下面层的细观模型,在施加标准轴载后,追踪了细观模型颗粒间接触力的演化、不同位置处颗粒的位移。模拟结果表明:颗粒间接触力的大小不同、延伸方向各异,较大的颗粒间形成较大的接触力,施加荷载前模型的最大接触力为7.051×104 N;荷载作用后,ATB-30细观模型的最大接触力为1.393×105 N,比未施加荷载时增加了约1.98倍,接触力的分布在轮胎下方较密集,且接触力较大;沿深度方向颗粒的位移逐渐减小,两轮轮隙处颗粒的位移明显小于左右轮中间处的颗粒,并且左右轮中间处颗粒产生的位移相差不大,最大差异出现在深度为0.04cm处,两者仅相差0.28mm。

基于颗粒流程序的矿区重载下级配碎石分析

为了研究矿区重载作用下级配碎石的细观力学响应,利用颗粒流程序构建了不同厚度级配碎石的矿区道路细观结构,在施加矿区典型矿车荷载条件下,追踪了道路结构内部颗粒的接触力、位移变化情况,并监测了荷载作用下级配碎石底部平均应力、轮胎中间竖向位移.结果表明：施加重载后,细观模型内部的接触力网和位移矢量出现各向异性,主要分布于荷载下方,随着深度的增加,荷载的影响逐渐减小;在厚度为40 cm时测量圆1和测量圆3的配位数最大,测量圆2在45 cm时配位数出现最大值;随着厚度的增加,XX和YY方向平均应力基本呈增加的趋势,在45 cm处出现峰值;最大接触力和平均接触力的最大值所对应的厚度分别为45 cm和40 cm;左右轮胎中间竖向位移在厚度为45 cm时出现最小值;矿区重载级配碎石层的推荐厚度为40～45 cm.

沥青混合料劈裂试验的颗粒流程序模拟研究

为了从细观角度模拟分析沥青混合料的低温开裂行为,选取了4种集料类型、4种矿料级配类型,运用颗粒流程序PFC2D内置"Fish"语言,重构了包含沥青砂浆和粗集料在内的沥青混合料细观数字试件,采用离散元方法实施了虚拟劈裂试验。研究结果表明:离散元模拟得到的劈裂抗拉强度与室内试验结果的匹配程度较好;试件在加载至峰值荷载前,内部已萌生一定数量微观裂纹,极值点荷载后微观裂纹数量大幅增加;高强度集料组成的混合料基本沿着集料与砂浆的界面发生破坏,低强度集料则部分会被裂纹贯穿;基于颗粒流程序的虚拟劈裂试验可以作为研究沥青混合料断裂特征的辅助手段。

基于颗粒流程序分析河道采砂对堤防稳定性的影响

为了研究河道采砂对河堤稳定性的影响,采用颗粒流程序(PFC)从细观角度监测并分析采砂坑形状、离堤脚的距离及采砂坑深度3个参数的变化对堤防稳定性的影响,得到堤防坡顶、坡中和坡底筑堤材料孔隙率随采砂坑参数变化的规律;运用强度折减法原理和特征点位移判据法计算堤防抗滑稳定安全系数,得出河道采砂方式与堤防抗滑稳定性的内在联系。研究结果表明:孔隙率变化可反映土体细观颗粒变化,利用孔隙率可以追踪在不同采砂条件下河堤各部位细观土体的流失破坏过程;河道采砂方式对堤防抗滑稳定性有较大的影响,采砂坑离堤脚越近,堤防抗滑稳定安全系数越低。因此,在正常设计中采砂坑与堤脚之间应保持足够的安全距离。

基于颗粒流程序的粉体物料料斗建模与平衡分析

为了研究粉体物料料斗内颗粒流动的内在机理,应用颗粒离散单元法建立仿真模型,利用颗粒流程序三维版模拟物料料斗卸料过程中粉体物料流动堆积过程,观察粉体物料在料斗中的动态流动,记录标记粒子在模拟过程中受力和速度的变化,并分析粒子在静、动状态下对料斗侧壁及堆积底面的压力变化。结果表明:颗粒流动速度在料斗出口处出现明显波动;颗粒间的微观不平衡力和接触应力在出口处显著增大,侧壁处初始时受压较大;在宏观流动过程中,料斗中心处的颗粒率先流出。

基于OpenGL的颗粒流程序数值模拟结果可视化

介绍了颗粒流程序模拟结果的可视化开发方法,并通过具体实例说明以OpenGL为基础的可视化实现步骤,结果表明,以OpenGL为基础的可视化方法可以直观、逼真地反映数值模拟结果的正确性。

基于颗粒流程序的非定常西原体模型

为实现岩石试样蠕变全过程的准确模拟,并从细观角度探究蠕变过程中微裂隙的发生和发展规律,在二维颗粒流程序(PFC2D)中开发出具有黏弹塑性特征的西原体流变接触本构模型,进一步提出包含两种非定常元件的非定常西原体模型,推导了模型本构关系和蠕变方程.在PFC2D中调用自定义西原体流变模型,通过参数调试,获得与真实试样具有相同强度特性的数值试样.以室内单轴压缩蠕变试验数据为基础,在Matlab中对模型非定常参数进行拟合反演分析.在此基础上,进行单轴压缩蠕变试验的模拟,计算过程中分别采用定常和非定常两种模型,并对微裂隙进行监测.对比分析结果表明:定常模型仅适用于衰减和稳定蠕变阶段;非定常模型也可用于描述加速蠕变阶段,从而准确模拟蠕变全过程;加速蠕变阶段主要是由微裂隙的加速发展而产生,加速蠕变将导致试样剪切破坏.

基于颗粒流程序的不同加卸载条件下泥岩蠕变破裂规律研究

为研究平顶山12矿泥岩在不同加卸载围压速率下的蠕变破裂规律,在Bugers蠕变模型的基础上引入非线性黏塑性体(NVPB)串联构成Bugers-NVPB模型,基于颗粒流理论建立颗粒间力与位移的数值积分方案,二次开发出适用于二维颗粒流程序(PFC^2D)且具有加速蠕变特性的黏弹塑性蠕变模型。建立PFC2D模型,并进行单轴压缩和三轴分级加载蠕变的模拟,通过与室内试验对比,验证了Bugers-NVPB模型对于蠕变试验的可行性。在此基础上,进行单轴压缩和不同加卸载围压速率下蠕变试验,分析了不同条件下试样的破裂形态、微裂纹数量和破裂机制。结果表明:在加卸载围压条件下,泥岩蠕变破裂形态比单轴压缩条件下更为复杂,且微裂纹总数更多;随着加卸载速率的增加,泥岩蠕变破裂形式由以剪切破坏为主,向张拉破坏为主过渡,微裂纹发育的局部化效应更加显著,微裂纹总数有所减少;在蠕变破裂阶段,试样均产生大量的张拉裂纹,且随着加卸载速率的减少,试件中较少的剪切裂纹对宏观破裂形态的影响愈加显著。

钻孔卸压影响因子的颗粒流分析

针对煤矿深部开采冲击地压灾害治理难题,利用颗粒流软件设置不同钻孔数量、不同钻孔间距两个变量,研究其卸压效果。模拟结果表明:钻孔数量越多、钻孔间距越小,峰值强度越低,卸压效果越好。根据实时裂纹数随加载过程的变化,试样的破裂过程总体呈现“平静-缓增-急增”三个阶段,累计微裂纹数量变化也与钻孔参数相关。

岩石破裂过程中声发射特性的颗粒流分析

以颗粒流理论和PFC程序为平台,根据矩张量理论建立细观尺度上岩石声发射模拟方法。该方法可同时给出声发射事件发生的时间、空间、破裂强度等特征,再现岩石裂纹孕育、发展和贯通过程,从而揭示岩石的破坏机制。结合室内花岗岩破裂全过程声发射特性试验研究成果,通过试验和计算结果的对比分析,验证该方法的可靠性,并得到以下结论:(1)在试样峰值强度前,声发射事件次数较少、破裂强度较低,且在试样内部随机分布;从试样峰值强度起至破坏时的残余强度,声发射事件次数较多、破裂强度较高,且主要沿宏观破裂带附近分布。(2)声发射事件次数随破裂强度变化近似呈正态分布。在均值与最大破裂强度之间,声发射事件累积数随破裂强度的降低近似呈线性对数函数关系。(3)每次声发射事件所包含的微破裂数,随破裂强度的提高而增加,近似呈波尔兹曼函数关系。(4)声发射事件次数与微破裂数近似呈负指数函数关系,即包含微破裂数越少的声发射事件,其所占总数的比例越大。研究成果可弥补现有声发射试验及模拟方法的不足,并作为一种新的手段为声发射试验与现场微震监测研究所利用。

伯格斯模型参数调试与岩石蠕变特性颗粒流分析

岩石作为地下工程的主要研究对象,其物质组成和所赋存的复杂地质环境使其具有明显的流变特性。基于三维颗粒流程序(PFC3D),采用由开尔文模型和马克斯伟尔模型串联组成的伯格斯(Burgers)流变模型,通过控制变量法,分析了伯格斯模型中弹性系数(Em和Ek)、黏性系数(?m和?k)和摩擦因数f对瞬时强度特性和流变特性的影响;分析得出数值试样的瞬时强度特性主要受马克斯伟尔体弹性系数Em和摩擦因数f影响:弹性模量和单轴抗压强度与Em和f均呈正相关,泊松比与Em呈正相关,与f呈负相关;而流变特性与各参数均呈现负相关性。在此基础上,进行了红页岩分级增量蠕变试验的模拟,通过与室内蠕变试验结果的对比,验证了PFC3D中的伯格斯模型用于岩石蠕变试验模拟的可行性,并将该方法用于分级增量循环加卸载蠕变试验和三轴蠕变试验数值研究。该研究内容是利用离散单元法研究岩石流变特性的一种新的尝试。

水-力耦合条件下砂岩声发射和能量耗散的颗粒流模拟

对砂岩进行水-力耦合三轴试验和声发射实时监测,得到水-力耦合作用下砂岩应力-应变曲线和声发射数据。根据试验条件和结果建立离散元颗粒流的水-力耦合双轴模型,研究砂岩声发射和能量演化规律。通过定义耗散能,用耗散能增量较好地诠释了声发射的发展规律。利用微破裂源可追踪声发射局域源,得到水-力耦合条件下的声发射空间分布和裂纹类型。研究表明:(1)孔隙水压力对颗粒的拖拽力削弱了颗粒间的平均接触力,从而降低了砂岩整体强度。(2)孔隙水压力反映出对弹性应变能有一定程度的反复"贮存和清空"作用,造成声发射能量相对离散和峰后的应力波动。(3)渗透压的存在提升了总输入能的耗散效率,降低了总输入能和弹性应变能,须综合考虑总输入能(弹性应变能)和耗散效率才能确定累计耗散能。(4)裂纹分布表现为可能出现与主剪切带呈一定夹角的伴生裂隙带,且受水-力梯度影响,进水端比出水端更密集。(5)张拉裂纹与剪切裂纹的比值于峰值强度处显著增加,峰后趋于稳定。

颗粒流细观强度参数与岩石断裂韧度之间的关系

为研究岩石颗粒流分析模型中细观强度参数的物理意义,以接触黏结模型(CBM)中等效微梁的模型为基础,通过对2个黏结颗粒的拉伸和剪切状态进行分析,推导岩石颗粒流细观应力和断裂强度因子关系的理论公式,进而建立强度参数与岩石断裂韧度关系的理论模型。分析结果表明,岩石断裂韧度与细观强度呈线性关系。岩石颗粒最小粒径与颗粒半径比均对断裂强度因子有不利影响,且颗粒半径比的影响较大。以重庆地区砂岩为例,给出岩石断裂韧度与颗粒流细观强度之间的定量表达式,结果表明,岩石I型断裂韧度理论计算值范围与实测值较为相符。

岩石节理剪切力学行为的颗粒流数值模拟

利用颗粒流程序生成岩石节理直剪试验数值模型,进行不同法向应力作用下节理直剪试验的颗粒流数值模拟,研究节理的宏细观剪切力学行为,以及不同法向应力作用下微裂纹的发育及演化规律。结果表明:模型试件在直接剪切过程中表现出类似于真实节理的宏观力学行为,试件的抗剪强度和剪切峰值剪胀角对法向应力的依存关系体现出与JRC-JCS模型预测结果良好的一致性;模型试件主要在节理面两侧的微凸体附近产生接触压力集中现象。法向应力越大,接触压力集中区越多,集中程度越高;随法向应力不断增大,试件内微裂纹的发育速度逐步提高,剪切裂纹发育数目在微裂纹总数中所占的比例逐步增大,但仍远少于张性裂纹;节理面上接触压力的分布特征与模型试件内微裂纹的发育规律一致;节理在外荷载作用下的剪切破坏是节理面上微裂纹汇集贯通的结果,"压致拉"效应在此过程中起主导作用。

深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟

由于颗粒流程序(PFC)对岩石基本力学特性的描述是从颗粒间接触状态及其变化特征入手,因此PFC能够克服由于岩石本身细观特性所造成的描述上的困难,实现在岩石模型中对细观结构的模拟,而这些都是传统断裂力学理论无法解决的。针对锦屏深埋大理岩在破裂过程中表现出的时间效应,通过在平行黏结模型中引入损伤速率概念形成平行黏结应力腐蚀模型(PSC),结合室内大理岩静态疲劳破坏试验,确定PSC模型中的相关细观力学参数。利用PSC模型对锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应的模拟,分析在不同驱动应力比作用下大理岩的变形特征、裂纹特征和破裂特征。研究结果表明,利用PFC能够展现出与岩石破裂过程相符的细观特征,而这些细观表现有利于更好地理解脆性岩石强度的时间效应。