基于PFC2D的缓倾顺层滑移-溃曲型岩质滑坡破坏机制分析

川东红层地区岩层倾角通常较缓,在缓倾顺向斜坡上出现了一种较为特殊的滑移-溃屈变形破坏形式。相对于缓倾岩层的顺层滑移,其破坏、受力和变形显得较为复杂。本文在分析兴浪坡滑坡变形模式的基础上,基于PFC2D软件对其进行破坏过程及微观力学分析。结果显示:受川东宽缓褶皱影响滑坡所处地形呈上陡下缓的特点,岩层变缓和老滑坡堆积造成的应力集中是斜坡发生滑移-溃曲的原因。变形破坏模式解析其分为滑移-弯曲鼓胀、强烈弯曲-隆起和滑移-溃屈破坏3个阶段。模型破坏云图位移显示滑坡中部监测点2位置存在应力集中导致的岩体错断和剪断特征,与实际调查相符合。滑坡中部溃曲处在滑动前主要表现为压应力集中,当应力集中到一定程度,岩体沿着层面或破碎带剪切贯通,形成滑移-弯曲-溃曲变形模式。研究结果对于其他类似边坡的稳定性评价和识别具有参考意义。

基于D-InSAR和PFC2D技术的白格滑坡稳定性分析

2018年10月11日和11月3日,位于金沙江上游右岸的西藏江达县波罗乡白格村先后发生了2次特大规模的滑坡堵江事件,经人工干预后险情得以解除。运用差分干涉合成孔径雷达(D-InSAR)技术对白格滑坡后缘的潜在危岩体进行了7.5d连续不间断的监测,结果表明:滑坡体上侧区域目前仍然不稳定,具有再次发生滑坡堵江的危险。基于此,文中利用颗粒流软件PFC2D模拟了滑坡后缘潜在危岩体在自身重力、强降雨、地震条件下的稳定性状况。模拟结果表明:后缘潜在危岩体在静力作用下不会产生明显的失稳滑动,在强降雨和强地震动条件下会发生失稳破坏,可能会再次堵塞金沙江并形成堰塞湖。根据文中的模拟结果可对滑坡稳定性做出科学评价,同时为以后类似滑坡的防灾减灾提供参考。

基于扩展PFC2D-GBM模型的单齿切削花岗岩破碎机制

常规钻井工具在钻进深部油气资源地层岩石的过程中,通常会遇到钻速低、成本高等问题。为提高钻头在深部硬地层的钻进效率、优化破岩参数,利用扩展PFC2D-GBM模型建立基于真实晶粒结构的花岗岩模型,对PDC单齿切削作用下的破岩机制进行深入分析,分别从宏细观尺度讨论围压、前倾角以及切削速度对破岩效果的影响。结果表明:在切削过程中,岩石中总会萌生晶内拉伸裂纹、晶内剪切裂纹、晶间拉伸裂纹以及晶间剪切裂纹4种微裂纹;无论在何种工况下,晶间拉伸裂纹的数量总是最多且分布范围最广;在无围压时,矿物晶粒在PDC齿作用下沿晶粒边界脱离岩石形成岩屑,产生的裂纹基本是晶间拉伸裂纹,只存在极少的晶内裂纹;随着围压的增大,晶内剪切裂纹的萌生会得到一定的促进作用,并且围压越大,这种促进作用更强。

基于PFC2D的黄土轴向压裂试验细观参数敏感性分析

黄土的低抗拉能力是黄土地区工程建设中病害频发的重要原因。采用离散元程序PFC2D对黄土轴向压裂试验进行数值模拟,通过控制变量法改变单个细观参数取值,分析其对黄土抗拉特性的影响,并结合正交试验,对各细观参数进行了敏感性分析。结果表明:黄土的抗拉强度与黏结刚度比k_(n)/k_(s)呈对数递减关系,与黏结强度σ_(c)、半径乘子λ呈线性递增关系;黄土的抗拉刚度与黏结刚度比呈对数递减关系,与半径乘子呈线性递增关系;半径乘子对抗拉强度的影响最强,黏结刚度比对抗拉刚度的影响最强,粒径比r^(*)对抗拉强度、抗拉刚度的影响均最弱。研究可为黄土轴向压裂试验数值模拟中细观参数的标定提供参考。

预制不同位置裂隙岩体在单轴加载过程的PFC2D数值模拟

在岩土工程领域中,岩体的稳定性关系到整个结构工程的安全。通过离散元模拟软件PFC2D模拟含裂隙岩体,建立一个包含不同位置,直径50cm,高100cm圆柱体试件二维模型,裂纹斜长l=30mm,裂纹尺寸为30mm×2mm,分别在模型上部、中间、下部位置设置预制裂隙,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果表明:单轴加载时,从岩体内部破裂情况看,破坏形式主要是拉伸破坏,细观上看是由于岩体颗粒速度发生相对错动,从而发生拉伸破坏。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,通过分析岩体的颗粒力链分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。

基于PFC^(2D)数值试验的异性结构面剪切强度特性研究

天然岩体中广泛发育两侧岩性不同的异性结构面,开展异性结构面变形和强度特性研究旨在为岩体稳定性评价和利用提供依据。选取三峡库区侏罗系典型的砂岩-泥岩异性岩层,首先运用分形几何理论,定量计算了平直和4种不同不规则起伏形态结构面的粗糙度系数JRC值,然后基于PFC^(2D)颗粒流程序,分别开展了以上5种形态异性结构面的数值剪切试验,获得了各形态结构面在不同正应力下的剪切应力-位移曲线。根据数值试验结果,采用巴顿的JRC-JCS模型分析了异性结构面强度特性,并与同性结构面强度性质进行对比研究。最后,在考虑异性结构面剪切破坏机制的基础上,引入强度因子的概念,提出了新的适用于异性结构面强度评价的两类改进巴顿准则。研究结果表明:异性岩体结构面抗剪强度介于相同粗糙度的两种同性结构面强度之间,在较低正应力下接近软岩同性结构面强度,符合Ⅰ型改进巴顿准则;在较高正应力下偏向硬岩同性结构面强度,符合Ⅱ型改进巴顿准则。实际工程中可利用改进准则并根据异性结构面应力状态对岩体稳定性进行评价,弥补了以往研究的不足。

基于PFC2D岩质边坡稳定性分析的强度折减法

基于颗粒流离散单元法,将强度折减法引入到边坡稳定性研究中,可以解决应用连续变形分析方法研究存在的缺陷.取特定平均不平衡力比率作为边坡失稳与否判断准则,将颗粒间粘结强度及摩擦系数进行折减,以边坡岩体出现失稳破坏且断裂面贯通作为失稳判断准则,一方面能够对边坡局部危险区域予以定性预测,另一方面监测边坡变形到破坏的失稳过程,最终定量分析边坡稳定性.结合黑山铁矿现场边坡稳定研究实例,分别研究了边坡开挖扰动前后的边坡变形特征,得到开挖前后边坡安全系数分别为1.803和1.183,与预期结论一致.

基于数字图像的非均质岩土材料细观结构PFC^(2D)模型

提出了一种基于数字图像处理的非均质岩土材料细观结构PFC2D数值计算模型自动生成方法,并采用VC++.NET编写了相应的接口程序.从而实现了非均质材料细观结构PFC2D软件建模的快速、真实及自动化等优点.通过对土石混合体这一典型非均质岩土材料的建模及分析实例,建立了土石混合体真实的细观结构PFC2D数值计算模型.分析计算表明,基于数字图像处理的PFC2D模型生成技术不但提高了建模和数值模拟分析的精度,而且对于进一步研究土石混合体等非均质材料的细观力学特征具有重要的意义.

节理岩质边坡破坏过程的PFC2D数值模拟分析

边坡破坏后的运动过程及运动距离预测可以为灾害危险性区划、风险评估等提供定量分析依据,可以为灾后重建规划以及地震区工程建设提供指导。节理岩质边坡的破坏和其后的运动过程非常复杂,没有理论方法可以对这一过程进行合理的描述,而数值模拟方法是研究这一问题的有效途径。采用颗粒流程序PFC2D对节理岩质边坡的破坏和运动过程进行了研究,分析了关键参数对结果的影响,得出了破坏后的堆积形状和最终的运动距离。研究结果表明,颗粒流程序不但可以描述岩石等连续介质,而且可以描述节理岩体以及碎屑等不连续介质,是研究岩质边坡破坏运动的有效方法。

逆层岩质边坡地震动力破坏过程FLAC/PFC^(2D)耦合数值模拟分析

建立含有非贯通层面和正交次级节理的逆层岩质边坡FLAC/PFC2D耦合计算模型,进行地震动力破坏过程模拟试验,研究了逆层岩质边坡地震动力破坏机理。试验结果证明,在地震动力破坏过程中,边坡内部层面主要产生剪切破坏,少量张拉破坏集中于逆层边坡顶部位置并且总是发生在坡体已经产生动力失稳之后,因此层面的抗拉强度并不影响逆层边坡的地震动力稳定性。坡顶正交次级节理只能产生张拉破坏,形成宏观的岩层倾倒趋势,而坡底的正交次级节理既会产生张拉破坏,也会产生剪切破坏,破坏面滑动趋势明显。动力响应坡顶放大效应和破坏面发育位置深度导致坡顶岩体的张拉倾倒早于坡底岩体的剪切滑动,与逆层边坡静力倾倒破坏顺序相反。

基于PFC^(2D)岩石颗粒破碎强度和能量的分形模型

颗粒的破碎强度随着粒径的增大而减小,即颗粒破碎的尺寸效应,分形模型为解释固体颗粒破碎的尺寸效应提供了可行的方法。根据岩石颗粒破碎时的分形特征,采用Sammis破碎准则,通过模拟分析得出岩石颗粒破碎能量和强度的分形模型,建立和验证用分维D来表示岩石颗粒破碎的能量和强度准则,得出并验证了岩石颗粒破碎分维的确定方法。利用离散元软件PFC^(2D)的黏结颗粒模型BPM(Bonded Particle Model)模拟了小孔隙率n=0.12和大孔隙率n=0.3,即密实和松散两种情况。其中小孔隙率采用在模型上添加小颗粒的新方法,分别做了400组粒径不等的数值模拟试验,从粒径与破碎强度、破碎能量之间的关系和应力-应变曲线3个方面进行了统计,验证了岩石颗粒破碎强度与分维D的理论关系为σf∝dD-3,并得出颗粒破碎时的能量和与分维D之间的关系为Ef∝dD-1。验证了分形理论在分析颗粒破碎的尺寸效应中的较好应用,为确定岩石颗粒的破碎强度和岩石堆砌体剪切强度提供新的方法和参考意见。

无底柱分段崩落法放矿规律的PFC2D模拟仿真

利用基于颗粒流的离散元方法,对无底柱分段崩落法覆岩下放矿的崩落矿岩移动规律以及矿石损失贫化过程进行了数值仿真。以矿石回收率和废石混入率为检测指标,对比分析平面放矿和立面放矿2个不同的放矿方案的优劣。研究发现,在相同的放矿条件下,平面放矿方案比立面放矿方案更加合理。在同一放矿模型中,通过对比5种不同摩擦性质颗粒在立面放矿方案下的放出体形态,发现在结构参数和放矿方案既定的情况下,矿岩散体内摩擦角会影响放矿效果：颗粒间摩擦系数越大,放出椭球体的偏心率越大。

基于PFC2D不同细观参数对生态混凝土宏观破坏分析

采用PFC2D离散元软件通过内嵌的Fish语言创建了不规则骨料,通过建立的生态混凝土数值模型利用控制变量法从不同细观力学参数对其双轴压缩破坏的影响进行了分析。研究结果表明:平均强度和标准差主要影响混凝土材料的不均匀性,不均质度越高,强度越低,裂纹空间分布越分散;摩擦系数主要影响应力应变曲线的形状和材料强度,摩擦系数越大,颗粒之间的咬合力越大,曲线下降段的残余强度也就越大;刚度比值和接触模量的增大均会造成颗粒之间形成刚性接触,平行黏接的作用会被削弱导致高抗拉应力和更多的张拉裂纹,最终宏观表现为张拉破坏。对混凝土数值模型的力学细观参数进行探究能够更好地对其进行参数的选择,为以后建立数值模型提供参考依据。

基于PFC2D数值模拟座滑危岩破坏过程研究

发育在软硬互层结构上的危岩是一种多介质复合结构岩体,呈现出非均质危岩体的各项异性,比单一岩性在荷载作用下的受力、变形、破坏特征要复杂。利用颗粒流离散元方法进行数值模拟是研究该类危岩破坏问题的良好途径。基于PFC2D软件,对长江巫峡望霞W2危岩颗粒物质动力响应和危岩失稳过程进行了研究。结果显示,在上部重力荷载与下部软弱基座强度参数劣化的共同作用下,危岩体沿岩体底部软弱结构面锁固段发生破碎挤出。获取的位移参数表明,危岩体顶部和底部较大的速度差异可使危岩体呈后倾座滑破坏。模拟结果与实际监测数据结果吻合,验证了该方法对含软弱基座危岩破坏预测的科学性与合理性。

基于PFC2D的土体缓冲落石冲击能力研究

常用的拦石墙、棚洞等落石防护措施均需布置土体来缓冲落石造成的冲击力,其缓冲能力在进行防护措施结构设计时应合理考虑。颗粒流程序PFC2D(Two-dimensional Particle Flow Code)可有效模拟落石冲击土体和结构的动态过程,用来分析不考虑土体缓冲效应下的落石冲击力,结果与瑞士算法基本一致,略大于日本算法。进一步地,取不同厚度的素填土、粉质黏土和砂质粉土3种缓冲土层,分析不同坠落高度条件下落石经过土体缓冲后对结构的冲击力,发现土体的缓冲能力与土层厚度、缓冲能力与坠落高度均大致呈指数函数关系;坠落高度对缓冲能力的影响基本不随缓冲土体选材改变而变化;同样厚度条件下粉质黏土缓冲能力最大,素填土次之,砂质粉土最小。研究成果表明实际工程中缓冲土层厚度宜设定为2～3 m。

延安新区马兰黄土湿陷特性的PFC^(2D)模拟

为了深入了解延安新区马兰黄土的粒间作用,揭示其湿陷机理。首先利用扫描电子显微镜观察了黄土的微观结构特征,并且利用IPP图像处理软件对黄土颗粒定量分析,论证了PFC^(2D)软件模拟黄土粒间作用的可行性。然后,基于离散元理论,利用颗粒流PFC^(2D)程序模拟了延安新区不同埋深原状黄土颗粒的分布情况及颗粒间相互作用,以一种直观的方法再现了天然黄土的微观结构特征。对比分析了不同深度黄土颗粒分布及接触力分布与湿陷性的关系。结果表明:骨架颗粒间的作用决定了土体的结构强度,尤其以团粒结构的接触力为主。随着深度的增加,黄土骨架颗粒由点接触方式逐渐过渡到团粒重叠接触,粒间接触力明显增强。PFC^(2D)模拟方法为黄土湿陷性成因机理研究提供了新的思路。

柔性石笼挡墙变形受力的PFC^(2D)数值模拟

石笼挡墙作为一种新型的挡土结构,在国内的应用还不够多,同时在已建或待建的挡土工程中,也出现了传统的挡土结构很难解决的情况,文章针对这种状况,引入了石笼挡墙这种柔性构筑物,并建立了石笼挡墙的PFC2D模型,从对墙面侧向位移的量测中,提出了行车荷载对挡墙的影响深度,研究了石笼墙背土压力,对回填土的受力特性划分了5个阶段,阐明了经过初期的荷载作用,挡墙与回填土的共同体达到了平衡状态,分析了挡墙墙背的侧向位移,指出了这种柔性结构能很好地消散土压力的作用。

PFC^(2D)模拟裂隙岩石裂纹扩展特征的研究现状

二维颗粒流数值模拟(PFC^(2D))是目前研究裂隙岩石裂纹扩展特征的重要手段。在大量已有相关研究文献的基础上做了以下分析和总结:从颗粒接触本构模型、细观参数的标定和裂隙模拟方法 3个方面对当前PFC^(2D)的主要模拟方法进行了总结;根据PFC^(2D)模拟裂隙岩石裂纹扩展特征的研究现状,重点对单裂隙、断续双裂隙岩石在不同加载方式下的裂纹扩展特征进行了深入总结。在此基础上,指出当前研究中存在如下不足:裂隙岩石的PFC^(2D)模型未考虑断裂韧度是否符合实际、平行黏结模型模拟结果与室内试验结果存在差异、模拟裂隙与真实裂隙存在差异。结合研究中存在的不足,提出了相应的解决办法并进行展望,以期有助于裂隙岩石PFC^(2D)模拟方法的发展。

基于PFC2D马鞍山铁矿2号露天采场边坡稳定性分析

基于颗粒流离散元理论,利用fish语言编写强度折减系数的函数对边坡稳定性进行研究。通过研究宏微观参数之间的关系,参照传统的强度折减法,对颗粒的平行连接强度和摩擦因数进行折减。在有明显位移时,以累计位移作为边坡失稳的判断标准;无明显位移时,以不平衡力与接触力之间的比率作为计算结束标准。结合马鞍山铁矿2号露天采场具体情况,分别采用PFC2D软件和bishop法计算了其安全系数,其结果分别是3.874和5.564,并对2种方法产生差异的原因进行了分析,可为PFC2D中实现强度折减法的改进提供参考。

基于PFC^(2D)高梯度磁场下煤粉干式磁选行为模拟

为了清晰认识煤粉磁选行为的特性,选取矩形磁钢-锥形聚磁介质闭合磁系提供高梯度磁场环境,建立了煤粉干式磁选过程磁性颗粒动力学模型。基于二维离散元软件PFC2D,研究了干式磁分离过程磁性颗粒运动行为,考察了磁场强度、极距、比磁化率、锥角对颗粒运动轨迹中位移、速度、平均不平衡力的影响。结果表明:磁场强度、比磁化率越大,颗粒在磁场中受力越大,位移、速度变化越明显,有益于颗粒的磁力捕集;保持颗粒距锥尖相对距离l/2,极距越小,位移、速度变化趋势越大,越有利于磁性颗粒的吸附、系统的稳定;锥角为π/3时,颗粒所受磁场力最大,系统易达到平衡状态;锥角对系统影响最弱,比磁化率较极距、磁场强度对系统影响大。