地下采矿引起地表塌陷离散元PFC^(2D)数值模拟研究

采用离散元PFC^(2D)建立了地质剖面颗粒流模型,研究了矿体开采过程中上覆岩层裂缝形成与发展过程,揭示上覆岩层逐渐垮塌崩落的机理。结果表明,随着矿体的开采,裂隙不断向上发展,裂隙数增加。开采矿体后形成的采空区造成了上覆岩层的拉裂⁃剪裂破坏,岩层中不断有新生裂缝产生。上覆岩层主要以拉裂缝发展为主,在拉裂缝发展区域两端产生部分剪破坏裂缝,在空区两端已经出现向上发展的裂缝集聚,是空区顶板逐渐垮塌崩落的征兆。开采第3分层和第4分层矿体后,出现了局部顶板垮塌现象,且垮塌崩落逐渐发展为整个采空区顶板垮塌,最终垮塌崩落至地表,在地表初步形成一个小塌陷坑。塌陷坑发展过程依据裂隙数可细分为平稳发展时期、缓慢发展时期、快速发展时期和结束发展时期,揭示了井下矿体开采致使上覆岩层拉裂⁃空区两端剪裂⁃整体垮塌崩落的形成机理。

基于PFC^(2D)的镁碳质耐火材料断裂行为模拟研究

将镁碳质耐火材料视为骨料和细粉基质组成的两相复合材料,采用基于离散元的颗粒流模拟软件PFC2D,将材料离散成刚性颗粒组成的模型,把颗粒细观参数的变化与宏观力学特性联系起来,构建镁碳质耐火材料在1000℃下的试验模型,模拟试样三点弯曲的载荷-位移曲线,对材料裂纹的扩展进行分析,并通过改变摩擦系数、平行粘结刚度比、孔隙率以及平行粘结弹性模量,对比分析细观参数对载荷力峰值大小的影响情况。结果表明,采用PFC2D可准确模拟镁碳质耐火材料在三点弯曲时的断裂行为;材料的摩擦系数和平行粘结弹性模量与试样所受最大载荷力呈正比关系,而孔隙率和平行粘结刚度比与试样所受最大载荷力呈反比关系。

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。

基于PFC^(2D)的植生混凝土虚拟试验研究

以植生混凝土为研究对象,采用离散单元法,通过Fish语言编写了二维不规则骨料的植生混凝土虚拟试件开发程序,建立了植生混凝土的数值模型,分析了数值试验中的应力-应变、体应变、裂纹数以及能量响应的变化规律。结果表明,基于离散元理论和PFC2D程序能够有效地模拟植生混凝土在单轴压缩状态下裂纹的生成、扩展以及破坏的全过程,为进一步研究植生混凝土的破裂机理奠定基础。

PFC^(2D)模拟研究不同工况的异面非贯通节理对岩体力学性质的影响

针对非贯通节理岩体研究中多以共面节理岩体为对象、对异面节理岩体力学性质研究较少的问题,为了更全面的研究非贯通节理岩体的贯通扩展规律,基于直剪模型试验及相关颗粒流理论,利用颗粒离散元数值模拟软件PFC^(2D),研究不同工况的非贯通异面节理岩体。对比异面节理起伏角度、节理倾斜角度(节理与水平剪切方向的夹角)、节理连通率以及试验加载速率和法向应力对异面非贯通节理岩体扩展贯通机理和强度特性的影响。试验结果显示以上五方面对非贯通节理岩体的力学特性影响显著:(1)异面节理的起伏角度越大,非贯通节理岩体的峰值抗剪强度越大,抗剪能力越强。岩体的峰值剪切位移随着节理起伏角度的增大有增大的趋势。(2)非贯通节理岩体的峰值剪切强度、峰值剪切位移会随着试验剪切速率的增大逐渐增大,但增大的速率和幅度会随剪切速率的增大而变小。(3)非贯通节理岩体的峰值抗剪强度会随着法向应力的增大逐渐增大,且增大趋势呈线性。(4)异面节理的连通率越大,非贯通节理岩体的抗剪能力越差,峰值抗剪强度越小。峰值剪切位移亦随连通率的增大而减小,但减小幅度不大。(5)节理的倾角越大,岩体峰值切应力越大,抗剪能力越强。

基于PFC^(3D)的空心圆柱灰砂岩宏细观参数相关性研究

为从细观层面揭示主应力量值变化并为应力主轴旋转组合条件下围岩的破坏机理研究提供一种有效的数值模拟方法,基于空心圆柱灰砂岩单轴压缩和常规三轴压缩试验特性,分别采用单因素分析法、响应曲面分析法和回归分析法,研究了离散元软件PFC^(3D)中平行黏结模型宏细观参数的敏感性特征。结果表明:依靠单因素分析法确定出的细观参数可靠性极低,基于响应曲面分析法和回归分析法获取的细观参数在低围压下与实验室结果表现出良好的拟合性;空心圆柱灰砂岩数值模型的抗压强度σ_(c)与黏聚力k_(n)^(-)/k_(s)^(-)呈正相关;弹性模量E分别与有效黏结模量k_(n)^(-)/k_(s)^(-)、平行黏结刚度比的二次方(k_(n)^(-)/k_(s)^(-))~2呈正相关,与k_(n)^(-)/k_(s)^(-)呈负相关;泊松比v与平行黏结刚度比k_(n)^(-)/k_(s)^(-)呈正相关;剪切裂纹比α与(k_(n)^(-)/k_(s)^(-))~2呈线性相关。最后,采用迭代法对响应曲面分析法和回归分析法获取的细观参数进行了优化,优化后的数值模拟结果与实验室结果在不同围压下的试样峰值强度、变形参数和破坏形态方面吻合度较高。迭代法为PFC^(3D)中平行黏结模型的细观参数标定提供了一种有效的方法,通过这一优化方法可以简化标定步骤,提升标定结果的适用性,提高模型的准确性和可靠性。

二维离散元模拟抗滑桩的折算方法研究

如何将抗滑结构折算为二维模型,是二维离散元模拟边坡加固计算的首要问题。针对抗滑桩,根据"弹性桩"的位移和内力计算公式,通过推导变换,得出桩身位移xy、转角?y与EI呈负相关,与桩身受力大小正相关;桩身任意点处的弯矩和剪力与EI无关,只与桩身受力大小正相关。该规律在"刚性桩"条件下进行推理同样成立。利用这一规律,将间距为d的抗滑桩EI折算为实际的1/d,进行二维计算,能得到与实际相同的桩身位移和转角;二维计算的桩身应力值乘以d,得到实际的桩身应力值。对EI折算的不同折算组合进行模拟验证,结果表明,E或I各单独折算或EI均进行折算,能得到相同的桩身应力和变形。最后,对张石高速公路类土质边坡抗滑桩进行实例计算,折算后的抗滑桩能够计算出与实际规律相符的桩身应力和应变。

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。

高频振动沉桩的离散元模拟分析

应用平面颗粒离散元软件PFC2D对高频振动沉桩过程进行数值模拟分析,在细观颗粒运动层面上研究高频振动沉桩的机理,得到了桩侧摩阻力的分布变化规律,分析了贯入深度和贯入速率随时间变化规律,提出了"贯入平台期"的概念,并从能量传递和能量平衡角度分析了出现的原因,研究总结了桩周土颗粒的运动规律。结果表明:贯入度一定时,侧摩阻力随深度增加,到一定深度趋于定值;贯入度变化时,同一深度处侧摩阻力随最终贯入度增加而退化。高频振动沉桩贯入速度快,最大贯入速率能达到0.38 m/s,其中贯入平台期的出现是由于振动锤系统传递到桩的能量不足以克服贯入阻力并引起土颗粒共振。高频振动沉桩引起桩周土颗粒运动按区域分布各有特点。

基于离散元方法的落石冲击力变化规律研究

采用PFC 2D离散元软件模拟落石冲击铁路棚洞现场试验,从落石冲击力大小、冲击作用时间2方面将数值计算结果与试验结果进行对比分析,验证了数值模拟计算结果与试验结果基本一致。对不同半径、不同密度的落石冲击作用进行了数值模拟,发现在冲击能量相同的情况下,同一密度而半径小或者相同半径而密度小的落石冲击力更大;落石回弹加速度在相同高度的条件下也遵循同一密度而半径小或者相同半径而密度小的落石回弹加速度更大的规律。

基于PFC2D的水泥土单轴压缩试验及细观数值模拟

对不同水泥掺量下的软土稳定土试样分别开展单轴压缩试验,基于测试结果对土样的变形过程进行PFC2D离散元颗粒流细观数值模拟,分析破坏后水泥土的力学行为和位移场分布。结果发现:随着水泥掺量增加,固化软土试样的单轴抗剪强度与弹性模量表现出指数函数上升的规律,破坏应变随水泥掺量增加呈二次函数的变化特征;由PFC2D离散元颗粒流模拟得到的水泥土试样的力学参数及应力-应变关系曲线与试验实测结果较为接近,离散元模拟结果也显示水泥掺量对土体力学性能有明显影响;随着水泥掺量的增加,固化软土的破坏形式逐渐由压碎破坏向剪切破坏模式过渡;由离散元模拟得到的位移矢量场准确地反映了水泥固化软土在单轴压缩荷载作用下的破坏模式特点。

沥青结合料离散元模型

基于Burgers流变模型,可以利用中心差分法建立并推导沥青结合料的离散元模型,并可使用二维颗粒流模拟程序(PFC2D)实现从数值上预估沥青结合料的流变特性。该模型和PFC2D预测结果的高可靠性均得到了充分的验证。

基于离散元方法的高速远程滑坡碎屑流新型防护结构

高速远程滑坡碎屑流以其极高的动能和超远的位移而著称,往往对其危害范围内的构筑物和人类活动等造成严重的破坏。其高速远程效应机理一直是国内外学者研究的热点,但其防灾减灾工程在目前仍没有形成一套完善的体系。基于此,采用2D离散元模型对四川绵竹清平文家沟地震滑坡引发的碎屑流及其运动过程进行了详尽研究。数值模型对现实模型进行了一定的简化。通过数值模拟实验,验证了实际工况下的文家沟碎屑流运动情况,并在此基础上研究了不同摩擦系数条件下的碎屑流堆积情况以及三种形状的防护结构体(重力式挡墙、倾斜式结构体、月牙形结构体)对碎屑流的耗能能力。通过研究发现:人工防护结构体可以很好地耗散碎屑流的动能;多层防护结构可以提高对碎屑流动能的耗散能力:月牙形结构体对于控制碎屑流滑程有明显的优势。所得结论对今后类似的研究具有一定的参考价值。

牛眠沟地震滑坡碎屑化全过程离散元模拟

2008年5月12日,发生在中国四川省的Ms 8.0级地震触发了牛眠沟特大滑坡事故,并引发了高速远程滑坡碎屑流。其滑坡碎屑流横向移动距离约3.0 km,滑坡总体积约7.5×106m3。由于地震滑坡碎屑化过程的复杂性,国内外对此项灾害的研究成果较少。又由于其动力过程的规模巨大,室内试验无法还原灾害的动力全过程。因此本文以牛眠沟地震滑坡引发的碎屑流为研究对象,对其动力全过程进行了详细的研究。本文采用了2D离散元模型对牛眠沟滑坡进行了数值模拟,数值模型的建立是在二维颗粒单元粘结的基础上完成的,此模型还原了牛眠沟地震滑坡碎屑化动力全过程,对各过程的模拟结果进行了详尽的分析。并且揭示了不同的摩擦系数情况下滑坡特性,对其滑移范围和滑移规律进行了分析和讨论。结果显示,启动及碎屑化阶段的破坏程度受自由面影响较大,地震引发的动能则是影响凌空飞行阶段和堆积结果的主要原因,并推算出实地摩擦系数在0.2~0.3。其研究成果对今后类似的研究有一定的参考价值,并对致灾范围预测具有指导意义。

滑坡受灾结构体易损性离散元分析

地质灾害中的结构体易损性的评估涉及到灾害体冲击力以及结构体本身的强度2个方面的内容。在传统的力学模型中,滑坡灾害体被视为刚性体并且其冲击力的大小通过能量守恒来求得;然而模型中却忽略了滑坡解体过程中能量的损耗,以及解体之后块体之间挤压、摩擦、撞击等相互间的力学作用所造成的能量损耗。这就导致了传统力学模型所算得的灾害体冲击力往往要大于实际工况下的灾害体冲击力。因为在高速远程滑坡灾害中,滑坡的破碎程度在很大程度上最终决定了灾害体对结构体的冲击力,所以通过某个典型滑坡并基于二维离散元模型对不同破碎程度滑坡的致灾程度进行系统性的研究。首先,研究了不同破碎程度下滑坡的滑程;其次,研究了不同破碎程度下滑坡和结构体之间的动力响应情况;最后,研究了结构体被滑坡冲击过程中的应力分布情况。通过研究发现:滑坡的滑程和其破碎程度呈反比;滑坡运动过程中能量的损耗主要是块体间的摩擦以及块体间的碰撞,并且在其解体阶段主要是块体摩擦起到主导作用,在其滑动阶段主要是块体碰撞起作用;结构体所受最大合力和灾害体破碎程度呈正比;结构体上应力分布呈"三角分布",即结构体顶端应力很小,越往下端其应力越大,对于防灾结构体本身的结构优化具有指导作用。所得的结论对于实际灾害的防灾指导具有一定的参考价值。

离散元表征的级配碎石加州承载比细观力学行为研究

基于离散元法构建符合真实级配的石灰石碎石二维细观模型,确定模型的细观参数与加载速率,研究级配碎石的加州承载比(CBR)试验。通过对试验和模拟中贯入力-贯入量曲线以及CBR值进行对比验证,验证模型的合理性与正确性。分析加载后的主应力方向、接触力链和位移矢量等细观机制变化规律。分析加载速率、摩擦因数与刚度比等参数对石灰石碎石CBR值的影响。研究结果表明:随着加载速率的降低,CBR数值基本呈缓慢降低的趋势;集料的纵向变化明显于横向变化,离散元模型能够较好地反映级配碎石的细观作用机制;颗粒间摩擦因数的增加能够明显提高级配碎石的抗压能力,碎石体系的抗变形能力随着法向刚度大小增大而增大。

二维离散元法与岩石切割过程仿真

利用二维离散元软件PFC2D对抗压强度为9.96 MPa的岩石材料进行了切削仿真,仿真结果表明,二维离散元仿真软件可以直观动态显示岩石的崩落过程,较有限元软件具有一定优势;随着切削厚度的增加,刀具平均切削力呈线性增加趋势。

基于DEM的软固结气压砂轮粘磨层劲度模量虚拟实验研究

为解决软固结气压砂轮不同成分组成的粘磨层(粘结剂与磨粒混合层)性能参数需经实验一一测量获得的问题,将离散元方法(DEM)应用于软固结气压砂轮光整加工领域中,采用离散元软件PFC2D建立了粘磨层模型,以圆形颗粒模拟磨粒和粘结剂,从微观角度开展了对粘磨层的力学性能的分析,提出了对粘磨层模型进行数值模拟双轴实验测量其劲度模量的方法,建立了磨粒粒度和粘磨层劲度模量之间的关系,根据测量结果与实验结果的相近程度对其可行性进行了评价,进行了粘磨层直接拉伸实验。实验及研究结果表明,仿真结果与实验结果误差在10%以内,验证了离散元方法(DEM)在该领域应用的可行性,同时该结果为利用离散元软件PFC3D软件进一步模拟软固结气压砂轮光整加工过程奠定了基础。

混凝土框架倒塌全过程的颗粒流数值模拟

应用基于离散元原理的颗粒流数值模拟(ParticleFlowCodein2Dimensions,简称PFC2D)软件,对框架倒塌的全过程进行了数值模拟。模拟结果与框架倒塌的宏观过程吻合,较好地反应出结构在倒塌过程中构件开裂、失效、退出工作、局部倒塌一直到整体倒塌的全过程,并讨论了数值分析中存在的一些难以解决的问题。

石笼挡墙在振压下破坏机理的颗粒流模拟研究

基于颗粒流离散元理论,对北京某山区公路采用的石笼挡墙建立PFC2D模型,研究墙背土压力的分布规律;在路面施工压实过程中石笼墙体的位移分布、破坏机理;模拟石笼挡墙的破坏过程和破坏方式,以及墙背土应力释放过程。通过模拟分析得出以下结论:颗粒流离散元程序可以用于模拟挡墙结构物,并特别适用与模拟钢丝网等柔性结构;路基加压前后土压力分布规律与理论值基本相符;在路基的振动压实过程中,左侧石笼网最先达到抗拉强度而破坏,墙体丧失整体稳定性而逐步塌陷,形成堆积体,在靠近挡墙2 m范围内路面轻微塌陷,路基土在第一层石笼体位置以上浅层内形成滑动面。