颗粒流方法及PFC2D程序

归纳总结了颗粒流模拟方法产生的背景 ,比较了与其他模拟方法的异同之处 。

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。

坡面颗粒流开源软件TITAN2D的改进及应用

滑坡或崩塌碎屑流的泛滥范围和冲击力可以用颗粒薄层流模型进行数值模拟研究。薄层流模型是将流体力学的质量守恒和动量守恒方程在深度方向平均后所得的近似方程组,因其在分析上的简化而广受重视。近年来基于颗粒薄层流模型(以Savage-Hutter模型为代表)的模拟研究取得大量进展,但相应的能够模拟自然地形上碎屑流的开源软件尚不多见。2007年美国纽约州立布法罗大学公开了一款结合颗粒薄层流模型和地理信息系统(GIS)的开源软件TITAN2D。在此,将TITAN2D中原来的HLL通量修改为耗散更小的HLLC通量,并增加了颗粒材料的停止准则。通过简单的颗粒堆积物和溃坝问题,验证了软件改进的有效性。进一步,利用中科院科学数据服务平台的DEM数据对重庆武隆鸡尾山滑坡、舟曲泥石流用干颗粒流进行数值模拟。通过调节底面摩擦角可以使计算结果大概反映实际灾害的泛滥范围,表明该软件值得进一步改进与发展。

基于PFC2D的泥质灰岩软弱夹层结构面直剪试验颗粒流模拟分析

对取自于某滑坡滑带上的泥质灰岩软弱夹层进行颗粒流PFC程序数值直剪试验模拟,并对直剪过程中结构面的力学演化机制和破坏特征进行细观方面的深入分析。分析得以下几点结论:(1)在结构面直剪开始至破坏阶段,中后部分的颗粒承受了更多的剪应力。(2)在剪切应力-位移曲线表现出塑性特征的剪切过程中,产生张拉裂纹,在此阶段裂纹急剧增加,裂纹的发展使得结构面上颗粒间的法向接触数量将明显减少,同时导致颗粒之间的接触压力显著提高,造成结构面上的张拉裂纹与剪切裂纹数量增加显著,剪切破碎带形状明显。

垮落区注浆充填压实特性的PFC^(2D)模拟试验

首次采用了颗粒流程序PFC2D模拟垮落区充填中煤层采出、顶板垮落、充填的整个动态过程;为研究垮落区注浆充填压实特性,建立了122个PFC2D模型进行了数值模拟试验,分别研究了垮落区的充填量,作用在充填体上的载荷Q,充填体的弹性模量和胶结特性等4个因素与垮落区充填压实特性的关系.结果表明,垮落区的充填量是影响垮落区充填体压实特性的首要因素,充填体的弹性模量和充填体上所加载荷大小对垮落区充填的压实特性影响显著,充填体的胶结特性对垮落区的压实特性影响有限.PFC2D是研究垮落区注浆充填的有效手段.

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的某矿区反倾岩质边坡稳定性分析

基于离散元二维颗粒流程序(PFC^2D),以某矿区岩质边坡为研究对象,采用单轴压缩模拟试验对边坡各岩土层的细观力学参数进行标定,建立边坡的颗粒流模型,对边坡的运动过程及破坏机理进行分析。结果表明,边坡中部较破碎岩土层处首先发生剪切破坏,由于重力挤压作用,坡脚处岩土层挤压破坏滑出并在坡脚处堆积,坡顶失去底部土体支撑作用产生拉张裂缝后向下滑动,最终导致边坡整体失稳破坏。研究结果与实际边坡情况基本吻合,可为矿区安全开采及灾害防治提供参考。

垮落矸石注浆充填体压实特性的颗粒流模拟

利用PFC计算程序建立了垮落矸石充填体的颗粒流模型,通过颗粒流数值模拟试验,再现了煤层采出、顶板垮落、注浆充填、充填体压实整个动态发展过程.通过改变模型中颗粒数目、接触刚度和法向刚度等细观参数,研究了充填率、充填材料的胶结强度和弹性模量等宏观性质对充填体压实特性的影响.研究发现:充填率是影响充填体压实特性的最敏感因素,15%为试验模型的临界充填率,当大于15%时,充填体的压实曲线急剧改变;在相同充填率下,充填料的胶结强度决定充填体的结构屈服应力,是影响充填体压缩下沉量的关键因素,但对压缩下沉量极限值没有影响;充填率越小,弹性模量对充填体压实特性影响越显著.

岩爆特性PFC^3D数值模拟试验研究

文章以西南某铁路隧道岩爆灾害为研究对象,基于颗粒流理论和PFC3D程序,通过一系列岩爆特性的数值模拟试验,得出了多种应力路径下的岩样细观破坏特征。结合室内力学试验结果可知:(1)岩爆倾向性指数测试表明所研究隧道花岗岩围岩段储能条件较好,发生中、高烈度的岩爆的可能性较大;(2)三轴卸载试验揭示了岩爆发生时围岩卸载方向产生强烈的扩容变形,而且围压越大、卸压越快,围岩产生岩爆的烈度越高;(3)PFC3D数值模拟试验对岩爆的模拟效果超过预期,可作为一种新的途径,代替部分室内试验进行岩爆机理和防治对策的深入研究。

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。

岩石节理峰前循环直剪试验颗粒流宏细观分析

利用二维颗粒流(PFC2D)程序较为完善地实现了考虑二阶起伏体岩石节理的峰前循环数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度分析了节理峰前循环直剪试验中节理累积损伤特征与抗剪强度的变化规律。对比分析已有的室内试验成果,验证了计算方法的可靠性。研究表明:①随着岩石节理一阶起伏角、法向压力的增大,节理的破坏模式按爬坡—爬坡啃断—啃断趋势发展,且抗剪强度随着一阶起伏角、法向压力的增大总体上呈增大趋势。②低幅值的循环荷载对节理剪切强度的影响极为有限,甚至可以忽略,但随着循环加载幅值的增加,节理起伏体上裂纹的扩展贯通程度、裂纹的数量均显著增多,表明循环加载幅值的大小是决定节理起伏体累积损伤速度的关键因素。③节理裂纹数量随循环加载次数的增大而增加,且有增速的趋势,在循环加载次数增加到某个量级时,裂纹出现激增的现象,表明节理疲劳裂纹的扩展贯通有累积后突变的演变特征;不同破坏模式下,节理的峰值抗剪强度均随着循环加载次数的增加呈现出先增后减的变化趋势,表明有限次数的循环加载有利于增大节理的峰值抗剪强度,但循环加载最终会因节理的累积损伤造成其抗剪强度的劣化。研究结果丰富了室内试验成果,有助于进一步认识岩石节理在微震频发作用下的累积损伤与强度劣化规律。

基于颗粒流理论的露天矿排土场稳定性分析

以某露天矿排土场为研究背景,利用颗粒流理论及PFC2D程序,深入分析排土场变形、破坏规律及其稳定性。研究结果表明:①在地基承载力较好的情况下,排土场滑坡呈沿堆置体内部及地基表层的多方式组合形式,滑动面在堆置体内呈近似圆弧形状;②排土场滑体中,安全平台上部颗粒变形活动较为活跃,稳定性较差;③安全平台的设置,是控制排土场变形破坏的有效手段。研究表明,颗粒流技术为分析排土场稳定性问题提供了一种新的思路。

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。

上拔荷载作用下挤扩支盘桩颗粒流数值模拟

基于颗粒流理论,采用PFC2D程序,研究粘土地基中挤扩支盘桩受上拔荷载时,荷载-桩体位移关系、土体变形破坏情况及地基位移场分布。结果表明:荷载与桩体位移变化曲线分为初始弹性阶段、中间塑性阶段和破坏阶段;土体破坏产生的滑裂面主要从下部支盘的端部沿斜上方向地表发展;土体颗粒受影响区域为倒钟形。

基于PFC2D的岸坡覆盖层失稳堵江模拟研究

基于PFC2D颗粒流方法,建立覆盖层边坡模型,设定多个库水位的条件下,模拟覆盖层边坡破坏过程,预测形成的堰塞坝高度。结果表明,库水位越高,堰塞坝高度越高。当覆盖层中饱和土体占1/3时,破坏规模较大,形成的堰塞坝高度要高于其他水位条件下的模拟结果,即存在一个较危险的水位区域。水位低于危险区时,主要发生坡脚塌岸;危险水位区域内,整体下滑;水位高于危险水位区,主要是饱和土体发生失稳。该方法不适用于库水位升降的动态过程模拟,仅适用于静水位模拟。

基于颗粒流方法的滑坡灾变过程及冲击致灾预测研究

滑坡冲击致灾研究是滑坡风险评价的关键环节。以勉县老道寺镇楼子沟滑坡为研究对象,通过PFC2D双轴压缩试验获取岩土体细观力学参数,建立滑坡模型及冲击模型,模拟了滑坡灾变动力学全过程,对滑坡的运动位移、运动速度、冲击力等动力学指标进行了定量分析;根据力与变形关系,建立建筑物失效模型,对滑坡冲击致灾进行了定量化评价。研究认为,数值模拟方法可为同类滑坡运动过程分析提供参考,同时也为滑坡防灾减灾定量评估提供新思路。

基于不同地质要素土质边坡的地震变形破坏颗粒流模拟

为探讨地震作用下松散堆积体边坡的变形破坏特征,采用颗粒流模拟程序(PFC^(2D))输入水平向汶川地震波,对不同坡度及不同细观参数的土质边坡进行动力作用下变形破坏的全过程模拟。研究表明,相同地震力作用下坡度主要影响土质边坡的破坏范围,边坡越陡,破坏深度越大,破坏边界越靠后;而细观参数则影响边坡的破坏形式,黏性土边坡的滑体保持了较好的整体性,滑面呈弧形;而砂性土边坡的破坏具有流变性且滑面呈上陡下缓的折线形。

尾矿库溃决影响范围分析的三维激光扫描与颗粒流技术

三维激光扫描技术是一种利用激光脉冲对物体表面进行扫描从而获取其表面特征信息的技术。为分析确定尾矿库溃决影响范围,利用该技术获取尾矿库及周边区域高精度地表点云数据,通过数据拼接、去噪、建模等处理,结合设计参数,完成尾矿库最终堆排模型制作,并利用颗粒流软件PFC^3D,建立尾矿库地表及堆排模型,模拟尾矿库溃决后,对下游的影响范围。根据模拟结果表明:①高精度点云数据在尾矿库及周边地表DEM模型的制作中具有显著优势;②三维激光扫描与颗粒流技术的结合,能建立高精度的溃决模型,使模拟计算结果更准确,影响范围更真实可靠;③根据监测点的速度变化曲线可知,溃决运动过程颗粒碰撞激烈,符合溃决运动规律。根据研究结果发现,颗粒流技术对尾矿库溃决模拟分析具有较强的适用性,特别是在三维激光扫描技术的引入下,高精度地形数据使模拟结果更具可靠性,研究结论可为尾矿库安全生产提供高效的预测、预警、预防能力。

基于颗粒流的含交叉裂纹类岩石水力致裂细观机理研究

针对目前岩石在水力耦合作用下交叉裂纹扩展机理认识不足的问题,采用颗粒流软件(PFC2D)的平直节理接触模型和流域法,模拟计算含交叉裂纹的类岩石三轴压缩水力致裂过程,分析双向水平主应力差和主、次裂纹倾角对水力裂纹起裂、扩展及贯通的影响规律,并揭示其细观断裂机理。研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合较好。当有或无水平主应力差时,水力裂纹沿着或偏离水平最大主应力方向扩展,与交叉裂纹贯通或不贯通,细观机理均为拉伸断裂。增加水平主应力差可明显降低临界水压力,易形成网状裂纹,有利于提高资源开采效率。

基于颗粒流方法的黄土地震滑坡数值模拟

基于颗粒流理论研究土质边坡动力稳定性及其滑动过程是近年来滑坡研究的一个新热点。在野外调查和室内试验的基础上,通过标定土体细观参数、模型建立、动力输入、动态监测等过程,利用PFC2D程序模拟了西吉县兴平乡堡湾村下马达子滑坡的失稳破坏运动过程,得到了该滑坡的破坏运动机理。得到如下结论:(1)下马达子滑坡的失稳机制是在地震作用下斜坡前缘牵引、后缘推挤,使得坡肩受拉发生破坏,失稳后坡肩位置较大的速度和位移是地震滑坡破坏力强、致灾范围大的主要原因;(2)黄土地震滑坡的滑坡后壁相对平缓,这是区别于重力滑坡的重要特征之一;(3)颗粒流模拟得到的滑坡前后相对高差和长度与实际情况较为吻合,因此,颗粒流方法可以用于地震滑坡滑距的预测。