PFC数值模拟方法在岩石力学实验教学中的应用

岩石力学是土木工程、水利工程、地质工程等专业中非常重要的一门课程。通过分析传统岩石力学实验教学手段的局限性,将PFC数值模拟技术融入到岩石力学实验教学中。采用PFC软件模拟了岩石三轴压缩应力—应变全过程曲线和内部裂纹的扩展情况,表明PFC数值模拟技术在岩石力学实验教学中观察岩石破裂机理及其破坏演化过程等方面具有优越性,可弥补传统实验教学手段的不足,提高学生对岩石变形破坏过程的理解,加深学生对岩石破坏机理的认识,激发学生对岩石力学实验的兴趣,培养学生的创新精神。

基于PFC砂柱的三轴压缩破坏模拟

文章介绍了PFC软件及离散单元法的基本概念以及核心思想。利用PFC三轴压缩实验分析模拟了不同颗粒级配、不同弹性模量下砂柱的三轴压缩破坏过程,得到了砂柱的破坏特征、强度与影响因素的相关性,为砂土的压缩特性研究提供了参考依据。

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PFC2D数值模拟的煤体裂隙演化规律研究

为了研究煤体裂隙演化规律,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,理论分析了煤体延伸压力、裂隙延伸规律和裂隙延伸压力,得出研究工作面裂隙延伸和扩展以垂直方向位置为主,断层属于正断层类型,然后采用PFC 2D数值模拟,模拟分析了不同动压幅值下煤体裂隙演化规律和不同地应力下煤体裂隙演化规律。研究为煤层卸压增透提供了理论基础。

裂隙岩体在单轴加载过程中变形、破裂规律的PFC2D数值模拟研究

运用离散元软件PFC2D模拟裂隙岩体,建立一个包含不同倾角、不同组数,宽度5cm、厚度1mm裂隙的10cm×10cm模型,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果显示,在单轴加载情况下,随着倾角的增加,岩体的单轴抗压强度出现先减后增的趋势,且裂纹不断增多;随着裂隙的增多,单轴抗压强度逐渐减小。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,以翼裂纹、次生共面裂纹和次生倾斜斜纹为主。通过分析破裂后岩体的颗粒速度分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。

土与结构物半模直剪试验的颗粒流数值模拟

使用自主改造的半模直剪仪进行土与钢板、石板的半模直剪试验,竖向荷载分级施加,分别为50kPa,100kPa,150 kPa,200 kPa。应用颗粒流离散元程序——PFC2D对土与结构物在不同法向应力条件下相互作用的半模直剪试验进行数值模拟,研究土与结构物相互作用时接触面土体变形及剪应力的变化情况。分析得出土与结构物相互作用时,土体会呈现出硬化现象。随着法向应力的增加,土的剪应力会升高。在土与结构物的接触面上,形成了一定厚度的剪切带,说明土与结构物的相互作用并不只局限于接触面,而对接触面以上一定厚度内的土体也有影响,但影响范围不大,约为5倍的粒径。土与结构物相互作用时,结构物的性质对土体剪应力的变化影响不大。

PFC模拟技术在选择旧采区放煤方式中的应用研究

采用理论与模拟相结合的方式对圣华煤业1301工作面进行了研究,通过PFC模拟技术对比分析了单轮顺序放煤与双轮顺序放煤2种放煤方式的放出效果,最终得出采用双轮顺序放煤更加适合1301工作面的生产要求。

散体粒级与自然安息角变化关系的数值模拟

自然安息角是矿岩散体的重要物理参数之一。利用颗粒流软件PFC2D开展数值模拟,研究散体粒级与自然安息角的变化关系。试验利用圆筒测量法,针对粒级2~15 mm范围内散体的自然安息角变化进行模拟。试验结果表明,随着散体粒级的增大,其自然安息角呈现逐渐增大的趋势。模拟结果可为溜井、排土场、废石场等条件下散体的物理力学性能测定及相关参数的选取提供参考。

尾矿固化体力学性质预测的PFC模型研究

以某铁矿项目为工程背景,选用离散元颗粒流程序(PFC)对尾矿固化体的力学特征进行模拟,确定了尾矿固化体细观力学参数,建立了尾矿固化体单轴压缩数值模型,并在此基础上研究尾矿粒径分布及颗粒数量的简化对模拟尾矿固化体的力学特征的影响。研究发现:数值模型单轴压缩计算结果与试验值平均误差为5.5%,证明采用该方法构建的数值模型能有效预测尾矿固化体单轴抗压强度,且对尾矿固化体柔性及脆性破坏形态的捕捉效果较好,进而证明了利用PFC数值模型对尾矿固化体进行模拟有效可行;由于不同工程条件下尾矿粒度分布差异比较大,若尾矿粒径分布较广,建立尾矿数值模型时,可对尾矿粒径分布及颗粒数量进行一定程度的简化。分析表明,当模型尾矿颗粒粒组范围选取比达到50%以上,能较好地模拟尾矿固化体应力应变曲线及破坏形态。

粗骨料对混凝土单轴抗压强度及破坏特征影响的数值分析

采用PFC2D离散元首先生成混凝土基质,然后利用Clump技术形成不同形态的粗骨料混凝土数值模型,分析研究粗骨料含量和形态对混凝土强度和损伤演化的影响。获得以下主要结论:随着粗骨料含量的增加混凝土单轴抗压强度增大,相同含量下三角形粗骨料混凝土的强度最高,其次是五边形粗骨料,圆形粗骨料混凝土的强度最低;粗骨料含量小于50%时,随粗骨料含量的增大弹性模量增速较小,而大于50%时增速较大;混凝土破坏的初始微损伤主要集中在结合面处,圆形粗骨料微裂隙沿着结合面切线方向发展,主控破裂面沿着相邻粗骨料的公切线方向发展,多边形粗骨料微裂隙沿边延伸进入基质,主控破裂面为相邻粗骨料角度基本一致边的微裂隙沿边发展贯通而成。混凝土的损伤演化分为:微损伤的随机分布、微裂隙形成和微裂隙贯通形成破裂面三个阶段,粗骨料含量低时混凝土损伤比较集中,形成明显的主控破裂面,粗骨料含量高时内部损伤严重形成网状损伤裂隙。

预切顶无巷旁充填沿空留巷数值模拟分析

为了分析研究预切顶留巷技术应用效果,以某煤矿20916工作面为研究对象,采用PFC2D模拟软件模拟该工作面预切顶留巷工程实践,分析了留巷周边围岩的应力分布和裂隙发育规律。研究结果表明,采用预切顶无巷旁充填这种沿空留巷方式,使留巷围岩始终处于低应力区,从而沿空留巷上方基本顶稳定性,使覆岩压力向能够更深部煤体传递,有效防止顶板事故的发生。

急倾斜特厚煤层水平分层综放效果模拟分析

水平分层综放开采是实现急倾斜特厚煤层安全高效开采的重要手段,由于急倾斜煤层水平分层高度一般较大,顶煤运移规律一般不同于近水平煤层。结合阿刀亥矿急倾斜特厚煤层综放开采工程实践,应用数值模拟软件PFC进行模拟计算,研究了不同采放比和不同放煤步距对顶煤回收率的影响,优化了采煤工艺。

基于改进颗粒簇单元的卸粮宏细观机理模拟

传统PFC模拟卸粮均采用单一ball单元模型,不能准确反映小麦等不规则粮食卸粮过程中的宏细观力学机理。本研究建立了由clump单元和ball单元组成的改进颗粒簇单元,以室内卸粮物理模型试验为基础进行数值计算,并和传统模型的模拟结果进行对比分析。研究表明:(1)在宏观仓壁压力方面,改进颗粒簇单元模拟所得结果与传统ball模型相比,误差降低了17.9%;(2)在颗粒细观结构方面,改进模型的颗粒堆积孔隙率下降了3.07%,而配位数增大了27%,模拟误差降低了3.12%;(3)改进模型接触力数量增加了96.3%,接触力链分布更均匀密集,能清晰反映瞬时拱此消彼长的动态变化。本研究建立的改进颗粒簇单元提高了模拟的准确度,能客观反映卸粮过程的侧压力、颗粒结构、细观力学参数动态变化。

导管法水下混凝土灌注厚度的颗粒流模拟

依托北京地铁8号线永定门外站深基坑工程,介绍了导管法水下混凝土灌注工艺在深基坑封底工程中的应用。基于颗粒流理论和细观力学理论,将土体微细观结构与宏观行为联系起来,采用PFC数值软件建立了水下混凝土灌注模型,实现了砂卵石地层单导管、多导管水下混凝土灌注过程的可视化,得到各时段的灌注情况及最终封底结果。对比同位置实测厚度曲线,得到最大误差0.3 m,验证了模型的合理性。分析了影响深基坑水下混凝土灌注厚度的敏感性因素(导管布置形式、地下水位高度)。结果表明:基于颗粒流理论的PFC数值仿真技术适用于模拟导管法水下混凝土灌注过程;导管布置稀疏,颗粒无法相互作用,容易出现“堆积”和“凹陷”现象,平均灌注厚度不足3 m;参考单导管水下混凝土3 m的扩散半径,适当加密导管,可保证封底厚度;地下水位越高,厚度起伏越大,水位越低,灌注厚度越均匀;工程允许范围内,适当加密导管可保证混凝土封底厚度;采取降水措施降低地下水位,可保证封底平整度。

蓉遵高速仁怀—赤水段大石沟边坡破坏机理模拟研究

以蓉遵高速仁怀—赤水段大石沟边坡为研究对象,具体探讨贵州红层边坡的破坏过程与破坏机理。该边坡为典型丹霞地貌区软硬互层结构的红层斜坡,砂岩与泥岩共分为13层。边坡坡表处软岩风化严重并有宽大裂隙与凹岩腔产生,从坡顶处时有碎石滑落堆积在坡底。为了研究重力场条件下岩体的变形、破坏和发展趋势,本研究采用岩体底摩擦模型试验结合PFC 2D数值模拟分析边坡岩体的变形、发展演变过程及其特征,得出边坡的变形演化过程为:坡脚处应力集中产生压致拉裂缝→坡缘、坡体中产生拉裂缝→裂隙贯通→发生倾倒性破坏。

模拟月壤颗粒形状特征及其对抗剪强度影响分析

为研究颗粒形状特征对抗剪强度的影响,对模拟月壤颗粒进行体视显微镜扫描拍照,并利用图形处理软件对各粒径组颗粒的形状特征进行量化统计.结果表明:模拟月壤颗粒的主要形状有圆形、类椭圆形、类三角形和类正方形等.利用PFC 3D软件中的"Clump"命令构造出不同形状的模拟月壤颗粒并通过三轴试验数值模型研究其抗剪强度指标值,模拟结果表明:颗粒形状对模拟月壤的抗剪强度指标值有着明显的影响,其中构造出的类椭圆体颗粒试样抗剪强度最大,而规则的球体颗粒试样的抗剪强度最小;当颗粒形状都是类三角体时,凹凸度越大,试样的抗剪强度指标值也越大.

基于PFC^(2D)的复杂地层中振冲碎石桩处治效果分析

介绍了PFC数值模拟的程序,采用二维颗粒离散元法PFC^(2D)的方式,对振动碎石桩处治复杂地层的效果进行了数值计算,通过碎石桩处治前后的地层沉降位移,反映出碎石桩对复杂地层的加固效果。

基于PFC^(2D)的复杂地层中振冲碎石桩成孔效应研究

介绍了PFC数值模拟的原理,采用二维颗粒离散元法PFC^(2D),对复杂地层中振动碎石桩的成孔过程进行了数值模拟,并分析了不同夹砂层厚度及密实度对振动碎石桩成孔过程的影响,最终得出了一些有意义的结论。

黏性颗粒在滤料表面沉积的动态模拟及规律

为研究颗粒黏性对过滤除尘性能的影响,分析了颗粒沉积过程的受力情况,应用颗粒流计算软件PFC2D对颗粒在滤料表面的沉积行为进行了数值模拟。结果表明:颗粒形成粉尘层的过程中主要受到风流力、惯性力等压缩力和范德华力、滚动摩擦力偶矩等压缩阻力的作用,颗粒黏性的增加,会使颗粒间滚阻系数和摩擦系数显著增加;PFC可实现粉尘颗粒在滤料表面沉积过程的可视化,得到不同黏性颗粒在滤料表面的沉积形态,滚阻系数或摩擦系数越大,粉尘层孔隙率越大,过滤阻力越小,其中,摩擦系数的影响作用弱于滚阻系数。

基于高压电脉冲破岩损伤模型的破岩过程研究

高压电脉冲破岩钻进是目前比较具有潜力和接近工业化的一种新型破岩钻进方式。已有的基于PFC2D的高压电脉冲破岩损伤模型未对破岩试验所用的岩石进行参数标定,无法保证模拟的模型与实际破岩试验的岩石力学性质一致。基于室内单轴压缩和巴西劈裂试验的数据结果对天然岩石进行了参数标定,通过标定所得的微观参数建立了与高压电脉冲破岩试验尺寸一致的几何模型,并对高压电脉冲破岩过程进行了仿真研究。仿真结果表明高压电脉冲破岩过程中,以产生剪切破坏为主,同时伴随着一定数量的拉张破坏。之后,利用高压电脉冲破岩试验系统进行了电脉冲破岩试验,得到了直径60 mm、深度22.5 mm的不规则破碎孔,并通过点云软件将破碎效果可视化,放电破岩试验的结果验证了标定所得参数的有效性。最后,通过标定参数建立的几何模型研究了裂隙对高压电脉冲破岩效果的影响,结果表明裂隙的存在会降低破岩过程中的能量消耗,且破碎过程中的破碎区域有向裂隙方向发展的趋势。