PFC3D颗粒流模拟纳米黏土改良黄土三轴试验

基于PFC3D软件研究不同纳米材料、掺量、围压、干密度对改良黄土力学性能的影响,确定改良黄土宏细观之间的参数关系,通过建立改良黄土数值模型、三轴试验,获得了改良黄土的应力–应变曲线。将数值模拟的结果与室内试验的结果相比较,通过数值模拟和室内三轴试验,得出的改良黄土抗剪强度指标基本吻合。试验结果表明:(1)围压一定时,改良黄土试样偏应力随纳米黏土掺量的增加而增大;改良黄土的应力与应变正相关,不同围压时,表现为软化型和强硬化型;(2)当凹凸棒土掺量小于2%时,数值模拟得到的抗剪强度总体小于室内试验得到的抗剪强度,材料大于2%时则相反;(3)纳米蒙脱土改良黄土数值试样材料掺量小于等于4%时,数值模拟得到的抗剪强度大于室内试验的抗剪强度,大于4%则相反。

黏性土无侧限抗压试验颗粒流软件(PFC)模拟的微观分析

无侧限抗压试验在研究黏性土的力学性质和破坏形态方面有着重要的作用,现从微观方面出发利用颗粒流中的clump单元来模拟黏性土无侧限抗压试验的基本颗粒和"柔性边界"。结果表明初始孔隙比、摩擦系数、颗粒间的刚度和黏聚力都会对黏性土的力学性质和试样内部颗粒间粘结个数及排列方向的变化还有试样剪切滑移带的形态和相关内力变化产生显著的影响。

砌体结构倒塌全过程的颗粒流数值模拟

为研究砌体结构在地震作用下的倒塌机理,本文通过PFC2D(Particle Flow Code,PFC)颗粒流软件建立一个三层两跨砌体模型,输入地面震动波,模拟砌体结构在地震作用下的倒塌。结果表明:通过设置合理的模型参数,使用PFC2D软件可以较好地模拟砌体倒塌的全过程。通过对模型的裂纹分布、应力应变及位移等进行分析,较好地反映出砌体结构在地震作用下构件开裂、失效、局部倒塌到整体倒塌的全过程。可以定性了解砌体结构在强震作用下的薄弱部位:边缘墙破坏更严重,底层墙体比上层严重,砌体房屋门窗洞口四角处更易发生破坏。PFC2D颗粒流软件有计算速度快和易实现大规模计算的优点,应用范围广泛。使用该软件并将其应用于建筑物的动态灾变过程研究,能够找出结构的易损部位,方便设计人员采取针对性措施来提高其抗震性能,也能为多层砌体结构建筑的抗震加固提供依据。

关于颗粒流软件PFC的离散元数值模拟参数标定

简要介绍了运用离散元理论及颗粒流软件PFC进行岩土类工程问题数值模拟的研究思路和方法,简述了运用PFC软件进行数值模拟时通常会遇到的关键性问题,通过结合笔者在研究过程中的实践经验,针对数值模拟的首要步骤即参数标定这一步,给出了相应的解决方案及研究结论。

桩承式路堤承载特性的颗粒流模拟

现有的土拱效应计算方法中,由于采用的计算模型不同,计算结果差异很大。文中克服传统连续介质力学模型的宏观连续性假设,采用二维颗粒流程序(PFC)建立基于模型试验的细观数值分析模型,对桩承式路堤中土体接触力、应力分布、主应力方向、竖向位移进行分析,并比较计算和实测结果,研究土拱效应的荷载传递机制。同时,对不同桩帽、桩间距、填土高度、颗粒大小、摩擦角的情况进行PFC方法的参数敏感性分析。研究结果表明,桩承式路堤桩顶处局部范围可按弹性核考虑;土拱的分布型式受桩帽型式、桩净距、格栅的影响;实际土拱作用的影响范围主要集中在路堤底面以上约1倍桩净距的区域;土拱内部的竖向应力和水平应力均随深度非线性改变,桩土应力比随着荷载水平、土体内摩擦角、颗粒大小的增大而增加。

滑坡渐进破坏运动过程的颗粒流仿真模拟

采用颗粒流离散元模拟滑坡的变形破坏全过程,不需要假定滑动面的位置和形状,颗粒根据所受到的接触力调整其位置,最终从抗剪强度最弱面发生剪切破坏。白河滑坡是受强降雨影响诱发的上部顺层、下部微切层的大型古基岩滑坡,滑坡的发生是其独特内外因共同作用的结果。据现场调查资料,总结了滑坡的成因与形成机制。运用基于离散元法的颗粒流(PFC)程序,引入平行粘结模型,通过数值模拟,确定滑带土细观参数与宏观力学性质的关系;据此建立滑坡模型;然后,运用颗粒流离散元法对滑坡运动渐进全过程进行数值模拟,对滑坡不同关键部位进行位移、孔隙率变化及应变监测,阐明其渐进发展过程,明确其时空演化规律。模拟结果表明:上部的土体沿基岩面先出现开裂,导致中部滑体产生剪胀,对下部古滑体产生推挤作用,导致新老崩积堆积区及白河中学食堂地区的失稳,形成整体滑动。通过对白河滑坡发生→发展→破坏的动态演化模拟,可为工程决策提供理论依据。

土坡稳定分析的颗粒流模拟

边坡的失稳破坏运动是一个存在岩土体的滑动、平移、转动的复杂过程,具有宏观上的不连续性和单个块体运动的随机性。采用颗粒流模拟土坡的变形破坏全过程,不需要假定滑移面的位置和形状,颗粒根据所受到的接触力调整其位置,最终从抗剪强度最弱的面发生剪切破坏,因此离散元法是模拟边坡变形破坏力学行为的比较理想的途径。运用PFC(颗粒流)程序对砂性土坡和黏性土坡分别进行数值模拟,分析细观参数对土坡破坏型式的影响。结果显示,土性对边坡的破坏型式有很大的影响,随着颗粒黏性的增大,边坡破坏类型从塑性破坏向脆性破坏过渡。

落石冲击力评定的离散元颗粒流数值模拟

为使落石冲击力评定更合理、有效，以离散元模型（DEM）为理论基础，利用颗粒流（PFC）单元法研究垂直下落条件下落石对结构的冲击力，分析了落石高度、重力及回填土厚度对冲击力的影响规律．将PFC数值模拟结果与其他几种落石冲击力计算方法所得结果进行比较，结果表明：落石冲击力与落石高度及重力均呈明显的线性关系，落石冲击力随落石高度线性变化幅度与落石重力有关，而落石冲击力随落石重力线性变化幅度与回填土厚度有关；回填土厚度为0．6m时的冲击力比无回填土时减小50％～60％，回填土厚度大于2．0m时，缓冲幅度趋于稳定，说明回填土厚度有一个合理范围，超出时，结构总荷载会增大；离散元颗粒流数值模拟方法通过阻尼设置来模拟空气在落石下落过程中产生的作用，使得在评定大体积落石从较高高度下落时产生的冲击力更加合理．

卸载所致岩爆颗粒流模型的实现与应用

为研究巷道开挖引起的卸载岩爆及岩爆过程细观层面行为特点,构建基于能量理论的三维改进岩爆模型,并通过颗粒流(PFC)分析程序PFC3D予以实现。总结相关文献,并根据细观层面上的岩爆发生过程,提出剩余能量转化方程。建立岩石耗散能和岩石可释放弹性应变能的计算方法。模拟某矿地质条件下不同深度岩体卸载后引起岩爆的过程。结果表明:-820 m工况下发生的岩爆,其发生时间极短;一次宏观岩爆是由多次微观岩爆叠加而成的;岩爆伴随着卸载面岩体突出变形,并可能导致卸载面坍塌。-420 m工况下开始发生轻微岩爆。

尾矿坝变形细观力学机理的颗粒流数值模拟

以新建四川省盐源县平川铁矿黄草坪尾矿库为工程背景,通过堆坝模型试验与室内土工试验,获得尾矿坝干滩面几何特征、颗粒分布规律及尾矿力学性质。基于离散元理论,采用PFC2D数值模拟软件进行双轴试验,与土工试验结果对比,得到尾矿细观力学参数,并分析尾矿坝颗粒接触力分布、颗粒位移与坝体结构变形特征。结果显示:1)初期坝中颗粒间接触力较大,形成的力链大致呈45°倾斜向上;坝体尾矿颗粒接触力随着埋深的增加而增大,在基岩凸起处接触力较大且集中。2)初期坝颗粒位移不明显,堆积坝少数尾矿颗粒沿坡面向下滚动,具有较大位移;尾矿堆积坝存在较为典型的滑移面,滑移面上部区域颗粒位移较大。3)初期坝结构变化不明显,尾矿堆积坝中靠近初期坝内坡面附近结构变形显著。

边坡稳定分析的颗粒流方法研究

传统的边坡稳定性分析采用刚塑性模型,事先假定滑动面,按极限平衡状态进行计算。滑移面的准确确定及参数选取对计算结果影响很大,此外土是一种散体材料,按采用连续性假设的弹性力学理论分析,在理论上矛盾。针对这一问题,采用颗粒流理论,给出了颗粒流模拟方法,首先对粘土试样的双轴试验进行了数值模拟,并结合摩尔-库仑破坏准则,得到细观参数对宏观特性的影响规律,然后模拟演示了粘性土坡在自重作用下变形破坏的全过程。模拟过程符合滑坡发生、发展、滑动的过程。说明了颗粒流方法模拟边坡变形破坏力学行为的可行性和优越性。

不同墙体位移方式下被动土压力的颗粒流模拟

用二维颗粒流程序(PFC2D)对各种移动模式的刚性挡墙被动土压力进行了模拟。再根据已有的模型试验建立颗粒流模型,分别让刚性墙体朝土体一侧平移、绕墙体顶部转动和绕墙体底部转动,给出了这三种情况下墙后被动土压力的分布图形以及相应的竖向应力的分布图形,同时给出了墙后被动土压力随墙体位移的变化规律。最后,将计算结果与实验结果进行了对比表明,颗粒流数值模拟方法不仅使用方便,而且能较好地模拟墙后被动土压力的分布规律。

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。

基于改进PFC流固耦合算法的页岩水力压裂裂缝扩展研究

针对颗粒流软件PFC中传统流固耦合算法的局限性,提出使用几何图形定义流动管道替换接触定义流通管道的流固耦合分析技术,解决基本算法中因为接触破坏而流动管道失效的问题,能更准确地描述页岩破坏后裂缝的优先流效应。在此基础上,通过设定额外属性区分管道流和裂隙流,提出水力压裂裂缝开度的计算公式,并建立储层页岩水力压裂模型,分析不同地应力作用下的完整页岩裂缝扩展模式,验证水力压裂模型的可靠性。研究结果表明:不同地应力组合的压裂裂缝扩展模式不同,不同方向的地应力相差较大时,裂缝依然沿着最大主应力方向延伸,当层理倾角不同时,压裂裂缝以较大角度逼近层理面,且较易穿过层理面,当压裂裂缝逼近角较小时,易被层理捕获并延伸;注水压力增大时,基质裂缝迅速萌生扩展,流体流入扩展的裂缝中,压裂裂缝的延伸模式差异显著;当页岩层理密度越小时,起裂注水压力越大,但层理密度较大对裂缝延伸的阻碍效应更明显。

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。

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。

边坡失稳破坏的颗粒流模拟

文章采用颗粒流离散元数值方法对典型边坡算例失稳变形破坏过程进行了计算模拟,模拟中利用数值试验方法建立起宏观与微观力学参数关系,进而确定计算用微观参数。计算结果与典型考核算例基本吻合,从而说明了计算的有效性。同时计算表明利用PFC方法可以自动搜索确定失稳滑移面,表现破坏发展过程,在破坏过程中粘结力链不断断裂,但由于滑动摩擦和颗粒间接触作用仍能维持部分粘结力破坏区域岩土体的稳定,因而粘结力断裂区域范围大于失稳范围,从而提高了对边坡失稳的认识。

基于PFC2D的综放开采顶煤冒放规律数值模拟

为了更加形象地研究顶煤冒放形态特征、宏观地把破碎的散体看作非理想状态下随机流动的松散介质.以某矿1302N大采高综放工作面为工程背景,利用离散元散体颗粒流软件PFC2D建立放顶煤二维横剖面模型,主要研究顶煤位移、煤矸动场变化、放出体衍化以及超前支承压力分布等现象.研究对比得出:顶煤流动规律方面,走向上放煤步距增大,顶煤的始动点边界线前移,顶煤运移范围增大;倾向上间隔放煤的煤损主要集中于同一轮放煤支架间的漏斗煤损.煤矸流场规律方面,采高增大煤矸分界线逐渐变陡;放煤步距增大,煤矸分界线始终保持双线形态前移.矿压显现规律方面,顶煤的硬度增大,顶煤分区中范围逐渐缩小,即超前支承压力峰值区向煤壁靠拢;采放比增大,超前支承压力峰值区远离煤壁,综放开采顶煤破碎后的流动特点和运移路径的数值模拟研究,有利于掌握散体顶煤的放出规律,据此对放煤工艺参数进行针对性的优化设计,对提高煤炭资源采出率具有重要意义.

基于Burger’s蠕变模型的采矿车行驶海底稀软底质下陷研究

在陆地矿产资源日渐枯竭的今天,深海矿产资源已成为全球各个国家争相开采与利用的焦点,深海采矿车是实现深海矿产资源开采的重要装备。海底稀软底质是一种承载力与抗剪强度极低的特殊底质,在采矿作业中,深海稀软底质的物理力学特性直接影响采矿车行走的稳定性。文章选取Burger’s接触模型作为深海稀软底质的本构模型,对某海域海底稀软原状土开展室内三轴试验,通过PFC3D颗粒流数值模拟实验对比实际三轴试验,对稀软底质的Burger’s蠕变模型进行参数标定,同时依据标定结果改变相应参数,针对5种不同底质条件的工况,建立海底采矿车的数字仿真模型,模拟各工况下采矿车在不同行驶速度时的下陷深度。结果显示,下陷深度会随行驶速度呈非线性变化,在一定范围内随着行驶速度的增大而减少并逐渐趋于稳定。同时结果还表明,该区域海底稀软底质具有更高的黏粒含量(38.1%~48.4%)、含水率(88.13%~137.79%)和压缩性(压缩系数:1.86~3.73 MPa^(-1),压缩模量:1.26~2.13 MPa),具有更低的密度(1.3~1.5 g/cm^(3))和强度特性(贯入阻力:0.19~1.32 N,黏聚力:3.7~6.9 kPa,内摩擦角:2.4°~3.9°),即承载力较低,蠕变性能较强。本研究在宏观上做了一般的探讨,为类似参数的稀软底质下海底采矿车的运行安全控制提供了较好借鉴与依据。

西部矿区深埋厚煤层采动覆岩离层发育规律数值模拟研究

为了丰富离层发育规律的研究方法,以石拉乌素矿221_上08工作面为对象,通过分布式光纤(BOTDR)及定点光纤对离层位置进行综合确定,结合颗粒流PFC^(2D)数值模拟,对大采高、大采深条件下采动覆岩离层发育规律进行研究。结果表明:随着工作面推进,离层空间在关键层底部自下而上向主关键层底部发育,离层发育埋深在440、396、376、331、321、296 m附近,层位止于粗砂岩主关键层底部;覆岩运移主要经历下位关键层沉降、上位亚关键层快速沉降、向粗砂岩主关键层底部发展、主关键层运移阶段;离层层位与工作面推进距离呈正比,且离层发育主要分为孕育(Ⅰ)-加速扩容(Ⅱ)-压密阶段(Ⅲ)3个阶段。