近源堆沉积土石体细观结构与抗剪强度指标关联分析

细观结构是认知土石体力学行为本质的关键科学问题。本文通过引入物理学和数学等方法，借助颗粒物质力学理论，从几何排列与接触力的空间分布来定量刻画水平固结与山前坡地堆积两种典型环境下土石体的细观结构特征，并建立其与抗剪强度指标的关联。研究表明，（1）两种环境的土石体在细观结构上存在较大差异。在几何排列上，水平固结环境下的土石体具有长程无序和短程有序的特点，坡地堆沉积环境下的土石体表现出了无序的无定形结构；在接触力与单位接触向量的空间分布上，两者较为相似，绝大多数接触力以小于均值接触力的形式存在，其概率密度曲线P（f）呈幂函数衰减；90%以上接触方位角集中在40°~160°和220°~340°范围内。（2）基于径向分布函数、接触力概率密度和单位接触向量分别定义细观结构的特征量K_a，K_s和K_o，发现三个特征量的增大对内摩擦角呈线性促进作用，对黏聚力呈非线性削弱作用。     

基于FEM-DEM的三体摩擦界面中接触行为与应力的多尺度分析

为了研究三体摩擦界面中第一体变形与第三体状态的相互影响,利用耦合有限元法和离散元法的多尺度法模拟了平行板剪切颗粒第三体的过程。整个模型分为两个区域：有限元区域（上板）和离散元区域（第三体和下板）,上板在一定的外载荷压应力下挤压颗粒第三体,下板以恒定的速度剪切颗粒第三体。为实现两个子区域间的相互联系,建立了子区域间应力应变的传递机制。实现了三体摩擦界面的多尺度分析,模拟了平行板剪切颗粒第三体的过程。模拟结果表明：当外载荷压应力低于10MPa时,颗粒间的碰撞增多使得第三体内量纲归一化平均应力增大,宏观摩擦系数也随之增大;在剪切过程中,第三体内部颗粒间的接触随接触角度的分布呈现出一定的规律性,0~90°各区间内的强接触较多,尤其在54°~72°之间;颗粒接触随接触力大小的分布也具有一定的规律性,接触力与第三体颗粒平均接触力的比值在0~0.6之间内的接触较多,随后接触力越大,接触数越少。同时,第一体内压应力分布与第三体内力链的分布相对应,力链越强则与其接触的第一体的压应力越大。     

德州地区土体固结过程微观结构的显微观测分析

土体的宏观工程力学性质受土体微细结构状态和变化规律的影响,其复杂的物理力学特性是微细结构特性的本质体现。为探明宏观土体沉降现象背后的本质机理,对德州地区沉降中心附近土体进行钻孔取芯,对五组不同深度土体试样进行不同荷载下的固结试验与SEM电镜扫描试验,探讨不同深度粘性土随着固结压力变化,土体压缩性及其微观结构的变化规律,总结土体微结构特征与微观参数变化特征,以期从细观本质机理上解释德州地区地面沉降的宏观现象。结果表明,随着固结压力的变化,土体的平均颗粒面积呈增大趋势,土体颗粒扁圆度提高。单元体排列概率熵均呈明显下降趋势,土体颗粒与土内孔隙分布定向性提高。不同深度的五组土体孔隙分布分维数均呈下降趋势且最终趋于稳定,颗粒分布分维数则明显上升,土体密实程度提高。     

基于分子动力学-格林函数法的微凸体接触数值分析

表面接触是摩擦的先决条件,其真实接触面积、压应力大小、空间分布等一直是接触力学关注的核心问题.采用分子动力学-格林函数法(GFMD)模拟粗糙面的接触过程,验证了其在大规模接触分析中的高效及准确性,同时探讨了由微球体组成的粗糙面的接触力学特性,并分析了分子尺度下的结果和传统力学模型计算结果的差异.结果表明,单个微凸体接触结果和分子动力学-格林函数法模拟所得非常接近,误差在5%以内.数值模拟发现,在微凸体高度符合高斯分布的情况下,接触面积和接触力成线性关系;在相同接触面积下,微凸体模型得出的接触力偏高,是上限值.微凸体模型没有考虑微凸体间的相互影响,实际是高估了弹性体的刚度;实际接触过程中微凸体相互影响,微凸体对临域形变影响尤其大,使接触区域更加离散.GFMD模型可以准确计算数十亿量级别分子、原子接触过程中真实接触面积及分布,为后续摩擦、滑移等分析提供可靠的参考.     

基于G2值法的二维光弹颗粒体系力链研究

力链是颗粒体系研究中的重要概念，是微观现象的集中体现，对宏观颗粒物质体系起着重要作用。采用光弹方法对受竖向荷载作用的混合直径颗粒体系进行加压实验，结合数字图像处理技术和G²值法(彩色梯度均方值算法),分析了颗粒体系在竖向荷载作用下几何结构的变化以及接触力、力链网络的分布情况。首先通过数字图像处理技术统计出颗粒体系在不同竖向荷载作用下的接触向量角度分布情况，发现其集中分布区间只是在区间分布频率上出现小幅波动，竖向荷载的增大并不会对整体分布产生影响。然后通过G²值法求出了颗粒体系的G²值，并对单个颗粒的G²值和平均接触力F的关系进行了拟合，结果表明，光弹颗粒的G²值随着F的增大而增大，接触点少的颗粒G²值反而偏大。接着通过拟合公式计算出单个颗粒的接触力，根据其与平均接触力的比值频率统计结果画出接触力频率分布曲线，从曲线结果来看，竖向荷载的增大能够让颗粒体系中直径较小的颗粒接触力更加接近平均接触力，分布更加统一；直径较大的颗粒能够支撑起更多的荷载并接触到更多其他...     

考虑接触应力非线性分布的接触力元模式及其验证分析

在作者提出的非连续变形计算力学模型中,采用接触力元模型描述多体接触界面上的接触特性．由于这种模型中假定接触应力沿接触界面为线性分布,从而得到的接触界面应力分布往往出现跳跃等非光滑性特征,该文对此进行了改进,采用具有高阶光滑性的非线性函数建立了能够考虑界面上接触应力非线性分布的接触力元模式,以期合理地揭示多体系统中界面的接触特性．对某一典型算例进行了数值计算,通过与大型通用非线性有限元结构分析软件ABASQUS的计算结果对比,验证了所建议计算模型的合理性与有效性．两种方法计算得到的界面接触对上的接触力基本相同;而由于采用的应力分布模式的假定不同,接触应力有所差别,由于在该文计算模型中接触对上的接触应力是按照未知量直接求得的,因此按照所建议的非线性接触力元模式所得到的接触应力更为合理．     

混凝土多尺度应力响应方程及其数值模拟

针对混凝土的多相多尺度材料组成特征及其复杂力学响应问题, 首先, 根据混凝土中各组成材料的几何特征, 将C-S-H凝胶、硬化水泥浆体、砂浆及混凝土细观组成分别视为纳观、微观、亚细观和细观尺度上的复合材料, 并利用颗粒空间堆积方法, 重构了混凝土各尺度复合材料的简化几何模型; 其次, 基于重构的几何模型和等效夹杂理论, 通过等效刚度的升阶计算和应力响应的降阶计算, 建立各尺度复合材料应力响应之间的过渡关系, 推导混凝土多尺度应力响应方程, 并编制相应的计算程序; 最后, 以单轴压缩载荷作用为例, 数值计算载荷作用下混凝土各尺度复合材料中的应力响应, 分析骨料空间位置和相互作用以及水化产物刚度、几何形状和空间取向对其应力响应的影响规律. 结果表明, 单轴压缩载荷作用下, 混凝土细观组成中的应力分布并不均匀; 骨料颗粒之间的距离影响到混凝土中的应力分布, 其有效影响范围约为骨料粒径的6倍; 水泥水化产物的刚度、几何形状和空间取向是影响其应力分布的重要因素, 刚度越大, 所受应力越大, 与载荷作用方向的夹角越小, 长椭球形水化产物沿载荷作用方向的应力越大, 扁椭球形水化产物与之相反.      

胶结土石混合体力学特性的块石形状效应细观机理分析

考虑块石形状为球体、正方体和长方体三种情况,通过正方体与球体相比较来探究块石不同棱角度对胶结土石混合体力学特性的影响,通过长方体与正方体相比较来探究块石不同球度对胶结土石混合体力学特性的影响。首先,基于不规则颗粒三维离散元精细模拟技术实现了正方体和长方体块石数值模型的建立;然后建立含石量为30%和80%的块石形状分别为球体、正方体和长方体的胶结土石混合体三维离散元随机结构模型;最后,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流数值模拟,获得了不同含石量、不同块石形状下胶结土石混合体的强度特征和变形特征,并分别就低、高两种含石量下块石形状对土石混合体力学特性影响的细观机理进行了深入地分析。结果表明：块石含量和形状均会显著影响胶结土石混合体的力学特性,并且两者间具有复杂的交互作用;微裂纹、块石颗粒平均旋转量、应变能和摩擦功等的演化规律能够很好地从细观水平上反映块石形状影响的作用机理。     

不排水条件下土石混合料双轴压缩离散元模拟

基于离散单元法构建了考虑碎石形状的柔性边界不排水双轴压缩模型,研究了11组不同含石量土石混合料在不排水条件下的宏细观力学特性。研究发现,(1)土石混合料强度随含石量增加先增后减,含石量超过约60%时形成碎石骨架,强度快速增长;含石量约80%时强度和内摩擦角最大;含石量增加,混合料黏聚力逐渐减小。(2)不排水受载下,土石混合料孔隙水压力先正后负、先增后减。含石量较小时,含石量增加,混合料孔隙水压力变化较小,混合料在碎石骨架形成初期孔隙水压力增加;碎石骨架完全形成后最大孔隙水压力减小。(3)含石量小于约30%时,混合料应变局部化呈规则剪切带,随后含石量增加破坏规则剪切带,当含石量约为80%时,混合料再次形成规则剪切带。含石量增加,配位数逐渐减小,颗粒间接触力在含石量小于60%时随含石量增加缓慢增长,超过70%时则快速增长。     

双轴压缩下颗粒物质接触力与力链特性研究

为探究双轴压缩过程中颗粒物质接触力与力链特性,采用离散元法研究双轴压缩过程,得到双轴压缩过程中颗粒体系宏观力学特性,即偏应力、体积应变变化规律,并通过对接触力大小分布规律、接触力角度分布规律等细观层次分析,完成接触力大小、力链方向性量化描述,同时探究围压对颗粒物质力学特性的影响。研究表明,双轴压缩过程经历应力强化、应力软化、应力波动三个阶段。在各阶段,强接触与总体接触的各类型接触力大小分布规律可采用高斯函数或指数函数拟合,弱接触的法向与总接触力分布较为均匀;直径较大颗粒上具有接触力集中现象,集中程度随着围压升高而加强;力链网络形态经历"鱼鳞"状-"柱"状-"拱"状-"龟壳"状演变,由初始时基本各向同性,逐渐向最大主应力y向偏转,表现出强烈各向异性,最后又经历小幅度偏转偏离y向。不同围压下力链分量比变化规律证实了该发现,接触力角度分布规律也从力链承载方向验证了此结论。研究结果将为探究双轴压缩中颗粒物质力学特性提供理论基础。     

颗粒材料三维应力路径下的接触组构特性

颗粒材料的宏观应力变形特征与其微观接触力、组构等紧密相关.一般而言,强接触系统属于颗粒内部体系的传力结构,其对应的组构张量是影响宏观应力性质的重要因素.细观数值方法(如离散单元法)能够反映物理试验的基本规律,并且可以方便地提取宏微观数据来研究颗粒体系的应力变形机制.采用离散单元法(discrete element method,DEM)进行一系列等$p$等$b$应力路径下颗粒材料的真三轴试验,在此基础上研究了三维应力路径下颗粒材料的宏微观力学参数的演化过程、三维组构张量与应力张量多重联系以及强接触体系反映的宏观应力特征.研究表明:颗粒体系偏应力峰值状态和临界状态均存在与加载路径无关的宏微观特征;三维应力路径下组构张量与应力张量存在非共轴性,但其联合不变量演化过程表现出加载路径无关的特征;与弱接触系统的组构张量相比,强接触系统的组构张量更能反映宏观应力张量的特征;强弱接触体系的组构张量对颗粒体系宏观响应的贡献不同,其分界点存在一定取值范围,但采用平均接触力较为简单合理.      

颗粒材料三维应力路径下的接触组构特性

颗粒材料的宏观应力变形特征与其微观接触力、组构等紧密相关.一般而言,强接触系统属于颗粒内部体系的传力结构,其对应的组构张量是影响宏观应力性质的重要因素.细观数值方法 (如离散单元法)能够反映物理试验的基本规律,并且可以方便地提取宏微观数据来研究颗粒体系的应力变形机制.采用离散单元法(discrete element method, DEM)进行一系列等p等b应力路径下颗粒材料的真三轴试验,在此基础上研究了三维应力路径下颗粒材料的宏微观力学参数的演化过程、三维组构张量与应力张量多重联系以及强接触体系反映的宏观应力特征.研究表明:颗粒体系偏应力峰值状态和临界状态均存在与加载路径无关的宏微观特征;三维应力路径下组构张量与应力张量存在非共轴性,但其联合不变量演化过程表现出加载路径无关的特征;与弱接触系统的组构张量相比,强接触系统的组构张量更能反映宏观应力张量的特征;强弱接触体系的组构张量对颗粒体系宏观响应的贡献不同,其分界点存在一定取值范围,但采用平均接触力较为简单合理.     

块石形状对土石混合体力学行为影响的颗粒流模拟

考虑块石形状为球体、正方体和长方体三种情况,通过正方体与球体相比较来探究块石棱角度不同对土石混合体力学特性的影响,通过长方体与正方体相比较来探究块石球度不同对土石混合体力学特性的影响。首先,提出特定形状块石三维离散元精细建模的方法;接着建立含石量为30%和80%的块石形状分别为球体、正方体和长方体的土石混合体三维颗粒流数值模型;然后,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流模拟,获得了不同含石量及不同块石形状的土石混合体试样的宏观力学特征;最后,详细分析了块石形状对土石混合体力学行为影响的细观机理。结果表明,块石形状会影响土石混合体的力学行为,其影响的程度与含石量密切相关;配位数、块石颗粒平均旋转量和摩擦功的演化规律能够很好地从细观水平上反映块石形状的作用机理。     

双连梁短肢剪力墙结构的随机损伤演化分析

基本于概率密度演化方法和混凝土弹塑性损伤本构模型,本文针对一类新型双连梁短肢剪力墙开展了随机损失演化模拟研究.基于广义概率密度方程分别研究了结构荷载与受拉、受剪损伤随机过程,分析了三者在结构受力全过程中均值、方差以及变异系数的变化特征;通过不同随机参数组合计算结果与结构均值反应的对比,发现宏观结构荷载-位移曲线和细观受拉、受剪损伤随位移变化过程之间存在很大差异;通过分析研究典型位移水平下结构荷载与受拉、受剪损伤的概率密度曲线以及其极限状态下各自所对应的等概率线分布,不仅阐释了随机损伤演化的多样性与复杂性,而且为从本质上认识非线性问题提供了可能途径.     

半弹簧接触模型及其在边坡破坏计算中的应用

提出了一种用于判断、描述三维离散块体的接触状态, 计算块体间接触力的半弹簧接触模型. 该模型将一对接触块体分为母块体及子块体, 半弹簧位于母块体上, 由母块体各节点缩进至各母面面内形成, 目标面位于子块体上. 该模型根据半弹簧与目标面的几何关系直接计算接触力, 无需耗费大量时间判断两个块体的接触类型及计算两个块体的接触面积. 该模型可以解决准三维条件下地质体渐进破坏的计算, 将该模型应用于边坡渐进破坏分析,计算结果与实际情况相符.      

土石混合体的研究现状及研究展望

土石混合体是不同于岩体与土体的一种地质材料,其物理力学特性的研究越来越受到工程界关注。本文首先介绍了土石混合体概念的提出,并以土石混合体在我国的广泛分布特点与工程中的诸多实际问题阐述了其研究具有重要的工程价值与理论意义。另一方面,通过大量与土石混合体相关的文献检索与分析,本文从力学试验、几何结构研究和数值模拟等不同方面总结了近年来土石混合体研究的成果,指出结构效应是土石混合体重要而又特有的一个特征,其几何结构模型与数值模拟的研究也取得了许多重要而有价值的成果。最后,针对土石混合体研究中仍存在的不足,本文展望并探讨了土石混合体今后的研究方向,提出了地质成因与物质组成结构特征、水与土石混合体的耦合作用、土石混合体三维数值模拟研究、以及土石混合体力学参数快速确定方法等4个方面的研究内容与研究思路。     

基于三维细观模型的全级配混凝土静态力学性能的数值模拟

根据混凝土材料的细观组成和力学特性,研究了骨料几何形状和空间分布规律,建立全级配混凝土三维凸多面体随机细观模型,引入了混凝土细观组份材料的本构模型,分别模拟了单轴、双轴和三轴状态下混凝土的静态力学性能,并建立混凝土梁的三维宏细观分析模型,研究了三点弯曲梁的变形及裂缝扩展情况。结果表明,本文建立的细观力学模型的计算结果与实验数据吻合较好,可以较好地模拟各种复杂应力条件下混凝土的静态力学性能和损伤破坏机理。     

多体系统碰撞动力学中接触力模型的研究进展

接触碰撞行为作为大自然与多体系统中的常见现象, 其接触力模型对于多体系统的碰撞行为机理研究与性能预测至关重要. 静态弹塑性接触模型与考虑能量耗散的连续接触力模型是研究接触碰撞行为的两类不同方法, 在多体系统碰撞动力学中存在诸多共性与差异. 本文分别从上述两类接触模型的发展历程入手, 详细介绍了两类模型的区别与联系. 首先, 根据阻尼项分母中是否含有初始碰撞速度将连续接触力模型分为黏性接触力模型与迟滞接触力模型, 讨论了能量指数与Hertz接触刚度之间的关系, 阐述了现有连续接触力模型在计算弹塑性材料接触碰撞行为时存在的问题. 其次, 着重介绍了分段连续的准静态弹塑性接触力模型(可连续从完全弹性转换到完全塑性接触阶段), 分析了利用此类弹塑性接触力模型计算碰撞行为的技术特点. 同时, 以恢复系数为桥梁和借助线性化的弹塑性接触刚度, 避免了Hertz刚度对弹塑性接触刚度的计算误差, 根据碰撞前后多体系统的能量与动能守恒推导了弹塑性接触模型等效的迟滞阻尼因子. 探索了连续接触力模型与准静态弹塑性接触力模型之间的内在联系, 数值计算结果定量说明了人为阻尼项代表的能量耗散与弹塑性接触力模型中加卸载路径代表的能量耗散具有等效性. 另外, 为了避免阻尼项分母中初始碰撞速度在计算颗粒物质动态性能时导致的数值奇异问题, 通过求解等效的线性单自由度欠阻尼非受迫振动方程获得了阻尼项分母中不含初始碰撞速度的连续接触力模型, 并以一维球链为例, 证明了该模型相比EDEM软件使用的连续接触力模型具有更高的精度. 最后, 本文分析了当前多体系统碰撞动力学的研究现状, 并简要展望了多体系统碰撞动力学中接触力模型的发展趋势与面临的挑战.      

基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析

土石混合体是由高强度块石和低强度土体组成的一类特殊工程地质材料,其力学性质可通过直剪试验进行确定。本文针对土石混合体的细观材料特性,分别采用球形颗粒单元和非规则组合颗粒单元模拟土体和块石材料,对其在不同含石量和颗粒粘结强度下的直剪试验过程进行离散元分析。计算结果表明,土石混合体的抗剪强度随着含石量和粘结强度的增加而增加;通过不同法向应力下直剪试验的离散元分析,确定了不同含石量下土石混合体材料的内摩擦角和粘聚力。本文研究结果有助于进一步揭示土石混合体的抗剪强度特性。     

一种基于Gauss von Mises分布模型的非线性量测更新方法

基于状态空间模型的许多传统滤波算法都基于Rn空间中的高斯分布模型,但当状态向量中包含角变量或方向变量时,难以达到理想的效果。针对J.T.Horwood等提出的nS?R流形上的Gauss Von Mises(GVM)多变量概率密度分布,扩展了狄拉克混合逼近方法,给出了联合分布的GVM逼近方法,推导了后验分布的GVM参数计算公式,设计了量测更新状态估计算法。将J.T.Horwood等的时间更新算法与所提出的量测更新算法相结合,可实现基于GVM分布的递推贝叶斯滤波器(GVMF)。仿真结果表明,当状态向量符合GVM概率分布模型时,GVMF对角变量的估计明显优于传统的扩展卡尔曼滤波器。