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。     

土石混合体直剪离散元数值试验研究

工程中普遍存在的土石混合体以其复杂的工程地质力学性质越来越受研究者的关注。由于"块石"的存在使得土石混合体在细观层次上呈现明显的结构性特征,这种结构性将影响甚至控制着其变形破坏机制及宏观力学特征。本文借助三维颗粒离散元分析软件YADE分别从含石量、试样尺寸、强度特性等角度对土石混合体的力学性质开展了一系列的数值直剪试验研究工作,并取得了一些有意义的研究成果:在含石量及粒度组成相同的情况下土石混合体的宏观抗剪强度及剪胀性随着试样尺寸的增加而呈现降低趋势,而在相同试样尺寸下将随着含石量的增加而增加;内部块石的存在影响着其细观应力状态,从而影响其宏观力学特性。     

含石量对土石混合体压桩承载力影响的离散元分析

土石混合体是介于土体和岩体之间的一种非均质、非连续和非线性的特殊工程地质材料,其在压桩贯入过程中的承载力受含石量的影响非常显著。本文分别采用球形颗粒和非规则镶嵌组合颗粒模拟土体颗粒和块石,对不同含石量下压桩贯入过程进行离散元数值分析。计算结果表明,桩柱阻力及其波动规律在不同含石量下有很大的差别。高含石量下的阻力要明显大于低含石量下的阻力,且其波动性也更加明显。通过对土石混合体内部力链结构的细观分析,揭示了压桩贯入过程中承载力随含石量变化的内在机理。以上研究有助于分析土石混合体材料的宏观力学行为,深入研究其在复杂工程条件下的力学特性。     

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。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大,研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析,阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术,可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法CDEM（Continuum Discontinuum Element Method）,探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律,并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明,随着含石量的增加,脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小,含石量超过15%之后,单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下,随着交界面比强度的增大,宏观单轴抗压强度逐渐增大;当交界面比强度大于20时,单轴抗压强度基本不变;当交界面比强度小于1时,主要出现贯穿整个试样的裂缝;当交界面比强度大于1时,主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大,研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析,阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术,可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法 CDEM(Continuum Discontinuum Element Method),探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律,并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明,随着含石量的增加,脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小,含石量超过15%之后,单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下,随着交界面比强度的增大,宏观单轴抗压强度逐渐增大;当交界面比强度大于20时,单轴抗压强度基本不变;当交界面比强度小于1时,主要出现贯穿整个试样的裂缝;当交界面比强度大于1时,主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

土石混合体重塑样制备及其压密特征与力学特性分析

基于土力学与岩石力学的实验室力学试验原理与方法,本文首先探索了土石混合体重塑样的制备、压密特性等问题,初步给出土石混合体重塑样制备的一个标准流程,并揭示了土石混合体的压密特性与机制,即土石混合体压密主要是土体的压密,但块石直接影响其压密效果,并指出本次试验土石混合体50锤次可达到的最佳压密效果,而压密机制随含石量增加而有所变化。运用高精度岩石试验机,首次进行了土石混合体的单轴压缩试验。试验表明,在无侧限条件下块石与土体无胶结,导致了试样实际承载面积减小,使其抗压强度与弹模反而低于土体; 而土石混合体中块石形成骨架结构的力学响应是土石混合体的一个重要的力学特性。     

不同细料含量土石混合料塑性行为离散元模拟

土石混合料是指由大粒径的块石和作为填充成分的细粒土组成的二元混合料, 其塑性行为与细料含量密切相关. 目前对细粒含量如何影响土石混合料塑性行为及其细观机制的研究尚不充分, 为此本文开展了不同细料含量土石混合料的二维离散元数值模拟, 基于二阶功失稳准则与细观力学理论, 探究了细料含量对石料骨架土石混合料失稳特性与非关联流动特性的影响, 并揭示了细料含量影响土石混合料塑性力学行为的细观机制. 研究结果表明, 细颗粒可通过限制集合体塑性变形从而起到促进集合体整体稳定的作用; 细颗粒控制颗粒集合体塑性变形的方向(即塑性势面法方向), 随着细料含量增大, 土石混合料的塑性势面法方向和屈服面法方向之间的夹角减小, 非关联流动性减弱, 材料分岔失稳区域变窄; 尽管加入到石颗粒中的部分细颗粒与石颗粒共同承担骨架作用, 但是细颗粒的加入不影响颗粒集合体的力学状态, 不改变材料屈服面法方向. 相关研究结果可为建立考虑细料含量的土石混合料弹塑性本构模型提供理论依据.      

块石对土石混合体力学性能的影响研究

土石混合体是一种由强度较高岩块、强度较低的土体充填成分及相应孔隙等多相体系组成的复杂地质材料。我国中西部地区诸多地质灾害的发生均与其抗剪强度密切相关。影响土石混合体力学性能的因素很多。本文采用柔性边界条件下的大型剪切实验,从含石量、块石排列、块石尺寸三个方面研究了块石对土石混合体力学性能的影响。通过正交实验确定了3种因素对土石混合体抗剪强度的影响顺序及各因素的显著性水平,研究发现在这3个影响因素中,块石尺寸对土石混合体抗剪性能的影响最大,含石量次之,块石排列的影响最小。     

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。     

巫溪南门湾危岩体稳定性分区研究

危岩体是影响人类生命财产安全与工程活动的自然地质灾害之一。对危岩体的勘察、稳定性评价与防治是地质灾害防治的研究难题。受危岩体复杂地质特征影响,南门湾危岩体由20余个危岩块体组成,其防治设计存在一定工程风险。本文通过分析岩体裂隙系统发育状况,在W6危岩单体稳定性研究的基础上,建立了赤平投影法评价危岩体稳定性的判断标准与南门湾危岩体的稳定性分区,提出了对应的防治措施建议。本文的稳定性研究具有一定的理论意义,对该危岩体的防治工程具有指导意义。     

侧向压力对岩块极限承载能力的影响研究

工程岩体宏观力学参数特别是极限承载能力的研究是岩石力学最基本、也是最困难的研究课题之一。本文采用数值模拟方法研究了侧向压力对岩块极限承载能力的影响,得到了侧向压力与极限承载能力之间的函数关系,同时还找出了岩块声发射随着侧向压力的变化规律,这些问题的解决对于用数值模拟方法研究岩体工程的宏观力学性能无疑是很有意义的。     

GPU-enhanced DEM analysis of flow behaviour of irregularly shaped particles in a full-scale twin screw granulator

During twin screw granulation (TSG), small particles, which generally have irregular shapes, agglomerate together to form larger granules with improved properties. However, how particle shape impacts the conveying characteristics during TSG is not explored nor well understood. In this study, a graphic processor units (GPUs) enhanced discrete element method (DEM) is adopted to examine the effect of particle shape on the conveying characteristics in a full scale twin screw granulator for the first time. It is found that TSG with spherical particles has the smallest particle retention number, mean residence time, and power consumption; while for TSG with hexagonal prism (Hexp) shaped particles the largest particle retention number is obtained, and TSG with cubic particles requires the highest power consumption. Furthermore, spherical particles exhibit a flow pattern closer to an ideal plug flow, while cubic particles present a flow pattern approaching a perfect mixing. It is demonstrated that the GPU-enhanced DEM is capable of simulating the complex TSG process in a full-scale twin screw granulator with non-spherical particles.     

基于数字摄影测量的结构面信息表征及应用研究

结构面的存在直接影响岩体的强度、变形特征及破坏机制。为探究夏甸金矿矿区结构面的存在对岩体力学参数和岩体质量情况的影响，利用数字摄影测量技术快速获取研究区域结构面几何信息，并通过三维建模、激光扫描技术以及VR-Platform虚拟现实平台实现了结构面二维几何信息的真三维表征。基于此，利用广义Hoek-Brown强度准则分析计算了各研究区域的岩体力学参数，并根据岩体基本质量指标BQ值进行了岩体质量分级评价。结果表明，夏甸金矿岩体力学参数指标和岩体质量指标均较好；矿体下盘距离矿体方向越远，岩体完整性系数和岩体力学参数越低；利用广义Hoek-Brown强度准则计算所得岩体力学参数除内摩擦角外数值均与前期试验所得数据基本一致，计算所得岩体内摩擦角度偏大的原因，可能是其未考虑结构面自身的颗粒直径和形态等对岩体内摩擦角的影响。     

Two-dimensional flow in a fractured medium

Transport processes within a liquid-filled fractured reservoir can be modelled using a double-diffusive mechanism in fracture and block. Then it is commonly assumed that the flow in the block is purely one-dimensional (e.g. vertical). Lateral flow within the block will, however, become significant at long times. Avdonin has given an analytic solution for the pressure response in an infinite fissure bounded by two homogeneous half-spaces, allowing vertical flow only in the blocks. We extend this solution to include horizontal flow in the blocks. There are significant qualitative differences between the two cases. In particular, we find that if fluid is injected at a constant rate into the fissure and horizontal flow in the blocks is allowed, then the long-time pressure response of the fissure/block assembly has the same character as that due to a line source in a homogeneous anisotropic porous medium.     

爆破影响下岩质高边坡浅表层块体稳定性研究

摘要：岩质高边坡整体稳定性主要受软弱结构面及其组合控制,在组合有利的情况下,边坡主要发生浅表层块体失稳,开挖时的爆破振动作用是影响浅表层块体稳定的重要因素。本文以大渡河中游某岩质块状结构高边坡为例研究浅表层块体的稳定性,在总结浅表层块体失稳特征的基础上,实测爆破振动曲线,进行块体稳定性评价。研究结果表明,开挖后已失稳浅表层块体大多小于10m3,80%受软弱结构面控制,70%集中在马道下缘;实测的浅表层块体爆破振动加速度曲线显示,与邻近围岩相比,浅表层块体振动持续时间长,频率低,峰值小;等效静力法评价结果较爆破参数推算法更适用于临界失稳浅表层块体的稳定性评价。     

CFD-DEM simulation of the hole cleaning process in a deviated well drilling: The effects of particle shape

We investigate the effect of particle shape on the transportation mechanism in well-drilling using a three-dimensional model that couples computational fluid dynamics (CFD) with the discrete element method (DEM). This numerical method allows us to incorporate the fluid–particle interactions (drag force, contact force, Saffman lift force, Magnus lift force, buoyancy force) using momentum exchange and the non-Newtonian behavior of the fluid. The interactions of particle−particle, particle−wall, and particle−drill pipe are taken into account with the Hertz–Mindlin model. We compare the transport of spheres with non-spherical particles (non-smooth sphere, disc, and cubic) constructed via the multi-sphere method for a range of fluid inlet velocities and drill pipe inclination angles. The simulations are carried out for laboratory-scale drilling configurations. Our results demonstrate good agreement with published experimental data. We evaluate the fluid–particle flow patterns, the particle velocities, and the particle concentration profiles. The results reveal that particle sphericity plays a major role in the fluid–solid interaction. The traditional assumption of an ideal spherical particle may cause inaccurate results.     

不同典型形状落石冲击砂垫层试验与量纲分析

开展了球形、锥形和平头3种典型形状落石撞击垫层的冲击力及侵入深度的试验研究。结果表明,落石形状对冲击试验结果有显著影响:相同条件下,平头落石的冲击力最大,侵入深度和冲击力峰值时间最短,锥形落石反之,而球形落石介于两者之间。采用无量纲化分析方法,将落石的质量、速度、形状、特征尺寸,垫层的强度、密度转换为无量纲强度冲击因子I、密度冲击因子λ和形状冲击因子ψ,并对冲击因子与侵入深度的试验数据进行了相关性分析,结果表明:（1）冲击因子I和λ在决定最终侵深z_m/d 中所起到的作用比较相近;（2）冲击因子I和λ对侵入深度的影响分析表明,I和λ的相对独立性较强,相互影响较小,在不同的λ值下,I对侵入深度的影响规律基本一致。     

岩质边坡关键块体的搜索方法及工程应用

工程边坡开挖所揭露的某些结构面组合块体在破坏原有静力平衡状态后,进行应力重新分配,进而块体会发生失稳、滑动等变形,甚至影响到整个边坡发生破坏,因此,结构面组合块体的稳定性是决定岩质边坡稳定的重要因素。本文通过对某工程开挖边坡地形和结构面三维实体模型的建立,实现了边坡结构面与开挖地形实体模型在AutoCAD平台上的可视化操作,剖切不同位置的二维图形预测分析了边坡开挖后可能存在的结构面组合块体,采用块体计算程序(Swegde)验证关键块体并进行稳定性评价。结果表明：三维实体模型及剖切技术与块体计算方法的结合,易于搜索关键块体。事实证明,该方法操作简便,计算结果准确,搜索方法具备可行性。