基于PFC~(3D)的砂土直剪模拟及宏细观分析

为能更好地分析砂土在剪切过程中的体积变化及力学行为,通过PFC~(3D)颗粒流程序,按照室内实际级配建立数值试样,进行了不同垂直压力下的砂土直剪试验模拟,并将模拟结果与室内试验结果进行了对比;研究了砂土在剪切过程中的体积变化,并用两种方法分析了砂土剪切带的演变过程;从细观角度对试样颗粒的速度场及力链网络的发展变化进行了分析研究。结果表明,数值模拟结果与室内试验结果基本一致,砂土的体积变化表现为先剪缩后剪胀,剪胀量与垂直压力成反比;剪切带厚度约为11～12倍d_(50),在剪切带内颗粒的位移和欧拉角变化较大;试样内部强力链的演变较为明显,力链网络对外荷载变化的敏感性很高;剪切过程中上盒颗粒速度场方向的变化能够较好地解释砂土产生的剪胀现象。     

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。     

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.论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.论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.     

岩石结构面直剪力学特征的颗粒流宏细观分析

目前,由于颗粒尺寸和位置随机分布而产生的粗糙度,导致在模拟过程中出现应力集中现象,从而无法利用PFC2D准确模拟岩石结构面的剪切力学行为。为了避免以上弊端,采用结构面两侧颗粒组接触判别法分别对倾角为20°和30°的三角形单锯齿结构面进行不同法向应力下的直剪模拟。模拟结果与物理试验结果基本吻合,表明此模拟方法可以真实模拟岩石结构面剪切力学行为。为了进一步验证此模拟方法在天然结构面模拟试验中的可行性,利用PFC2D对Barton标准十条节理轮廓线模型进行不同法向应力下的直剪试验,模拟结果与理论值吻合,表明模拟方法具有可行性,为剪切破坏过程和机理分析提供可靠的理论依据,为研究粗糙结构面强度特征提供了一种思路。     

香港全风化花岗岩饱和直剪试验中的剪胀问题

通过对全风化花岗岩的慢剪试验,指出了在直剪试验中出现的两种垂直位移变化形式,其对土体的剪胀剪缩性质的 反映与三轴试验是一致的。剪胀的发生与土体的密实程度密切相关;随垂直压力的增大,剪胀发生所需剪应力也增大;剪应 力达到峰值所需要剪位移总是比剪胀发生时所需的剪位移大。     

某水电站坝基岩体结构面室内大型直剪试验研究

岩体结构面的抗剪强度是表征岩体强度的一项重要参数,但由于原位试验受场地等诸多因素影响,难以大规模的开展,本文提出在室内用结构面大型剪切试验开展结构面的剪切特性研究,以某水电站坝基砂岩岩体中的硬性结构面为研究对象,取得了较好的成果。试验表明:结构面的多组剪切变形曲线具有一定的应变硬化的特征;达到峰值剪切强度时的剪切位移普遍较大,在8.9mm～44.5mm之间;砂岩中硬性结构面光滑面的“基本摩擦角”为31.4°,结构面“平均起伏角”为6.3°。     

考虑颗粒形状和破碎的胶结钙质砂力学行为离散元模拟研究

质砂作为一种建筑材料,近年来广泛应用于我国南海岛礁工程建设中。本文通过建立考虑钙质砂真实颗粒形状和颗粒破碎的胶结钙质砂离散元模型,研究了二维剪切条件下试样的宏微观力学行为,包括应力-应变行为、颗粒破碎、胶结破坏、位移场和裂纹随剪应变的演化规律,讨论了颗粒形状、颗粒粒径范围、颗粒强度和水泥胶结强度对胶结钙质砂力学行为的影响规律。结果表明,钙质砂颗粒粒径区间越宽,胶结钙质砂的强度越高。同一级配条件下,考虑真实颗粒形状的胶结钙质砂试样比圆颗粒试样的强度更高,试样总体颗粒破碎率也更高。钙质砂颗粒的强度越高,胶结钙质砂的性能越好。但是提高水泥的强度对胶结钙质砂力学性能的影响并不显著。本文的研究结果可为实际工程中钙质砂的加固提供理论依据。     

土剪破坏次声监测试验研究

土质滑坡临滑会产生次声波,次声监测可以作为判断土质滑坡临滑的一种技术手段.在考虑到滑坡的力学方式是以剪切破坏为主的前提下,为了探明土质滑坡过程中的次声信号响应特征,设计了土体直剪实验次声-力-位移联合监测系统,开展了土体剪破坏次声监测试验,在次声事件自动拾取的基础上,结合黏性土渐进性破坏理论,分析了剪切过程中的微观声学机理,结果表明:(1)黏性土剪切破坏时发出的次声信号主要来源于弹性阶段中黏土颗粒的相互挤压、弹塑性阶段中以黏土胶体团粒本身的拉张破裂和应变软化阶段中土颗粒间的摩擦;(2)在土体剪切载荷的不同阶段,次声信号的幅值大小呈现出应变软化阶段弹性阶段弹塑性阶段的规律;(3)剪切力与次声信号之间存在较强的相关性,次声事件的峰值包络线与剪切力趋势线相当吻合,并且次声信号的均方功率峰值都在推力峰值之前,平均提前为22.95 s.研究对进一步利用次声开展土质滑坡的监测和稳定性评价具有重要的理论参考价值.     

土剪破坏次声监测试验研究

土质滑坡临滑会产生次声波, 次声监测可以作为判断土质滑坡临滑的一种技术手段. 在考虑到滑坡的力学方式是以剪切破坏为主的前提下, 为了探明土质滑坡过程中的次声信号响应特征, 设计了土体直剪实验次声-力-位移联合监测系统, 开展了土体剪破坏次声监测试验, 在次声事件自动拾取的基础上, 结合黏性土渐进性破坏理论, 分析了剪切过程中的微观声学机理, 结果表明: (1)黏性土剪切破坏时发出的次声信号主要来源于弹性阶段中黏土颗粒的相互挤压、弹塑性阶段中以黏土胶体团粒本身的拉张破裂和应变软化阶段中土颗粒间的摩擦; (2)在土体剪切载荷的不同阶段, 次声信号的幅值大小呈现出应变软化阶段<弹性阶段<弹塑性阶段的规律; (3)剪切力与次声信号之间存在较强的相关性, 次声事件的峰值包络线与剪切力趋势线相当吻合, 并且次声信号的均方功率峰值都在推力峰值之前, 平均提前为22.95 s. 研究对进一步利用次声开展土质滑坡的监测和稳定性评价具有重要的理论参考价值.      

碎石料直剪实验的组合颗粒单元数值模拟

通过构造三维组合颗粒单元来描述颗粒间的互锁效应,对非规则颗粒材料的力学行为进行了离散元数值模拟,并通过碎石料的直剪实验进行了验证.该组合颗粒的质量与碎石块具有相同的概率分布特性,其几何形态则由不同数目、镶嵌尺寸、组合方位和粒径的球形颗粒进行随机构造.组合颗粒单元在局部与整体坐标之间的转动、力矩和方位关系通过四元素方法进行确定;颗粒之间的作用力采用具有Mohr-Coulomb摩擦定侓的Hertz-Mindlin 非线性接触模型,并考虑了非线性法向粘滞力的影响.在不同的法向应力下,对碎石料在直剪实验中的剪切应力和剪胀现象进行了离散元模拟,计算结果与实测结果相吻合;此外,在不同的法向应力和接触摩擦系数下,对碎石料的有效摩擦系数进行了计算和讨论.本文工作验证了组合颗粒单元在非规则颗粒材料的离散元模拟中的可行性.     

基于超二次曲面的非球形离散单元模型研究

通过对颗粒体系接触过程的运动学和动力学分析,建立了一种基于超二次曲面的非球形离散单元模型,该模型避免了球形接触模型描述颗粒形状的局限性,使离散单元法更接近物理事实,并在此基础上提出了计算求解模型的数值方法,实现了对复杂形状的颗粒体系的模拟计算。将所建立的数值计算方法进行了编程实现,并对模型和算法进行了算例测试,证实了本文所建立的非球形离散单元模型的可行性和正确性。测试结果表明,本文的模型能够比较准确地模拟复杂颗粒体系的真实运动,可为复杂颗粒体系的模拟研究提供一种新的数值计算方法。     

压缩剪切测试中载荷传递行为的数字光弹性研究

结合光弹性四步彩色相移法,提出改进的六步相移法来计算全场剪应力,对径压缩圆盘实验证实了该方法的正确性,并进一步研究了同质材料连接结构在压缩剪切测试中的层间剪切行为。实验结果表明:全场等色线条纹级数和剪应力连续分布且随载荷而增加;中线附近剪应力趋于零,而条纹级数为峰谷。在连接界面上的条纹级数和剪应力出现峰值,特别是在连接界面端部为最高,在最大载荷下可分别达3.5级和2.4MPa,是导致连接界面脱粘开裂的危险区域。连接结构通过层间剪应力进行应力传递,在连接界面上剪应力与外载基本保持平衡。     

CFRP加筋板剪切稳定性试验和数值分析模型研究

为研究数值模型对碳纤维增强复合材料(CFRP)加筋板面内剪切稳定性试验计算结果的影响,采用画框式夹具对CFRP加筋板进行了屈曲试验,获得了初始屈曲载荷和载荷-应变曲线;同时基于ABAQUS有限元软件建立了四种数值模型,分别进行线性屈曲和非线性屈曲分析,通过将计算结果与试验结果的比较,确定了有效的数值模型．在此基础上,通过对屈曲前、后有效区边界上的内力分布的比较分析,明确了夹具的传力效果、试件真实的受力状态,以及偏差产生原因．     

Direct Numerical Simulation of Transitional Turbulent Flow in a Closed Rotor-Stator Cavity

The transitional turbulent regime in confined flow between a rotating and a stationary disc is studied using direct numerical simulation. Besides its fundamental importance as a three-dimensional prototype flow, such flows frequently arise in many industrial devices, especially in turbomachinary applications. The present contribution extends the DNS simulation into the turbulent flow regime, to a rotational Reynolds number Re =3 × 10⁵. An annular rotor-stator cavity of radial extension ΔR and height H, is considered with L = 4.72(L = ΔR/H) and Rm = 2.33 (Rm = (R ₁+ R ₀)/ΔR). The direct numerical simulation is performed by integrating the time-dependent Navier–Stokes equations until a statistically steady state is reached. A three-dimensional spectral method is used with the aim of providing both very accurate instantaneous fields and reliable statistical data. The instantaneous quantities are analysed in order to enhance our knowledge of the physics of turbulent rotating flows. Also, the results have been averaged so as to provide target turbulence data for any subsequent modelling attempts at reproducing the flow. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

界面端应力奇异性与复合材料界面剪切强度细观实验分散性分析

复合材料细观实验方法主要有纤维拔出、纤维压力、纤维段裂和微球脱粘实验等四种；但这四种试验得到的界面剪切强度结果存在很大的分散性。虽经三十余年的研究和改进，仍未能消除。为研究分散性产生的原因，本文以轴对称界面端应力奇异性分析为基础，推导出求解四种试件界面端的特征值的特征方程，并给出了特征值随Dundurs常数的变化情况，由此发现用相同的纤维和基体制作的四种试件在界面端存在奇异性不同的应力场，从而阐明了四种界面剪切强度试验结果巨大分散性的产生原因在于纤维和基体间界面处的应力奇异性。     

基于DIC的受载砂土颗粒体系的细观参数及运动分析

本文结合DIC方法对砂土体系进行可视化的直剪试验。通过对所采集的数字图片进行预处理,得到利于计算砂土体系细观参数的优质图片,经过图像分割和区域标记,最后利用MATLAB计算得到体系孔隙率、定向率和各向异性率等细观参数。对图像进行DIC计算分析,得到砂土颗粒体系的位移等值线云图,分析了体系内的砂土颗粒在直剪试验中的运动情况,并定性描述了位移突变对体系部分力链传递过程的影响。     

砂岩短时单轴直接拉伸蠕变特性试验研究

采用自行设计加工的挂重型岩石材料直接拉伸装置,对重庆市某地红砂岩进行了短时分级加载单轴直接拉伸蠕变试验,并对该砂岩的蠕变特性进行了分析。结果表明,砂岩在该试验条件下具有明显的蠕变特性,其蠕变表现为衰减蠕变和稳态蠕变两个阶段,砂岩蠕变量与稳态蠕变速率随着荷载的增加而增加。应用三参量广义Kelvin模型与Burgers蠕变模型描述该砂岩的蠕变规律,结果表明,两个模型均可以准确描述该砂岩的蠕变特性,其中,Burgers蠕变模型效果更佳。本文所得结论可为从事相关研究的工作人员提供一定的借鉴。