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断层破碎带剪切作用下力链结构及演化光弹试验研究 总被引：1，自引：0，他引：1
《岩土力学》2020,(8)
断层破碎带颗粒介质体系中力链形成机制及其演化规律,是研究含破碎带断层蠕滑、黏滑以及地震等地质灾害发生的重要基础。借助颗粒体双轴加载双向流动光弹试验装置,对断层破碎带剪切作用下的宏观力学特性、破碎带中光弹力链网络结构及演化、力链空间分布及强度等特征进行研究。结果表明:(1)断层破碎带中,岩体颗粒之间通过力链传递力的相互作用;破碎带与断层诱导裂隙带之间存在易滑段与不易滑段,揭示了剪切作用下破碎带空间变形非均匀特征;破碎带中岩体颗粒物质的重新排列,引起易滑段与不易滑段的动态演化。(2)破碎带中较大粒径角砾岩颗粒承载了断层上下盘之间的主要挤压及摩擦力,起到了骨架支撑的作用;随着剪力的增长,强力链方向发生偏转,向竖直方向靠拢。(3)处于高应力状态的断层远离破碎带边缘位置岩体颗粒更容易发生破坏、碎裂、重新排列,从而引起强力链空间方位的变化;随着竖向荷载的增大,强力链空间方位由明显各向非均匀性向各向均匀性转变。(4)竖向荷载变化对断层破碎带中力链比例和颗粒接触力分布频率影响较小,对力链空间分布及强度影响较大。 相似文献
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研究荷载在岩石中的传递机理对岩石工程性质研究具有重要意义。本文以石灰岩试样为例,使用颗粒流方法来研究这一传递机理。研究试样大小为50 mm× 50 mm,岩石成分使用圆盘颗粒集合体来表征,颗粒间的接触模型采用平行连接模型,岩石的弹性模量、峰值应力和泊松比分别为44.24 GPa、101.05 MPa和0.267;将大于平均接触力的力链作为强力链,得到了外部荷载下试样中的强力链分布情况,研究了试样局部孔隙率、配位数等细观参数对接触力大小的影响,探讨了颗粒摩擦系数不同时外荷达到峰值应力后颗粒的接触力分布情况。结果表明,在全部颗粒接触点中,只有19.8%接触点的接触力大于平均接触力,但这些接触点应变能却占总应变能的75%;当法向接触力与切向接触力比值大于3.5时,试样峰后应力主要由法向接触力控制;与样品破坏前相比,破坏后样品中的局部孔隙率变化不大,只减少了0.002。 相似文献
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颗粒体系中的骨架及力链网络 总被引：4，自引：0，他引：4
颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系,具有非连续和接触耗散等基本特征,其物理机制研究是近20年科学前沿之一。砂土就是典型的颗粒物质,土体中的有效应力是作用在土体骨架上的平均应力,土体变形主要来源于骨架上的颗粒位置,但对土体骨架并没有一个清晰的物理描述。近期颗粒物质力学研究认为,体系中颗粒相互接触形成的网络结构是外荷载传递路径的物理基础,可能就是土力学所指的骨架。同时还发现,较大的力通常沿着准直线的路径传递,人们常把传递较大力、与该准直线路径对应的若干颗粒组成的链状结构,称为强力链;弱力链则传递较小力。力链结构及其演变规律的描述是颗粒物质研究的核心之一。以单轴侧限压缩数值模拟为例,对比说明了土体颗粒骨架与力链结构的关系,明确提出强力链网络决定颗粒体系的宏观力学行为。 相似文献
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颗粒集合体在外力作用下,颗粒间产生复杂的接触力链效应。为了揭示和描述颗粒集合体力链形成、发展过程以及力链分布形态,基于光弹材料受力产生光学条纹图像的原理,研发出能够使颗粒实现双轴加载和双向流动的颗粒光弹试验装置。通过不同工况条件下的颗粒流动光弹试验,初步反映出颗粒集合体流动产生力链的发育过程和分布形态,即经过颗粒集合体的流动其流动口上部会形成一个拱结构,其可以对上部颗粒体进行支撑以保持上部结构的稳定。为研究不同背景条件下颗粒流力链结构和颗粒集合体细观力学行为,特别是颗粒双向可流动性设计为实际工程应用提供了基础试验方法。 相似文献
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通过数字图像处理技术对广泛发育于岩溶地区的溶蚀岩体的溶蚀特征进行提取,构建离散元溶蚀岩体模型,并模拟单轴压缩试验研究溶蚀岩体的细观变形破坏机制,以分析溶蚀岩体的变形破坏特征和裂隙演化规律。结果表明:溶蚀岩体模型能够很好地表征岩体的溶蚀特征,对真实的溶蚀形态具有较好的还原作用;溶蚀岩体的累计破坏数曲线呈现“S”型变化特征,即分为裂隙不发育阶段、稳定发育阶段和不稳定发育阶段,溶蚀岩体的破坏具有累进性特点;由于溶蚀孔洞的存在,使得溶蚀岩体接触力力链表现出各向异性特征,随着加载的进行,岩体骨架为抵抗外部荷载的作用,导致接触力在岩体骨架内集中,表现为接触力力链线条变粗;随着应变的增加,试样发生起源于溶蚀孔洞周围的破坏,破坏区域发生卸荷作用,接触力力链被淡化,最终试样发生破坏,力链消失,溶蚀岩体应力应变关系是试样内部接触力变化规律的宏观表现。 相似文献
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针对无黏性颗粒材料,开展了柔性边界双轴压缩数值试验,分析了不同围压下力链的数量、方向概率等随轴向应变的变化。研究结果表明：不断加载使得游离的高应力颗粒有所减少,荷载更多的被力链承担;统计意义上,力链最大长度为9个颗粒。轴向±30o范围内力链概率随应变的发展与偏应力一致,而与其邻接的[40o,60o]和[120o,140o]两个方向上的力链概率随应变的发展与偏应力相反;双轴试样剪切破坏时有单剪切带和双剪切带两种模式,当[40o,60o]和[120o,140o]两个角度区间的力链概率有较大差异时,剪切带出现在力链较少的角度区间;当这两个角度区间力链概率接近时,试样中将出现两个剪切带。 相似文献
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利用离散元方法对颗粒材料的细观力学特性研究, 目前确定数值计算模型的细观力学参数大多数通过反复调试获取, 效率低、可重复性差。本文采用开源的颗粒离散元程序LMGC开展了土体双轴压缩数值试验, 通过25组土体细观力学参数计算得到相应的宏观力学参数, 建立了BP人工神经网络反演系统。利用土体物理试验得到的土体宏观力学参数, 输入BP神经网络, 反演得到土体的细观力学参数。将所得细观力学特性参数输入所建立的土体数值计算模型, 得到土体破坏过程中的应力-应变关系曲线, 以及土体颗粒的力链图和旋转变形云图。所建立的土体数值试验模型能够较好地模拟土体变形破坏过程, 利用BP神经网络反演细观力学参数以及数值模型计算得到的土体宏观力学参数与物理试验吻合较好, 误差在10%左右, 土颗粒间力链云图以及旋转变形云图较好地揭示了土体变形破坏的机理。 相似文献
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通过颗粒流模拟,建立了沉管复合地基水平受荷时的离散元模型,对桩在水平荷载作用下的受力性状进行了研究.分析了土体位移场变化规律和应力变化等宏观因素,以及土颗粒力链、配位数和孔隙率等细观参数.由模拟结果可知：竖向荷载作用下沉管在水平方向移动时,垫层颗粒受到扰动,当增加竖向荷载,沉管底部土体受扰动范围变小,可知增加竖向荷载使桩间土的挤密作更显著,对降低土体扰动有较明显的效果;通过对桩顶土颗粒中强力链在沉管水平位移影响下的发展趋势研究知道,土体颗粒体系内力链并不是不变的,强弱力链之间可以相互转换. 相似文献
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单调荷载下砂土变形过程数值模拟及细观机制研究 总被引：6，自引：0，他引：6
采用离散单元法的颗粒流理论,模拟了松砂和密砂在单调荷载作用下的变形过程,研究了砂土渐进破坏过程中的宏观力学行为和细观组构参量的演化规律。采用PFC的FISH语言开发了细观组构统计程序,通过记录加载不同时刻试样的细观参量,如配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、切向接触力等的演化,分析了砂土变形过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系。应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了松砂剪缩、密砂剪胀的细观机制。研究成果对于揭示砂土变形的细观机制以及建立砂土的细观力学模型具有重要意义。 相似文献
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光弹颗粒材料的直剪实验研究 总被引：1，自引：0，他引：1
对颗粒材料中的力链分布特征的了解,有助于从根本上了解颗粒材料基本性质。借助光弹实验,对两种直径混合的颗粒材料在二维直剪作用下的平均强度力链分布和几何结构变化进行了初步的探索。光弹实验方法是目前能够直观观察到力链分布的唯一有效的实验方法,在进行光弹实验前,设计研制了光弹直剪仪并进行了多次光弹圆盘颗粒材料退火实验。利用数字图像技术对光弹实验结果进行处理,并尝试用彩色梯度算法表征颗粒材料的平均受力情况,并获得平均强度力链。结果表明,二元颗粒材料集合体的几何结构具有各向异性。对力链方向统计分析表明,平均强度力链出现了局部化。 相似文献
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截齿是煤矿采掘机械上截割工作的主要承载对象,其与工作面的截割力预测对减小截齿磨损十分重要。利用颗粒流仿真软件PFC2D将被截割岩石作为颗粒物质进行单齿截割模拟仿真,通过研究截割时颗粒间力链的特性探讨了单齿截割岩石时接触状态对截割力的影响。利用单齿截割岩石试验台进行了截割力试验,获得了截割法向力和切向力随截割参数的变化规律及掉落碎片的特征。研究结果表明,单齿截割岩石颗粒物质的力链数目与力链长度的关系符合单轴压缩试验结果,能够采用离散元的方法对截齿截割状态进行模拟。力链网络沿着点接触方向扩散并延长,力链方向与截割角度有关,平均法向力方向呈“花生”状,切向力方向呈“花瓣”状。力链数目随截割角度的减小和截割深度的增加而减少,力链长度随截割距离的增加而增加,最大平均长度为8个颗粒尺寸。当截割角度较大时,较为容易形成力链。单齿截割天然砂岩法向力和切向力随截割角度的增加和截割深度的减小而减小。截割碎片尺寸与截割切向力线性拟合度为0.87。基于力链长度的截割力预测模型相比Evans预测模型法向力精度提高了17.6%,切向力精度提高了16.9%。研究结果能够为截齿和采掘机械截割系统的设计以及截割工艺的优化奠定一定的研究基础。 相似文献
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颗粒形状是影响粗粒土密实度、力学与渗流等特性的主要因素之一。为了分析颗粒形状对粗粒土剪切特性的影响,采用离散元法生成4种不同形状的颗粒组,进行粗粒土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究,得出了颗粒形状对剪应力-剪位移、体应变-剪位移的影响,分析了粗粒土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析剪切带厚度、颗粒旋转量值、平均接触数、孔隙率及接触力系等宏细观参量的演化规律,研究颗粒形状在宏细观尺度上对粗粒土的影响。研究表明:异形颗粒间的咬合自锁作用大于纯圆颗粒,试样的抗剪强度有随形状系数的减小而增大的趋势。试样颗粒在外荷载作用下发生运动,应变主要表现在颗粒运动剧烈、剪胀幅度较大的剪切带内。颗粒形状系数F减小,试样的初始平均接触数增加,内摩擦角φ增大,剪切带内孔隙率增量越大,剪胀幅度越大。剪切过程中强力链聚集于剪切带内并起骨架作用,随着形状系数的减小,力链长度在0～5所占百分比呈增大趋势;剪切带内强力链的数目随着形状系数的减小而增加,峰值含量在30%～35%之间。 相似文献
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颗粒物质是大量固体颗粒体系的集合体,其特性区别于普通固体和液体等物质的性质,颗粒物质基础力学问题的研究20年来一直是科学的前沿,从分析多尺度结构和相关物理机制的角度研究颗粒物质可能取得突破。首先介绍了微观尺度--亦即单颗粒尺度颗粒间接触力的检测方法,包括高精度电子天平称重法、显色灵敏复写纸压痕方法、光弹实验方法、荧光共聚焦显微镜法和磁共振弹性成像法等,根据检测过程中是否对颗粒带来影响划分为接触式检测和非接触式检测两大类,并对这些方法的工作原理、检测结果和优缺点进行了评述。我们指出接触式测量对颗粒体系带来了或多或少的干扰,特别是由于力链对局部力的变化反应极为敏感,轻微的变化足以使得力链结构发生很大变化,开展无干扰的光测实验是必然的发展趋势,而现阶段开展二维光弹性实验是很有意义的。最后介绍了作者正在进行的颗粒物质光弹力学实验的研究工作。 相似文献
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考虑到颗粒形状对粗粒料的力学特性有重大影响,提出了一种新的表征颗粒形状的方法,即在椭圆上随机选取一系列点连接成多边形颗粒,表征狭长扁平的颗粒。新方法较圆上取点的方法能代表更多类型的颗粒形状,适用范围更广。提出了一种新的粗粒料投放算法,即先缩小颗粒,然采用随机算法将缩小的颗粒投放至给定区域,对颗粒划分好网格后,将颗粒放大到原来的大小,然后采用有限元-离散元(FEM/DEM)方法计算稳定后即生成了相应的试样。通过将上述颗粒生成及投放算法与FEM/DEM结合,应用于粗粒料的数值模拟。分析表明,FEM/DEM是研究粗粒料力学性质的较好方法,对复杂的颗粒形状也可简单建模,且因在颗粒内部划分了有限元网格,复杂的接触判断及接触力计算转化为标准统一的三角形和三角形之间的接触判断及接触力计算,所有的计算均可标准化、统一化。同时因为颗粒是可以变形的,依然保留了连续介质力学中应力和应变的概念,无须像PFC那样需通过测量圆来间接表示某点的应力、应变。最后,通过粗粒料的侧限压缩试验的数值模拟,展现了文中提出的一整套解决方案在模拟粗粒料方面的巨大潜力。 相似文献
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The mechanical and hydraulic properties of unsaturated clay under nonisothermal conditions have practical implications in geotechnical engineering applications such as geothermal energy harvest, landfill cover design, and nuclear waste disposal facilities. The water menisci among clay particles impact the mechanical and hydraulic properties of unsaturated clay. Molecular dynamics (MD) modeling has been proven to be an effective method in investigating clay structures and their hydromechanical behavior at the atomic scale. In this study, we examine the impact of temperature increase on the capillary force and capillary pressure of the partially saturated clay-water system through high-performance computing. The water meniscus formed between two parallel clay particles is studied via a full-scale MD modeling at different elevated temperatures. The numerical results have shown that the temperature increase impacts the capillary force, capillary pressure, and contact angle at the atomic scale. The capillary force on the clay particle obtained from MD simulations is also compared with the results from the macroscopic theory. The full-scale MD simulation of the partially saturated clay-water system can not only provide a fundamental understanding of the impact of temperature on the interface physics of such system at the atomic scale, but also has practical implication in formulating physics-based multiscale models for unsaturated soils by providing interface physical properties of such materials directly through high-performance computing. 相似文献
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Effects of Material Composition and Water Content on the Mechanical Properties of Landslide Deposits Triggered by the Wenchuan Earthquake 总被引：3，自引：0，他引：3
Abundant landslide deposits were triggered by the Wenchuan earthquake, providing a rich source of material for subsequent debris flows or slope failures under rainfall conditions. A good understanding of the physical and mechanical properties of the landslide deposits is very important to the research on slope failure mechanisms and the initiation of debris flow. Laboratory biaxial compression tests are used to study the material compositions and water content impacts on the mechanical properties of landslide deposits, and a discrete element method (a bond-contact model) is used to study the particle stiffness, bond force, friction coefficient and confining stress impact on the mechanical behaviors and the relationships between the numerical and experimental parameters. The experimental results show that the failure stress of landslide deposits is decreased with increasing content of fine particles and also with increased water content, especially at the initial increasing stage. Cohesion of the saturated landslide deposits is increased, but the friction angle is decreased with the increase in the fine particle content. Shear strength parameters (the cohesion and friction angle) are decreased with the increasing water content at the initial increasing stage, and then, they slowly decrease. There is a critical value of the water content at 5%–7% (in weight) for the failure stress and shear strength parameters of the landslide deposits. Quadratic equations are presented to describe the relation between the bond force and cohesion, and the numerical friction coefficient and the experimental friction angle. 相似文献
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Fu Longlong Zhou Shunhua Guo Peijun Tian Zhekan Zheng Yuexiao 《Acta Geotechnica》2021,16(5):1527-1545
Loads transfer in ballast track through contacts among randomly distributed ballast particles and have strong heterogeneity. Since the size ratio between ballast track and ballast particles is generally small, using averaged stress to describe the internal mechanical state in ballast track faces practical difficulties. For example, particle movements and high local concentration stress tend to be ignored. The inter-particle contact stress is crucial to evaluate the particle behaviors, such as abrasion, movements, and furtherly the performance of ballast track. However, the contact stress on ballast particles is hard to predict or measure. We conduct a full size model test to investigate the dynamic characteristics of longitudinal stress on ballast particles as well as different lateral regions under vertical cyclic loads with various loading magnitudes and frequencies. An obvious seesaw effect of longitudinal contact stress is observed: the stresses at some contact areas have the same phase with applied cyclic load while at other contact areas have an opposite phase. The seesaw effect of contact stress is then used to evaluate the rotational movements of ballast particles. The variation of contact area and stress of the ballast particles with loading magnitudes demonstrates that the rigid contact assumption is appropriate when analyzing the contact behavior of ballast particles. The cumulative probability distribution of contact stress with stress level can be described by an inversely proportional function, based on which the maximum contact stress can be estimated according to the longitudinal average stress. Besides, the lateral dispersion angle of the vertical loads in the ballast track is about 35°, which is independent of the given loading magnitudes and frequencies.
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