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《岩土力学》2017,(5):1472-1480
对于岩土类的颗粒材料,在特定的应变加载路径下会发生非局部化的失稳现象,此时应力状态处于Mohr-Coulomb屈服面内,试样整体急剧失稳。采用颗粒离散元方法,研究抗转动特性对颗粒材料在等比例应变加载路径下宏、细观力学特性的影响。模拟发现,较为松散的试样更易发生分散性失稳,此时颗粒集合体的应力-应变状态满足Hill材料失稳准则。采用考虑颗粒转动的接触模型进行离散元模拟,通过改变颗粒间接触的转动摩擦系数,从宏观和细观层面分析等比例应变加载路径中颗粒材料的稳定性。颗粒抗转动能力的增强可以降低材料发生分散性失稳的可能性,随着转动摩擦系数的增加,应力路径由应变软化逐渐转为应变硬化,原本会发生分散性失稳的松散颗粒集合体表现出与密实颗粒集合体相似的宏观力学特性;颗粒集合体的内部结构表现出相应的细观作用机制,转动摩擦系数的增加有效地抑制了颗粒转动,虽然降低了颗粒体系的配位数,但增加了颗粒之间的接触力,增强了颗粒体系力链结构的稳定性和各向异性,形成稳定的结构持续抵抗外荷载的施加,从而试样整体不会形成松散的接触状态而失去稳定性。 相似文献
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转动阻抗被定义为作用颗粒接触上的一对对称力偶,用来抵抗颗粒之间的相互转动。将转动阻抗引入到离散元模拟中是对传统离散单元法的重要改进。开发出考虑颗粒转动阻抗的接触模型,并将其嵌入到PFC2D中,利用该模型进行粗粒土的双轴剪切数值模型试验,研究剪切过程中转动阻抗对粗粒土的宏细观力学性质的影响。结果显示,在宏观方面,颗粒转动阻抗对粗粒土的宏观力学行为（应力-应变及体应变-轴应变行为）有重要的影响,随着转动阻抗的增加,粗粒土的剪切强度和最大摩擦角随之增加,这与已有的研究结果一致,证明所建模型是可靠的;在微观方面,考察转动阻抗对粗粒土内部微观结构的影响发现,随着转动阻抗的增加,粗粒土的内部的接触数目减少,而粗粒土的剪切强度增加,表明转动阻抗能够提高粗粒土力链网络的稳定性,同时发现随着转动阻抗的增加,粗粒土的各向异性增加主要是强力链各向异性的增加,说明转动阻抗增强了强力链的传递力的能力以及抵抗力链屈曲破坏能力。数值模拟结果表明,增加颗粒转动阻抗,粗粒土出现组构与轴应变非共轴的现象。 相似文献
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填埋场衬垫系统中,土与土工膜界面剪切强度较低,易造成失稳破坏。目前国内外学者主要采用室内试验对土与土工膜界面的宏观剪切特性进行研究,而对界面剪切特性的细观研究较少。为了从细观角度研究土与土工膜界面的剪切特性,本文采用EsyS-particle程序对土工膜与土界面直剪试验进行了离散元数值模拟分析。采用摩擦接触模型模拟砂土;采用黏结模型颗粒模拟土工膜,通过紧密排列土工膜颗粒以模拟土工膜的光滑表面。通过室内拟合试验,选取和校准材料的细观参数。分析结果表明,离散元模型能较好的模拟界面应力-应变关系;剪切带的厚度约为两倍平均土颗粒直径;剪切带中的土颗粒发生较大位移,孔隙比增大,而剪切带之外的土颗粒位移和孔隙比变化较小;随着剪切位移的增加,颗粒间接触力逐渐向左端集中,力链方向由垂直逐渐倾斜。 相似文献
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针对冻土的各向异性特性,基于线性黏结接触模型,建立了能够反映冻土各向异性特性的修正线性黏结接触模型,并通过C++语言生成供颗粒流程序PFC3D调用的离散元本构子程序DLL。首先对单一接触进行了拉伸、直接剪切测试,通过对比数值与理论结果,验证了考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型的正确性。此外,模拟了不同温度条件下的冻土三轴压缩试验,并与试验得到的应力-应变曲线进行对比,结果表明,所提出的修正线性黏结接触模型对冻土具有较好的适用性。基于标定后的模型细观参数,开展了一系列的三轴压缩离散元数值模拟,利用模拟结果探讨了虚拟弱面法向倾角对冻土的应力-应变曲线特征、强度及抗剪强度指标的影响,并分析了有效配位数、细观组构量的演化规律。研究结果可为冻土各向异性宏-细观力学特性提供数值基础。 相似文献
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接触模型的宏?细观参数标定是成功使用离散元方法的关键。在离散元的接触模型中线性接触模型与抗转线性接触模型均可用于模拟砂性土的力学行为,其中抗转线性接触模型在模拟密砂的剪胀性方面具备优势。采用抗转线性接触模型对室内密实砂土三轴试验进行了离散元模拟,验证了抗转线性接触模型的可靠性;进而系统分析了颗粒间摩擦系数、刚度比和抗转动系数等细观参数与砂土峰值内摩擦角、残余内摩擦角、峰值剪胀角等宏观参数的相关关系并进行了验证;揭示了偏应力作用下,细观参数对密实砂土试样内部剪切带宽度与倾角变化的影响规律,提出了考虑剪胀角的剪切带倾角经验公式。通过研究建立了抗转线性接触模型宏?细观参数的量化关系并给出了标定参数的具体流程图,提出了快速标定宏观参数的方法并应用实例进行了验证,为采用抗转线性接触模型精准模拟密实砂土的力学特性提供依据。 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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存在临界状态是颗粒材料的一个重要特性。基于孔隙胞元的颗粒离散元方法对二维颗粒体进行双轴加载数值试验,在详细分析数值模拟结果的基础上,从微观几何组构的角度揭示了临界状态的存在机制。基于剪胀性原理,提出了以接触价键表征的微观临界状态理论模型,得到了接触价键与塑性剪切应变的关系表达式,理论模型的结果和二维离散元数值模拟得到的结果吻合较好。通过比较不同情况下数值结果和理论模型中的参数,得到以下结论：表征微观临界状态的参数（临界接触价键和达到临界状态所需要的塑性剪切应变）依赖于颗粒体的微观特性,如颗粒形状、表面摩擦性质、颗粒体的围压和初始孔隙比。 相似文献
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为分析砂土在复杂应力条件下的剪切力学特性,采用商业离散元软件PFC3D对单粒组中密砂的空心扭剪试验进行了仿真模拟,分析了数值试样的应力-应变关系,研究了不同剪切方向下离散介质的强度、体积应变特性以及中主应力比对它们的影响,再现了力链在加载过程中的演化,并对剪切带的倾角做了深入分析。同时,从细观上看,以颗粒接触数和纯转动率变量为中心,观察了试样内部颗粒的运动状态,对比了不同剪切方向下剪切带内外颗粒接触数与纯转动位移的变化。最后,将数值试验结果与已有的室内试验结果进行了对比。此研究实现了复杂应力条件下空心扭剪试样的三维离散元模拟,加深了对空心扭剪试验过程和结果的理解和解释。 相似文献
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《岩土力学》2017,(12):3619-3626
基于砂土细观组构描述理论,定义了新的正交各向异性幅值参量,用Toyoura砂细观试验做验证分析。非球形颗粒随机空间排列自然形成了砂土的正交各向异性,用两个独立变化的角度定量描述颗粒长轴在3个正交面上的方向分量,基于非球形颗粒随机排列的组构描述理论,分别定义了3个正交面上各向异性幅值参量的表达式。该表达式用数学概率统计的方法,将颗粒的离散特性转化为组构在平面上的可测参量,随着细观颗粒几何、物理特性的变化,3个表达式可以用于描述材料的各向同性、横观各向同性和正交各向异性。Toyoura砂细观试验分析表明,3个幅值参量能较好地反映3个正交面上幅值参量的变化规律,可为砂土细观组构的定量检测提供更为灵活的方法,而且3个各向异性都具有清晰物理意义。 相似文献
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《岩土力学》2017,(3):883-892
在考虑堆石料真实颗粒形状的基础上,将每个颗粒用一个多边形离散单元表示,基于一种线性搜索算法对多边形-多边形之间的接触详情进行检索计算,引入基于势能原理的法向多边形-多边形接触模型及切向库仑摩擦模型,形成了一种多边形离散元计算方法,并开发了相应的PDEM程序。可以从颗粒尺度层面展示颗粒之间的相互作用以及每个颗粒的位移和转动,帮助进一步揭示颗粒的细观特性(形状、大小、材料特性等)对堆石料的宏观强度和变形的影响。最后采用PDEM程序对某粗粒料的二维模型试验进行了数值模拟,得到了与室内试验一致的应力变形规律,展现了其方法和程序用于研究堆石料的有效性。 相似文献
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Irregularly shaped (IRS) particles widely exist in many engineering and industrial fields. The macro physical and mechanical properties of the particle system are governed by the interaction between the particles in the system. The interaction between IRS particles is more complicated because of their complex geometric shape with extremely irregular and co‐existed concave and convex surfaces. These particles may interlock each other, making the sliding and friction of IRS particles more complex than that of particles with regular shape. In order to study the interaction of IRS particles more efficiently, a refined method of constructing discrete element model based on computed tomography scanning of IRS particles is proposed. Three parameters were introduced to control the accuracy and the number of packing spheres. Subsequently, the inertia tensor of the IRS particle model was optimized. Finally, laboratory and numerical open bottom cylinder tests were carried out to verify the refined modeling method. The influence of particle shape, particle position, and mesoscopic friction coefficient on the interaction of particles was also simulated. It is noteworthy that with the increase of mesoscopic friction coefficient, the fluidity of IRS particle assembly decreases, and intermittent limit equilibrium state may appear. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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Macroscopic and microscopic behaviors of granular materials under proportional strain path: a DEM study 
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下载免费PDF全文 Under the proportional strain loading path, particle assemblies may exhibit various failure modes. Besides the strain localization, the diffuse failure may also occur under certain conditions. The diffuse failure mode corresponds to a homogeneous occurrence of failure with stress states strictly included within the plastic limit condition. This paper emphasizes the influences of the density degree and the rolling resistance under the strain path. A contact model considering rolling friction is adopted in a discrete element method analysis as an approximate means to account for the effects of particle shape. Mechanical responses indicate that loose assemblies without the rolling resistance are more vulnerable to static liquefaction. A sample with a smaller initial void ratio or larger rolling friction coefficient will reinforce the stability of the structure and reduce the likelihood of failure. For microscopic properties, the evolution of coordination numbers, contact forces, force chains and the anisotropies of the assemblies are explored and discussed. Rotational resistance helps increase the shear stress of the granular material, and the microscopic parameters indicate that the assembly has a strong anisotropy and a stable structure to resist the increasing loading. 相似文献
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自然条件下,颗粒介质大多以非规则单元形态存在。非规则几何形态对颗粒介质的宏观力学性能有很大影响。针对颗粒单元的不同几何形态,采用团颗粒单元对离散介质的直剪试验过程进行了离散元数值计算,详细地讨论了颗粒形态对离散介质剪切强度的影响。该非规则颗粒由不同形态、不同数目、镶嵌尺寸、组合方位和颗粒大小的球形颗粒进行随机构造,其在局部与整体坐标之间的转动、力矩和方位关系通过4元素方法进行确定,基本球体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。通过构造7种具有相同的质量概率分布的不同形态的团颗粒,在不同法向应力下,对团颗粒的直剪试验进行了离散元模拟,分析了不同形态颗粒的剪切强度。通过对不同形态颗粒介质剪切强度的数值分析,进一步揭示了非规则颗粒间的咬合互锁效应,为分析非规则颗粒的宏观动力特性提供了依据。 相似文献
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通过一系列真三轴离散元数值试验,模拟了不同应力路径下的等b试验中散体材料的强度特征。根据模拟结果详细地分析了三维应力条件下中主应力和应力路径对散体材料峰值强度的影响,研究了峰值摩擦角、峰值应力比的变化规律,并根据真应力的概念和组构张量的演化结果分析了散体材料的强度成因。研究表明,在不同类型的数值试验中峰值偏应力随b参数的变化规律不同,但采用初始围压归一化后的应力-应变曲线规律一致。峰值强度线的斜率只与b值有关而与应力路径无关,且随着b值的增加,峰值应力比qf /pf逐渐减小,数值模拟结果与室内试验结果吻合较好;随着应变的发展,数值试样的组构也随之发生变化,产生了明显的应力诱发各向异性;散体的强度为颗粒摩擦及材料各向异性共同作用的结果;理论上,组构比-应力比坐标系中破坏点位置仅取决于颗粒摩擦角 ,而数值模拟结果与理论值的差异源于颗粒间咬合和滚动摩擦的影响,其影响与颗粒表面摩擦系数有关,也受空间应力状态的影响。 相似文献
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In this paper, a discrete element modeling approach for the single-particle crushing test for irregularly shaped ballast stones is presented. Bonded spherical particles are used to represent test specimens. Parametric studies focusing on particle size, axial strain rate, particle aggregate size and number of bonds are performed. The selection criteria of these parameters are discussed from the perspective of railway engineering. The results indicate that the proposed modeling approach is reliable for simulating railway ballast stones and can thus be further used for simulations of ballast aggregations. 相似文献
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Rui Wang Pengcheng Fu Zhaoxia Tong Jian‐Min Zhang Yannis F. Dafalias 《国际地质力学数值与分析法杂志》2017,41(17):1758-1778
The strength anisotropy of granular materials deposited under gravity has mostly been attributed to elongated particles' tendency to align long axes along the bedding plane direction. However, recent experiments on near‐spherical glass beads, for which preferred particle alignment is inapplicable, have exhibited surprisingly strong strength anisotropy. This study tests the hypothesis that certain amount of fabric anisotropy caused by the anisotropic stress during deposition under gravity can be locked in a circular‐particle deposit. Such locked‐in fabric anisotropy can withstand isotropic consolidation and leads to significant strength anisotropy. 2D discrete element method simulations of direct shear tests on circular‐particle deposits are conducted in this study, allowing for the monitoring of both stress and fabric. Simulations on both monodispersed and polydispersed circular‐particle samples generated under downward gravitational acceleration exhibit clear anisotropy in shear strength, thereby proving the hypothesis. When using contact normal‐based and void‐based fabric tensors to quantify fabric anisotropy in the material, we find that the intensity of anisotropy is discernible but low prior to shearing and is dependent on the consolidation process and the dispersity of the sample. The fact that samples with very low anisotropy intensity measurements still exhibit fairly strong strength anisotropy suggests that current typical contact normal‐based and void‐based second‐order fabric tensor formulations may not be very effective in reflecting the anisotropic peak shear strength of granular materials. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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A multiscale DEM-LBM analysis on permeability evolutions inside a dilatant shear band 总被引：1，自引：1，他引：0
This paper presents a multiscale analysis of a dilatant shear band using a three-dimensional discrete element method and a lattice Boltzmann/finite element hybrid scheme. In particular, three-dimensional simple shear tests are conducted via the discrete element method. A spatial homogenization is performed to recover the macroscopic stress from the micro-mechanical force chains. The pore geometries of the shear band and host matrix are quantitatively evaluated through morphology analyses and lattice Boltzmann/finite element flow simulations. Results from the discrete element simulations imply that grain sliding and rotation occur predominately with the shear band. These granular motions lead to dilation of pore space inside the shear band and increases in local permeability. While considerable anisotropy in the contact fabric is observed with the shear band, anisotropy of the permeability is, at most, modest in the assemblies composed of spherical grains. 相似文献