离散元细观参数对粗砂变形性质的影响

基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟一、本文概述随着计算机技术的快速发展和数值模拟方法的日益成熟，离散元方法（Discrete Element Method, DEM）在岩土工程领域的应用越来越广泛。

PFC3D（Particle Flow Code in 3 Dimensions）作为一款基于DEM的三维颗粒流数值模拟软件，以其独特的细观模拟能力，在粗粒土三轴试验的数值模拟中展现出显著优势。

本文旨在探讨基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟的关键技术、方法及其在工程实践中的应用价值。

本文首先介绍了粗粒土三轴试验的基本原理及其在岩土工程中的重要性，随后详细阐述了PFC3D软件的基本原理及其在粗粒土细观数值模拟中的适用性。

在此基础上，文章重点探讨了基于PFC3D的粗粒土三轴试验数值模拟的建模方法、参数标定以及模拟结果的分析与验证。

文章还结合具体工程案例，分析了数值模拟结果与实际工程问题的关联，并探讨了数值模拟在粗粒土工程稳定性分析、优化设计等方面的应用前景。

本文旨在为从事岩土工程数值模拟的研究人员、工程师和研究生提供一种基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟的有效方法和技术支持，推动离散元方法在岩土工程领域的应用和发展。

二、PFC3D软件简介PFC3D（Particle Flow Code in 3 Dimensions）是一款专门用于模拟颗粒介质行为的三维离散元分析软件。

该软件由Itasca公司开发，自推出以来，凭借其强大的模拟能力和灵活的自定义选项，在岩土工程、地质工程、颗粒物质力学等领域得到了广泛的应用。

PFC3D基于离散元方法（Discrete Element Method, DEM）进行模拟，其核心思想是将介质视为由一系列离散、独立的颗粒组成，颗粒之间通过接触模型来定义相互作用。

这种方法特别适用于处理颗粒形状不规则、大小不均以及颗粒间存在复杂相互作用的问题，如粗粒土的力学行为。

橡胶砂直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟
刘方成;吴孟桃
【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(040)007
【摘要】文章基于颗粒流理论和PFC2D程序,对橡胶砂颗粒混合物的直剪试验进行了数值模拟,并与室内直剪试验的结果相比较,分析了不同竖向应力下混合物颗粒变形的细观机制,探讨了颗粒接触刚度、摩擦系数、孔隙率、剪切速率等细观参数变化对宏观力学特性的影响;从能量变化、力链变化、颗粒分布、速度场、位移场等细观角度分析数值试验结果,揭示了直剪试验中橡胶砂的细观力学性质和颗粒变形规律.研究结果表明:数值模拟能够较好地反映橡胶砂直剪试验的变形规律,得到的剪应力-剪切位移曲线和竖向位移-剪切位移曲线接近试验曲线;颗粒接触刚度、摩擦系数、孔隙率的改变对橡胶砂数值试验的结果均有不同程度的影响,满足加载条件的剪切速率对试验结果影响不大.
【总页数】8页(P944-951)
【作者】刘方成;吴孟桃
【作者单位】湖南工业大学土木工程学院,湖南株洲 412007;湖南工业大学土木工程学院,湖南株洲 412007
【正文语种】中文
【中图分类】TU411.3
【相关文献】
1.砂卵石土直剪试验的颗粒离散元模拟研究 [J], 徐刚;姚勇;邓勇军;陈代果;吴东旭
2.基于直剪试验的砂土细观力学性状研究 [J], 李业勋;刘文白;张辉
3.基于颗粒离散元模型的岩石蠕变模拟试验 [J], 张学朋;蒋宇静;王刚;李天斌
4.砂土堆积试验的组合Clump颗粒离散元模拟 [J], 王家全;陈亚菁;陆梦梁;李良
5.煤矸石推剪试验的颗粒离散元细观模拟 [J], 段巍;张孟喜
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土工格室与砂土拉拔试验离散元细观分析王家全;徐良杰;张亮亮;朱存金【摘要】为研究土工格室加筋砂土的界面作用特性,采用离散元程序(PFC3D)建立土工格室加筋砂土的拉拔试验数值模型,分析了拉拔过程中的筋土界面位移、格室节点受力及界面接触力和孔隙率等宏细观参数的变化规律,揭示了土工格室加筋砂土在拉拔过程中筋土界面作用的宏细观机理.结果表明:格室拉拔阻力主要由格室纵肋界面摩擦阻力及格室横肋的被动承载力组成,界面摩擦阻力在前期发挥主要作用,而横肋的被动承载力在后期发挥主要作用;筋土界面区域的土体接触力和局部孔隙率随拉拔位移发生疏密相间的变化,界面区域砂土发生脱空,同时局部土体产生剪胀作用,对应界面孔隙率增大;宏观上随着拉拔位移增加,颗粒挤密咬合能力增强,对应的细观参数(界面接触力和界面局部孔隙率)发生起伏变化,界面区域接触力增大从而使得拉拔阻力随格室拉拔位移的增大而增大.【期刊名称】《广西大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(044)001【总页数】9页(P148-156)【关键词】土工格室;拉拔试验;离散元方法;细观参数;接触力【作者】王家全;徐良杰;张亮亮;朱存金【作者单位】广西科技大学土木建筑工程学院,广西柳州 545006;广西科技大学土木建筑工程学院,广西柳州 545006;广西科技大学土木建筑工程学院,广西柳州545006;广西科技大学土木建筑工程学院,广西柳州 545006【正文语种】中文【中图分类】TU410 引言土工合成材料加筋土界面特性试验是研究筋土界面受力及变形规律的有效方法，其试验方法主要包括拉拔、直剪、斜板及扭剪试验。

对于拉拔试验因其可反映筋土双面剪切特性而被国内外学者广泛采用。

Sugimoto等[1]通过室内拉拔试验并结合有限元法研究了土工格栅拉拔变形性能，提供了一种从室内拉拔试验中获得实际结构加固设计界面参数的有效方法。

Hayashi等[2]研究了低水平正应力下土体膨胀对格栅筋土界面内正应力及抗拔力的影响。

基于 PFC3D 的粗粒土三轴试验细观参数敏感性分析李灿;邱红胜;张志华【摘要】以PFC3D为工具，以室内三轴固结排水试验作为基础，以加权平均数颗粒生成法建模。

选择孔隙度、配位数、kn／ks 、颗粒粒径分布、剪切速率和摩擦系数等细观参数作为研究内容，以应力应变强度曲线为力学分析方法，以颗粒转动速度场为变形分析手段，将各细观参数对粗粒强度的敏感性进行排序，对粗粒土剪切破坏的影响程度进行总结分析。

研究表明，各细观参数对粗粒土强度及变形都有一定的影响，其中 kn／ks 对粗粒土强度及变形影响最大，孔隙度和配位数的影响最小。

%This paper uses PFC3D as the tool and using weighted average particle size distribution method to build model .The parameters including porosity ,coordinate number ,kn/ks ,particle size distribution ,shear rate and friction coefficient are chosen as the micro parameters to analyze the sensi-tivity .The stress-strain intensity curve is taken as the mechanics analysis method and the particle ro-tation velocity field is used as deformation analysis method .The sensitivity of each parameter to the strength of the coarse grain is sorted .The effect of the shear failure of coarse grained soil is summa-rized and analyzed .The research shows that the parameters in the model have a certain effect on the strength and deformation of coarse grained soil and the kn/ks has the greatest influence on the strength and deformation of coarse grained soil ,while the porosity and coordinate number have least influence .【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2016(040)005【总页数】6页(P864-869)【关键词】PFC3D;细观参数;颗粒转动速度场【作者】李灿;邱红胜;张志华【作者单位】武汉理工大学交通学院武汉 430063;武汉理工大学交通学院武汉430063;武汉理工大学交通学院武汉 430063【正文语种】中文【中图分类】TU411目前，试验及测试技术都无法获取其细观力学参数，无法很好揭示粗粒土宏观力学特性的内在作用机制.PFC作为离散元方法的一种，是细观分析的主要手段之一[1]，近年来在岩土工程领域得到了初步运用[2].粗粒土作为国内外岩土工程中主要的应用材料，运用PFC研究其宏细观力学特性的重要性是显而易见的.在数值模拟研究中发现，细观参数值的调整和标定是拟合试验结果成功的关键步骤.因此，在对粗粒土进行颗粒流数值模拟过程中，得出各细观参数对粗粒土强度及破坏变形影响的敏感性排序具有重要意义.国内外研究学者运用PFC对粗粒土细观参数的研究很多，黄彦华等[3]分析围压以及岩桥倾角对断续双裂隙红砂岩强度破坏特征的影响规律，揭示断续双裂隙红砂岩在不同围压作用下裂纹扩展的细观力学响应机制；丛宇等[4]结合大理岩室内加、卸荷试验确定适用于岩石类材料的细观参数；唐文帅[5]得出随着颗粒最大粒径的增大，粗砂应力应变曲线的类型没有发生变化，初始杨氏模量变化不明显，但是峰值强度却随之减小；陈亚东等[6]提出了在三维离散元中与砂土的孔隙率、内摩擦角及压缩模量等宏观力学参数相匹配的细观参数确定方法，并给出了细观结构参数与宏观力学参数的函数关系.耿丽等[7]得出结论摩擦系数对材料的弹性性质影响不大，只与峰值强度有关；Huang[8]研究了粘性颗粒材料细观参数和宏观参数之间的相似关系；Nardin等[9]根据自定义的颗粒流接触模型和接触参数，建立了细观参数与宏观力学特性的定性关系.研究发现，在选取细观参数进行研究时，未对一系列重要的细观参数进行全面系统分析.因此，文中在模拟三轴试验的基础上，选取孔隙度、配位数、kn/ks、颗粒粒径分布、剪切速率和摩擦系数等6种细观参数作为研究对象，通过应力-应变曲线和颗粒转动速度场来研究它们对粗粒土宏观力学及变形特性的影响.室内试验所用材料取自水布垭大坝工程的施工料场.用筛分法和混合法测试粗粒土的颗粒级配，得到粗粒土不同粒径范围内颗粒的含量见表1.在颗粒流模型中使用不同参数调节方法，可能得到相同的宏观力学反应——应力-应变曲线.在三轴模型试验中，要考虑的因素很多，如初始杨氏模量Ec，颗粒抗剪强度c，φ，颗粒刚度比kn/ks，颗粒最小半径Rmin，颗粒最大、最小半径比Rmax/Rmin，试样的密度ρ，初始接触点个数Nf,摩擦系数f等.按试验结果应力-应变曲线弹性阶段计算初始杨氏模量，根据摩尔应力圆得到颗粒的抗剪强度，根据试验试样确定材料的密度，根据加权平均数颗粒生成法选取颗粒最小半径及最大、最小半径比，得到细观参数值，见表2.在PFC3D中合成材料土样是由球形颗粒组装而成的，模型是由一个圆柱形墙面围绕生成的颗粒体以及上下两面压缩板组成的.其中，上下2面压缩板在试样压缩过程中，上墙面对试样进行压缩剪切，下墙面保持不动；圆柱形墙面在压缩剪切过程中通过伺服系统维持恒定围压的工作.应力-应变数据的收集与整理是根据跟踪墙面所受力的情况，以及墙面相对位移决定的.对模型试样分6层进行标识颜色，其中，每层的厚度是100 mm；对圆柱试样从内到外分3层，每层厚度50 mm.模拟尺寸与室内三轴试验试样尺寸一致，为300 mm×600 mm(直径×高)，颗粒流三轴模型见图1.根据已确定的细观参数，调整未知细观参数，得到围压为0.8,1.6,3.3 MPa下试样的应力-应变曲线，并将各数值结果与试验结果进行对比，见图2.由图2可知，数值试验得到的应力-应变曲线与实验室里得到的应力-应变曲线基本吻合，数值模型中在竖向荷载作用下，首先随着轴应变的增大处于弹性阶段，该阶段处于轴应变小于10%；随着轴应变的继续增大，模型内部裂隙出现贯穿现象形成剪切面，此时模型处于塑性阶段.曲线在达到峰值强度时的轴应变也大体相同，试样达到临界状态之后也处于和室内试验一样的应变硬化现象，因此可用三维离散元数值试验模拟室内三轴试验.影响粗粒土强度及变形的因素很多，根据高等土力学中的土的抗剪强度与其影响因素的关系，可以确定为以下公式.式中：e为孔隙比；C为土的组成，其中包括颗粒级配或土石比；t为温度；分别为应变和应变率；c，φ分别为土的粘结力和内摩擦角.式中也同样包含应力条件、围压范围、应力历史、排水条件以及加载速率等因素.由式(1)可知，影响粗粒土强度及变形的因素可以分为2大类：一类是粗粒土体本身，主要是物理性质；另一类是外界条件.孔隙度、摩擦系数是影响土体抗剪强度的主要参数，而土体自身的性质、试验条件等也是其抗剪强度的主要影响因素.在PFC模型中，配位数反映颗粒间的接触情况，其变化规律反映颗粒间裂隙的产生与演变.因此，选取了孔隙度、配位数、颗粒刚度比(杨氏模量)、颗粒粒径分布、试验剪切速率，以及摩擦系数进行了细观参数敏感性分析.3.1 孔隙度文中根据室内三轴试验，在围压0.8 MPa的条件下，分别设定孔隙度为0.2，0.25，0.3，0.35以及0.4下的数值三轴试验，试样生成的颗粒个数见表3，其应力-应变曲线见图3.刘勇等[10]得出随着孔隙度的增大，土体峰值强度明显减小，且在孔隙度为0.45时，模型明显表现出体缩效应.文中研究在不用孔隙度条件下的土体宏观力学反应.由图3可知，在初始应力为正常固结的情况下，随着孔隙度的增大，模型峰值强度减小不明显.此时由于试样在生成颗粒之后得到了充分固结，因此剪切初始应力状态一样.固结后的模型与孔隙度联系较小，而在不同孔隙度下试样均表现出应变软化的现象，根据应变软化型破坏试样的机制可知，试样内部出现剪切面，从细观角度分析孔隙度对试样宏观特性的影响.由图4颗粒转动速度场可知，标定为白色的颗粒为转动速度大于0.11 rad/s的颗粒，白色的颗粒反应了剪切面的分布情况.因此，围压0.8 MPa不同孔隙度下模型中试样均形成了剪切面，但根据三维坐标可知，不同的孔隙度试样破坏形成的剪切面空间分布不同.已知试样密度与试样孔隙度相关，在不同密度条件下，试样的破坏面空间分布不同.3.2 配位数初始配位数是指模型在生成过程中已经设定了的颗粒间的接触数.初始配位数最大，表明初始模型颗粒越紧凑，在一定的孔隙度条件下，颗粒生成的数量也就越多.从上述孔隙度对模型材料的宏观力学特性的影响可以得出，生成颗粒的数量(由不同的孔隙度引起的)对材料峰值强度基本没有影响，而对材料的剩余强度有一定的影响，但影响不大.基于此，在分析配位数对材料宏观力学特性的影响时推测，其影响与孔隙度的影响大致相同.图5为不同初始配位数下的应力-应变曲线.不同初始配位数对数值模型中粗粒土宏观力学特性几乎没有影响.由图5可知，不同初始配位数对材料的峰值强度没有影响，对剩余强度影响不大.不同的颗粒初始配位数导致了试样的应变软化现象，根据颗粒位移场机制可知试样内部均出现了剪切面.从细观角度分析不同颗粒初始配位数下颗粒转动速度场的变化情况，不同的初始配位数造成试样剪切破坏面空间分布不同.初始配位数为3时的颗粒转动速度场与初始配位数为4时的完全相反，而初始配位数为5时亦不相同.初始配位数影响颗粒数量的生成，也影响大颗粒数量的生成和分布.而大颗粒的空间位置分布不同，又影响剪切面的分布和走势.因此，初始颗粒配位数对于材料的峰值强度以及剩余强度影响较小，对于材料的破坏面分布影响较大.3.3 法向刚度与切向刚度比kn/ks是颗粒法向刚度与切向刚度之比.改变颗粒的竖向接触刚度与切向接触刚度之比，得到在围压0.8 MPa下不同kn/ks的应力-应变曲线图，见图6.由图6可知，随着kn/ks的不断增大，土体峰值强度不断减小，峰值强度对应的轴应变在不断增大，kn/ks与试样峰值强度的关系式为y=-3e-8x3+4e-5x2-0.022 3x+6(2)式中：x为kn/ks，试样模型逐渐从应变软化型向应变硬化型转变.随着切向刚度不断减小，切向抗变形能力下降；随着kn/ks的不断增大，试样的破坏形式从形成剪切面转变成以侧向应变为主的破坏形式.根据颗粒转动速度场进行分析，随着kn/ks的增大，转动速度较大的颗粒逐渐减少，剪切面分布不明显.kn/ks为80时，转动速度较大的颗粒组成的剪切分布比较明显，当kn/ks值增大到400，发现试样内部没有剪切面的形成.颗粒切向刚度逐渐减小，试样破坏主要以圆周型侧向向外扩散为主，转动速度较大的颗粒均匀分布在试样内部，试样抗剪强度降低主要是试样切向抗变形能力下降导致的.而kn/ks值较大时，应力应变曲线呈应变硬化型主要是由于试样圆周型侧向破坏为主而无法形成剪切面导致的.3.4 颗粒粒径分布根据加权平均数颗粒粒径11.066 25 mm，设定不同的颗粒最小半径，计算得表4的数据.由表4可知，计算各不同最小颗粒半径条件下的试样三轴试验，分析粒径分布情况对抗剪强度的影响，见图7.由图7可知，当试样颗粒粒径的加权平均数为11.066 25 mm时，随着颗粒最小粒径的增大，试样的峰值强度逐渐减小；最小颗粒粒径在0.1～1 mm波动时，试样颗粒粒径对试样抗剪强度的影响较小；但随着最小颗粒粒径不断增大，模型中颗粒粒径的分布对试样抗剪强度的影响增大.这是因为在生成的模型中最小颗粒粒径值很小时，大小颗粒间的咬合较为紧密，尤其是在加载一段时间后，颗粒经过挤压和错动，有利于接触力的传递以及摩擦力的生成.结果显示，随着最小颗粒粒径不断增大，转动颗粒的分布差异较大；其中11 mm 时颗粒粒径相同，但试样破坏不明显.图8为转动颗粒，可以看出转动颗粒越来越少，这是由于在粒径相同的模型内，颗粒间接触力的分布与一般有相对大颗粒模型内的接触力分布不同，内部破坏裂隙均匀分布在模型内.根据应力应变曲线可知，最小颗粒粒径不仅影响着试样内部的应力路径，也影响着剪切面的形成以及试样应变类型.3.5 剪切速率室内试验和数值试验的宏观反应对加载速率敏感，通常选择一个足够慢的加载速率确保试样在加载过程中处于准静态状态.准静态状态是设置墙体一系列的常量速度后，通过应变控制法实现，且这种状态在一定临界速度内都均适用.文中设置加载速率为0.5 mm/min进行数值模拟，设定不同的加载速率进行研究.图9为不同剪切速率下的应力-应变曲线.由图9可知，剪切速率对模型中的粗粒土抗剪强度影响很大，随着剪切速率的增大，峰值强度不断增大.实验室内选择较低的剪切速率进行三轴剪切试验，首先是因为实验室内的仪器的限制，其次是试样在准静态状态下的剪切强度最能反映堆石坝或野外滑坡土体的抗剪强度.而在很大的剪切速率下，其剪切类似于滑坡体受到地震或库水位急剧下降或上升等地质灾害条件下的剪切，对土体的力学特性分析没有多大的意义.根据不同的剪切速率得到不同的土体抗剪强度峰值，它们之间的关系为σp=0.019 2v+3.478 1(围压0.8 MPa)式中：σp为峰值强度，MPa；v为剪切速率，mm/min.在不同剪切速率下的颗粒转动速度场，随着剪切速率增大，试样破坏不再沿剪切面破坏，试样内部出现大量破坏区.根据剪切速率为75 mm/min的颗粒转动速度场可以看出，试样内部出现了大量的转动颗粒，产生转动颗粒的原因是试样内部出现了大量的剪切裂隙，导致试样“粉碎性”破坏.在剪切速率很大时，试样在压缩剪切过程中不再是准静态过程.因此，剪切速度不仅影响材料的峰值强度，也影响材料的剩余强度，对材料的破坏的影响最大.3.6 摩擦系数在粗粒土研究中，摩擦系数很小时，摩擦角对摩擦系数的敏感度很大，试样的剪切强度摩擦角与摩擦系数呈对数关系.且摩擦系数在0.1～0.4范围内时，摩擦角增加了12.21°(12.49°～24.7°)，占摩擦角总增加量的76%，可见在摩擦系数较小时，试样摩擦角受摩擦系数的影响较大.文中分别设置摩擦系数为0.1，0.3，0.5，0.7，0.9和1.1，大范围地分析摩擦系数对材料强度的影响，得到摩擦系数与材料强度的关系，见图10.由图10可知，围压0.8 MPa下摩擦系数对材料的峰值强度影响不大，对材料的剩余强度影响较大.摩擦系数与峰值强度以及剩余强度之间的关系见图11.由图11可知，材料抗剪峰值强度随摩擦系数增大而增大，两者呈线性正相关；剩余强度随摩擦系数增大而增大，当摩擦系数越来越大时，其值对剩余强度的影响越来越小.这与Zhang等[11]对粗粒土进行PFC2D双轴试验结果不同，从校对摩擦系数中发现，摩擦系数对峰值强度的影响因数为2.2，对材料剩余强度的影响因子是2.55，后者大于前者.与二维模拟结果不同，二维离散元材料剪切带形成之后，接触力主要由摩擦力构成，因此二维离散元中摩擦系数对于剩余强度的影响较大；三维离散元中，材料剪切带形成以后，由于三维立体颗粒间挤压与错动，颗粒并不会像二维模型中的颗粒因剪切带形成而分开.围压的存在致使颗粒间的接触力由摩擦力、侧向接触力以及竖向接触力组成，所以在三维离散元中，影响剩余强度的因素不仅有摩擦系数.从细观颗粒的摩擦系数角度，对试样破坏形式进行分析可知，观察其剪切结束之后的颗粒转动速度场，在不同摩擦系数下，剪切面走向基本相同；转动速度较大的颗粒基本围绕在剪切面附近，且随着摩擦系数增大，试样剪切面厚度不断增大.这是由于颗粒间的摩擦力越来越大，剪切面附近的颗粒在发生平移和转动过程中会带动其周围的颗粒一起运动，所以从外观上看剪切面增厚.1) 基于数值试验结果能够很好的拟合室内试验结果，以应力-应变曲线为粗粒土宏观力学特性研究对象，得出各细观参数对粗粒土抗剪峰值强度以及剩余强度的力学敏感性排序为：kn/ks >摩擦系数>剪切速率>颗粒粒径分布>孔隙度>配位数. 2) 从细观角度出发，根据模型中的颗粒位移场以及颗粒转动速度场对各细观参数对粗粒土三轴模型变形，以及破坏面空间分布进行分析，得到各细观参数对粗粒土三轴模型变形敏感性结论：剪切速率>kn/ks>颗粒粒径分布>孔隙度>配位数>摩擦系数.其中摩擦系数对材料破坏面的空间分布基本没有影响，但影响着破坏面的厚度.【相关文献】[1]邓益兵,周健,刘文白,等.螺旋挤土桩下旋成孔过程的颗粒流数值模拟[J].岩土工程学报,2011,33(9):1391-1398.[2]MATTHEW E T, STEVE C, ZHAO X L, et al. Visualization and analysis of microstructure in three-dimensional discrete numerical models[J]. Journal of Computing in Civil Engineering,2009,23(4):277-287.[3]黄彦华,杨圣奇.非共面双裂隙红砂岩宏细观力学行为颗粒流模拟[J].岩石力学与工程学报,2014,33(8):1644-1653.[4]丛宇,王在泉,郑颖人,等.基于颗粒流原理的岩石类材料细观参数的试验研究[J].岩土工程学报,2015,37(6):1031-1040.[5]唐文帅.离散元细观参数对粗砂变形性质的影响[J].水利科技与经济,2015,21(2):32-34.[6]陈亚东,于艳,佘跃心.PFC3D模型中砂土细观参数的确定方法[J].岩土工程学报,2013,35(2)：88-93.[7]耿丽,黄志强,苗雨.粗粒土三轴试验细观模拟[J].土木工程与管理学报,2011,28(4):24-29.[8]HUANG H Y. Discrete element modeling of tool rock interaction[D]. Minnesota: University of Minnesota,1999.[9]NARDIN A, SCHERFLER B A. Modeling of cutting tool soil interaction part II： macro-mechanical model and up scaling[J].Computer Mechanics,2005,36(5):343-359.[10]刘勇，朱俊樸，闫斌.基于离散元理论的粗粒土三轴试验细观模拟[J].铁道科学与工程学报,2014,11(4):58-62.[11]ZHANG Z H, ZHANG G D, LI X L, et al. The shear dilation and shear band of coarse grained soil based on discrete element method[J]. Advanced in Civil Engineering and Transportation IV,2015(7):679-685.。

基于PFC2D不同细观参数对生态混凝土宏观破坏分析宿辉;唐阳;聂汉江【摘要】采用PFC2D离散元软件通过内嵌的Fish语言创建了不规则骨料,通过建立的生态混凝土数值模型利用控制变量法从不同细观力学参数对其双轴压缩破坏的影响进行了分析.研究结果表明:平均强度和标准差主要影响混凝土材料的不均匀性,不均质度越高,强度越低,裂纹空间分布越分散;摩擦系数主要影响应力应变曲线的形状和材料强度,摩擦系数越大,颗粒之间的咬合力越大,曲线下降段的残余强度也就越大;刚度比值和接触模量的增大均会造成颗粒之间形成刚性接触,平行黏接的作用会被削弱导致高抗拉应力和更多的张拉裂纹,最终宏观表现为张拉破坏.对混凝土数值模型的力学细观参数进行探究能够更好地对其进行参数的选择,为以后建立数值模型提供参考依据.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)028【总页数】7页(P118-124)【关键词】生态混凝土;PFC2D;细观参数;不规则颗粒;数值模拟;Fish;双轴试验【作者】宿辉;唐阳;聂汉江【作者单位】河北工程大学水电学院,邯郸056038;河北工程大学水电学院,邯郸056038;河北工程大学水电学院,邯郸056038【正文语种】中文【中图分类】TU452生态混凝土是由粗粒料、水泥胶浆和空隙组成的三相复合材料。

其优势在于既环保又能保证其力学性能满足所需的强度要求。

其力学破坏的研究是现代固体力学计算中具有挑战性的课题。

混凝土是一种弹塑性材料，其材料内部存在大量的微观缺陷，如气泡、微裂缝和孔穴等，其破坏的形态特征具有突发性。

唐春安等［1—5］从混凝土的细观结构入手，通过应用细观力学的研究理论，创建了力学本构模型，对混凝土内部的损伤断裂过程进行了数值模拟;马怀发、陈厚群等［6，7］通过对混凝土材料内部的各个随机分布力学参数研究，提出了随机骨料随机参数化模型。

刘光廷［8］借助蒙特卡罗法利用有限元技术模拟了混凝土单边裂纹的受拉情况，通过观察损伤、断裂破坏的整个过程，其模拟结果与实际相接近。

第37卷第2期2023年4月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37No.2Apr.2023收稿日期:2023-01-08基金项目:国家自然科学基金资助项目(52274167);湖南省技术攻关 揭榜挂帅 项目(2021SK1050);湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ40374;2023JJ30516);湖南省教育厅科研资助项目(20B496;22B0410);衡阳市科技计划经费资助项目(202150063769)作者简介:禹雪阳(1996 ),男,硕士研究生,主要从事矿山岩土工程灾害预测与控制方面的研究㊂E-mail:1337661895@㊂∗通信作者:张志军(1978 ),男,教授,博士,主要从事矿山岩土工程灾害预测与控制方面的研究㊂E-mail:zzj181@DOI :10.19431/ki.1673-0062.2023.02.001离散元对加固尾砂在干湿循环作用下的细观力学分析禹雪阳1,刘邦瑶1,田亚坤1,2,伍玲玲1,2,张志军1,2∗(1.南华大学资源环境与安全工程学院,湖南衡阳421001;2.湖南省矿山岩土工程灾害预测与控制工程技术研究中心,湖南衡阳421001)摘㊀要:为探究加固尾砂在干湿循环作用影响下力学性能㊁力链和尾砂颗粒运动的变化,通过对加固尾砂进行三轴试验和离散元颗粒流(PFC 2D )模拟试验,分析其力学性能变化趋势,并且探究尾砂颗粒间受力传力和颗粒运动的演变㊂试验结果表明:加固尾砂峰值应力随着干湿循环次数增加而逐渐递减,但是其峰值应力相较于原状尾砂至少提升2.13倍;在干湿循环作用下,加固尾砂内部力链逐渐加粗,网状粗力链区域增多,且网状粗力链区域发生位置变化;试样破坏碎片数量随循环次数增加而增加,碎片集中区随着循环进行,从试样下部向上部移动;干湿循环造成尾砂颗粒位移情况发生改变,颗粒不同位移区域增加,并在试样上端产生大量不同位移区域,造成试样上端更容易被破坏㊂关键词:干湿循环;力学性能;PFC ;力链;颗粒位移中图分类号:TU45文献标志码:A文章编号:1673-0062(2023)02-0001-07Micromechanical Analysis of Reinforced Tailings by DiscreteElement Under Dry CycleYU Xueyang 1,LIU Bangyao 1,TIAN Yakun 1,2,WU Lingling 1,2,ZHANG Zhijun 1,2∗(1.School of Resource Environment and Safety Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;2.Hunan Province Engineering Technology Research Center for DisasterPrediction and Control on Mining Geotechnical Engineering,Hengyang,Hunan 421001,China)Abstract :In order to explore the changes of mechanical properties,force chain and particle movement of reinforced tailings under the influence of dry-wet cycle,the triaxial第37卷第2期南华大学学报(自然科学版)2023年4月test and particle flow code(PFC2D)simulation test of reinforced tailings were carried out toanalyze the change trend of mechanical properties,and to explore the evolution of forcetransmission and particle movement between tailings particles.The test results show thatthe peak stress of the reinforced tailings gradually decreases with the increase of thenumber of dry-wet cycles,but its peak stress is at least2.13times higher than that of theundisturbed tailings.Under the action of dry-wet cycle,the internal force chain of rein-forced tailings gradually becomes thicker,the area of meshed coarse force chain increases,and the position of meshed coarse force chain changes.The number of broken fragments ofthe sample increases with the increase of the number of cycles,and the fragment concen-tration area moves from the lower part of the sample to the upper part with the cycle.Thedry-wet cycle causes the displacement of the tailings particles to change,and the differentdisplacement regions of the particles increase,and a large number of differentdisplacement regions are generated at the upper end of the sample,which makes the upperend of the sample more easily destroyed.key words:dry-wet cycle;mechanical properties;PFC;force chain;particle displacement0㊀引㊀言因世界各国尾矿库安全问题频发,如2019年巴西布鲁马迪纽溃坝事件,造成了严重的安全事故,给经济带来了不可挽回的损失㊂为了解尾矿库坝体的特性和治理尾矿库安全问题,世界各国学者在不同种类的土体物理力学性能和微生物土体加固方面展开了大量研究㊂微生物加固是土体绿色治理方案,它能有效填充土体孔隙,增强土体力学性能[1]㊂微生物加固能显著提升土体物理性能和土体强度,并且在短时间内能数倍提升土体抗剪强度[2]㊂且微生物加固能有效降低土体导水率,从而降低土体累积侵蚀量和侵蚀速度[3]㊂通过微生物加固技术加固土体,还能有效降低土体开裂甚至修复土体裂缝[4]㊂但是在自然界中,土体不可避免地受到干湿循环的影响,使土体内部孔隙尺寸和孔隙分布产生很大差异[5],造成土体密度下降㊁孔隙率增加,且土体内部微裂纹的密度和连通性随湿干循环的增加而增加[6]㊂最终使得土体内摩擦角㊁黏聚力等物理性能降低,使得土体力学性能劣化[7-8]㊂随着技术发展,人们开始采用数值模拟来对土体力学特性演化进行研究[9],通过离散元颗粒流(particle flow code,PFC)来进行剪切试验[10]㊁拉伸试验[11],并且观测对裂缝发展阶段进行研究[12]㊂对此,本文以加固尾砂为研究对象,在三轴试验的基础上开展PFC2D(particle flow code2dimen-sions,PFC2D)试验,通过PFC2D来对加固尾砂各干湿循环阶段力学性能进行模拟,以揭示在各循环次数下,加固尾砂各阶段颗粒间受力变化和位移的演变,为后续模拟监测加固尾砂在干湿循环的劣化情况提供理论依据㊂1㊀试验尾砂与微生物1.1㊀尾砂在湖南省某铅锌矿尾矿坝取得实验所使用尾砂,将尾砂烘干处理,使用2mm筛网对烘干的尾砂进行初筛,去除大体积杂物,并通过参考‘土工试验方法标准“(GB/T50123 2019)所记录的实验方法,对尾砂进行颗粒筛分分析试验和土工试验㊂除杂后取200g尾砂,分别过1㊁0.5㊁0.25㊁0.1㊁0.075和0.05mm孔径的标准筛网,得到尾砂颗粒级配㊂并由此得到其曲率系数㊁不均匀系数和其他物理参数(如表1所示),由于C u小于5且C c小于1,可知该尾砂级配不良㊂1.2㊀微生物和胶结溶液本试验使用的微生物为巴氏芽孢杆菌(编号ATCC11859),来自于美国细菌菌种保藏中心㊂它以尿素为原材料,并通过其代谢活性产生大量的高活性脲酶㊂液体培养基由15g/L酪蛋白胨㊁20g/L尿素㊁5g/L大豆蛋白胨㊁5g/L氯化钠组成㊂混合前液体培养基先经过高压灭菌釜121ħ灭菌20min㊂在250mL锥形瓶中盛放100mL液体培养基,在无菌操作台内的酒精灯旁进行巴氏芽孢杆菌接种,从种库中取出1mL巴氏芽孢杆菌用移液枪注入液体培养基,将接种好的培养基放第37卷第2期禹雪阳等:离散元对加固尾砂在干湿循环作用下的细观力学分析2023年4月入转速为150r /min㊁温度为30ħ左右的摇床中振荡10h,经过3~5次传代后,测量菌液D 600数值,数值范围为0.8~1.2㊂胶结液为相同体积的1mol /L 氯化钙溶液与1mol /L 尿素溶液混合而成㊂表1㊀尾砂物理参数和级配参数Table 1㊀Tailings physical parameters andgradation parameters参数数值有效粒径d 10/mm 0.061中值粒径d 30/mm 0.085限制粒径d 60/mm 0.168不均匀系数C u 2.823曲率系数C c0.747自然干密度ρd /(g㊃cm -3) 1.682自然含水率ωop /%14.6相对密度G s 2.65孔隙比e0.5831.3㊀试样制备及试验方法将取回的尾砂放置100ħ烘箱内烘烤36h,待尾矿砂完全烘干后将砂样压碎,将尾砂过一遍2mm 筛网以过滤尾矿砂中的杂质,并重新调配尾矿砂含水率为初始含水率,将调配好含水率的尾砂置入密封袋密封放置24h,使水分在尾砂中更均匀地扩散㊂在实验模具内加入有韧性的内套筒,以保证试样脱模后的完整性㊂单个试样为直径R =39.1mm㊁H =80mm㊁重量m =201g 的圆柱形尾砂三轴试样㊂尾砂试样分三层击实,每层尾砂重量一致,每层之间需进行凿毛处理,并用吹气球对其进行吹扫,使得层与层之间连接更紧密,防止层与层之间出现断裂㊂并采用渗透法制作加固尾砂,用注射器对原状尾砂进行加固,依次向试样中注入20mL 菌液㊁40mL 尿素溶液㊁40mL 氯化钙溶液,每日对尾砂试样进行一次加固,加固周期为14d㊂试样分为A ㊁B 两组如图1所示,A 组为n (0~7)次循环的原状尾砂,B 组为n (0~7)次循环的加固尾砂㊂图1㊀原状尾砂与加固尾砂Fig.1㊀Undisturbed tailings and reinforced tailings㊀㊀将制作好的A ㊁B 两个尾砂试样组进行吸湿-脱湿试验㊂将两个对比组尾砂含水率烘干至1%以下,待试样冷却至室温后,将试样置于足量的水中浸泡24h,使得试样吸水至含水率饱和,待循环完成后将试样烘干至1%以下㊂采用全自动三轴仪(TKA-TTS-1S)对完成循环的尾砂试样进行剪切试验,通过三轴试验数据得出建模所需参数,建立PFC 2D 模型㊂2㊀模型建立与分析2.1㊀尾砂应力分析通过三轴试验,得到不同条件下原状尾砂与加固尾砂的峰值应力柱状图(如图2所示)㊂在干湿循环作用下,加固尾砂峰值应力呈逐渐递减趋势㊂加固尾砂峰值应力虽然有所降低,但是其峰值应力依旧高于原状尾砂,在100kPa 条件下经历n (0~7)次循环的加固尾砂应力峰值分别提升至原状尾砂的2.80㊁2.85㊁2.88㊁2.87和2.96倍㊂在200kPa 条件下加固尾砂应力峰值分别提升至2.96㊁2.89㊁2.95㊁3.30和2.80倍㊂在300kPa 条件下加固尾砂应力峰值分别提升至2.65㊁2.50㊁2.45㊁2.39和2.13倍㊂加固尾砂峰值应力得到了有效提升,且经历循环后依旧能保持较好的提升效果㊂第37卷第2期南华大学学报(自然科学版)2023年4月图2㊀尾砂应力柱状图Fig.2㊀Tailings stress histogram㊀㊀由图2可知,在围压为100㊁200和300kPa 的条件下,7次循环后加固尾砂峰值应力分别是原状尾砂的1.76㊁1.56和1.46倍㊂通过分析不同干湿循环次数下加固尾砂应力变化,发现相同次数下的加固尾砂与原状尾砂相比,力学性能得到大幅提升,抵抗干湿循环作用能力更强,虽然加固尾砂的应力峰值在干湿循环作用下呈下降趋势,但是在经历7次循环后,其应力峰值依旧高于原状未循环尾砂㊂2.2㊀模拟分析为了更好地了解干湿循环对加固尾砂微观结构变换影响规律,在简单物理实验基础上,结合离散元软件PFC2D进行分析㊂根据真实尾砂试样尺寸进行建模,尾砂加固体模型边界尺寸为高H= 80.0mm㊁宽B=39.1mm,软件会根据输入的建模数据建立好模型边界,并根据试样面积㊁颗粒直径和颗粒级配分布概率,在模型边界均匀的随机生成若干颗粒㊂在模型颗粒生成之后,赋予模型参数(见表2),施加胶结,生成模型和胶结如图3所示㊂表2㊀模型建立参数Table2㊀Model establishment parameters参数数值最大半径/mm0.90最小半径/mm0.020密度质量/(kg㊃m-3)2650法向刚度/(N㊃m-1)1ˑ108切向刚度/(N㊃m-1)1ˑ108刚度比 1.4㊁1.7㊁1.8㊁2.0㊁2.3摩擦系数0.52㊁0.42㊁0.40㊁0.37㊁0.31 Pb_ten(106)1㊁0.74㊁0.7㊁0.68㊁0.54 Pb_coh(106)1㊁0.74㊁0.7㊁0.68㊁0.54 2.2.1㊀模型误差分析利用PFC2D调整不同参数,以此对经历了不同循环次数加固尾砂进行三轴剪切试验模拟,并得出各状态下的应力峰值㊂并通过模拟得出的数第37卷第2期禹雪阳等:离散元对加固尾砂在干湿循环作用下的细观力学分析2023年4月据与实际三轴试验数据相比较,以实际试验数据为基准,得出数值模拟与实际试验数据之间的误差,如表3所示㊂模拟选用围压为100kPa 时的尾砂模型为主要研究对象㊂图3㊀尾砂模型Fig.3㊀Tailings model 表3㊀模型峰值应力及误差Table 3㊀Model peak stress and error循环次数n =0n =1n =3n =5n =7模拟峰值1660.591314.981262.531221.371041.98误差-20.294.23 4.9311.46-10.93误差率/%-1.210.320.380.93-1.06由表3所得与实际物理实验所比较,其最大误差为-1.21%,而大多数据偏差低于0.50%,数值模拟的峰值应力误差较小㊂因此可以使用离散元PFC 2D 进行加固尾砂的三轴剪切模拟试验㊂2.2.2㊀加固尾砂力链分析如图4(a)所示,加固尾砂未经历循环时,加固尾砂内部力链分布和力链粗细较均匀,仅在破坏面交点有少量粗力链㊂然而,在加固尾砂经历干湿循环后,加固尾砂颗粒间传力和受力情况发生了改变,颗粒间传力受力变得大,使得力链慢慢加粗,尤其在破坏面交点处,且粗力链产生区域也在增加㊂随着干湿循环次数的不断增加,加固尾砂内部细力链也开始变粗,内部颗粒受力传力更大而发生劣化破坏,使得粗力链区域不断扩大,并且在破坏面交点处产生网状粗力链,由此说明在加固尾砂破坏面交点处,即网状粗力链区域产生了不利应力集中㊂如图4所示,粗力链始终存在于加固尾砂破坏面,随着循环进行粗力链不断增多,逐渐遍布破坏面,且网状粗力链随着破坏面的改变而发生移动㊂图4㊀尾砂力链分布Fig.4㊀Tailings force chain distribution2.2.3㊀加固尾砂破坏分析如图5(a)可知,加固尾砂在未经历循环时,破坏后的碎片较少,碎片较为完整,碎片分布于右倾裂缝的两侧㊂当加固尾砂经历干湿循环后,左下角碎片不再完整,而是演化出更多小碎片,并且在右倾裂缝周围也出现了更多的碎片,这时右倾裂缝两侧主要大碎片面积变小,且小碎片开始沿右倾裂缝向上发展㊂由图5(d)和5(e)所示,当干湿循环进行到5~7次时,加固尾砂破坏形貌发生变化,加固尾砂试样上部出现破碎片,而右下部破碎片较为完整,并且干湿循环次数越多,上部破碎片越小越多㊂加固尾砂试样在干湿循环的影响作用下,颗粒间连接能力减弱,试样上部受力变大,试样上部更容易发生破坏,由于试样整体性变差,最终使得破碎的部位发生了改变㊂2.2.4㊀尾砂颗粒位移分析加固尾砂在未经历循环时,破坏面两侧颗粒位移方向较为一致如图6(a)所示㊂当加固尾砂试样开始经历干湿循环时,尾砂颗粒位移开始出现变化,如图6(b)所示,在试样左下角出现三角形位移区㊂随着干湿循环次数增加,三角形位移区逐渐向加固尾砂试样右上角移动,最终在加固尾砂试样上部出现了不同方向的三角形位移区,当试样位移区越多越集中时,使得第37卷第2期南华大学学报(自然科学版)2023年4月加固尾砂试样更容易在位移集中区过早的形成破坏㊂图5㊀尾砂破坏模式Fig.5㊀Tailings failuremode图6㊀尾砂颗粒位移Fig.6㊀Tailings particle displacement3㊀结㊀论1)以加固尾砂为实验主要对象,通过开展三轴试验,探究加固尾砂在不同干湿循环次数作用下力学性能的变化㊂加固尾砂的峰值应力相较于原状尾砂有了大幅提升,在100㊁200和300kPa 条件下,各循环次数下加固尾砂的峰值应力提升至2.80~2.96㊁2.80~3.30和2.13~2.65倍㊂且经历7次循环的加固尾砂力学特性,在100㊁200和300kPa 条件下依旧是原装状未循环尾砂的1.46~1.76倍㊂2)通过PFC 2D 对加固尾砂进行数值模拟实验,模拟数据与实际数据误差在0.50%~1.21%㊂在干湿循环作用下,加固尾砂试样内部力链发生变化,干湿循环次数越多,力链越粗,粗力链数量越多,并且会在破坏面形成更多网状粗力链区㊂3)随着干湿循环次数增加,加固尾砂试样破坏碎片数量和破碎程度逐渐增加,碎片集中位置也由左下角慢慢移动到右上角;尾砂颗粒位移情况也在干湿循环作用下发生变化,三角形位移区逐渐移动到试样上端,在试样上端产生不同方向位移场集中区,加固尾砂试样更容易在位移集中区过早地形成破坏㊂参考文献:[1]王绪民,崔芮,王铖.微生物诱导碳酸钙沉淀胶结加固泥岩试验研究[J].科学技术与工程,2020,20(25):10372-10378.[2]蚁曼冰,王延宁,刘东,等.基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术加固滨海软土的试验研究[J].汕头大学学报(自然科学版),2020,35(3):47-54.[3]JIANG N J,SOGA K.The applicability of microbially in-duced calcite precipitation (MICP)for internal erosioncontrol in gravel-sand mixtures[J].Géotechnique,2017,67(1):42-55.[4]LIU B,ZHU C,TANG C S,et al.Bio-remediation of des-iccation cracking in clayey soils through microbially in-duced calcite precipitation (MICP)[J].Engineering ge-ology,2020,264:105389.[5]PARDINI G,GUIDI G V,PINI R,et al.Structure and po-rosity of smectitic mudrocks as affected by experimentalwetting-drying cycles and freezing-thawing cycles[J].Ca-tena,1996,27(3/4):49-165.[6]CAI X,ZHOU Z L,TAN L H,et al.Fracture behaviorand damage mechanisms of sandstone subjected to wetting-drying cycles [J].Engineering fracture mechanics,2020,234:107109.(下转第17页)第37卷第2期刘㊀岢等:摄影测量与图像识别在滑坡位移监测中的应用2023年4月[J].International journal of applied earth observationsand geoinformation,2010,12(6):487-495. [21]WANG H H,NIE D L,TUO X G,et al.Research on crackmonitoring at the trailing edge of landslides based onimage processing[J].Landslides,2020,17(4):985-1007.[22]程宏浩,尚俊娜,施浒立.一种基于视觉和深度信息的山体裂缝宽度测量方法仿真研究[J].传感技术学报,2019,32(10):1583-1588.[23]YANG Y,SONG S L,YUE F C,et al.Superpixel-basedautomatic image recognition for landslide deformationareas[J].Engineering geology,2019,259(2):105166.[24]POULIN-GIRARD A S,THIBAULT S,LAURENDEAUD.Study of the performance of stereoscopic panomorphsystems calibrated with traditional pinhole model[J].Optical engineering,2016,55(6):64107. [25]ZHANG Z.A flexible new technique for camera calibra-tion[J].IEEE transactions on pattern analysis and ma-chine intelligence,2000,22(11):1330-1334.(上接第6页)[7]袁志辉,唐春,杨普济,等.干湿循环下红土力学性质劣化的多尺度试验[J].水力发电学报,2022,41(2): 79-91.[8]安然,孔令伟,张先伟,等.干湿循环效应下花岗岩残积土结构损伤的多尺度研究[J].岩石力学与工程学报,2022,42(3):1-10.[9]蒋明镜,廖优斌,刘蔚,等.考虑胶结强度正态分下砂土力学特性离散元模拟[J].岩土工程学报,2016,38 (增刊2):1-6.[10]GHAZVINIAN A,SARFARAZI V,SCHUBERT W,etal.A study of the failure mechanism of planar non-per-sistent open joints using PFC2D[J].Rock mechanicsand rock engineering,2012,45(5):677-693. [11]WANG Z,JACOBS F,ZIEGLER M.Visualization ofload transfer behaviour between geogrid and sand usingPFC2D[J].Geotextiles and geomembranes,2014,42(2):83-90.[12]ZHOU S,ZHU H,YAN Z,et al.A micromechanical studyof the breakage mechanism of microcapsules in concreteusing PFC2D[J].Construction and building materials,2016,115:452-463.。

铁路道砟破碎特性的离散元分析严颖;赵春发;李勇俊;季顺迎【摘要】It is necessary to investigate the breakage characteristics of railway ballast to reduce the maintenance cost and to improve the travelling comfort of trains running on ballasted railway track .In this study ,the mechanical test method was developed to measure the effective compressive strength of ballast particles .During the physical experiment ,the force and the displacement of ballast samples were recorded .Meanwhile ,the ballast particles were constructed with triangle-surface based on the layer scanning method in three dimensions .The irregular ballast particles were randomly filled with poly-dispersed spheres using parallel-bonding method .The breakage of ballast under compression was simulated with discrete element method (DEM ) to determine the effective compressive strength .From the physical experiments and the DEM simulations ,we found that the effective compressive strength decreases with the increase of effective diameter of ballast .The effective compressive strength of ballast satisfies the Weibull probability distribution .The parameters in the Weibull survival probability were determined .The simulated results with DEM were compared well with the experimental data .%为降低有砟铁路轨道维护成本并提高乘客舒适度,对铁路道砟材料破碎机理深入研究具有重要作用.本文设计并开展了测量铁路道砟材料特征强度的试验,对道砟受压破碎过程的力和位移等数据加以分析;同时,通过三维激光扫描系统获取道砟三角网格多面体边界,依此采用颗粒平行粘结方式构造具有不规则真实外观的铁路道砟,并采用离散单元方法(DEM)数值模拟道砟径向加载破碎过程,分析应力应变曲线和粘结断裂数等数据以分析颗粒破碎机制.通过对多个道砟颗粒加载试验及数值模拟计算发现,随着道砟尺寸的增加,其有效压缩强度逐渐减小.道砟颗粒的有效压缩强度符合威布尔概率分布函数,并确定了其残存概率的平均强度和威布尔参量,试验和数值模拟结果相吻合.【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2017(034)005【总页数】8页(P615-622)【关键词】离散元方法;铁路道砟;破碎特性;统计分析【作者】严颖;赵春发;李勇俊;季顺迎【作者单位】大连交通大学土木与安全工程学院 ,大连116028;西南交通大学牵引动力国家重点实验室 ,成都610031;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室 ,大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室 ,大连 116024【正文语种】中文【中图分类】TU44;O158有砟铁路轨道具有建设成本低、缓冲性能好、吸噪性高以及维护成本低等优点，得到广泛的应用。

2009年8月 Rock and Soil Mechanics Aug. 2009收稿日期：2009-05-20基金项目：国家自然科学基金（No.50608041）资助项目。

第一作者简介：刘海涛，男，1986年生，硕士研究生，主要从事岩土工程数值模拟。

E-mail: hengxh@文章编号：1000－7598－(2009) 增1－0287－06粗粒土尺寸效应的离散元分析刘海涛，程晓辉（清华大学 土木工程系/清华大学结构工程与振动教育部重点试验室，北京 100084）摘 要：在土工试验中，粗粒土的力学性质需要考虑颗粒粒径R 和试样尺寸L 的影响，而利用离散元软件进行数值模拟时，模拟结果的准确性受到计算规模的影响，而计算规模由特征长度比值L/R 控制。

利用量纲分析理论，可以得到粗粒土数值模型的微观参数和宏观力学参数之间的相似关系，而影响粗粒土抗剪强度的无量纲参数组中，包含特征长度比值L/R 。

一系列数值三轴压缩试验表明：当L/R 足够大（L/R>40）时，L/R 对粗粒土抗剪强度没有影响；当L/R 较小（L/R <30）时，由于边界摩擦作用，试样的抗剪强度会随着L/R 的变化而有较大改变。

文中也对离散元软件PFC 2D/3D 提供的伺服机制进行了讨论。

关 键 词：颗粒材料；粗粒土；尺寸效应；特征长度比值；边界摩擦；离散元；相似关系；伺服机制 中图分类号：TU 443 文献标识码：ADiscrete element analysis for size effects of coarse-grained soilsLIU Hai-tao, CHENG Xiao-hui(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: In geotechnical tests, particle diameter (R ) or sample size (L ) accounts for the mechanical properties of coarse-grained soils. Correctness and precision of the results modeled with the discrete element analysis (DEA) is limited by the calculation scale, which is also determined by the characteristic length ratio L/R . Scaling law that describes relationship between micro-parameters and macro-parameters of coarse-grained soils is obtained using dimensional analysis; and it is shown that the shear resistance of coarse-grained soils depends on the characteristic length ratio L/R . A series of numerical triaxial tests are performed; it is shown that the L/R has little effects on the shear resistance when L/R is larger than 40; when L/R is less than 30, the shear resistance will be noticeably affected by L/R because of the effects of the boundary friction. The servo-mechanism provided by PFC 2D/3D （Particle Flow Code, ITASCA ®）is also discussed.Key words: granular materials; coarse-grained soil; size effect; characteristic length ratio; boundary friction; DEM; scaling law; servo-mechanism1 引 言我国有着大面积的山区及丘陵，地表起伏变化较大，往往需要“开山填谷”来解决工程建设所需用地，如昆明新机场的建设场地[1]。

基于离散元的沥青砂浆拉压细观特性对比
何亮生;许木照
【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》
【年(卷),期】2024(48)1
【摘要】文中基于沥青胶砂单轴拉伸强度试验,构建并校准了离散元模型,对拉压荷载下的接触、概率密度、力链分布及线粘性比例等进行了细观对比分析.结果表明:拉伸和压缩荷载方向的改变,沥青砂浆体系接触力及数量分布规律、应力概率密度分布规律及力链分布规律无显著差异,沥青砂浆材料组成相同,抵抗外部荷载的空间细观结构不变;沥青砂浆单轴拉伸和压缩强度差异显著的根本原因在于抵抗荷载的主体的差异,压缩荷载下由沥青砂浆中集料嵌挤和沥青胶结作用共同抵抗,拉伸荷载下由沥青砂浆中沥青胶结作用抵抗.
【总页数】6页(P121-126)
【作者】何亮生;许木照
【作者单位】广东省交通运输建设工程质量检测中心
【正文语种】中文
【中图分类】U414
【相关文献】
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能研究4.基于离散元法的透水钢渣沥青混合料接触模型细观参数标定5.基于离散元数值仿真技术的沥青混合料细观模型可行性研究
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利用迭代思想标定砂土三轴试验宏-细观参数徐国元;孙元鹏【摘要】为提高离散元中三轴试验宏-细观参数标定工作效率,提出一种新的方法——迭代标定法.利用fish语言编写程序在PFC3D中实现了三轴试验的数值模拟.基于接触黏结模型对砂土三轴试验进行模拟,验证了迭代标定法的有效性.结果表明:颗粒刚度大小和颗粒刚度比都会影响偏应力的大小;颗粒法向刚度会影响初始杨氏模量;细观摩擦系数对偏应力的影响程度取决于模型围压的大小;黏结强度对接触黏结模型的应力应变曲线形态影响较小,但对平行黏结模型的应力应变曲线形态有较大影响.迭代标定法可以有效标定宏-细观参数,减少"试参数"过程.%To improve the efficiency of the macro-meso parameters calibration of the triaxial test in the DEM,a new method, iterative calibration, is proposed. By using a fish language program, the numerical simulation of the triaxial test in the PFC3D software is achieved. Based on the contact bond model, the triaxial test of sand is simulated, and the validity of the iterative calibration method is verified. The calibration proves that both the size of the particle stiffness and the ratio of the particle stiffness affect the size of the partial stress, particle normal stiffness affect the initial Young' s modulus, the effect of the friction coefficient on the partial stress is depended on the size of the confining pressure, and the bond strength has little influence on the stress-strain curve of the contact bond model, but huge influence on the parallel bond model. It is concluded that the iterative calibration method can effectively calibrate macro-meso parameters and reduce the "test parameter" process.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2017(046)009【总页数】5页(P65-69)【关键词】离散元法;迭代算法;PFC3D;三轴试验;宏-观参数标定【作者】徐国元;孙元鹏【作者单位】华南理工大学土木与交通学院,广州510641;华南理工大学土木与交通学院,广州510641【正文语种】中文【中图分类】TU411离散元法数值试验相较于物理试验，具有高效、便利、不确定性小、试验参数可控等特性，便于人们剖析试验机理，解释物理现象. 周健等[1-6] 研究了饱和层状砂土液化的特性，通过PFC2D研究了砂土颗粒与土工合成材料的接触界面，对砂土的双轴试验、力学性质、渗流过程以砂土中单桩进行了模拟. 李识博等[7]通过颗粒流软件对黄土三轴固结不排水剪切试验进行了数值模拟. 姜景山等[8]认为密度和围压是影响粗粒土三轴试验应力应变曲线的重要因素. 徐小敏等[9]对颗粒材料初始杨氏模量、初始泊松比与颗粒法向刚度、颗粒刚度比的关系进行了研究，认为砂土材料的刚度比适宜取值范围为2.0～20.7. 邢纪波等[10]推导出了单元接触刚度的计算公式，认为泊松比从0变到0.4时，颗粒刚度比对应范围为2.0～6.0. 张振南等[11]提出了VMIB模型，建立起虚拟键力学属性与材料宏观力学响应的联系. 蒋明镜等[12]在模拟砂土双轴试验时刚度比采用了1.33. 周博等[13]认为颗粒破碎对砂土的宏观力学特性有很大的影响，其在模拟砂土双轴试验采用了刚度比为1的平行黏结模型. 李宁等[14]通过PFC建立了三轴试验模型，模拟了砂土的三轴试验. 离散元法中细观参数的取值决定了土样力学性质的宏观响应，目前众多学者提出了种类繁多的细观参数选取机制，但大都适用性不强，模拟的结果与实际相差较大. 对于细观参数与宏观参数的标定仍然是一个值得探讨的问题. 基于室内砂土三轴试验，利用PFC3D软件进行数值模拟，然后通过该试验介绍基于迭代思想标定宏-细观参数的方法，并且通过将本文的模拟结果与室内试验结果进行对比，来验证迭代标定法的有效性. 迭代标定法提高了标定工作效率，可设置迭代终止准则，误差率可控，对于完成宏细观参数标定工作有重要的指导意义.室内粗粒土三轴试验试样是高8 cm，上下底面直径为4 cm的圆柱体. 松散土的天然密度为1.39 g/cm3，室内试验土样密度为1.88 g/cm3，数值模拟试验中颗粒密度均为1.88 g/cm3. 采用各向等压固结排水(CD)剪切的试验方法，试验采用应变控制，以轴向应变速率0.03 mm/min进行剪切，分别进行围压为50、100、150 kPa的3组试验，当试样的轴向应变达到15%时视为试样破坏. 室内试验土样的颗粒级配：粒组划分为5～2、2～0.5、0.5～0.25、0.25～0.075、0.075～0.005、0.005～0 mm，土样质量分数分别为5.3%、20.4%、35%、26.6%、9.3%、3.4%.为尽量与室内试验结果相近，在PFC3D中生成高为80 mm，上下底面直径均为40 mm的圆柱体模型，由于室内试验的土样粒径在0.075 ～2 mm之间占了82%，又考虑到生成太多颗粒会严重影响计算机运行速度，所以数值模拟采用的颗粒最大半径为2 mm，最小粒径为0.1 mm，共生成9 275个颗粒. 采用围压为50、100、150 kPa，试件目标孔隙率为0.2，细观摩擦系数为0.25，试件模型见图1.用迭代法进行宏-细观参数标定，迭代变量为颗粒法向刚度和刚度比. 迭代关系式是利用细观参数对曲线形态的影响，将拐点强度σ0和剪切破坏时的偏应力Δσ1-3作为控制参数，不断拟合出合适的法向刚度和刚度比，使得数值模拟的应力应变曲线越来越接近于室内试验得出的应力应变曲线. 迭代终止，是通过计算拐点强度和剪切破坏时偏应力的误差率，在可接受范围内即终止迭代.已有研究[15]表明，根据各细观参数对宏观参数的影响程度，由强到弱排序，依次为：法向和切向的刚度比、细观摩擦系数、剪切速率、颗粒粒径分布、孔隙度. 为了更加接近室内试验，数值模拟试验中剪切速率、颗粒粒径分布和孔隙度均与室内试验保持一致. 在数值模拟过程中发现：1)在接触黏结模型中，对应力应变曲线形态影响较大的是颗粒刚度值的大小和刚度比的大小. 由于颗粒之间是点接触，接触面积趋近于0，颗粒间的黏结强度和细观摩擦系数对应力应变曲线影响很小. 2)在平行黏结模型中，颗粒刚度、刚度比、颗粒间黏结强度均对应力应变曲线形态有较大的影响，而细观摩擦系数对应力应变曲线影响较小.经多次试验发现，在颗粒刚度、刚度比、黏结强度和细观摩擦系数4个影响参数中，对颗粒刚度和刚度比进行迭代是确定宏-细观参数最有效的方法. 每次迭代分3个步骤：1)确定法向刚度Kn值；2)确定刚度比Kn/Ks；3)计算误差率，判断是否进行下次迭代. 以线性接触模型为例，具体迭代过程如下.第1步设置试验1，确定Kn值. 试验1中共设置8组试验，选定初始参数：8组试验中法向黏结强度和切向黏结强度均为50 kN·m-1，围压为100 kPa，细观摩擦系数采用0.25，颗粒法向黏结强度和切向黏结强度比值为1，颗粒平均半径Rc=1.05 mm，颗粒法向刚度分别为8.0、9.0、10.0、11.3、12.0、13.0、14.0、15.0 kN·m-1. 数值试验模拟得出的应力应变曲线如图2所示.从图3中可以明显看出，当颗粒的法向刚度与切向刚度不断增大时，应力应变曲线的峰值强度也不断增大. 定义应力应变曲线中偏应力不再随着应变线性增长的点为曲线拐点，根据试验结果提取应力应变曲线的拐点强度σ0，提取结果如下. 当Kn值为8.0、9.0、10.0、11.3、12.0、13.0、14.0、15.0 kN· m-1时，拐点强度分别为54.84、67.12、78.98、98.11、101.47、112.44、122.53、136.50 kPa. 根据结果绘制散点图并进行拟合，如图3所示，拟合结果为式中：Kn为法向刚度，kN·m-1；σ0为拐点强度，kPa. 室内试验拐点强度为101.3 kPa，将其代入到公式得Kn的值为12.011 35 kN·m-1.第2步根据试验1得出的Kn设置试验2，通过试验2确定合适的Kn/Ks(即确定合适的切向刚度Ks). 试验参数: 围压为100 kPa，细观摩擦系数为0.25，颗粒法向黏结强度和切向黏结强度比值为1，颗粒黏结强度均为50 kN·m-1，其他参数设置以及提取的剪切破坏时偏应力Δσ1-3见表1.找出与室内试验Δσ1-3相近的那一组数值模拟试验. 室内试验的Δσ1-3分别为93.4 kPa (围压为50 kPa时)、124 kPa(围压为100 kPa时)、144.02 kPa(围压为150 kPa时). 数值模拟结果应力应变曲线如图4所示.对试验结果进行拟合，得到100 kPa围压下颗粒刚度比与剪切破坏时偏应力的关系,见图5. 从图4、5中可以得出，颗粒刚度比不影响应力应变曲线的拐点强度和弹性模量，但随着颗粒刚度比的增大Δσ1-3不断减小. 根据试验数据绘制刚度比与Δσ1-3的散点图，如图5所示，并对其进行拟合，拟合结果为Kn/Ks=14.922 56-15.383 36Δσ1-3 +4.186 85Δσ1-32.式中Δσ1-3的单位为105 Pa. 室内试验的Δσ1-3为124 kPa，将Δσ1-3=1.24代入到公式中，得到Kn/Ks=2.28.第3步设置试验3，采用试验1确定的颗粒法向刚度以及试验2确定的颗粒刚度比，分别在围压50、100、150 kPa的情况下对试样进行数值模拟，结果如图6所示.提取图中6组应力应变曲线的室内试验拐点强度Δσ0室内、数值模拟试验拐点强度Δσ0数值、室内试验峰值强度Δσ1-3室内和数值模拟试验峰值强度Δσ1-3数值，计算室内试验和数值试验的误差率，结果如表2中所示. 从图中看出，数值试验的应力应变曲线形态与室内试验的相似，从表中可以看出，在围压50 kPa时，Δσ1-3误差率大于5%，其他5组参考数据的误差率都在5%以内，数值模拟效果良好.经过试验1、2、3就完成了一步迭代标定，如果数值试验结果与室内试验结果有较大的出入或是没有达到预定的精度，那么就在第1步迭代的基础上进行第2步迭代，继续标定颗粒的刚度和黏结强度，直至达到所需的精度为止. 经过多次试验证明，这种迭代方法，所模拟出来的应力应变曲线最终会接近于室内试验所得到的应力应变曲线.图7中的应力应变曲线是试验1轴向应变0～0.003内的放大图，徐小敏等认为轴向应变在1%内轴向应变增量与轴向应变几乎成线性关系[5]，图中的结果与其结论是一致的. 从图中可看出刚度比等其他细观参数不变时颗粒法向刚度越大初始杨氏模量越大.摩擦系数在细观和宏观上存在差异性，宏观摩擦系数取值为0～1，而细观摩擦系数取值理论上为0～+∝. 图8为在试验3的基础上，只改变细观摩擦系数大小得出的8条应力应变曲线，从局部放大图中可看出细观摩擦系数对应力应变曲线的形态只有细微的影响. 图9为在试验3的基础上将围压从100 kPa提高到100 MPa所得出的6条应力应变曲线，从图中可以看出，细观摩擦系数对于剪切破坏时的偏应力有很大影响，随着细观摩擦系数的增大，抗剪强度也不断增大. 对比两图可知，当围压较小的时候，模型抗剪强度受细观摩擦系数的影响较小，当围压较大时，则不能忽略细观摩擦系数的影响.基于线性接触的分析发现黏结强度对于应力应变曲线没有明显影响，这是因为接触黏结模型中球是刚性的、且接触面积趋近于0，当受到外力作用时，容易产生滑移，小球之间的咬合作用极小，所以黏结强度对线性接触模型中的抗剪强度没有太大影响.图10中是基于平行黏结模型得出的应力应变曲线，切向、法向黏结强度比值为1，其他参数不变，只改变黏结强度的大小. 从图中可得出，黏结强度越大偏应力峰值强度越大. 平行黏结模型中颗粒接触允许有一定的重叠量，平行黏结接触面积远大于线性模型的接触面积，这样法向黏结强度增大了小球间的抗拉能力，切向黏结强度增大了小球间的切向抗剪能力，总体上提高了小球间的咬合力，从而提高了模型的抗剪能力.1)对颗粒法向刚度和刚度比进行迭代是最有效确定宏-细观参数的方法. 试验证明，利用初始值不断循环迭代可使数值模拟试验结果更加接近室内三轴试验的结果，迭代标定法可以减少无效的“试参数”工作，提高参数标定工作效率，且误差率可控.2)颗粒的法向刚度与切向刚度不断增大时，应力应变曲线的Δσ1-3也不断增大. 颗粒法向刚度越大初始杨氏模量越大. 颗粒刚度比不影响应力应变曲线的拐点强度和弹性模量，但随着颗粒刚度比的增大,Δσ1-3不断减小.3)接触黏结模型中，黏结强度对应力应变曲线的破坏时偏应力几乎没有影响. 在平行黏结模型中，随着黏结强度的不断增大，模型的抗剪能力不断增大，剪切破坏时偏应力也不断增大.4)围压较小时，细观摩擦系数对应力应变曲线的影响极其微小. 围压较大时，随着细观摩擦系数的增大，模型的抗剪强度也随之增大，此时细观摩擦系数的影响不可忽略. 围压大小与细观摩擦系数对应力应变曲线影响的内在关系，在以后的研究工作中还需要深入探讨.【相关文献】[1] 周健, 陈小亮, 杨永香,等. 饱和层状砂土液化特性的动三轴试验研究[J]. 岩土力学, 2011,32(4):967-972.ZHOU Jian, CHEN Xiaoliang, YANG Yongxiang, et al. Study of liquefaction characteristicsof saturated stratified sands by dynamic triaxial test [J]. Rock and Soil Mechanics, 2011,32(4):967-972.[2] 周健, 王家全, 孔祥利,等. 砂土颗粒与土工合成材料接触界面细观研究[J]. 岩土工程学报,2010(1):61-67.ZHOU Jian, WANG Jiaquan, KONG Xiangli, et al. Mesoscopic study of the interface between sandy soil and geosynthetics [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010(1):61-67.[3] 周健, 池毓蔚, 池永,等. 砂土双轴试验的颗粒流模拟[J]. 岩土工程学报,2000, 22(6):701-704. ZHOU Jian, CHI Yuwei, CHI Yong, et al. Simulation of biaxial test on sand by particle flow code [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2000, 22(6):701-704.[4] 周健, 池永. 砂土力学性质的细观模拟[J].岩土力学, 2003, 24(6):901-906.ZHOU Jian, CHI Yong. Mesomechanical simulation of sand mechanical properties [J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(6):901-906.[5] 周健, 姚志雄,张刚,等. 砂土渗流过程的细观数值模拟[J].岩土工程学报,2007,29(7):977-981. ZHOU Jian, YAO Zhixiong, ZHANG Gang, et al.Mesomechanical simulation of seepage flow in sandy soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(7):977-981. [6] 周健, 郭建军, 张昭,等. 砂土中单桩静载室内模型试验及颗粒流数值模拟[J]. 岩土力学, 2010,31(6):1763-1768.ZHOU Jian, GUO Jianjun, ZHANG Zhao, et al. Model test of single pile static load in sands and numerical simulation using particle flow code [J]. Rock and Soil Mechanics, 2010,31(6):1763-1768.[7] 李识博, 王常明, 王念秦,等. 黄土三轴试验的颗粒流数值模拟[J].中国公路学报,2013,26(6):22-29. LI Shibo, WANG Changming, WANG Nianqin, et al. Numerical simulation of loess triaxial shear test by PFC3D[J]. China Journal of Highway and Transport,2013, 26(6):22-29.[8] 姜景山, 刘汉龙, 程展林,等. 密度和围压对粗粒土力学性质的影响[J]. 长江科学院院报, 2009,26(8):46-50.JIANG Jingshan, LIU Hanlong, CHENG Zhanlin,et al. Influences of density and confining pressure on mechanical properties for coarse grained soils[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2009,26(8):46-50.[9] 徐小敏, 凌道盛, 陈云敏,等. 基于线性接触模型的颗粒材料细-宏观弹性常数相关关系研究[J]. 岩土工程学报,2010,32(7):991-998.XU Xiaomin, LING Daosheng, CHEN Yunmin, et al.Correlation of microscopic and macroscopic elastic constants of granular materials based on linear contact model[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010,32(7):991-998.[10]邢纪波,王泳嘉.离散单元法的计算参数和求解方法选择[J].计算力学学报,1999,16(1):47-51. XING Jibo, WANG Yongjia. Determination of calculating parameters and solution methodsof discrete element method[J]. Chinese Journal of Computational Mechannics,1999,16(1):47-51.[11]张振南, 葛修润, 李永和. 基于虚内键理论的材料多尺度力学模型 [J].固体力学学报,2006,27(4):325-329.ZHANG Zhennan, GE Xiurun, LI Yonghe.A multiscale mechanical model of materials based on virtual internal bond theory[J]. Acta Mechanica Solid Sinica,2006, 27(4):325-329. [12]蒋明镜, 付昌, 刘静德,等. 不同沉积方向各向异性结构性砂土离散元力学特性分析[J]. 岩土工程学报,2016, 38(1):138-146.JIANG Mingjing, FU Chang, LIU Jingde, et al. DEM simulations of anisotropic structured sand with different deposit directions[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(1):138-146.[13]周博,黄润秋,汪华斌,等.基于离散元法的砂土破碎演化规律研究[J]. 岩土力学, 2014(9):2709-2716.ZHOU Bo, HUANG Runqiu, WANG Huabin, et al. Study of evolution of sand crushability based on discrete elements method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014(9):2709-2716. [14]李宁,高岳.透明砂土三轴试验的颗粒流模拟[C]//全国工程地质学术年会.北京:工程地质学报,2011.LI Ning, GAO Yue. PFC simulation on triaxial shear test of transparent sand[C]//Annual meeting of national engineering geology. Beijing: Journal of Engineering Geology,2011.[15]张志华. 基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟[D].宜昌:三峡大学, 2015.ZHANG Zhihua. Mesoscopic numerical simulation of triaxial test of coarse grained soil based on PFC3D[D]. Yichang:Three Gorges University, 2015.。

基于离散单元法的粗粒料缩尺效应探究李毓;李林安;陈坤生;张展嘉【摘要】In this paper, according to the gradation change of soil, five grades of graded samples were set up by means of the continuous gradation equation, the Taylor equation and the Fuller formula. The numerical simulation software PFC was used to carry out the direct shear test. According to the results, the paper analyzes the influence of gradation change on soil shear strength index and puts forward a new evaluation index of gradation, and establishes the index and the fitting relationship between the soil shear strength, and makes a detailed analysis.%粗粒料粒径较大,很难采用原型级配料开展相应的室内试验,有必要对原型土进行缩尺,并根据试验级配料试验结果推测原型土的力学参数.目前,对于粗粒土的缩尺效应依然缺乏足够的认识.针对土体的级配变化,通过连续级配方程、泰勒级配方程、Fuller理想级配方程人为设置5组不同的级配试样,利用数值模拟软件PFC开展直剪试验.分析级配变化对土体抗剪强度指标的影响规律,并提出新的级配评价指标,建立该指标与土体抗剪强度之间的拟合关系.研究结果表明:两者之间具有较好的曲线关系.【期刊名称】《铁道科学与工程学报》【年(卷),期】2018(015)007【总页数】8页(P1722-1729)【关键词】级配曲线;直剪试验;离散元;级配参数;强度指标【作者】李毓;李林安;陈坤生;张展嘉【作者单位】天津大学力学系,天津 300350;天津大学力学系,天津 300350;国立中央大学土木工程系,台湾中坜 32001;国立中央大学土木工程系,台湾中坜32001【正文语种】中文【中图分类】TU411粗粒料通常是由块石、碎石等粗颗粒组成的无黏性混合料。

基于离散元法的关键参数对立式磨工作性能的影响研究
刘畅;王文讷
【期刊名称】《新世纪水泥导报》
【年(卷),期】2024(30)2
【摘要】为了解立式磨的破碎特性,基于DEM构建颗粒的粘结模型和仿真模型,以破碎率C和破碎功率P评价立式磨的工作性能,基于离散元法对颗粒破碎过程进行模拟分析,探讨关键参数对立式磨工作性能的影响。

研究结果表明:颗粒床破碎过程中依然存在尺寸效应,物料直径越大,颗粒床厚度越大,则破碎率和破碎功率增加;片状物料破碎率最高,相反球状物料的最低;破碎功率随着转速的增大呈先增加而后减少趋势,在转速为26r/min时,破碎功率最大为4.32kW;破碎率和破碎功率随着喂料颗粒量的增大呈先增加而后减少趋势,在喂料颗粒量为500时,破碎率最大为84%,破碎功率最大为3.93kW。

【总页数】8页(P40-47)
【作者】刘畅;王文讷
【作者单位】合肥中亚建材装备有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ172.632.5
【相关文献】
1.基于离散单元法的半自磨机工作参数研究
2.基于离散元的立式磨粉磨方式研究
3.基于离散元法的列车运行速度对有砟道床工作性能影响的研究
4.基于离散元法的
立式旋耕刀工作参数分析与优化5.基于离散元法的立式旋耕刀耕整作业性能仿真研究
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粗粒含量对砂卵石土宏细观力学特性影响分析田世雄;路军富;连鹏;凌森林【摘要】砂卵石土粗粒含量对基坑及隧道围岩等稳定性影响较大, 然而不同粗粒含量砂卵石土宏细观力学特性尚不明确.采用室内大型粗粒土三轴试验与数值三轴试验相结合的方法, 对不同粗粒含量砂卵石土宏观及细观力学特性开展研究.研究结果表明:随着粗粒含量增加, 砂卵石土的应力应变曲线表现为应变软化性;围压不变时, 砂卵石土随着粗粒含量增加, 应力峰值增大而达到峰值时的应变逐渐减小.建立了砂卵石土粗粒含量与内摩擦角和黏聚力等力学指标之间函数关系, 随着粗粒含量的增加, 砂卵石土的内摩擦角与黏聚力也以线性趋势增大;提出了不同粗粒含量砂卵石土的接触模量、颗粒刚度比、摩擦系数、接触粘结强度等颗粒离散元细观参数.研究成果为砂卵石地层工程精细化设计及施工提供理论支撑.%The coarse-grained content of sandy cobbled soil has a great influence on the stability of the foundation pit and tunnel surrounding rock, but the macroscopic and micromechanical properties of sand and gravel with different coarse contents are not clear. The macroscopic and meso-mechanical properties of different coarse-grained sand-pebbled soils were studied using a combination of a large-scale coarse-grained soil triaxial test and a numerical triaxial test. Research indicates that with the increase of coarse-grain content, the stress-strain curve of sand-pebble soil shows strain softening. When the confining pressure is constant, the sand pebble soil increases with the increase of coarse grain content, and the stress peak value increases, and the strain at the peak value gradually decreases. The functional relationship between the coarse-grained content and theinternal friction angle and cohesion of sand-pebble soil was established. With the increase of coarse-grain content, the internal friction angle and cohesion of sand-pebble soil increased linearly; the parameters such as the contact modulus, friction coefficient, particle stiffness ratio, and contact bonding strength of different coarse-grained sand-pebble soils were proposed. The research results provide theoretical support for the refinement design and construction of sand and gravel strata.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2019(019)002【总页数】6页(P186-191)【关键词】砂卵石土;粗粒含量;离散元;宏细观力学特性【作者】田世雄;路军富;连鹏;凌森林【作者单位】甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司,兰州 730030;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059;甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司,兰州 730030;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059【正文语种】中文【中图分类】TU411.3砂卵石土在世界各地区分布广泛，卵石几何分布的随机性和颗粒离散性使得其力学特性极其复杂，四川成都、北京等地区广泛分布的砂卵石地层对隧道及地下工程修建安全性造成较大影响，因此砂卵石土的强度特性及其稳定性研究受到越来越多的重视[1,2]。

砂土颗粒三维形状模拟离散元算法研究砂土是用于建筑和土木工程的重要材料。

因此，对于砂土的研究和了解是非常必要的。

其中，砂土颗粒三维形状模拟离散元算法是一种非常先进的研究方法。

这种算法能够帮助研究人员了解砂土颗粒的结构和形状，以及它们在不同形态下的行为。

离散元算法的基本原理是将材料分解成许多小的颗粒，并模拟它们之间的相互作用。

这种算法可以帮助研究人员了解材料的内部结构和力学特性。

砂土颗粒的形状模拟是离散元算法的一个重要应用。

这种模拟可以帮助研究人员对砂土颗粒的形态进行深入分析，从而了解它们在各种条件下的行为。

通过砂土颗粒模拟的离散元算法，研究人员可以快速、准确地计算出砂土颗粒之间的相互作用，以及其在不同形态下的物理特性。

同时，该算法还可以帮助研究人员对建筑和土木工程中常见的土木结构进行模拟和分析，以获得更好的结构设计。

砂土颗粒模拟的离散元算法也可以应用于模拟地震和其它自然灾害中的土体应力。

这种应用可以帮助人们更好地理解砂土的特性，并为抗震建筑设计提供更准确的数据和建议。

总之，砂土颗粒三维形状模拟离散元算法是一个非常有用的研究工具。

通过这种算法，研究人员可以更深入地了解材料的内部结构和力学特性，从而为更好的建筑和土木工程设计提供重要的参考意见。