岩土材料工程性质数值试验研究

论文摘要

本文选定PFC颗粒流软件作为数值分析平台,fish语言建立了满足一定统计分布的颗粒集聚体,虚拟实现了岩石力学试验。在此基础上,针对岩土材料细观参数的宏观响应、岩土材料内尺度比、尺寸效应、加载率效应、颗粒大小对材料工程性质的影响和岩石材料破裂过程及其分形特性等六个问题设计了专门的数值虚拟试验,分析所得主要结论如下:1、一个简单的颗粒间力学关系可以反映一个复杂的力学过程。细观参数与宏观参数的关系不是简单求和,是整体与部分的辩证关系,整体的力学行为是部分力学行为的增强和放大。摩擦系数、接触半径乘子、弹性模量等颗粒细观参数对数值试件的影响是全面的,弹性模量的增加,会引起裂纹数量的增加,能量急剧减少,强度没有规律性变化;接触半径乘子的增加会使得材料强度和变形性能均提高,裂纹和能量均有提高;摩擦系数的增加会引起强度和变形性能的提高,裂纹和能量变化不大,但是摩擦能增加明显。细观强度的影响相对独立,只引起了宏观强度的提高,对变形没有影响。2、通过设计的0.05-2.00mm粒径12种单轴压缩数值试验和巴西圆盘试验计算方案,分析发现岩土材料作为颗粒集聚体,的确存在内尺度比,即最大颗粒与试件直径的比,大于材料固有的内尺度比,则其工程性质出现较大波动;小于该值,则测试结果相对较为稳定。经分析,砂岩的内尺度比约等于0.01。3、经过用破裂形态、裂纹系统数量和空间位置、应力应变曲线、能量演化等4类手段综合分析设计的不同长径比、不同围压数值试验,发现:通过应力应变曲线、峰值强度、割线模量和试件破坏形态等分析得到岩石几何尺寸最佳长径比在2.5-3.0之间,但存在数据波动和离散问题。而用能量方法分析得到的最佳长径比稳定在3.0。综上,最佳长径比为3.0,能量方法评价尺寸效应稳定性好。端部摩擦效应在低围压下和低长径比下对材料试验结果影响较大;在长径比大于2.5,围压大于10MPa后,端部效应影响相对减弱。低长径比时,材料表现出伪高强度;高长径比时,材料表现出伪高脆性。4、加载速率越高材料破损过程中不再存在剪切优势带,剪切带等速发展,锥形破坏明显。随着应变速率的提高,岩石的峰值强度提高,变形参数也提高了。材料破损机理在于首先积聚粘结能,克服粘结强度,产生微裂纹,随后在积聚的弹性应变能驱动下扩展贯通,随后摩擦作用开始发挥作用,摩擦能急剧提高。裂纹贯通后,材料本身的强度特性不再起主导作用,局部弱化带主导了材料的后期变形和失稳过程。5、经过对不同半径、不同数量团簇结构的力学分析发现:团簇数量越多,对材料性质的提高越显著;团簇半径越大、结构体系越稳定,则性质增强效果好。团簇材料的破损机理在于:随着团簇半径的增加,基质所占比例减小,基质中更容易产生微裂纹,但是其绝对数量有限,粘结能地位降低。而应变能则由于团簇强度高,较难以破坏,其主要受力或者传递力,则应变能储能作用增强。破坏经常绕着骨料发生,颗粒越大,越多,由于其竖向密度大,连接较好,侧向连接有限,而且边界作用明显,所以裂纹经常沿垂向发展,径向张开,呈雁行排列。6、利用数值试验方法,结合图像处理,对不同规格数值试件的破裂体系进行了追踪、描述和研究,发现:岩石破裂体系具有统计自相似性,长径比显著的试件sandbox法测试结果异常值较多,这是方法缺陷。盒计数法对于不同形状数值试件的适应性要比sandbox法好,结果稳定。随着围压增加岩石破裂的分维数减小。加载造成材料劣化,这种性质劣化加剧了初始随机分布损伤的不均匀程度,劣化呈现局部发展,使得裂纹系统变得更为复杂,分数维增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出和研究意义
• 1.1.1 岩土材料工程特性问题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩土力学各力学理论研究进展和存在问题
• 1.2.2 岩土材料工程特性实验研究
• 1.2.3 数值试验研究现状
• 1.3 数值试验平台的选择及本文主要研究内容
• 1.3.1 数值试验平台的选择
• 1.3.2 本文研究内容
• 第2章 颗粒流计算理论
• 2.1 颗粒流方法的基本思想
• 2.1.1 颗粒流方法的基本假设
• 2.1.2 颗粒流方法的特点
• 2.1.3 颗粒流方法与其它离散元方法相比的优缺点
• 2.2 颗粒流的物理模型
• 2.2.1 力-位移定律
• 2.2.2 运动定律
• 2.2.3 计算方法一动态松弛法
• 2.2.4 颗粒流方法解题途径
• 2.3 颗粒流物理参数的确定
• 2.3.1 时步的确定
• 2.3.2 微分密度因子
• 2.3.3 机械阻尼
• 2.4 边界条件和初始条件
• 2.5 颗粒流PFC 接触本构关系
• 2.5.1 接触刚度模型
• 2.5.2 滑动模型
• 2.5.3 粘接模型
• 第3章 基于颗粒流的岩土材料细观参数与宏观响应研究
• 3.1 砂岩实物试验
• 3.2 砂岩颗粒流数值试验模型
• 3.2.1 砂岩颗粒流数值试件
• 3.2.2 PFC2D 颗粒流数值模型参数敏感性分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 岩土材料尺度比和尺度效应研究
• 4.1 颗粒基元对颗粒集聚体力学响应的影响
• 4.2 岩土材料几何尺寸效应
• 4.2.1 同直径不同长度颗粒流数值试件的破坏形态
• 4.2.2 不同长径比对数值试件力学响应的影响
• 4.2.3 不同长径比对数值试验能量响应的影响
• 4.3 围压对于颗粒流数值试件宏观力学响应的影响
• 4.3.1 围压对不同尺寸数值试件破坏形态的影响
• 4.3.2 围压对不同尺寸数值试件力学响应的影响
• 4.3.3 围压对不同长径比数值试件能量响应的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 加载速率对岩石材料破坏过程的影响
• 5.1 加载速率对岩石材料破坏形态的影响
• 5.2 加载速率对岩石材料力学响应的影响
• 5.3 加载速率对岩石材料能量响应的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 颗粒大小对岩土材料力学行为的影响
• 6.1 不同粒径对岩石力学行为的影响
• 6.1.1 团簇颗粒大小对破坏形态的影响
• 6.1.2 团簇大小对裂纹数量演化的影响
• 6.1.3 团簇大小对岩石力学行为的影响
• 6.1.4 团簇大小对岩石破坏过程能量变化的影响
• 6.2 相同空间位置不同大小团簇对岩石力学行为的影响
• 6.2.1 团簇大小对破坏形态的影响
• 6.2.2 团簇大小对裂纹扩展的影响
• 6.2.3 团簇大小对力学行为的影响
• 6.2.4 团簇大小对材料破坏过程能量演化的影响
• 6.3 本章小结
• 第7章 岩石破裂过程及其分形特性研究
• 7.1 分形理论简介
• 7.2 岩石材料破坏过程中的分形特性
• 7.2.1 岩石数值试件破裂形态及其分维数测量
• 7.2.2 不同加载步岩石破裂形态及其分形特征
• 7.3 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 附录：PFC颗粒流软件中部分名词解释及定义
• 参考文献
• 在学期间参与的科研项目与发表论文
• 致谢