砂泥巖及其顆粒料力學(xué)特性PFC模擬方法研究.pdf

1、在砂巖、泥巖分布廣泛的地區(qū)，易于就地取材的砂泥巖混合料常被用作各類填方工程的填料，其具有易壓實(shí)，變形小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。對砂巖泥巖及其顆粒料工程特性的方法，主要有室內(nèi)土工試驗(yàn)、原位試驗(yàn)及模型試驗(yàn)等研究等，近年來，基于數(shù)值仿真技術(shù)（如:PFC，即顆粒料程序）研究粗粒土的工程特性成為新的研究熱點(diǎn)。PFC仿真技術(shù)具有快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際運(yùn)用中還存在諸多有待深入研究的方面。本文依托國家自然科學(xué)基金面上項目“周期性飽水砂泥巖混合料的劣化機(jī)理及

2、其演化過程(編號:51479012)”，以室內(nèi)試驗(yàn)成果作為研究基礎(chǔ)，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析試樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合離散元在粗粒料研究方面的優(yōu)勢，開展了顆粒料級配修正方法研究，細(xì)觀參數(shù)取值方法研究，砂巖泥巖及其顆粒料建模方法研究，并對室內(nèi)單軸試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。從細(xì)觀的角度出發(fā)，探索砂巖泥巖及其顆粒料的物理力學(xué)特性規(guī)律，以及對漸變型滑坡變形演化過程進(jìn)行解釋。
　　取得的研究成果如下:
　　(1)采用數(shù)值圖像處理技術(shù)(D

3、igital Image Process，DIP)，從不同維度對砂巖和泥巖的巖石試樣以及顆粒料試樣進(jìn)行了分析，并對顆粒料的級配特性進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。給出了顆粒料的“細(xì)顆粒”范疇定義，提出了顆粒料級配修正的原則以及適用于巖石顆粒料PFC2D建模的“等質(zhì)量逐級替換最細(xì)顆粒”的級配修正方法。經(jīng)4次替換原顆粒料級配中的“細(xì)顆?！绷＝M，獲得了符合本文計算要求的級配。此外，確定了砂巖和泥巖巖石試樣中基本顆粒單元的粒徑區(qū)間，該粒組同樣為顆粒料中的最

4、小粒組區(qū)間，即1 mm-2mm。
　　(2)以砂巖、泥巖及其顆粒料試樣的微/細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性為依據(jù)，構(gòu)建了砂巖、泥巖和砂泥巖顆粒料試樣的PFC2D模型。巖石試樣以基本顆粒單元為最小單位，不同基本顆粒單元通過粘性接觸膠結(jié)形成巖石試樣模型。顆粒料試樣以土顆粒為最小單位，按照某一級配特性隨機(jī)生成圓形土顆粒的輪廓區(qū)域。土顆粒可視為巖石試樣的某一部分，向圓形土顆粒輪廓中投放基本顆粒單元，若相鄰基本顆粒單元的圓心坐標(biāo)落在同一土顆粒輪廓范圍中，則通

5、過粘性接觸進(jìn)行膠結(jié);而土顆粒之間的接觸選取非粘性接觸屬性參數(shù)。巖石試樣和顆粒料試樣PFC2D模型的效果檢驗(yàn)表明，本文構(gòu)建的巖石試樣和顆粒料試樣的PFC2D模型均符合實(shí)際情況。
　　(3)基于室內(nèi)巖石試樣單軸試驗(yàn)原理，構(gòu)建了巖石試樣單軸壓縮PFC2D試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)。對基本顆粒單元之間的線性平行粘結(jié)接觸模型參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。以細(xì)觀參數(shù)與宏觀特性的對應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ)，對細(xì)觀參數(shù)分為四類。利用不同細(xì)觀參數(shù)對宏觀特性影響的差異性，制定了巖石試