堆石体的连续—离散耦合分析方法与宏细观力学特性

1、堆石体的连续离散耦合分析方法与宏细观力学特性 堆石料是由碎石、砾石、砂卵石等组成的无粘性摩擦材料 , 其所表现出的复 杂力学性质 , 如非线性、压硬性、剪胀和剪缩是颗粒间摩擦、咬合、颗粒运动和 破碎的结果。目前常用基于连续介质力学的方法 （如有限元法、有限差分法 ）进行 堆石料的应力变形分析 , 但只能从宏观层面等效地得出堆石料的应力变形 ,难以 体现其在细观尺度上的演化特性 , 如颗粒位置重排列、咬合和破碎等。为了模拟可变形和破碎的颗粒集合体的动力学问题 ,Munjiza 等提出了连续- 离散耦合分析方法 , 该方法融合了有限单元法和离散单元法的优势和长处 , 大大 扩展了有限单元法和离散单

2、元法的应用范围。 在连续-离散耦合分析方法中 , 采用 Munjiza-NBS 算法检索颗粒间的接触状态 , 基于罚函数法的接触力模型计算颗粒 间的接触力 , 采用二阶四面体单元离散颗粒以提高计算精度、 改善应力自锁现象 , 基于显式时步步进的方法进行节点动力平衡方程的时域积分。考虑实际堆石料一般由棱角状和亚棱角状的颗粒组成 , 提出了不规则形状颗 粒的随机生成算法 , 通过改变颗粒外包椭球的长短轴比和颗粒表面的顶点数来控 制颗粒的形态和圆度 , 使其更接近真实的颗粒形状。提出了基于粒子迁徙的粒群 算法MPSC大大改善了粒群算法的早熟收敛问题并提高了优化精度，将其与RBF 神经网络结合，构建了

3、基于MPSO-RB的堆石料细观参数优化平台，在对细观参数 进行敏感性分析的基础上 ,通过室内试验结果来率定堆石料的细观参数。深入研究揭示了堆石料的宏细观变形的主要力学机理。基于连续 -离散耦合 分析方法的细观数值模拟能从颗粒尺度描述堆石料的力学性质 ,从而避开了复杂 的宏观本构关系；通过选择合适的细观参数 ,细观数值模拟具有较好的预测能力 ,能再现堆石料的非线性、 压硬性、剪胀和剪缩等主要力学特性； 同时细观数值模 拟不受试样尺寸的限制 , 便于区分影响堆石料力学性能的各种因素 ,且易于监测堆石料细观结构的演化过程 , 为研究堆石料的宏观力学特性和细观机理提供了一 条新的途径；细观数值模拟揭示

4、了堆石料的抗剪强度来源于颗粒间的摩擦和咬合 而颗粒间咬合对抗剪强度的贡献又可进一步分由于剪胀产生的内摩擦角分量和 由颗粒重排列、 颗粒破碎产生的内摩擦角分量； 堆石料所能激励出的宏观抗剪强 度取决于组构和接触力所能演化出的各向异性程度 , 对于由大小不同的不规则形 状颗粒组成的集合体来说 , 组构各向异性又分为由接触法向和枝向量各向异性 , 而接触力各向异性又分为法向接触力和切向接触力各向异 性 ,Stress-Force-Fabric 模型解释了颗粒集合体抗剪强度的细观机理。研究了堆石料在复杂加载条件下的变形和强度特性。 在 Rosce 剪胀模型的基 础上引入了角隅函数 , 以反映中主应力的

5、影响。对比了 Mohr-Coulomb、Drucker-Prager 、 Lade-Duncan 和 Matsuoka-Nakai 准则,分析表明修正的Lade-Duncan准则能较好地描述堆石料在真三轴应力状态 下的强度特性。对堆石料来说 ,在经历了一定的应力应变历史后 ,当其应力增量 d 与其对应的应变增量d满足d2W=dr :d <O时，此时即使不改变施加在堆 石料上的外荷载 ,也没有外部能量的输入 ,堆石料也会发生这种不可逆的整体失 稳破坏 , 即分散性破坏模式。在连续-离散耦合分析方法的框架内 ,提出了模拟堆石颗粒破碎的内聚力界 面单元法。根据胶结类岩石的组成特点 ,将堆石颗粒

6、离散为实体单元和基于内聚 力模型的无厚度界面单元；无厚度界面单元对应于颗粒内部的胶结层 ,损伤和断 裂只发生在界面单元上，界面单元的破坏准则为带拉断的 Mohr-Coulomb准则，实体单元只发生弹性变形将失效的界面单元从颗粒内部删除 , 原先由界面单元相连的实体单元发生接 触,实现颗粒破碎的模拟。 颗粒集合体在围压的约束下 , 颗粒要拔出、 爬升、翻转 相邻颗粒必须耗费额外的能量 , 因此颗粒集合体能演化出更大的宏观剪切强度。虽然颗粒破碎也需要耗散额外的能量 , 但其降低的颗粒剪胀所耗散的能量更 大,因此其净效应是使颗粒集合体吸收、 耗散外力功的能力减小 , 所演化出的宏观 剪切强度相对较低

7、。在不可破碎的颗粒集合体中 , 强接触所形成的力链能传递更 大的接触力 , 但由于强接触系统形成的力链条数有限 ,一旦其中一条力链由于屈 曲失稳, 整个颗粒集合体立即出现强烈的应变软化特性。而对于可破碎的颗粒集合体 ,力链结构可能在达到其屈曲极限之前 , 就因为 力链当中颗粒的破碎而垮塌 ,并伴随着储存在力链中能量的释放 , 由于此时力链 结构中尚未形成较大的接触力 , 因此力链的垮塌对颗粒集合体的宏观剪切强度的 影响是渐近的。提出了堆石料长期变形的细观数值模拟方法。由应力侵蚀导致的裂纹亚临界扩展是岩石材料时间相关特性的内在机理； 采 用基于热力学量的化学反应速率理论来描述裂纹扩展的动力学特性, 推导了堆石颗粒强度劣化模型 , 描述颗粒强度参数随时间和环境因素的劣化过程；在计算程 序中存在两套时间系统 , 一种是颗粒集合体计算本身的时间 ,另一种是长期变形 模拟时间,将SGDD勺运算视为一个个的时间结点,仅仅是为流变计算提供静力平 衡状态, 这些强度不断演化的时间结点串联形成整个流变计算过程；经过初始的 瞬时弹塑性变形后 , 颗粒由于应力侵蚀而产生延迟破碎 , 宏观上表现出了随时间 发展的流变变形；水库水位的涨落和风化侵蚀会导致堆