下载文档原格式
单轴压缩下充填节理石灰岩力学特性与能量演化
任青阳;陈斌;孟欣;肖宋强;任小坤
【期刊名称】《地下空间与工程学报》
【年(卷),期】2024(20)1
【摘要】为清晰了解不同充填节理岩体的力学特性和破坏能量演化规律,进行了完整和含充填节理石灰岩试样的单轴压缩试验,分析了不同倾角或夹角充填节理对岩石强度的影响规律和细观接触力分布情况,总结了压缩过程中各充填节理试样的能量演化规律。
结果表明:随单一节理倾角或交叉节理夹角的增大,试样强度和起裂应力均呈“V”形变化,部分交叉节理试样强度略高于单一节理试样强度;交叉节理试样的应力弱化区范围显著大于单一充填节理试样,交叉节理试样应力集中主要在水平节理的两端;单轴压缩下含充填节理试样的能量演化总体可以划分为4个阶段,各试样的峰值输入总能量和弹性能均随节理倾角或夹角的增大呈“V”形变化。
研究成果可为深埋节理围岩稳定性预测及灾害防控提供依据。
【总页数】8页(P91-98)
【作者】任青阳;陈斌;孟欣;肖宋强;任小坤
【作者单位】重庆交通大学山区桥梁及隧道工程国家重点实验室;重庆交通大学土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU45
【相关文献】
1.单轴压缩下节理砂岩能量演化机制倾角效应
2.单轴压缩下非贯通裂隙岩体力学特性及能量演化机制研究
3.单轴压缩下单节理砂岩峰前能量自我抑制演化规律
4.单轴压缩下不同尺寸充填体能量损伤演化特征试验研究
5.单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
2010年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2010收稿日期：2010-07-30基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 40972191)；上海市教育委员会科研创新项目(No. 09YZ39)。
第一作者简介：徐金明，男，1963年生，博士、教授、博士生导师，主要从事岩土工程和工程地质计算技术的教学和科研工作。
Email: xjming@文章编号：1000－7598 (2010)增刊2－0390－06石灰岩细观力学特性的颗粒流模拟徐金明1，谢芝蕾1，贾海涛2（1. 上海大学 土木工程系，上海 200072；2. 上海自然博物馆工程建设指挥部，上海 200041）摘 要：岩体地区地质灾害的发生和发展取决于岩石细观组分的运动学行为。
研究岩石运动学行为时通常将岩石作为整体研究对象较多，而直接以细观组分为对象的研究较少。
以石灰岩为例，根据室内试验获得的岩石力学性质指标，使用基于非连续介质理论的颗粒流方法，将材料离散成刚性颗粒组成的模型，把颗粒细观变化与宏观力学特性联系起来，建立了石灰岩的细观结构模型，获得了颗粒接触力、颗粒接触模量、接触连接强度和连接刚度比等细观力学参数。
由于文中直接以细观成分为研究对象、反映了岩石和岩体组成的本质特点，所得结论不仅对含裂隙岩石本构关系研究具有广阔的应用前景，而且对岩体工程性质和地质灾害机制研究也具有重要的理论意义。
关 键 词：石灰岩；细观力学特性；颗粒流；模拟 中图分类号：TU 452 文献标识码：ASimulation of mesomechanical properties of limestone using particle flow codeXU Jin-ming 1，XIE Zhi-lei 1，JIA Hai-tao 2( 1. Department of Civil Engineering ，Shanghai University, Shanghai 200072，China;2. Shanghai Science and Technology Museum, Shanghai 200041，China)Abstract : The formation and development of geological disasters in rock area are dependant on the kinematic behaviors of rocks, especially of grains, fissures, and fillings in the rocks. In the conventional studies, rocks are generally treated as entireties and few concerns are concentrated on the individual meso-compositions in these rocks. Taking a limestone for example, macromechanical properties were obtained for the rock specimens of laboratory tests; and particle flow code in two-dimensions (PFC2D) was used for simulating the macromechanical properties of the rock material. In the simulation, the material was discretized as an assembly of rigid particles. The mesomechanical parameters, such as contact forces, contact modulus, normal contact strengths, and stiffness ratio, were obtained; and the mesostructural model was established for the limestone; connecting meso-level changes in particles with macromechanical properties. Because the individual compositions were taken as the direct objectives, reflecting the intrinsic features of rock materials or rock masses, the techniques presented herein may be of great significance in studying the constitutive law of fissured rocks, engineering properties of rock masses, and mechanism of geological disasters. Key words: limestone ；mesomechanical property ；particle flow ；simulation1 引 言岩体地区地质灾害的发生和发展取决于岩石的运动学行为、尤其是岩石中颗粒、裂隙、充填物等细观组分的变化情况，常规宏观分析方法以岩石整体为研究对象较多，直接以细观组分为对象进行研究较少。
颗粒流动性能的研究颗粒流动性能是指颗粒在空间中流动时所呈现出的物理性质和动力学行为。
研究颗粒流动性能，对于优化实际工程中颗粒的运输、储存和处理等方面具有非常重要的意义。
本文介绍颗粒流动性能的相关研究内容和实验方法，并探讨其中的局限性和未来发展方向。
一、颗粒流动性能的研究内容颗粒流动的性能与颗粒的物理性质、颗粒间相互作用力以及流动环境等因素息息相关。
因此，颗粒流动性能的研究涉及到以下内容：1. 颗粒运动规律颗粒运动规律是颗粒流动性能中最基础的研究内容，它包括颗粒的运动速度、方向、轨迹以及撞击等方面。
研究颗粒运动规律可以揭示颗粒运动的本质，为进一步深入研究其他颗粒流动性能提供基础。
2. 颗粒流动模式颗粒流动模式是指颗粒在不同流动环境下呈现出的流动形态。
例如，在均匀流中，颗粒流动呈现出漂流和层流两种模式；在射流中，颗粒的运动呈现出轴向和径向两种模式。
研究颗粒流动模式可以揭示颗粒流动的复杂性质，为优化颗粒运输、储存和处理提供重要指导。
3. 颗粒流动趋势颗粒流动趋势是指不同颗粒在流动过程中的运动规律和性质。
不同颗粒的物理性质和相互作用力的不同，会导致它们在流动中呈现出不同的趋势，如流速、流动难度、流动轨迹等。
研究颗粒流动趋势可以揭示不同颗粒的相互作用机制和流动规律，为优化颗粒输送、储存和处理过程提供指导。
二、颗粒流动性能的实验方法在研究颗粒流动性能时，需要进行一系列实验以获取实验数据和分析结果。
常见的颗粒流动性能实验方法包括：1. 离散元法离散元法是一种解决颗粒流动问题的数值模拟方法。
它将颗粒看作一个个离散的质点，通过计算颗粒之间和颗粒与容器之间的相互作用力和运动轨迹，来模拟颗粒的流动行为。
离散元法适用于大规模颗粒流动问题的数值计算，因此被广泛应用于颗粒制造、化工、建筑等领域。
2. 颗粒跟踪实验颗粒跟踪实验是通过高速摄像机记录颗粒运动图像，来获得颗粒的运动轨迹和速度等数据。
通过颗粒跟踪实验，可以在真实颗粒流动中直接获取颗粒的运动规律和性质，分析颗粒流动趋势和模式，并验证数值模拟结果的准确性。
石灰岩压缩模量-概述说明以及解释1.引言1.1 概述石灰岩是一种常见的岩石，具有良好的工程性质和经济价值。
其中，石灰岩的压缩模量是其重要的力学性质之一。
压缩模量是指材料在受力时的抗压性能，也可以理解为材料抗压性能的指标之一。
石灰岩的压缩模量受到多种因素的影响，包括岩石的结构、成分、孔隙度等。
因此，了解石灰岩的压缩模量及其影响因素具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文将对石灰岩的压缩模量进行介绍，并探讨其测定方法及应用前景。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，将从概述石灰岩压缩模量的重要性，说明文章结构和研究目的入手；正文部分将详细介绍石灰岩的性质、影响石灰岩压缩模量的因素以及测定石灰岩压缩模量的方法；最后在结论部分对文章进行总结，探讨研究的应用价值，并展望未来可能的研究方向。
通过这样清晰的结构，读者可以更好地理解文章的内容和结论，同时也方便后续的研究人员或读者进行相关领域的深入探讨。
1.3 目的本文旨在深入探讨石灰岩的压缩模量及其相关影响因素，分析不同条件下石灰岩压缩模量的变化规律，探讨石灰岩的力学性质及其在工程领域中的应用。
通过对石灰岩的压缩模量进行研究，可以帮助工程师和设计者更好地理解石灰岩的力学特性，为工程实践提供科学依据和参考，同时促进石灰岩资源的有效开发和利用。
通过本文的论述，我们希望能够为相关领域的研究人员提供有益的信息和启发，推动研究领域的进一步发展。
2.正文2.1 石灰岩的性质石灰岩是一种常见的岩石，主要由碳酸钙（CaCO3）组成。
它具有许多特点，包括颜色多样、质地坚硬、结构密集等。
石灰岩通常呈现出灰色、白色、黄色、棕色等颜色，具有很高的光泽度和装饰性，因此在建筑、雕刻和装饰等领域被广泛应用。
石灰岩的硬度一般在3-4之间，相对较低，容易受到外界力量的影响而发生破裂。
由于石灰岩中的碳酸钙易溶于水，因此在潮湿环境中容易发生风化现象，导致岩石的质量和强度下降。
砂岩单轴压缩与劈裂破坏过程的损伤研究王钦亭;王云飞【摘要】在对赵固矿煤层顶板砂岩进行单轴压缩试验的基础上，结合颗粒流程序获得砂岩细观力学参数并采用编制的 fish程序进行了单轴压缩和巴西劈裂试验，研究砂岩在压缩和劈裂破坏过程中的损伤演化机制。
得到如下结论：压缩破坏在主控破裂面上接触力集中传递，在损伤区接触力向临近岩体转移，劈裂破坏中接触力在劈裂方向由圆盘边缘向内扩散，垂直劈裂方向由圆盘中心向边缘逐渐减小；压缩破坏砂岩损伤发展经历弥散分布、聚集成核、形成局部裂隙和宏观裂纹贯通失稳4个阶段；劈裂破坏中损伤分布在劈裂径向一定宽度范围内，微裂纹从受力复杂的圆盘边缘萌生沿着径向不断发展并突然贯通。
【期刊名称】《河南科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】5页(P54-58)【关键词】砂岩;单轴压缩;巴西劈裂;应力应变;损伤演化【作者】王钦亭;王云飞【作者单位】河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000;河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000【正文语种】中文【中图分类】TU457要科学合理地解决实际岩体工程问题，除了了解岩石的力学变形特性之外，研究岩石在不同应力路径下破坏过程中的损伤微裂纹孕育、发展和贯通过程，明确岩石损伤演化机理是不可缺少的一环。
因此，开展砂岩在单轴压缩和巴西劈裂破坏过程中的损伤演化研究，对岩体工程的稳定性评价和加固处理都具有重要工程意义。
国内外学者对岩石进行了大量的单轴压缩和巴西劈裂试验研究，并取得了一定的有益成果［1－13］。
文献［1］研究了粉砂岩在不同应力路径状态下的基本力学特性，并提出三维体积应变本构方程和破裂准则。
文献［2－3］分别提出对大理岩和砂岩通过单一岩样确定强度参数的方法，对大理岩采用逐级提高围压的方法，而砂岩采用恒定轴向变形降低围压的方法，并研究了疲劳荷载下巴西劈裂的强度和变形特性。
文献［4］进行了干燥及饱水下的单轴压缩和巴西劈裂试验，对巴西劈裂测量抗拉强度的可靠性进行了评价，得到饱水对强度的影响特征。
TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟杨圣奇;黄彦华【摘要】采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆—延—塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理.结果表明:含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生.随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为:15°＜45°＜60°＜0°＜30°＜90°＜75°破岩由易到难.有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)006【总页数】10页(P1235-1244)【关键词】TBM;滚刀破岩;颗粒流模拟;细观机理;大理岩【作者】杨圣奇;黄彦华【作者单位】中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】U451.2杨圣奇,黄彦华. TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟[J].煤炭学报,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036Yang Shengqi,Huang Yanhua. Particle flow simulation on rock fragmentation process and meso-mechanism by a single TBM cutter[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)具有施工快、质量高和操作环境好等优点,已被应用与公路隧道、水利隧洞等岩石工程中。
基于离散元方法的花岗岩单轴压缩破裂过程的声发射特性刘洪磊;王培涛;杨天鸿;徐涛;于庆磊;夏冬【摘要】结合花岗岩单轴压缩下声发射特性室内试验,采用颗粒流数值模拟试验,对加载过程中声发射特性进行了监测,探讨了单轴压缩下的荷载大小与声发射累积数的变化关系,分析了峰值强度前割线模量的变化规律.研究结果发现:加载过程中,试件内部最早出现剪切裂纹,随着颗粒单元内部应力增加,逐渐出现拉伸裂纹;单轴压缩不同荷载阶段对应了4个不同的声发射释放阶段,峰值强度后期出现大量振铃,且累积数较峰值强度前的累积数高;试件的弹性模量变化幅度随模拟时间步增大而逐渐降低,于某特定值浮动.研究成果可为岩石声发射特征研究提供参考.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)008【总页数】6页(P1790-1795)【关键词】单轴压缩;破坏机制;声发射;颗粒流方法【作者】刘洪磊;王培涛;杨天鸿;徐涛;于庆磊;夏冬【作者单位】东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110819;东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁沈阳110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110819;北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110819;东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁沈阳110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110819;东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁沈阳110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110819;东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁沈阳110819;华北理工大学矿业工程学院,河北唐山063009【正文语种】中文【中图分类】TD315责任编辑:许书阁刘洪磊,王培涛,杨天鸿,等.基于离散元方法的花岗岩单轴压缩破裂过程的声发射特性[J].煤炭学报,2015,40(8):1790-1795.doi:10.13225/ ki.jccs.2014.1779随着人类对资源需求量的日益增加,矿山开采深度不断增加,围岩变形、破坏等问题日益突出,开展岩石力学特性研究,分析岩石破坏机理,具有重要的理论研究意义及工程应用价值。
石灰岩单轴压缩尺度效应试验研究3韩素平,徐素国(太原理工大学采矿工艺研究所, 山西太原 030024)摘 要:选取河北省井陉坚硬致密的石灰岩,加工成截面为50mm×50mm,长度分别为50,100,150,200,250,350,400 mm的方柱,进行单轴压缩试验,得出了一些统计规律:(1)长细比在1～3倍范围内,长细比对岩柱单轴抗压强度没有显著影响,而弹性模量近似呈直线增大,变形模量变化与弹性模量类似,其值约为弹性模量的83%;(2)随着岩柱长细比的增大,岩柱脆性增强,岩柱对应力集中的敏感程度增大,长细比大于3以后,岩柱单轴抗压强度随长细比增加呈幂函数关系减小;(3)岩柱泊松比随长细比增加呈幂函数增大,长细比大于3以后,岩柱表面破损严重,其泊松比变化在0. 4左右;(4)岩柱轴向极限应变随长细比增加呈幂函数减小,其吸收能量的性能减弱。
关键词:石灰岩;长细比;单轴压缩;尺度效应中图分类号:T D315 文献标识码:A文章编号:1005-2763(2005)02-0017-04Exper i m en t a l Study on S i ze Effect i n the Un i a x i a lCo m pressi on of L i m e RockHan Suping,Xu Suguo(Taiyuan University of Technol ogy,Taiyuan,Shanxi030024,China)Abstract:Authors collected s ome hard and dense li m e r ock fr om J ingxing Rock M achining Fact ory in Hebei p r ovince,and p r o2 cessed the m int o test s peci m ens with the sa me transecti on of50 mm×50mm but with the different lengths of50,100,150,200, 250,350and400mm,then carried out uniaxial comp ressi on ex2 peri m ent on the r ock s peci m ens.Fr om the tests a nu mber of sta2 tistic analysis results had be obtained:(1)when1<slenderness rati o<3,it hasn’t re markable influence on the uniaxial comp res2 si on strength(UCS)of the r ock s peci m ens,but the elasticity module and def or mati on module of the r ock s peci m ens linearly increase app r oxi m ately in this range of slenderness rati o,and the value of the latter is83%of one of the f or mer;(2)with the in2 crease of slenderness rati o the brittleness of the r ock s peci m ens and its sensitivity t o stress concentrati on increase all,when slen2 derness rati o>3,the UCS of r ock s peci m ens power-law de2 creases with the increase of slenderness rati o;(3)with the in2crease of slenderness rati o the Poiss on rati o of the r ock s peci2 mens power-la w increases,when slenderness rati o>3,its val2 ue is ar ound0.4,and the r ock s peci m en was breakdown seri2 ously on its surface;(4)with the increase of slenderness rati o the ter m inal axial strain of the r ock s peci m ens power-la w de2 creases,it means that energy abs orbability of the r ock weakens with the increase of slenderness rati o.Key W ords:L i m e r ock,Slenderness rati o,Uniaxial comp res2 si on,Size effect0 前 言岩石的某些力学参数依试件尺度变化而变化,表现为岩石力学特性的尺度效应。
粗顆粒材料對土石流體流變特性之影響詹錢登1王志賢2摘要土石流體的流變特性與其泥砂顆粒的大小、級配、含量及礦物組成等因子有密切的關係。
以往之研究大多侷限於細泥漿體或粗顆粒體的流變特性，而少有探討粗細顆粒同時存在時的流變特性。
本文則以細泥漿體為基礎，加入不同大小及含量之粗顆粒材料，研究粗顆粒對流變特性的影響。
實驗結果顯示：(1)土石流體之剪應力隨剪切率之增加而增加，在相同粒徑及剪切率下，粗顆粒含量較多者剪應力較大；(2)土石流體流變特性在剪切率4~12 s-1之間時，可以賓漢模式加以描述；(3)在細泥漿體中分別加入，相同體積、相同材質但不同粒徑之粗顆粒，均會增加漿體之屈服應力，但粒徑較小之粗顆粒所增加之屈服應力大於粒徑較大者。
Influences of Gravels on Debris-Flow RheologyJan, C. D. 1, J. S. Wang 2AbstractRheological property of a debris flow not only depends on sediment concentration in the flow, but also on sediment size, distribution, and mineral composition. Previous studies on debris-flow rheology focus on fine sediment-water slurries without gravels. This paper experimentally investigates the influences of gravels on debris-flow rheology by adding gravels into mud slurries. The present experimental study has the following results. (1) Under the same sediment concentration of a mud slurry, the mud slurry added with higher amount of gravels has higher shear stress when they are sheared with the same rate. (2)Rheological property of the slurry-gravel mixtures could be described by a Bingham model when the mixtures were sheared at the rates 4-12 1/s in the present experiments. (3) For slurry-gravel mixtures obtained from a slurry mixed with the same volume of gravels but different sizes, the mixtures with smaller-size gravels results higher yield stress when sheared at the same rate.一、前言土石流是大量水分、豐富的鬆散土石，或其它固體物質，如樹枝殘幹等所組成的混合流體，因此其組成成份相當複雜。
TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究刘立鹏;汪小刚;刘海舰;孙兴松【摘要】为研究全断面岩石掘进机(TBM)滚刀破岩机理与破岩效果影响因素,采用颗粒流程序(PFC)建立滚刀破岩模型,通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果,标定PFC 程序参数,模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析.结果表明:滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式,整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象.岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显,破岩效果均不佳,TBM滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适.围压影响裂纹生成与扩展,较高时将抑制径向裂纹发育,降低破岩整体效果.研究成果可为TBM选型及滚刀设计提供一定参考.%In order to study the rock breakage mechanism and influence of the full-face Tunnel Boring Machine (TBM) cutters,the rock breakage model of cutter was established by the Particle Flow Code(PFC).Parameters of the PFC program were calibrated by uniaxial compression and Brazilian test.The rock breakage mechanism and the influence of rock strength and confining pressure on rock fragmentation by TBM cutters are successfully studied by using numerical simulation.The results show a composite rock breaking model of the rock breaking mechanism by TBM cutters through a process of the pre-compaction,the medium-time extrusion shear failure and the late extrusion tension failure.Loading and unloading alternately occurs throughout the process of the cutter.At the same time,the cutter shows the phenomenon of jumping.It is difficult for high rock strength to produce radial cracks,and there is no obvious lateral crack expansion with low rockstrength.In both cases,the effect of rock breaking of TBM cutters is not obvious,only for a certain strength range of rock is more appropriate.The confining pressure affects the formation and expansion of the crack,the higher confining pressure will inhibit the radial crack development to reduce the rock breaking effect.The research results can provide some reference for TBM selection and cutter design.【期刊名称】《中国水利水电科学研究院学报》【年(卷),期】2017(015)005【总页数】9页(P346-353,359)【关键词】隧道工程;滚刀破岩机理;颗粒流程序;影响因素【作者】刘立鹏;汪小刚;刘海舰;孙兴松【作者单位】中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038;北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100037;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038【正文语种】中文【中图分类】TU4521 研究背景1856年，美国约翰·威尔森制造出世界上第一台全断面岩石掘进机（Full Face Rock Tunnel Bor⁃ing Machine，TBM），并在马萨诸塞州Hoosac铁路隧道中进行了掘进试验。
烦粒介质传力特性投ｊＥ钔·岩十Ｔ程中的若干鹰用问题２．２实验的设计１）钢球堆体的侧限压缩实验：用直径为３ｃｍ的钢球作为理想的颗粒介质，颗粒均为同一尺寸，层状有序对称的密实排列（一个颗粒下面有三个颗粒支撑的排列），装入一直径为３０ｃｍ的钢罐（壁厚１．５ｃｍ）内（图２．１（ａ）），周围用ｉｃｍ的小颗粒填补空隙，以约束颗粒的位移。
罐子底部用铝塑板作为测痕板（图２＋ｌ（ｂ）），罐壁周围用脆塑纸测试横向压力的变化规律。
当颗粒层数分别布置为２，…８层时，通过金属框顶部中间处的预留空洞加压，由压力机缓慢施加定值的静力集中荷载（图２．２），由于目前世界上还没有直接量测颗粒堆体内部应力的有效办法，故采用一种称作“指纹法”的办法，需按不同堆积层数分别做实验，测量各次实验中最下层颗粒在测痕板上留下的压痕。
通过压痕与压力的标定实验来计量颗粒的传力情况。
用此办法，多次重复实验、统计分析，研究三维颗粒集合受集中荷载情况下力传递的规律及各层中力的分布情况。
图２．１（ａ）实验装置一罐内颗粒排列状况Ｆｉｇ．２．１（ａ）Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ…ｔｈｅａｒｒａｙｏｆｇｒａｎｕｌｅｉｎｔｈｅｊａｒ图２．１（ｂ）铝塑板的搁置方法Ｆｉｇ．２．１（ｂ）ｌａｙｉｎｇｔｈｅａｌｕｍｉｎｉｕｍ·ｐｌａｓｔｉｃｂｏａｒｄａｔｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅｊａｒ图２．２买验装置～压力机施加压力Ｆｉｇ．２．２Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ—ｔｈｅｆｏｒｃｅｆｒｏｍｔｈｅｍａｃｈｉｎｅ颗粒介质传力特性驶儿．＾：崭’卜Ｔ程中的若十麻月】问题变化规律。
高度分别布置为１５，３０，４５·５５ｅｍ，加压构件底座尺寸为１０Ｘ３０ｃｍ，由压力机缓慢施加定值的静力集中荷载，多次重复实验，分别测量不同堆高时在测痕板上留下的压痕情况。
颗粒破碎情况，检测压力的传递、扩展规律，进行天然颗粒与理想颗粒的传力比较。
图２．５天然嗣ｉ＝石颗粒材料的侧限压缩实验装置Ｆｉｇ．２．５Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ—ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｃｒｕｄｅｇｒａｖｅｌ５）砾石颗粒力传递的测试方法（ａ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）图２．６天然砾、碎石颗粒堆的定量卖验装置Ｃａ）加压装置；（ｂ）测试箱内装置；（ｃ）填装状况；（ｄ）箱底变形；（ｅ）示意图Ｆｉｇ．２．６Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ——ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｌｙＯｆｃｒｕｄｅｇｒａｖｅｌ颗粒介质传力特性发】ｅｎ岩ｆ：丁程中的若干成用问题（ａ）２层底部压痕情况（ｂ）３层底部压痕情况（ｃ）４层底部压痕情况（ｄ）５层底部压痕情况（ｅ）６层底部压痕情况（ｆ）７层底部压痕情况图２．１３加力３０ＫＮ钢珠３ｃｍ压缩实验的压痕情况Ｆｉｇ．２．１３Ｔｈｅｉｍｐｒｅｓｓｆｒｏｍｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ一３０ＫＮｌｏａｄａｎｄ３ｃｍｓｔｅｅｌｂａｌｌａｒｅａｐｐｌｉｅｄ３）统计结果：本文统计的是荷载力及重力共同作用下的结果。
第 54 卷第 10 期2023 年 10 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.10Oct. 2023双裂隙复合岩层单轴压缩力学性质及损伤机理离散元模拟李恒1，杨圣奇1, 2，孙博文2，杨景2，董志锦2，温森3(1. 中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州，221116；2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州，221116；3. 河南大学 土木建筑学院，河南 开封，475004)摘要：针对存在内部裂隙的软硬互层复合岩层力学特性展开研究，采用PFC 2D 建立层状复合岩层离散元模型，通过对完整复合岩层试验细观参数进行校准并验证其宏观特性，研究分析平行双裂隙复合岩层的岩桥倾角与层理倾角对力学特性与破坏模式的影响，得出双裂隙复合岩层的5类最终破坏模式，揭示裂纹演化规律及位移场变化。
研究结果表明：双裂隙复合岩层峰值强度随岩桥倾角增加呈现先减小后增加的趋势，而随层理倾角θ增大表现为“U ”型变化规律；与完整试样相比，双裂隙复合岩层峰值强度降低4.4%~42.0%；双裂隙复合岩层破坏模式主要分为5种类型，分别为轴向张拉破坏(Ⅰ型)、穿层理剪切破坏(Ⅱ型)、穿层理拉伸破坏(Ⅲ型)、沿层理面滑移破坏(Ⅳ型)、沿岩层拉伸破坏(Ⅴ型)；试样的破坏模式在θ=0°~45°时随岩桥倾角增加从Ⅰ型转变为Ⅱ型最后转变为Ⅲ型破坏模式，在θ=60°~75°和θ=90°时分别表现为Ⅳ型和Ⅴ型破坏模式；在θ=0°~45°时，翼裂纹垂直于主裂隙起裂，随岩桥倾角增大，翼裂纹沿岩桥倾角偏转并扩展成宏观破裂面，导致试样最终被破坏；在θ=60°~75°时，裂纹在层理面扩展形成宏观滑移面，导致试样破坏；在θ=90°时裂纹沿层理面发生岩桥贯通，翼裂纹在岩层内扩展形成宏观破裂面并导致试样破坏。
岩石室内单轴压缩试验位移加载速率的研究蒲诚;陈蕴生;周冲;李光明【期刊名称】《水利与建筑工程学报》【年(卷),期】2018(016)003【摘要】岩石物理力学参数的确定对于实际工程的施工具有十分重要的意义.随着刚性伺服试验机的普及,人们逐渐意识到,相对于负荷加载,采用位移加载方式获得的岩石室内单轴抗压强度更具有可靠性.但是,有关规范中仅给出了负荷加载速率而并未给出明确的位移加载速率.为了寻找到岩石室内单轴压缩试验的最佳位移加载速率,利用石膏砂浆制成类岩石试件,分别模拟泥岩和泥质砂岩,分析类岩石试件在位移加载方式和负荷加载方式下的力学效应及破坏形态.研究发现:位移加载速率在0.02mm/s～0.05 mm/s之间时,通过位移加载方式得到的类岩石试件的单轴抗压强度与通过负荷加载得到的单轴抗压强度最为接近.试件较软时,位移加载速率应适当降低,约为0.02 mm/s,试件较硬时,加载速率适当增高,约为0.05 mm/s.【总页数】4页(P161-164)【作者】蒲诚;陈蕴生;周冲;李光明【作者单位】西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安710048;西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安710048;西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安710048;西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TU43【相关文献】1.三种岩石巴西劈裂及单轴压缩试验对比研究 [J], 陈招军;王乐华;金晶;黄强;龚家伟2.岩石流变扰动特性单轴压缩试验研究 [J], 王波;高昌炎;陈学习;杨建林;闫刚3.单轴压缩试验下包裹及未包裹岩石声发射特性研究 [J], 姜亮亮;朱志成;赵奎;冯萧;黄超4.加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究 [J], 黄靥欢;刘春;张晓宇;秦岩;邓尚5.含齿形裂隙类岩石材料单轴压缩试验研究 [J], 陈昊然;曹平;冉龙威因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
负泊松比岩体颗粒流模型及模拟分析金爱兵;王凯;杨振伟;孟新秋【摘要】为了从微观结构角度研究岩体特殊的负泊松比效应,基于颗粒流理论和颗粒流程序(PFC),提出采用颗粒流数值模拟方法.从已知具有负泊松比效应的无机晶体材料出发,研究其内部特殊的微观结构,进而建立符合岩体情况的颗粒流模型.利用所生成模型进行单轴压缩模拟试验,得出泊松比随应力的变化曲线.基于所建模型,对岩体在低荷载水平作用下的负泊松比现象机理进行分析.研究结果表明:当轴压为0～3 MPa时,岩体试样泊松比为负值,最小泊松比为-0.059.模拟结果与室内试验结果大致吻合,验证了该颗粒流模型用于研究岩体负泊松比现象的可靠性.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(046)009【总页数】7页(P3422-3428)【关键词】岩体;负泊松比;PFC;颗粒流模型;微观结构【作者】金爱兵;王凯;杨振伟;孟新秋【作者单位】北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083;北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083;北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083;北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083【正文语种】中文【中图分类】TU45西蒙∙泊松定义材料负的横向应变与纵向应变之比为泊松比[1]。
在通常情况下，材料的泊松比为正值，即材料在纵向拉伸时横向发生收缩。
而负泊松比效应是指在材料纵向拉伸时，横向发生膨胀；受压缩时横向发生收缩。
根据经典弹性力学，钱伟长等[2]从理论上严格证明在等温条件下各向同性材料的泊松比取值范围为−1~0.5，说明理论上存在负泊松比(negative Poisson’s ratio)物质。
目前，在高分子材料领域已经陆续研制出一些具有负泊松比效应的材料。
Lakes[3]把1个长×宽×高为110 mm×38 mm×38 mm的普通聚氨酯泡沫放入1个长×宽×高为75 mm×25 mm× 25 mm的铝制模具中，经过一系列室内试验处理后，所得泡孔单元呈内凹(re-entrant)结构，并测出其泊松比为−0.7。
颗粒流与岩石力学行为研究
颗粒流与岩石力学行为研究是指探讨在自然界、农业等各种工程
环境下，颗粒介质流动行为及其与岩石物理力学结构特性之间的相互
作用，并提出有效的应对手段。
它既涉及颗粒物理力学性质分析，又
涉及颗粒和地层结构的相互作用。
首先，针对不同的颗粒介质和它们的流动行为，应分析其物理力
学性质，如粒径大小、密度、水力压力等，并确定它们流动过程中的
传质、传热特性。
其次，针对颗粒介质及其和地层结构之间的相互作用，要从岩石力学强度、耐久性和稳定性等方面进行研究。
最后，根
据分析结果，采取适当的应对措施，可进行岩体脆性破坏预测、用户
处理、岩石破裂预防等工程应用，提高岩土工程的安全和稳定性。
颗粒流与岩石力学行为研究在自然界、农业、地质工程等多方面
具有重要实用价值，对于岩土工程的安全稳定性具有重要意义。
因此，在颗粒介质流动分析及其与岩石物理力学特性之间的相互作用研究方面，必须分析颗粒介质物理力学性质，并采取有效的应对措施，以保
证研究取得实质性进展。
使用颗粒流方法研究单轴压缩条件下石灰岩中的荷载传递机理曹诗谈;徐金明【摘要】The load transfer mechanism in rock is of great importance for investigating the engineering properties of rock materials. The particle flow method was used to simulate the load transfer mechanism in this study. Taking a limestone sample with the size of 50 mm x 50 mm as an example, the particles of rock were characterized with circular discs and the parallel bond model was adopted to simulate the linkages among the particles. Results of the uniaxial compression test indicate that the elastic modulus, peak stress and Poisson's ratio of the specimen are 44. 24 GPa, 101. 05 MPa and 0. 267 , respectively. The force chains larger than the mean contact force were defined as the strong force chains, and the distributions of the strong force chains in the sample were thereafter obtained under the uniaxial compression conditions. The local micro-parameters, such as porosity and coordination number, were also examined. The distributions of the contact forces in the sample under various friction coefficients after reaching peak stress were taken into account. The results show that the strong contact forces were 19. 8 percentages of all forces but took 75 percentages of the strain energy in the sample; the ratios of the normal to shear contact forces were larger than 3. 5 , the normal contact forces dominated all of the stresses in the limestone; the local porosity of the sample after failure varied quite litttle with a decrease of only 0. 002. This paper may be used as references ininvestigating the microscopic mechanism of the deformation and failure of rock materials under external load.%研究荷载在岩石中的传递机理对岩石工程性质研究具有重要意义.本文以石灰岩试样为例,使用颗粒流方法来研究这一传递机理.研究试样大小为50 mm×50 mm,岩石成分使用圆盘颗粒集合体来表征,颗粒间的接触模型采用平行连接模型,岩石的弹性模量、峰值应力和泊松比分别为44.24 GPa、101.05 MPa和0.267；将大于平均接触力的力链作为强力链,得到了外部荷载下试样中的强力链分布情况,研究了试样局部孔隙率、配位数等细观参数对接触力大小的影响,探讨了颗粒摩擦系数不同时外荷达到峰值应力后颗粒的接触力分布情况.结果表明,在全部颗粒接触点中,只有19.8％接触点的接触力大于平均接触力,但这些接触点应变能却占总应变能的75％；当法向接触力与切向接触力比值大于3.5时,试样峰后应力主要由法向接触力控制；与样品破坏前相比,破坏后样品中的局部孔隙率变化不大,只减少了0.002.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2012(039)006【总页数】5页(P57-61)【关键词】石灰岩;荷载传递;应力分布;细观参数【作者】曹诗谈;徐金明【作者单位】上海大学土木工程系,上海200072;上海大学土木工程系,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TU458+.3颗粒流方法是一种离散元法，可以用于分析不连续材料的变形破坏过程。
这一方法中，岩石颗粒通常使用圆盘来表征，模拟过程通常使用二维颗粒流程序PFC2D(Particle Flow Code in 2-dimension，PFC2D)来实现［1］。
近年来，一些学者使用颗粒流方法对岩石变形过程进行了研究。
毕忠伟等［2］用PFC2D模拟了双轴压缩条件下颗粒流体系中剪切带的形成和演变过程;韩永臣［3］通过建立三维不规则模型模拟了岩石材料的脆性破裂过程;谢和平等［4］从细观角度研究了岩体单元能量耗散与岩体单元损伤的关系、岩体单元内可释放应变能与岩体单元破坏的关系;展国伟等［5］使用岩石破裂过程分析系统对不同界面模型进行了数值模拟;孙其诚等［6］从接触力、能量分布和接触网络结构特点出发，提出了强力链的判定标准;Goldenberg等［7］使用不同模型来表征不同尺度的颗粒体系并分析了颗粒体系中的应力分布;Tordesillas等［8］使用复杂网络方法研究了密集颗粒体系力链结构的演化特征;Mueth等［9］分析了单轴压缩下法向接触力分布与试样试验阶段和边界条件的关系;Alison等［10］用离散元方法模拟了颗粒材料内部接触力与力链结构的分布特点;Potyondy等［11］模拟了压缩荷载作用下闪长岩中空洞附近的损伤分布情况;Besuelle等［12］使用三轴试验研究了多孔砂岩内的局部化特征;Diederichs等［13］使用离散元数值模拟得到了旋转压力情况下硬岩表面裂纹的萌生发展情况。
虽然岩石变形破坏过程反映了外部荷载在岩石中的传递情况，但直接将岩石颗粒作为研究对象来探讨这一传递机理的成果还不多。
本文拟采用PFC2D来模拟石灰岩室内单轴压缩试验，分析不同外部荷载作用下试样中的接触力大小、力链分布、孔隙率和配位数等细观参数的变化情况，研究外部荷载在试样中的传递特点。
本次研究使用二维颗粒流代码PFC2D研究单轴压缩下石灰岩中的荷载传递机理。
细观参数和宏观参数按照徐金明等［14］的方法进行设置。
试验模拟参数见表1。
根据表1得到单轴压缩条件下的石灰岩模型(图1)。
图1中共有9 447个颗粒。
下面根据数值模拟结果，研究不同荷载下试样中接触力变化、强接触力链所占比例、孔隙率和配位数的变化，探讨石灰岩中的荷载传递机理。
(1)石灰岩破坏前接触力的变化情况由模拟结果可知，切向接触力只有3个不为零(分别为 1.08 kPa、2.70 kPa、2.06 kPa)，其余均为零。
因此，可从Y方向(竖直方向)的应力变化情况来分析外部荷载在石灰岩中的传递机理。
试样中布置了25个测试圆，测试圆半径为5mm。
图2是外荷载为2 784kN和3 925kN时的Y向应力等值线图。
由图2(a)可以看出，当荷载为2 784 kN时，试样Y向应力最大值为55 MPa，位于试样的顶部和底部;试样左上角和右上角Y向应力较小(＜40 MPa)。
由图2(b)可以看出，当荷载增加到3 925kN时，试样的Y向应力最大值达到100 MPa、最小值为50 MPa，应力值大于70 MPa的区域超过90%。
对于该区域，大于均值(85MPa)的试样区域处于中间的竖条区域，这说明外部荷载主要是由该区域颗粒来承担。
(2)石灰岩破坏后的接触力分布情况将颗粒连接强度全部设为零、摩擦系数设为0.5、试验终止标准系数α(偏差应力与最大偏差应力比值小于α时试验终止)取0.4，其他参数取自表1中。
通过模拟，可以得到法向接触力和切向接触力分布图(图3)。
图3表明，石灰岩破坏后，岩石颗粒之间不仅有切向接触力，还有法向接触力。
法向接触力最大值和平均值分别为0.625 MPa和0.068 MPa，切向接触力最大值和平均值分别为0.150MPa和0.012 MPa。
从图3(a)可以看出，法向接触力链方向与加载方向是一致的。
由于最大法向接触力与切向接触力比值为4.167(0.625/0.150=4.167)。
因此，法向接触力决定了石灰岩的峰后应力大小。
岩石破坏后，外部荷载主要由法向接触力来传递。
为了研究石灰岩破坏以后的接触力大小，分别选取摩擦系数为0.1、0.3、0.7、0.9，得到了法向接触力最大值、切向接触最大值和平均接触力(表2)。
从表2可以看出，摩擦系数发生变化后，法向接触力与切向接触力比值一直大于3.5，且法向接触力大小保持在0.6 MPa左右;切向接触力开始是随摩擦系数增大而增大;当摩擦系数增大到0.7后，切向接触力不再增加，而是在0.162 MPa左右。
因此，当法向接触力与切向接触力比值大于3.5时，决定石灰岩破坏后应力大小并传递主要荷载的接触力仍然是法向接触力。
本次研究采用孙其诚等［6］的方法来计算强力链。
孙其诚等认为，由于大于平均力的接触力链与体系宏观性质直接相关，且占据了绝大部分能量，可以将接触力大于平均力的力链定义为强力链，反之定义为弱力链。
表3是不同大小范围内法向接触力的个数，图4为相应的总力链分布图与强力链分布图。
从表3可以看出，接触力总数为18 225个，绝大多数(14 111个)接触力大小为0～0.025 MPa，4 114个接触力为零。
虽然有588个接触力大于0.025MPa，但考虑到数据的代表性，本文仅选大小为0～0.025 MPa的接触力来计算平均接触力。
据此得到平均接触力为0.012 5MPa，＞0.012 5MPa的接触力所占比例为19.8%(2800/14111=0.198)。
