颗粒力学(particle mechanics)的最新研究进展
文一：
不同形状硬岩巷道破裂过程及起裂机理: 颗粒流模拟与分析研究
摘要：
坚硬岩石隧道中经常遇到与岩石有关的灾害，如冒顶、侧壁剥落和岩爆，导致隧道不稳定在隧道和采矿工程中频繁发生。为了更好地理解坚硬隧道的破坏机制，使用PFC（粒子流代码）程序对含有五种横截面形状（圆形、马蹄形、梯形、梯形和正方形）的单个孔的岩石进行了建模。然后，对这些模型进行了一系列围压为0 MPa、5 MPa、10 MPa、20 MPa和40 MPa的双轴压缩试验，以探讨截面形状和应力条件对隧道破裂行为的影响。然后，利用复变函数法推导了不同应力状态下岩石孔洞周围应力的解析解，以解释裂缝的萌生机制。结果表明，井眼的力学性能和压裂特性与井眼形状和围压高度相关。在单轴载荷作用下，孔周围依次出现四种裂缝，即原生拉伸裂缝、散裂裂缝、远距裂缝和剪切裂缝。随着围应力的增大，拉伸裂缝的形成受到限制，而层裂裂缝的萌生变得更加严重。此外，预钻孔模型的破坏模式从剪切破坏转变为剥落破坏。此外，周围应力的分析结果，即拉应力和压应力，在低侧应力下分布在孔的顶部/地板和侧面，而在高侧应力情况下则相反，有力地解释了压裂行为。研究结果对理解轴线平行于主应力之一的岩石隧道的破裂行为具有重要的指导价值。
图：红砂岩的显微镜结构
图：复孔到单位圆的保角变换
文二：
用离散元法对含水化物胶结沉积物力学行为的颗粒尺度研究
摘要：
天然气水合物（NGH）是一种具有高密度和可观储量的清洁能源。为了避免天然气水合物开采引起的地质灾害，研究含水合物沉积物的力学性质至关重要。由于水合物胶结对HBS的力学性能有很大影响，本文旨在利用离散元法（DEM）研究胶结HBS的机械性能，并通过比较两种胶结模式的模拟结果来揭示胶结对力学性能的影响。对不同水合物饱和度的HBS试样进行了一系列不同围压下的双轴压缩数值试验。通过模拟试验获得了数值试样的应力-应变曲线、强度和刚度。结果表明，胶结作用有助于提高HBS的强度和刚度，但水合物的存在主要提高了刚度。此外，还在颗粒尺度上研究了HBS的力学行为。例如，围压的增加和水合物胶结可以限制砂粒的滑移和重排，从而提高HBS的强度。剪切带的形成和发育与胶结破坏有关。
图：DEM中使用的两种胶结模式。（a） 由水合物颗粒胶结的砂粒。（b） 通过粘结直接胶结的砂粒。
图：随机分布水合物颗粒的含水合物沉积物数值试件。
图：施加于试样的围压。(a)应用于墙壁的伺服技术。(b)施加在膜片上的等效力。(c)单层膜颗粒所承受的组分力。
图：在轴向应变分别为3% 和1.5% 的几乎相同载荷作用下，数值 HFS 和 HBS 试样内的力链分布。
文三：
压缩载荷下不同形状节理微凸体节理岩石力学破坏特性的模拟研究
摘要：
随着岩石工程项目数量的增加，人们已经认识到，节理对岩体压缩损伤的影响不容忽视。具有复杂表面结构的岩体中节理的存在显著影响其损伤特性。因此，采用颗粒流程序（PFC2D）研究了节理表面形态对节理岩石压缩力学性能的影响。本研究采用平行粘结模型（PBM）和平缝模型（FJM）的混合模型模拟花岗岩材料，将复杂的表面形态简化为矩形、梯形、椭圆和三角形四种形状。讨论了形状对节理岩体变形和破坏模式的影响。数值计算结果表明，节理的凹凸性降低了节理岩石的力学性能，容易发生损伤。结果表明，强度和弹性模量明显降低，粗糙度降低。此外，由于粗糙度的异步退化，接头表面表现出不一致的位移。节理的凹凸形状影响着节理岩石的破坏特性。观察到三种节理微凸的失效模式。最后，讨论了微凸体的形状特征（角度、半径比和边长）对接头微凸体变形和退化的影响。
图：接触模型的示意图: 平行键模型(PBM) ; b 平面连接模型(FJM) ; c 晶粒结构。
图：不同模型的实验室和模拟结果的比较分析：a应力-应变曲线；b单轴压缩试验的破坏模式；c巴西劈裂试验的失效模式
文四：
考虑颗粒形状效应的土石混合料微型三轴试验 DEM 建模
摘要：
土石混合料（SRM）受到颗粒形态、级配和成分等多种因素的严重影响，在岩土工程中得到了广泛的应用。在本研究中，考虑颗粒形状效应，对SRM的小型三轴试验进行了一系列离散元法（DEM）模拟。首先，相继使用微型计算机断层扫描、先进的图像处理和球谐分析技术来获得颗粒的自然颗粒形状，并通过DEM中的聚类算法来构建颗粒形状模板。然后，制作了一个具有恒定围压载荷的柔性膜，允许SRM试样自由变形。然后，通过单轴压缩试验对DEM模型中涉及的一组微观参数进行了标定，并建立了9个小三轴试验DEM模型，研究了颗粒形状、大小（级配）和不规则颗粒百分比对SRM剪切变形和破坏特性的影响。最后，对SRM的力学行为，如应力-应变、宏观变形以及裂纹的产生和演化进行了综合分析。模拟结果为SRM的离散元研究提供了新的见解，并有助于岩土工程土壤稳定材料的开发。
图：图像处理说明: (a) LBS 颗粒的灰色图像; (b)距离图; (c)用基于标记的分水岭算法处理的图像; (d)标记的颗粒。
图：考虑颗粒形状效应的 DEM 模型失效过程: (a-b)在应变2.4% 和4.2% 时，分别为 test-1; (c-d)在应变1.8% 和3.3% 时，分别为 test-2; (e-f)在应变1.8% 和3% 时，分别为 test-3。
图：裂纹方向: (a-b)在应变2.4% 和4.2% 时，分别为 test-1; (c-d)在应变1.8% 和3.3% 时，分别为 test-2; (e-f)在应变1.8% 和3% 时，分别为 test-3。
文五：
含天然气水合物砂质沉积物水合物解离过程的三维 DEM 模拟
摘要：
天然气水合物（NGHs）在生产过程中的离解削弱了含水合物沉积物（HBSs）的力学性能。了解和预测HBSs的力学行为对于NGH油藏的安全开发至关重要。本研究提出了一种基于离散元法（DEM）的新方法来描述胶结型含天然气水合物砂质沉积物（GHBSSs）的机械弱化。水合物离解是通过基于特定损伤演化规律减小平行键半径来模拟的。将威布尔统计分布纳入模型中，以表征GHBSS中水合物的异质性。随后，进行了一系列数值三轴压缩试验，研究了胶结型GHBSS的力学弱化行为以及水合物非均匀分布的力学效应。结果表明，DEM模型能够成功地捕捉胶结型GHBSS在水合物离解过程中的力学弱化行为。峰强度和割线模量随均匀性指数的增加而增加，但其敏感性随水合物离解率的增加而降低。最后，得到了描述峰值强度、水合物初始饱和度和水合物离解率之间关系的拟合方程。该研究对评估GHBSS在水合物生产过程中的稳定性具有重要价值。
图：GBSS 中水合物的孔隙习性。
图：(a)非线性模型和(b)带非活动阻尼点的线性键模型的示意图
图：最终三轴压缩变形模式的比较。
