矿山尾矿的宏观和介观力学性能与不同干密度在不同围压下

文摘

颗粒流数值模拟软件(PFC)^{3 d})是利用建立consolidated-undrained三轴压缩试验矿山尾矿不同干密度的数值模型的宏观和微观特征进行深入研究尾矿在湖南省尾矿池。比较的结果模拟和实验室实验,粒子的介观参数流数值模拟是通过不断调整介观参数与更高程度的应力-应变曲线之间的协议,峰值强度和弹性模量的确定标准。矿山尾矿的宏观和微观特征的视角研究了应力-应变、轴向strain-volume应变,配位数,粒子速度矢量,颗粒之间的接触力。数值测试,一次又一次发现PFC^{3 d}仿真结果与实验结果相一致的干密度不同围压下尾矿样品;与高围压相比,仿真测试结果在低围压与实验室检测;低密度、高围压都有抑制作用对三轴的膨胀特性的样本;与同一围压,低干密度样品的膨胀趋势抑制与干密度高样本进行比较。数值模型的初始配位数很大,这证明了模型的接触程度在某种程度上是好事。

1。介绍

尾矿是复杂的岩土材料的力学性能很大程度上受到各种因素的影响。尾矿坝的主要材料,尾矿的力学性能表现出伟大的相关性与尾矿坝的安全运行。因此,它具有十分重要的现实意义,研究尾矿机械性能。在负载下,跟踪结构的变形主要是由其结构强度和模量,而结构强度和模量主要取决于大小,形状,和安排的粒子,即宏观跟踪结构的变形和破坏导致其细微观结构变化。在岩土工程和岩石材料的研究中,国内外许多学者都非常关注从离散元颗粒流的角度研究[1- - - - - -4]。mesoparameters之间的关系和宏观参数离散元颗粒流模拟一直是一个难点。崔et al。5)嵌入模式搜索方法在最小二乘法的自动校准mesoparameters离散单元的双轴压缩数值试验砂材料。迭代标定方法是利用徐和太阳6校准的mesoparameters砂,并与实验室测试结果,发现它可以减少许多不必要的重复测试参数工作。在岩石材料,离散单元法是利用一些学者执行PFC数值模拟(3,4]。刘等人。7)建立了一个单轴和双轴平行粘结模型通过PFC数值模拟岩石材料^二维和研究的影响的变化mesoparameters平行键下的试样的强度模型。杨的一系列PFC数值实验和汉8]探索粒子摩擦系数的影响,正常的刚度、切向刚度、以及颗粒之间的结合强度在粒子簇在填石材料的宏观力学性能。颗粒流离散元素也被广泛用于岩土材料,和徐9]表现PFC的二次开发^二维软件。他捆绑的基本粒子属于同一粒子获得的样本,可以粉碎和许多直接剪切模拟进行测试。发现粒子破碎的程度表现出影响剪切扩张粗粒度的土壤和内摩擦角的特征。罗等。10)使用承德中密度砂为基本研究对象来模拟颗粒之间的滑动条件与接触摩擦滑动模型,研究了孔隙度和颗粒之间的内摩擦角影响砂的力学性能。通过比较粒子透明砂之间流动的数值模拟结果和标准砂、李(11]认为透明的砂可以代替天然砂室内测试在一定条件下是合理的。周和太极12)解释了假设和使用PFC粒子流动的基本原则^二维沙双轴试验进行了数值模拟,结果表明,颗粒流数值模拟试验可以有效地模拟砂剪切带的形成和发展机制。沈et al。13)进行了颗粒流双轴压缩试验对疏松砂岩和致密砂探索宏观参数响应相应的介观的变化参数,通过调整大小的介观粒子接触刚度等参数和内部摩擦系数。阴et al。14)进行了PFC岩土材料的单轴压缩试验在不同粒径条件下,表明岩土材料的数值模拟具有一定的稳定性,当内部规模比小于0.01。杨和李15)利用PFC^{3 d}颗粒流程序数值模拟的直接剪切试验砂在不同垂直压力和解释砂膨胀的现象在介观的观点。基于PFC的球形颗粒,杨和李16]介绍了刚性丛单元组成的卵石建立哑铃型和椭圆集群粒子,发现椭圆粒子与仿真结果表现出较高的相关性。根据室内三轴试验的结果,耿et al。17)利用PFC软件进行粗粒度的土壤的颗粒流数值模拟,发现粒子的形状有很大影响材料的抗剪强度。王等人。18PFC)使用^二维研究大型三轴试样的尺寸效应,表明比例相等的样品质量代换法是有限的但不能无限降低。阴et al。19)进行了颗粒流模拟试验通过PFC在沙地上^二维之间的摩擦角,发现粒子之间的沙子,可以近似为斜行,凝聚力和粒子的接触强度服从法律的线性近似。

有相对较多的沙质土壤,研究粗粒土,在尾矿和岩石材料,而很少有研究。此外,nonbonded线性接触模型是用于大多数以上研究,通过直剪试验和一些正在探索。与三轴试验、直剪试验人为定义的位置剪切破坏表面,而三轴试验试样的剪切是沿弱面。基于实验室尾矿试样的三轴试验结果,本文比较仿真结果与实验室测试结果,通过不断调整参数和更高程度的协议之间的应力-应变曲线,峰值强度和弹性模量作为判断标准。尾矿的微观结构特征进行了分析从配位数的角度来看,粒子速度矢量,粒子位移场。不容易获得的方法得到参数在实验室测试。

2。材料和方法

这个测试中使用的尾矿被从一个尾矿池在衡阳,湖南省,分级筛选获得的样本参数如表所示1。不均匀系数是2.5320;曲率系数是1.6610。作为 和 不能同时满足,尾矿分级是不好的。这些样本干恒重,然后冷却到室温使紧凑样品直径39.1毫米和80毫米的高度。所有的样品都准备使用自制的丙烯酸三轴装置管。指定的设备由两个半圆形柱面的大小。件的数量之间的通信和干密度是由大量的测试。具体干密度控制获得的样本的数量与压实件四层。样品之前和期间的三轴试验在图所示1。

LH-TTS系列全自动三轴仪是采用10 kN的最大轴向加载力的加载速率介于0.0001和4.8毫米/分钟。三轴加载的过程由计算机控制,和样品的轴向应变达到15%加载的终止条件。consolidated-undrained三轴压缩试验是为每个特定的干密度试样加载速率的0.6毫米/分钟的围压100 kPa, 200 kPa,和300 kPa,分别。测试数据由计算机自动收集和整理,和图2三轴自动装置的图片。

3所示。实验结果和分析

超孔隙水压力是许多工程事故的主要原因。超孔隙水压力的增加会导致减少的等效轴向和径向有效主应力莫尔圆的直径不变,转向左边,造成土壤不稳定和破坏(20.]。超孔隙水压力的值对应于每个轴向应变可以直接从三轴consolidated-undrained试验获得的。图3显示了孔隙水压力和轴向应变之间的关系在不同围压下(只涉及超孔隙水压力的摘要)。

从数据3(一个)来3 (c)每个干密度,孔隙水压力尾矿样本在不同围压下表现出增加然后减少的趋势随着轴向应变的增加。孔隙水压力可以反映剪切试样的膨胀和收缩特征在三轴压缩(21]。当围压是相同的,较大的干密度,孔隙水压力峰值越大;和干密度较大的样本更可能是负的,导致试样膨胀的发展特点。当干密度是相同的,围压越大,较大的孔隙水压力对应于每个轴向应变,抑制负孔隙水压力值。因此,示例扩张的发生由高围压是有限的。当密度是1.61克/厘米³和1.66克/厘米³与围压、膨胀发生在所有的样品100 kPa(限于空间,应力和应变之间的关系在实验室测试并不是单独讨论)。

4所示。颗粒流模型

4.1。粒径大小和模型

如果生成的模型是根据原始的样本分类,需要数以百万计的球形粒子。为了避免产生更多的粒子在生成三轴试验的数值模型,导致较长的计算时间,样品的原始层次不能直接使用。宁(22]在粘性土的三轴粒子流动试验发现,颗粒大小的影响土壤的宏观强度特征远小于颗粒之间的摩擦系数和键的强度,当 ,对土的强度参数的影响几乎可以忽略不计(是模型直径;是最大的粒子大小)。结合实验室三轴试验样本的大小和分布的粒子尾矿本身的层次,三轴的大小颗粒流模型是一样的实验室测试规模,和粒子大小是0.85毫米和1.41毫米之间均匀分布。

4.2。接触模型

颗粒流模拟试验的沙质土壤,大多数研究者的联系方法选择nonbonded联系(10- - - - - -12]。考虑到尾矿材料本身具有成键特征,它是更合理的选择线性接触模型债券。线性接触债券模型通常是由线性群、阻尼集团和焊接组。范围内的目标差距,可以生成颗粒之间的结合力,但无法拒绝。之间的粒子,就不可能有共存键与滑动之间。假设有两个弹簧在粒子之间的债券提供一个恒定正常,切向刚度和特定的抗拉和抗剪强度(23]。如果正常的张力大于抗拉强度,债券将打破,和正常和切向键将会消失;如果切向剪切力大于切向粘结强度,债券就会失败,但接触受到正常压力和切向剪切力。力的接触不会改变如果小于正常压力和粒子摩擦系数的乘积。图4显示了一个线性接触债券模型。

4.3。模型建立

根据确定模型大小和粒度,线性关系之间的联系是球形粒子,汽缸命令是用来产生粒子的发现了圆筒形侧壁流三轴试验模型。减少计算时间的墙,飞机命令用于创建一个平面刚性墙顶部和底部的标本。为了确保生成的模型的一致性,墙的摩擦系数为0 (24]。在实验室测试中,提供的灵活的克制是橡胶外套侧壁的样本,因此设置墙上发现了圆筒形侧壁的灵活的墙。由于横向变形力下的样本在加载阶段,每个的平面刚性墙的长度设置为两次模型,以防止一些颗粒的直径超过了墙。PFC颗粒流数值模拟图所示5。

4.4。围压伺服加载系统

在PFC仿真过程中,围压是由顶部和底部平面柔性与刚性墙和揭示圆筒形侧壁在装货前初始固结阶段;提供的围压只灵活的发现了圆筒形侧壁在加载阶段。围压和轴向压力调整通过控制圆柱墙灵活的移动速度和飞机刚性墙,分别。力的大小是通过公式(1)。设置目标应变值达到目标应变值作为加载停止条件,顶部和底部刚性飞机缓慢同时加载示例(25]。 在哪里围或轴向压力。平均正常的颗粒接触刚度墙上。是墙上的速度。是粒子的数量与墙上。是时间步。

4.5。Mesomechanical参数的校准

mesomechanical参数的校准在PFC模拟一直是一个重要的问题,因为没有具体的细观参数和宏观参数之间的关系。基于介观参数的校准在最近的研究中,不断调整的参数通过反复试验,直到应力-应变曲线,弹性模量、峰值强度、和实验室测试结果大约是相同的(26]。详细的仿真参数如表所示2。

5。PFC数值模拟结果和分析

5.1。应力-应变的关系曲线

从数据6(一)来6 (c),应力-应变曲线、峰值强度和弹性模量的数值模拟的干密度尾矿样品和实验室测试在不同围压下基本上是一致的。随着干密度的增加,峰值强度和样品相同围压显著增加。随着围压的增加,仿真曲线在每个干密度表明,应变软化的应变软化程度被抑制,最后发生应变硬化。可以解释说,随着围压的增加,粒子的滑动,在模拟限制提高承载能力,和示例应变硬化现象发生宏观上。与此同时,随着围压的增加,相对应的轴向应变仿真曲线的峰值应力也倾向于增加。仿真曲线,每个干密度的峰值应力尾矿增加随着围压的增加,显示近线性关系一致的结论峰值强度与围压表现出线性关系(18]。图7显示峰值强度与围压之间的关系。当围压是100 kPa和200 kPa, PFC仿真和实验室试验的应力-应变曲线的相关性;但是,当围压是300 kPa,曲线匹配不佳。这主要是由于更大的粒子在尾矿样本压缩的时候更有可能被压扁在高围压下,但PFC数值模拟模型假定球粒子是刚性的,所以实验室检测之间的匹配程度和PFC数值结果在高围压差。从图可以看出6仿真曲线的初始弹性模量略小于实验室测试由于大碎粒子在现实样本,但数值模拟的粒子不能被压碎。在数值实验中,不同干密度是通过控制孔隙度的变化而保持其它仿真参数不变。峰值强度降低46.7 kPa时孔隙度增加从0.32到0.45在100 kPa的围压;峰值强度降低317.7 213.3 kPa和孔隙度增加从0.32到0.45 kPa时200 kPa和300 kPa的围压。数值试验显示应变硬化的应力-应变曲线在偏应力达到峰值之前,和体积变化表现出剪切收缩特征。数值试验的应力-应变曲线在偏应力达到峰值之前显示应变硬化,和体积变化成为了收缩特性。在到达峰值应力后,体积变化显示剪切扩张的趋势,这与实验室测试结果在图是相一致的3。从细观的角度来看,逐渐随着加载的进行,样本的毛孔不断压缩,粒子间距减少,接触点数量的增加,和身体的收缩特征出现在宏观上达到峰值应力;偏应力达到峰值应力后,粒子之间的咬力达到峰值最大限制和约束作用的粒子之间的峰值应力;因此,作为进一步加载破坏之间的咬粒子,粒子开始滑动和旋转,径向扩张的倾向。粒子之间的相互制约和偏应力减少,和样品的体积开始扩张,和宏观性能的膨胀特性。

5.2。体积Strain-Axial应变的关系

尾矿样品的体积应变变化的数量单位体积的样品。基于初始体积,体积压缩作为积极的体积应变,体积膨胀作为负体积应变和点轴向应变和体积应变曲线的斜率是0的被定义为剪切的临界点扩张的趋势。轴向应变和体积应变之间的关系在PFC数值模拟图所示8。

PFC模拟,没有膨胀现象对样本的围压100 kPa和干密度为1.61克/厘米³,这并不符合轻微膨胀现象在图的结果3。这是颗粒流模拟刚体假设粒子,粒子在实验室测试可以压碎和变形。碎和变形粒子重组并替换成大毛孔的样本,导致毛孔粗大的数量减少,破碎和变形的程度大于高围压下。不同于实验室检测,样品体积的变化的主导因素之间的重排是PFC数值模拟颗粒由于颗粒之间的滑动和挤压。它可以清楚地看到数据8(一个)来8 (c)之间的关系有很大的区别在不同围压的strain-axial体积应变曲线模拟在相同干密度。样品100 kPa的围压较低的干密度有膨胀的趋势更加明显,但没有发生膨胀比最初的样本体积;随着围压的增加,扩张趋势的临界点对应的轴向应变变大;没有明显的轴向应变达到15%时剪切扩张的趋势在300 kPa的围压。这是因为,在小样本与干密度较低围压,侧向约束力量很小,当加载在某种程度上,示例扩展径向由于粒子之间的滑动和旋转。当围压较大,较大的侧向约束力使压缩更大程度由于更大的样本本身的孔隙度,显示相对应的轴向应变剪切膨胀临界点的趋势增加。与低干密度试样相比,更大的干密度有一定的促进作用在样品的膨胀趋势在同一围压。这可以解释为,当密度较高,孔隙度低,粒子之间的差距更小。负载的增加到一定程度后,粒子样本幻灯片和重新安排的共同作用下,轴向压力和围压,导致粒子紧密排列状态相对宽松的程度,这是更容易更明显的径向扩张;干密度很小的粒子是松散的安排,和粒子挤压,幻灯片,和旋转载荷下相互填充一些大毛孔; the sample had a higher degree of compression, and the macroscopically showed that the dilatancy characteristic was suppressed. High confining pressure and low density exhibited inhibitory effect on the dilatancy characteristics of the sample. The volume strain shows a negative value, which shows the phenomenon of shear dilatation macroscopically with the confining pressure of 100 kPa at dry density of 1.66 g/cm³。

5.3。在加载配位数的变化

配位数是一个极为重要的指数在颗粒流模拟,用于评估的程度之间的良好接触粒子和粒子系统的紧凑性。摘要配位数的加载过程监控通过设置一个测量球的半径17毫米中心的模型,如图9。协调数量通过公式(2),配位数的变化不同干密度模型的加载过程如图10(配位数、粒子速度矢量和颗粒之间的接触力的围压都获得100 kPa)。 在哪里配位数。是实际数量的联系人。总粒子数。

当围压是100 kPa,配位数的变化不同干密度模型在加载显示每个干密度的初始配位数模型大,表明粒子在每个模型之间的良好接触。加载过程持续,协调不同干密度模型的数字显示的趋势先增加然后减少,在整个加载过程中,协调模型的数量与更高的干密度较大的比干密度较低。当干密度为1.66克/厘米³的配位数模型大大减少加载的后期,这可能是由于样品与干密度高、低围压更容易膨胀。模型的径向膨胀颗粒之间的接触,数量的减少和协调数量明显减少。

5.4。粒子之间的速度矢量图

当围压是100 kPa,速度矢量图对应于不同的轴向压力加载过程如图11。通过观察粒子速度矢量场对应的每个轴向应变模型在不同密度下,发现轴向应变为5%时,模型中的粒子速度的方向与不同干密度更有序。由于上下加载的加载模式板块缓慢移动模型中同时采用,当轴向应变很小,模型的粒子在上方显示一个向下运动的趋势作为一个整体,而较低的粒子模型显示一个向上运动趋势的一部分。因此,粒子运动方向更有序。随着轴向应变的增加,粒子的运动趋势变得无序。当轴向应变为10%或15%,侧墙附近的粒子模型的不同干密度径向向外水平运动的趋势,这表明该模型表明膨胀的趋势,这是符合图中的现象8。较低的干密度模型,当轴向应变是相同的,干密度高的粒子速度场模型有更高程度的障碍和粒子的径向水平运动侧壁附近更明显。证明了从微观的角度来看,高干密度有一定的促进影响样品的膨胀。节中相应结论5.2示例显示肥大100 kPa围压和1.66克/厘米³干密度。

5.5。颗粒之间的接触力

当围压是100 kPa,颗粒之间的接触力对应不同的轴向压力加载过程如图12。厚的黑线,接触力越大。通过观察每个对应的接触力模型在不同干密度下的轴向应变,发现颗粒之间的接触力的大小是更小、更均匀的在整合阶段时,轴向应变是0。随着加载过程的延续,均化颗粒之间的接触力的大小与不同干密度模型呈现先降低,然后增加的趋势。当轴向应变大,颗粒之间的接触力的大小也朝着均质化发展。随着轴向应变的增加,颗粒之间的接触力和上下加载板块大幅增加,和接触力的核心区域连接上下加载板中间的模型也明显增加。当轴向应变为10%或15%,模型的核心地区熊的大部分轴向压力。当干密度为1.66克/厘米³和轴向应变为15%,颗粒接触力在一定范围内侧壁附近的模型显著降低,这也可能是由于膨胀的现象在低围压下的高密度模式。

6。结论

基于实验室consolidated-undrained三轴压缩实验中,使用PFC对尾矿进行数值测试不同干密度,和鱼语言是用于监控压力,压力,峰值强度和配位数,粒子速度,颗粒之间的接触力样本。结论是:(1)通过比较PFC的实验室试验三轴压缩模拟试验,应力-应变曲线、峰值强度、弹性模量的数值模拟干密度尾矿样本在不同围压下和实验室测试有很好的一致性(2)相比之下,高围压的情况下,数值试验在低围压有更高程度的巧合与实验室的三轴压缩试验。这是由于过于僵化和不可压缩假设粒子在曼宁然而,围压越大,粒子破碎和变形程度越大在实验室测试(3)在大围压下,样本内的滑动和旋转的粒子被限制,压制样品的膨胀(4)数值模型的初始配位数很大,这证明了模型的接触程度在某种程度上是好事(5)在三轴数值测试,应变增加在某种程度上,模型的核心地区熊的大部分轴向压力(6)宏观和介观的研究已经证明,由于高密度颗粒的紧密排列,克制力很小,示例将倾向于扩大径向加载在一定程度上由于粒子之间的滑动和旋转

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(51774187和51774187);湖南省教育局研究基金会(17 a184);和湖南省自然科学基金(2019 jj50498)。感谢湖南工程技术研究中心,灾害预测和控制矿山岩土工程(2019 tp2070)提供实验平台支持和感谢中南大学。

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