文摘
砂石是典型的二元混合物材料,表现出高度异构的、不连续的,重大的结构性影响。沙和砾石颗粒之间的接触状态的力学性能有显著影响混合物。本文专注于复杂的内部结构及其混合物的mesostructural行为,并进行了系统的统计分析研究的形状,大小和生硬的粗粒子。三维(3 d)粗骨料的形状近似是六面体,五面体和四面体。称为一项指标有角和表面纹理(AT)指数是描述粗骨料的综合效应有角和表面纹理。筛选测试和数字图像处理的基础上,提取骨料的粒径和指数,和他们的手段,标准偏差,统计分布进行了研究。一个算法生成3 d聚合了基于粗集料的统计结果3 d形态。粗骨料生成代码是使用PFC3D中的鱼语言写的。数值模型然后进行三种典型应用单调或循环三轴试验模拟。回顾使用该模型仿真实验室测试显示良好的协议,和有效的可靠性模型验证。 The results interpreted well the mechanism of particle motion and the distribution of interparticle contact force during shearing from mesoscale of the mixtures, which can give better understanding and modeling of the nonlinear behavior of the sand-gravel mixtures.
1。介绍
水力压裂是一种很有前途的方法,增加石油和天然气井的生产。水力压裂是目前天然气开采的主要形式。它需要大量的水和化学物质投入页岩层水力压裂释放天然气。目前,世界上大部分的天然气和石油钻探井的水力压裂法(1- - - - - -4]。由于地下钻井作业的水力压裂的特点,它经常穿过不良工程地质如砂砾石混合层(5,6]。具有重要意义,指导工程建设,建立一套快速、有效的方法来分析砂砾石混合物的力学行为。
砂石混合是一个特殊的工程地质资料和土壤之间的断裂的岩石;砂石混合结构提出了砂颗粒之间的中构造和砾石颗粒(7]。接触状态和粒子形态的混合物有重大贡献他们的机械性能8- - - - - -12]。如果异构和不连续结构特点的砂砾石混合物被忽略和粒子形态和粒子分布不考虑,中构造特征模拟的真实性的材料将会减少,并很难描述粒子之间的微观力学行为(13]。
肯尼迪和林(14)构建多边形近似形状的粒子,发现的多边形的数量成正比的圆周和长度成反比。这种关系是线性的在双对数坐标,斜率表示粒子的不规则性。鲍曼et al。15)使用傅里叶变换分析理论来描述砂的颗粒形态。根据研究Sukumaran和Ashmawy16),表面纹理反映了细粒子表面的形态,可以用来描述粒子表面的粗糙度和角微尺度。曹et al。17基于三个方面描述了粒子形态:球形,边缘角和粗糙度。Ferellec和麦克道尔(18)取代了角落的平均曲率半径的平均半径的粒子内接圆的投影轮廓,以改善该参数的再现性。
随着计算机技术的发展而出现的离散单元法,数值模拟已逐渐成为一个重要的方法来分析颗粒形状;介绍了弹塑性有限元方法(FEM)在初始阶段。然而,由于砂的不连续面,基于连续介质理论的有限元法不能反映材料参数的影响,如颗粒大小和颗粒形态对仿真结果19,20.]。因此,离散单元法(DEM)基于不连续介质力学已广泛应用于颗粒媒体的数值模拟[21]。这个方法是低成本,操作方便,非常适合数值模拟的离散媒体如沙子和砾石。
麦克道尔和Harireche22)发现,调整球的百分比经验反映了单个颗粒强度的尺寸效应。对于粒子群模型,当粒子相互作用力超过连接强度、小颗粒分离,可以模拟局部或整体断裂。程等。23)进行了模拟的粒子流动可压碎的土壤,碎粒子使用集群模型的粒子由几个小颗粒的结合,和单粒子强度的随机性反映随机扣除一定比例的小球。Deluzarche和Cambou24)使用分立元件代码土坡和2 d球被认为是易碎的集群。不同的参数测定的实验数据从实验室测试岩石上执行块。通过比较验证了模型仿真的结果与实际三轴剪切试验测试填石材料发表在《文学。Alaei和Mahboubi25)集中在填石材料的数值模拟与离散单元法(DEM)。因为单独的DEM模型的交互元素,它是能够模拟离散颗粒材料结构和粒子破碎。阿隆索et al。26)建立了一个离散单元法模型的谷物在丛特征模型。由此产生的颗粒形状接近真实的几何图形,并允许一个合理的破损演化,和粒子破碎准则涉及到粮食的裂缝亚临界扩展。
在这项研究中,以砂石混合分布式滨江项目网站的成都地铁3号线的地铁车站为例,利用离散单元数值模拟和数字图像处理技术、3 d形式和砾石颗粒的分布进行了系统地分析。基于PFC3D颗粒流软件,三维离散单元提出了砂石混合仿真方法。三轴数值试验和实际三轴测试比较来验证方法的准确性和讨论的mesomechanical行为砂石混合物。
2。砂石混合物的基本物理性质
砂石混合样本取自滨江地铁3号线的地铁,成都。这个网站从上到下的土壤层次是第四纪全新世(Qh)人工填满,冲积淤泥,沙和卵石(中沙皮孔夹在某些部分),第四纪更新世(Qp)冲积鹅卵石,和上白垩统(K2)Guankou泥岩形成。三组不同深度的砂石混合用于粒度分析测试,以及级配曲线如图1。根据统一的土壤分类系统(ASTM D2487 [27)、砂石混合属于分选差的砾石(GP)最大最小干密度为1.437或1.740克/厘米3,比重为2.68,平均粒子尺寸 嗯,均匀性系数 ,和曲率系数 。
3所示。砂石混合的三维形态特征
3.1。试验材料和试验方法
mesophysical砾石颗粒形态是一个重要的参数和机械性能的砂石混合物。110个粒子的直径范围从50 - 20毫米,从20到117粒子直径10毫米,和128个粒子直径从10到5毫米被选为研究对象。砾石的3 d形状粒子被数字图像处理技术。为了更准确区分图像的总背景,背景设置为白色,用墨水和砾石颗粒被熏黑,如图2。
3.2。3 d形态评价参数的粒子
砾石颗粒的重要尺寸参数包括长轴的长度、中心轴的长度,短轴的长度。为了准确测量颗粒的大小,首先,粒子应该整齐的排列在白皮书和高清照片拍摄。然后,粒子在一个不同的角度和拍摄平铺的原位了。详细的步骤如下:(1)选择各种粒子大小的砾石颗粒样品(2)用一定比例的墨水浸泡砾石颗粒样品并把它们放进烤箱完全干燥(3)白皮书巧妙地安排砾石颗粒样品,并使用数码相机带高清样品图片(4)原位替换粒子在一个不同的角度,再次拍照(5)使用图形软件来解决粒子图像和提取三维形态学参数。具体的参数确定方法将在下面详细描述
砾石颗粒的大小特征反映的长宽比,短轴长度、中心轴的长度,长轴长度的粒子。具体而言,长轴长度相对较大的直径在3 d粒子的维度,中心轴的长度吗的最大大小与长轴垂直高度的三维图像粒子,和短轴长度3 d直径的最小直径,这意味着最长的直径垂直于长轴和中心轴。展示在图所示的细节3。之间的大小比例长轴和短轴(长宽比, )我年代选择反映了粒子的形状特征。
在粒子图像,角砾石颗粒的特征是由平滑的轮廓线。如图4在粒子图像的轮廓线,轮廓线的周长增加而增加的数量的波动。在此基础上,一个二维角系数( )提出了描述粒子的生硬。角系数被定义为不同表面轮廓周长的比值(SCC)和凸轮廓周长(CCC)的粒子图像中凸轮廓周长(CCC),所示 鳞状细胞癌和CCC表示所有粒子本身的边界线和高平整度的边界线是通过忽略表面的凹部分轮廓线,和凹的曲线的一部分粒子表面直接取代了凸轮廓围一条直线。
为了更实际地反映单个粒子的角系数,每一方的图像计算和三维角系数( )面积加权平均获得的粒子,如所示 在哪里是粒子的数量,图像的面积吗 ,和是图像的角系数 。
3.3。结果和分析
图5显示了频率直方图和正态分布图的 , ,和20 ~ 10毫米粒径砾石。频率直方图的横轴和纵轴的三维形态参数与不同粒径代表的价值区间和价值频率统计,分别。的图是一个检测的统计图表的整合程度分布类型。如果图显示为一条直线垂直轴的原点到右上角,这意味着变量值服从正态分布(28]。为了获得的统计分布特征 和 ,的帕累托图的拉普拉斯,物流,对数正态,学生 ,威布尔,均匀分布 和分别探讨。图6显示, 和满足对数正态分布。
(一)频率直方图
(b)正态分布图
使用相同的方法,概率统计剩下的两组砾石颗粒,执行和统计参数的结果如表所示1。砾石颗粒的三组 , ,和大约遵循正态分布,而 和大约遵循对数正态分布。
4所示。砂石混合的三维离散单元模拟
4.1。砾石粒子模拟
上述研究表明,砾石粒子的三维形态分布特征是显而易见的。球形粒子,在PFC3D计算模型的基本单元,从实际的砾石颗粒有很大的不同。在这篇文章中,多面颗粒作为基本单元来模拟目标材料。丛逻辑PFC3D软件可以生成大量球形组成的超级粒子元素不同形状和nondeformable边界条件。同时,在计算内部粒子的影响被忽略,所以它可以被视为一个刚性整体计算。Zhang et al。29日)使用丛超级粒子基于PFC3D模拟粗骨料和提出了一个算法随机生成粗骨料颗粒的三维形态。结果表明,丛超级粒子可以有效地弥补传统球形粒子和真实材料的区别。为了提高计算精度和计算效率,作者引用文献[30.,31日),重点仿真三维形状的砾石颗粒(大于5毫米),只有使用粒子直径5毫米模拟砂颗粒,达到平衡的精度和效率。
为了更好地反映砾石颗粒的形态特征,多面体(六面体、五面体或四面体)和角系数描述的3 d形式采用砾石颗粒。六面体、五面体或四面体是用来反映的主要形状粒子。与此同时,介绍了角系数来描述局部形态特征(粒子轮廓的平滑)。如图7(一),砾石的3 d形状粒子模拟大约通过六面体、五面体或四面体模型中。3 d砾石颗粒的大小是由垂直边缘的长度 , ,和 ;同时,粒子的棱角特征控制通过改变角的角 ,角 ,和角度 。通过上面的六个参数的变化,不同大小的粒子和锐利的边缘可能会生成。根据统计结果, , ,和不同粒径的碎石颗粒满足正态分布,和 和满足对数正态分布。均值和标准偏差表所示2。根据正态分布,模型随机选择的粒子的尺寸参数和角度参数生成砾石颗粒与颗粒大小50 ~ 20毫米,20 ~ 10毫米,和10 ~ 5毫米,如图7 (b)。
(一)六面体的示意图
(b)三维丛粒子模型
4.2。沙粒子模拟
模型模拟了砂颗粒与平等的粒径最小粒度为5毫米。具体的生成过程如下:(1)计算数量生成球体的体积 ,土壤孔隙度 ,和球面半径(2)使用命令“创”PFC3D生成球体的半径标本,分配球密度和刚度的参数。在“创”命令用于生成球体,球体是随机生成的样本中,不互相重叠,确保样品的均匀性(3)使用命令“相乘”扩大球的半径的5倍。之间有一定的重叠领域(4)使用“循环”命令运行程序消除粒子之间的重叠,从而获得均匀分布的砂砾土壤
4.3。三轴介观模拟试验和分析
生成样本后,颗粒之间会有重叠。模型的判断中的沙子和砾石颗粒重叠。如果两个一致,删除前。图8显示了离散单元三轴试验样本的砂石混合了上述方法。为了模拟三轴剪切试验的加载过程,一个正方形墙模拟加载硬度计压头的上下两端生成样本;圆柱墙用于模拟生成围压的样本;在测试中模拟,墙上的上下两端控制应用的轴向载荷样本在一定的速度,和侧壁的半径的变化控制,这样在样品周围压力保持不变;侧墙的径向速度自动控制使用“数字伺服机构。“围压的方法可以实现应用程序的加载测试样本。通过反复调整,砂石混合物的细观参数的值基本上是与测试结果一致。在这篇文章中,一组理想的介观砂石混合模型参数校准,如表所示2。
图9显示了排水剪切试验结果和数值模拟结果的饱和砂质砾石混合物时,初始有效围压是300 kPa。在加载的初始阶段,偏应力与轴向应变的增加迅速增加。随着轴向应变进一步增加,偏应力逐渐增加直到达到峰值偏应力,和体积应变随轴向应变的增加而减小;土壤出现萎缩。在那之后,应力-应变关系曲线具有明显的软化特性。随着轴向应变的增加,偏应力降低。这时,轴向strain-volume应变曲线显示了明显的剪切扩张的特征。从图可以看出9数值试验结果与排水剪切试验结果有很好的一致性。
(一)
(b)
图10显示了不排水剪切试验结果和数值模拟结果的饱和砂质砾石土壤混合物时,初始有效围压是300 kPa。从图可以看出,当 ,数值试验结果之间的差异和不排水剪切试验结果非常小。当 ,数值试验结果不同于不排水剪切试验结果,并随轴向应变的增加的区别。这是因为样品不完全稳定在大变形时,和数值模拟的结果不能完全反映土壤的力学性能。值得注意的是,的有效应力路径数值试验和不排水剪切试验基本上是相同的。
(一)
(b)
图11显示了不排水循环三轴试验结果和数值模拟结果的饱和砂质砾石混合物时,初始有效围压是100 kPa。孔隙压力比gravel-sand混合物提供了一个“快速稳健”增长模式,这基本上是与gravel-sand混合物的典型测试结果一致。三轴试验的应力-应变曲线和数值测试可以在液化之前保持良好的一致性,当样品液化,样本不再有剪切强度。同时,数值试验很难准确、有效地应用轴向压力和反映样品的真实状态,导致液化后应力-应变曲线的某些差异。
(一)
(b)
因为粒子流动样品由离散粒子,类似于实际的粗粒度的土壤,粒子之间的相互作用在PFC3D数值模型能够更好地反映实际的mesomechanical属性砂砾石混合物。在不排水抗剪数值测试,PFC3D提供了显示颗粒之间的力。从介观粒子之间的力量,可以分析工作机制。为了研究粒子运动定律砂砾石混合样本,图12显示了粒子的位移矢量图数值示例下剪切破坏时初始有效围压是100 kPa。当发生剪切破坏时,粒子的定向运动很明显,上部向下粒子运动和下粒子运动相反的方向,和明显的剪切带出现,表明结构性破坏发生在样本。
数据(13日)和13 (b)砂颗粒接触力的分布和砾石颗粒接触力,分别。土壤由沙子和砾石颗粒大小有明显差异具有骨架结构共同由沙子和砾石。然而,在这个测试中,砂颗粒之间的接触力的分布分散,以及砾石颗粒之间的接触力可以形成一个完整的接触力,所以砾石颗粒主要是强调粒子。
(一)砂颗粒接触力图
(b)砾石颗粒接触力图
砂石混合料的力学本构模型建立了基于3 d形态分布特征提供了良好的适用性。研究结果将提供一个重要科学依据的稳定和抗震性能的分析水力压裂钻探通过穿越砂砾石混合层。
5。结论
本文全面使用数字图像处理技术和离散元数值模拟研究介观结构特点和颗粒流PFC3D模拟方法的砂石混合来自中国成都市区。据的统计特征的3 d形式和分布粒子,一个3 d离散单元模拟方法提出了砂砾石混合。离散单元法是用于分析的粒子运动规律的砂石混合剪切试验过程中。主要结论如下:(1)长轴的长度 ,中间的轴长度 ,和短轴长度的砾石颗粒按照正态分布和比例 和角系数满足对数正态分布。PFC3D颗粒流模型可以模拟3 d形态分布特征的砾石颗粒形成均匀分布砂石混合物(2)偏stress-axial应变曲线从模拟排水剪切试验,获得不排水剪切试验,和不排水循环三轴试验与测试结果吻合较好,验证了模型的适用性(3)从粒子颗粒之间的接触力图,结果表明,碎石颗粒中被迫砂石颗粒混合物的排水剪切过程
数据可用性
从实验产生的数据,可以提供相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由美国国家科学基金会支持的中国(52008206和52008206)和地壳动力学研究所、中国地震局(没有。ZDJ2018-11)。