考虑流固耦合效应的饱和砂土渗透破坏数值模拟

综合考虑水压力梯度力和拖曳力产生的流固耦合效应,建立3维颗粒流(PFC3D )数值模型,从细观角度分析砂土颗粒运动及水压力分布,与理论结果比较以验证数值模型的可行性,并建立实际的饱和砂土渗流模型,模拟超过临界水力梯度后的砂土颗粒运动及赋存状态。结果表明：水流速和颗粒级配对介质颗粒运动的影响较大,颗粒刚度比和摩擦系数的影响相对较小,但较软的颗粒能提高计算效率。该模型可从宏细观角度更准确地反映饱和砂土介质的渗透破坏机理,对实际工程的渗透破坏具有指导作用。     

砂沸现象的细观数值模拟及影响因素分析

采用饱和砂土流固耦合的细观力学模型,通过颗粒流数值模拟了在临界水力梯度条件下饱和砂土的细观响应.讨论了在建议模型框架内临界水力梯度、颗粒刚度等因素对模拟结果的影响,并从细观机理上做了进一步分析.模拟结果表明,在临界流或超临界流条件下,试样最终的稳态响应分成两部分:一部分颗粒停留在试样顶部,其颗粒数量正比于施加的水力梯度值;另一部分颗粒则在试样底部形成某种形式的对流运动.细观数值模型分析所得的临界水力梯度比连续介质力学分析得到的值要小,这个差别反映了模型的动力特性.在临界流或超临界流条件下,砂沸时水的流动除局部区域外基本上仍属于层流范围,但已偏离了达西定律.     

基于颗粒流离散元的黏性土三轴剪切试验数值模拟

通过对黏性试样进行室内三轴固结排水试验,研究黏性土体的工程力学性质,得到了试样土体的应力-应变关系曲线以及强度指标,基于颗粒流离散元法的原理,利用PFC3D软件建立三轴试样模型,并设定颗粒间的接触为接触黏结模型,通过颗粒流数值试验对细观参数进行标定,从细观角度对黏性土的工程力学特性做了一定的研究。对比了不同围压下数值试验与室内试验的应力-应变关系曲线,得到了较好的模拟效果。分析细观参数的变化对黏性土的应力-应变关系曲线的影响,得出边界条件、孔隙率、黏结强度、摩擦系数、接触刚度等细观参数的取值对黏性土的宏观力学性质有着显著的影响并对影响规律做了探讨,为今后的三轴试验颗粒流数值模拟提供了有价值的参考。     

堤防管涌试验研究与分析

为研究堤基内部填充颗粒在何等水力梯度下发生运移,进而流向出流口,最终引起管涌破坏,对砂槽模型试验装置进行了改进,避免出现接触冲刷破坏,以获得理论上发生管涌的临界水力梯度值。试验中考虑了不同细料含量、填充密度、渗径等条件下管涌临界水力梯度的变化,试验结果较为接近公式计算值。在此前提下,考虑了堤基内部存在渗流通道对管涌临界水头的影响,分析了渗流通道大小及通道距出流口远近对临界水力梯度的影响,得到了比较合理的结论。     

基于颗粒流方法的碎石渗透系数分析

渗透系数是级配碎石渗流特性的重要参数,通过颗粒流数值方法建立碎石土渗流计算模型,利用流动方程和水压方程以及碎石之间的应力变形响应进行耦合计算,得到相应级配碎石的渗流系数,数值计算结果表明:颗粒流数值分析方法(PFC)适用于模拟任意形状、大小的单元集合体,允许单元在受力过程中发生开裂和运动.颗粒流不需要给出材料的宏观参数,只需给出材料的细观参数,通过细观结果的累加,PFC可以模拟材料在宏观状态下的表象.给出的9种级配碎石的渗透性远大于规范要求的级配集料的渗透系数,渗透系数均满足工程要求,但综合比较,孔隙率较大的碎石3类较优.     

穿透风对外部燃烧火焰影响的数值模拟

为研究室内火灾的外部燃烧现象,该文应用FDS(fire dynamic simulator)程序,采用大涡模拟(LES)湍流模型,对穿透风对外部燃烧火焰的影响进行了数值模拟研究。计算结果解释了Law的经验公式与Klopovic的实验观测之间的矛盾,并且给出Law经验公式的适用范围。计算结果显示,存在两个穿透风的临界速度当穿透风风速大于第一临界速度时,Law的关于外部燃烧火焰高度的公式定性正确;当穿透风风速大于第二临界速度时,Law的关于外部燃烧火焰长度的公式定性正确;数值计算得到的火焰宽度随风速的变化趋势与Law经验公式的预测结果相反,但与Klopovic的实验观测一致。     

非饱和土三维离散元计算中宏-细观参数关系探究

提出了一种建立非饱和土体宏-细观参数之间关系的方法,来建立在不同孔隙比和含水率等初始条件下非饱和土在不同应力路径下的离散元计算模型;通过编制离散元程序,基于接触粘结模型,对现有的PFC3D(Particle Flow Code in three dimensions)离散元程序进行改进,从而对在不同颗粒间粘结强度下的离散元试样进行一维固结的数值模拟试验来确定其结构屈服应力,并以结构屈服应力为桥梁建立颗粒间粘结强度随含水率变化的函数关系,最后建立能够反映真实非饱和土试样颗粒级配和在不同含水量下的离散元数值模型,为通过PFC3D等三维离散元软件研究非饱和土的基本力学特性提供思路.     

无黏性土的冲刷机理

无黏性土的剪切强度主要来源于颗粒间的摩擦力,无黏性土的抗冲刷主要来源于土粒重量。根据无黏性土颗粒冲刷过程中的受力平衡分析,无黏性土颗粒冲刷临界剪切应力(冲刷启动剪切应力)与颗粒粒径成正比,已有的砂、砾冲刷试验结果验证了无黏性土颗粒冲刷临界剪切应力理论。     

岩体隧洞损伤破坏过程实验及其颗粒流数值模拟

在以往有关节理模型实验和数值模拟的研究基础上,设计了几组含孔洞节理模型材料的压缩实验,并采用颗粒流软件Partide Flow Code(PFC2D)对模型实验过程进行数值模拟.以模型实验应力-应变曲线与数值模拟的曲线吻合作为PFC细观力学参数选取的准则,并利用获得的力学参数对含孔洞节理岩体破坏过程进行数值再现.分析了...     

某冰水堆积体层流-紊流过渡状态渗流特性试验研究

澜沧江上游两岸河谷地带广泛分布一套规模巨大、形成于第四纪更新世中晚期的冰水堆积体,这类冰水堆积体往往具有较特别的渗流特性。通过对澜沧江某冰水堆积体的结构特征调查和颗粒组成试验分析,从沉积相的角度,认为该冰水堆积体可分为两层:表层厚约40 m的混合巨粒土,和底部厚约17 m的粗颗粒土。通过对这两层冰水堆积体的渗流特点试验研究,结果表明地下水在表层混合巨粒土中的渗流方式主要表现为层流-紊流过渡阶段的特点,渗流速度与水力梯度成幂函数关系;而在底部粗颗粒土中的运移方式主要表现为层流特点。根据混合巨粒土的渗流特点,文中提出了两种计算其渗透系数的方法,即根据渗透速度和水力梯度关系曲线估算渗透系数,或采用文中提出的公式计算渗透系数。     

管袋坝接缝管路处渗透成拱的颗粒流模拟

管袋坝接缝管路处是管袋坝体的薄弱部位,易引发渗透破坏,使吹填土体眼管路接缝渐进性流出．经试验可知在较低的渗透坡降作用下,土体可以在孔口形成土拱．采用PFC颗粒流数值模拟软件来研究管袋坝接缝管路处土体在渗透作用下的成拱效应,得出对应不同摩擦系数的吹填土体成拱的临界渗透坡降．从细观角度揭示了既有竖向位移又有侧向位移情况下的土体成拱过程．经研究可知,临界渗透坡降J随摩擦系数f的增大而增大,且有效拱厚随吹填土的摩擦系数f的增大而减小．     

煤矸石推剪试验的颗粒离散元细观模拟

以现场推剪试验为基础,基于二维颗粒离散元(two dimensional particle flow code,PFC^2D)建立煤矸石推剪试验模型.通过不同级配和孔隙率反映治理前后不同密实度的矸石散粒体,较好地模拟煤矸石现场推剪试验的推力-位移曲线;对比分析治理前后推剪模型推力-位移曲线的差异性,从细观力学角度验证推剪试验中矸石颗粒的运动规律.颗粒离散元模拟结果表明：治理前后推剪模型都存在接触力沿滑裂面传递的现象;由于碾压作用,治理后推剪模型的接触力呈倒月牙形分布;治理后煤矸石试样在推剪完成后,其颗粒接触力与水平方向的夹角比治理前更大,集中分布区域更狭窄.通过颗粒位移矢量图确定推剪试验的滑裂面,解决了煤矸石推剪试验中滑裂面难以确定的问题.     

循环荷载下含双裂隙砂岩弹性模量的演化规律

以含预制裂隙砂岩单轴循环加卸载试验结果为基础,探究裂隙几何参数对试样弹性模量的影响规律;结合PFC^2D颗粒流程序,对试样裂纹发育状态与弹性模量演化规律的关系进行深入分析.研究结果表明:随着循环周数增加,多数试样的弹性模量呈现出强化现象,且第一次加卸载循环对弹性模量的强化作用最为显著,这与试件内部细观结构的调整有关;然而少数试样的弹性模量则呈现出弱化现象,结合PFC^2D颗粒流程序得出,弱化现象与裂纹发育状态密切相关.     

PFC~(2D)数值计算模型微观参数确定方法

针对目前应用"试错法"来确定PFC2D数值计算模型微观参数所存在的盲目性问题,提出一种基于物理试验响应的参数确定方法.通过模拟具体对象的基本特性计算模型物理几何参数,借助物理试验响应反演计算颗粒间的接触本构参数.以焦家金矿-450中段下盘糜棱岩为例,在单轴抗压物理试验的基础上,确定相应的数值计算模型微观参数并进行单轴、双轴模拟试验,模拟结果与物理试验具有良好的一致性,验证了微观参数确定方法的可靠性和适用性.PFC2D微观参数确定方法能够在保证精确模拟的基础上,大大降低前期建模工作量,为类似研究提供借鉴.     

地下水封储油洞库各向异性渗流特征的数值模拟

以某地下水封储油洞库为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件分析了施工期与运营期地下水渗流场的分布规律,并比较了裂隙岩体渗流各向同性与各向异性两种工况下孔隙水压力分布的差异,最后计算了围岩渗水量.结果表明,人工水幕系统对于保证洞库水封起到至关重要的作用;采用裂隙岩体渗流各向同性评估洞库间岩柱的稳定性更为安全;利用数值模拟方法计算得到施工期及运营期单洞库渗流量分别为1 130 m3/d和775 m3/d.     

不同土质条件下基坑渗流场渗透特性分析

控制地下水对基坑开挖和周围环境的负面影响，是基坑工程特别是深基坑工程设计与施工的重要组成部分．采用三维有限元法分析了基坑渗流场的分布特性，比较了不同土质条件下渗流作用对基坑土体渗透稳定性的影响，较好地反映了基坑渗流场中等势线、流速矢量以及水力梯度等渗流要素在不同土质条件下的变化规律，探讨了工程中可能出现的不利因素．分析表明，在均质各向同性非成层土中，基坑角点和溢出点附近水力梯度最大，是整个基坑最易发生渗透破坏的地方；在成层土情况下，水头等势线有向渗透系数小的土层聚集的趋势．对比各种分析结果，当水平向渗透系数大于竖向渗透系数时，基坑最容易发生渗透破坏．     

某水利枢纽工程左岸单薄山梁及断层带稳定研究

利用数值模拟分析软件,研究了某水利枢纽工程左岸单薄山梁及断层带稳定性。结果表明:1)增设防渗措施,正常蓄水位情况时库区渗流量为2 795.42 m3/d,F17断层处渗透坡降为0.27,小于临界坡降值,整体上发生渗透破坏可能性较小;2)坝基防渗墙防渗效果相较于左岸山梁防渗帷幕及断层处防渗墙效果更为明显,渗流量变化更大。左岸山梁防渗帷幕及断层处防渗墙加固处理措施,对库区渗流量影响较小,但对断层出渗流坡降具有一定的影响;3)断层沟谷出露位置为渗流出逸位置,左岸山梁冲沟部位会发生较为明显的渗流现象。4)不同条件下边坡安全系数均大于2.35,有一定安全裕度。蓄水后滑移模式1边坡安全系数略有增大,滑移模式2有所降低。研究结果对于工程实际问题的解决具有参考价值。     

海上风机复合筒型基础负压沉放调平

复合筒型基础是一种巨型宽浅式负压沉箱基础,其筒内设置分舱以对托航、沉放、调平等进行控制.渗流与负压是筒型基础重要的研究内容,而目前尚未发现对复合筒型基础的相关研究.针对复合筒型基础,通过数值模型研究了其沉放调平渗流特性,以出口水力梯度为控制条件,建立了均质砂土中临界负压计算公式,并与无分舱板情况进行比较;最后分析了土质分层和渗流"反作用"对渗流场的影响.结果表明:分舱板使筒型基础沉放临界负压降低约10%,调平临界负压随倾角迅速下降;分层土体中相对渗径变长,临界负压增大,不容易发生渗透破坏;渗流使筒内土体疏松,渗透系数变大,造成内侧土体中水力梯度减小,对土体渗透稳定起到保护作用.