抛石基床承载力及夯击密实特性

抛石基床因其承载力高、地基变形小,在港口、码头等工程领域得到越来越广泛应用。通过室内试验结合离散元数值模拟方法对抛石基床承载力进行分析,在此基础上针对不同质量重锤夯击特性进行研究,结果表明:随着抛石基床深度的增加,所监测到的抛石基床夯击应力逐渐减小; 16. 2 t重锤在抛石基床底部夯击应力大于6. 5 t重锤夯击时在抛石基床0. 5 m深度处的夯击应力,通过增大重锤的质量增加抛石基床分层厚度的思路可行。所得研究结果可为工程实际施工提供借鉴。     

抛石基床振动密实颗粒流数值模拟研究

振动密实法是提高抛石基床承载力的一种方法,它通过重锤振动使小颗粒物质挤入孔隙,增加介质密实度进而提高承载力。采用振动密实法必须选择合理的工艺参数,包括振动遍数、振动锤质量等,其选取缺少理论依据。基于工程实践中的随机抛石尺寸,通过随机填充法形成颗粒簇,利用颗粒流数值模拟软件PFC2D,探讨了振动密实抛石基床的动态作用过程及遍数、锤重对密实度的影响。结果表明基床获得最佳密实时重锤的质量为8 t,振动次数为6遍,此时振动效果最佳。研究成果可为抛石基床振动锤的选用和深化认识振动密实法的作用机制提供参考。     

水下抛石基床动态形成过程数值模拟研究

水下抛石基床是重力式码头和直立式防波堤经常采用的基础形式,基床抛石的结构组成与密实程度对介质承载力具有决定性的作用。在水下抛石基床形成过程中,抛石受绕流阻力作用,影响基床堆积形态,从而对基床的受力特性有重要影响;而绕流阻力的大小与抛石的几何外形、重量等因素有关。根据流体动力学,建立了抛石在水中运动的计算模型,研究了相同质量不同形状及形状相似不同质量等工况下抛石在水中的运动规律。运用离散元方法建立抛石基床模型,将阻力模型施加于水下运动的抛石。分析了不同因素控制下抛石基床的堆积情况,为大量抛石在水中自由运动产生沉积分层现象提供理论依据。研究结果表明:水下抛石的运动过程受水流阻力的影响,基床的最终形态将产生分层,抛石下落高度越高,分层越明显,符合实际的工程。该结果可为抛石基床力学特性研究提供理论依据和设计参考。     

抛石基床压载受力特性数值模拟研究

抛石基床是港口航道工程中常用的基础形式,由于离散性、随机性问题,其承载力难以在实验室内准确确定,主要依据工程经验。现根据少量抛石基床工程试验,按照现场实际抛石尺寸随机分布,考虑抛石形状、粒径以及级配等特性建立地质力学模型,通过变化控制参数进行了大量压载破坏实验模拟,分析了其受压破坏机理及对承载力的影响。结果表明:随着粒径的增大,相应抛石基床极限承载力呈减小趋势,相比而言10 cm粒径抛石基床承载力较20 cm抛石基床承载力增加8.7%,而相应的沉降量却较20 cm抛石基床减小10.5%;通过对不同抛石基床对应的密实度与承载力进行线性拟合,得到了密实度与基床承载力间呈对数的拟合公式。     

土工格室与砂土拉拔试验离散元细观分析

为研究土工格室加筋砂土的界面作用特性,采用离散元程序(PFC3D)建立土工格室加筋砂土的拉拔试验数值模型,分析了拉拔过程中的筋土界面位移、格室节点受力及界面接触力和孔隙率等宏细观参数的变化规律,揭示了土工格室加筋砂土在拉拔过程中筋土界面作用的宏细观机理。结果表明:格室拉拔阻力主要由格室纵肋界面摩擦阻力及格室横肋的被动承载力组成,界面摩擦阻力在前期发挥主要作用,而横肋的被动承载力在后期发挥主要作用;筋土界面区域的土体接触力和局部孔隙率随拉拔位移发生疏密相间的变化,界面区域砂土发生脱空,同时局部土体产生剪胀作用,对应界面孔隙率增大;宏观上随着拉拔位移增加,颗粒挤密咬合能力增强,对应的细观参数(界面接触力和界面局部孔隙率)发生起伏变化,界面区域接触力增大从而使得拉拔阻力随格室拉拔位移的增大而增大。     

桥隧区段道砟垫对厚度不足道床力学性能的改善机理研究

通过建立多边形本构弹性有砟道床离散单元仿真模型,分析桥隧区段道砟层厚度不足对道砟颗粒受力及道床刚度的影响,并研究不同刚度的道砟垫对厚度不足道床的力学性能的改善效果。研究结果表明：道床厚度不足会引起道砟颗粒间接触力及道砟颗粒与下部基础的接触力显著增大,与35 cm厚道床相比,16 cm厚道床的道砟颗粒间接触力及道砟颗粒与下部基础的接触力增幅分别为139%和143%,道砟破碎的风险明显增大;道床厚度不足会引起道床刚度激增,16 cm厚道床的刚度为35 cm厚道床刚度的2.3倍;铺设道砟垫可以减小道砟颗粒的受力幅值,铺设刚度分别为16、10、6和4 kN/mm的道砟垫后,16 cm厚有砟道床与下部基础的最大接触力分别降低58.3%、57.7%、64.6%和60.9%;对于厚度不足的道床,可通过铺设不同刚度的道砟垫实现道床刚度的调整。     

孤立墩抛石基床极限承载力

采用半原型和模型试验分析了孤立墩抛石基床的破坏机理和极限承载力影响因素，给出了基床极限承载力值．     

波浪作用下抛石基床直立堤沙质底床中孔隙水压力响应

利用波浪水槽试验,对波浪作用下抛石基床直立堤沙质底床的孔隙水压力响应进行了研究．试验中观测了在不同波高、周期、水深和泥沙粒径等条件下,自由底床和有抛石基床防波堤的土体孔隙水压力的变化．试验结果分析表明,随着波高和周期的增大,孔隙水压力幅值增大;随着水深的增大,孔隙水压力幅值减小．建堤后,底床中的孔隙水压力会增大,有效应力会降低,对防波堤的稳定性会造成严重影响．同时试验结果也表明,把基于Biot固结理论的多孔弹性介质模型用于研究波浪作用下海床的动力响应是合理的．     

孤立墩抛石基庄极限承载力

采用半原型和模型试验分析了孤立墩抛石基床的破坏机理和极限承载力影响因素，给出了基庄极限承载力值。     

桩-钢支撑支护基坑颗粒流数值模拟分析

针对桩-钢支撑支护形式的基坑工程,应用基于离散元理论的颗粒流软件PFC2D建立桩-钢支撑支护基坑颗粒流数值模型,对比分析有钢支撑和无钢支撑支护基坑开挖过程桩体水平位移、坑底隆起和接触力变化规律。结果表明:在有钢支撑支护的情况下,基坑开挖过程中桩体水平位移远小于无钢支撑支护的桩体水平位移;在基坑开挖过程中,第2、 3道钢支撑起到了主要作用。     

锚碇沉箱基础与升浆基床摩擦性能研究

针对国内首个采用沉箱基础的海上悬索桥,主要对水下预填骨料抛石升浆基床与混凝土之间的摩擦性能,以及碎石基床与混凝土结构的摩擦因数展开研究.首先通过室内和现场实验得到碎石基床与混凝土结构的摩擦因数,在此基础上采用数值分析方法得到水下预填骨料抛石升浆基床与混凝土结构之间的摩擦性能.结果表明,普通碎石基床与混凝土沉箱之间的摩擦因数在设计规范规定的0.5~0.6内,而预填骨料抛石升浆基床与混凝土沉箱之间的摩擦因数为0.7~0.8,如考虑混凝土之间的黏结力膜作用,摩擦因数可达0.9.     

局部加卸载下颗粒体系接触力残留与应力残留的关系

以正五棱柱颗粒体系加卸载的光弹试验为基础,通过条纹解析量化了特征颗粒所受接触力,揭示了卸载过程中接触力的演化特征.结果表明:卸载阶段浅层颗粒间基本无残留接触力,而深层颗粒间存在显著接触力残留;最后一级荷载为临界荷载.采用离散元模拟重现了光弹试验,数值模拟所得接触力链、残留接触力及颗粒位移与光弹试验一致,从而验证了数值模拟的有效性.基于数值模型分析了加卸载阶段颗粒体系的应力演化,得出应力与接触力链、残留应力与残留接触力的空间分布均一致.     

基于离散元法的铁路道床力学特性

道砟外形复杂,其几何形态对道床力学行为有显著影响,为揭示道砟模拟方法对道床力学行为的影响规律,针对道砟外形极不规则、咬合作用强的特点,采用自编算法建立了能模拟真实道砟外形的颗粒簇.基于离散元法,分别建立了基本球道砟和颗粒簇道砟的三维道床-轨枕空间模型,分析循环荷载下两种道床的接触力、配位数、道床应力和振动加速度的差异.结果表明,相同循环荷载下,颗粒簇道床比基本球道床最大接触力小769N,平均接触力小10N,说明颗粒簇接触力幅值范围更小,分布更均匀;基本球配位数在1.0~3.2范围内周期变化,颗粒簇配位数在5.3~6.1范围内周期变化,说明颗粒簇间的接触点更多,接触状态更稳定;颗粒簇道床顶部振动加速度和应力比基本球道床的分别小0.26g,16kPa,说明颗粒簇能反映道砟间的咬合作用,保持道床的整体受力性.     

论港口护岸抛石基床整平施工技术

本文结合某港口工程外海护岸基床整平实例,介绍抛石基床整平工艺方法和有关质量控制方法.     

加料机单、双头螺旋对颗粒群接触力的影响

为研究螺旋加料机不连续加料过程中颗粒群的运动特性及变化规律,研究了单、双头螺旋对颗粒群接触力的影响.以1. 5 mm直径小米颗粒为研究对象,基于Hertz-Mindlin颗粒无滑动接触模型,对颗粒之间接触力以及颗粒群与螺旋加料料管内壁接触力进行分析,建立了具有分料装置的螺旋加料模型;采用EDEM离散元软件,以间歇转动60°的方式对小米颗粒不连续加料过程进行数值仿真,得到了颗粒间接触力和颗粒群对螺旋加料料管内壁正向和切向压力的分布,比较了240 r·min~(-1)转速下单、双头螺旋输送中颗粒群接触力分布特点.结果表明:单头螺旋输送物料时,颗粒之间比较紧实,但颗粒在内壁接触处易翻滚;双头螺旋输送物料时,颗粒在内壁接触处不易翻滚,更易随轴作轴向运动,颗粒群的一致性更稳定.     

基于柔性边界的非饱和土三轴试验及离散元分析

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏观破坏形态和细观剪切带、配位数、接触力等方面研究不同围压下非饱和土的力学特征.结果表明：非饱和土力学特性受围压影响较大,峰值应力和弹性模量随围压增大而增大,围压越大,剪胀性越小;试样主要表现为鼓胀破坏,破坏后剪切带在形态上呈对称的“X”形,剪切带的形成开始于颗粒的转动,到达峰值应力时,内部转动颗粒发生贯通,剪切带基本成型,围压越大,剪切带上转动颗粒数目和转动角度越小;配位数先增加后减少,与体应变变化趋势一致,且随围压增大而增大;剪切使法向接触力概率密度函数峰值左移,并且使法向接触力不均匀性增大,围压越大,法向接触力分布越均匀.该研究成果可为从细观认识非饱和土的力学行为提供途径.     

基于应力吸收-防水层的铁路基床结构动力特性分析

依托云桂高速铁路膨胀土路基工程,开展新型应力吸收-防水层基床结构研发工作,借助模型试验和数值模拟方法,对膨胀土路堑新型基床动力特性进行对比研究.结果表明,应力吸收-防水层材料力学性能可满足长期浸水和振动荷载共同作用下的要求;基床动应力随深度近似呈指数型衰减;基床动力响应受服役环境影响显著,降雨和地下水位上升均会加剧动响应变化程度;干燥和降雨条件下,路基竖向变形随激振次数增加先增大后逐渐趋于稳定,地下水位上升会加剧地基膨胀土产生膨胀变形,路基竖向变形表现为"上抬";铺设应力吸收-防水层能够减少高速列车荷载作用下引起路基结构的振动,加快基床结构内振动响应的衰减,增强路基结构系统的整体稳定性.研究成果可为膨胀土地区高速铁路建设及理论研究提供参考.     

带加强节点土工格栅加筋路堤动力响应的颗粒流分析

采用基于离散元理论的颗粒流软件建立了路堤二维数值模型,研究了交通荷载下无筋路堤、普通土工格栅加筋和带加强节点土工格栅加筋路堤的不同动力响应.通过比较不同工况的位移矢量图和颗粒接触力分布情况,发现由于加强节点的存在,带加强节点的土工格栅比普通土工格栅能更有效地减少路堤顶部的累积沉降,限制边坡的隆起;相比无筋路堤,加筋路堤的加载板正下方颗粒接触力集中形成柱状承载结构,能够有效地将上部荷载均匀传递给下部土体.     

不同温度环境下加肋土工膜与砂土界面拉拔试验的颗粒流数值模拟

为了研究垃圾填埋场衬垫系统中加肋土工膜与砂土界面特性, 通过对比室内拉拔试验, 运用离散单元法的二维颗粒流程序(2D particle flow code, PFC$^{\rm 2D})$, 模拟了不同加肋高度和温度组合下的加肋土工膜与砂土界面拉拔试验, 得到了加肋土工膜与砂土界面的宏观应力-应变曲线、细观颗粒间位移场和应力场的变化规律. 研究结果表明: 加肋土工膜与砂土界面的拉拔应力明显优于光面土工膜($h=0$ mm)与砂土界面; 界面极限拉拔应力随着加肋高度的增加而增大, 随着温度的升高而减小; 界面摩擦系数随着温度的升高而减小. 还从细观角度(颗粒位移和内部接触力)模拟研究了加肋土工膜与砂土界面拉拔试验. 研究结果表明: 加肋土工膜与砂土界面附近砂土颗粒的位移较大, 颗粒整体向左上方移动, 而肋块后部上方的砂土由于法向应力作用向下运动; 随着温度的升高或者加肋高度的减小, 加肋土工膜与砂土界面附近的颗粒位移变大, 稳定性变差; 拉拔模型内部左侧的接触力较大, 加肋土工膜附近的接触力也较大, 并向上下两边逐渐减小; 随着加肋高度的增加或者温度的降低, 加肋土工膜与砂土界面附近土体内部的接触力明显增大. 研究结果从宏观到细观较全面地描述了加肋土工膜与砂土界面拉拔试验的全过程.     

土工格室加筋砂土试验颗粒流分析

为了进一步分析土工格室在土体中的加筋作用,以高强土工格室作为研究对象,采用室内3轴试验和颗粒流模拟的方法,研究土工格室加筋砂土的特性,并通过3维颗粒流分析程序(three dimension particle flow code, PFC~(3D))模拟加筋砂土在不同工况下的应力-应变特性、接触力分布情况、位移场分布规律等.结果表明,用PFC~(3D)能够较好地模拟加筋砂土的应力-应变特性;随着土工格室焊距的增大,加筋砂土模型的承载力也增大;土工格室的高度越高,加筋砂土的承载力越大;随着围压的升高加筋砂土的承载力也增大.最后,分析了在荷载作用下的加筋砂土的位移情况,得出在土工格室中间及其影响区域内土体颗粒在位移方向排列比较集中和整齐,且土体颗粒基本上沿着主应力方向,在土工格室影响区域外围向外扩散.