非稳定流作用下管涌发生发展的细观数值模型试验研究

为了揭示非稳定流作用管涌发生后的发展过程及其破坏规律,进行管涌砂槽模型试验和颗粒流数值模拟,建立6组模型研究水头抬升速率对颗粒运移过程的影响,分析不同条件下土体内部细颗粒运移引起管涌破坏的动态过程。根据数值模拟结果,揭示管涌发展过程中颗粒细观变化规律及流体的变化规律,并与砂槽模型试验结果进行比较。研究结果表明:一次加载方式对孔口区域的影响最大,也最不安全,此结论与工程实际相吻合,模型试验结果证实了该数值模型的合理性。     

泥石流启动试验的数值模拟研究

采用离散元颗粒流程序PFC3D(Particle Flow Code)对泥石流启动过程的模型试验进行数值模拟研究.考虑泥石流启动过程中砂土的非饱和特性,在前期研究的基础上对模型进行改进,利用微小颗粒模拟水团,并通过设置黏结模型模拟土颗粒间的基质吸力.将数值模拟结果与室内模型试验进行对比分析,分析得出泥石流的启动表现为后部土体推挤前部土体快速下滑.非饱和状态下,颗粒间的基质吸力提供了一定的土体强度,当渗透力和重力引起的下滑力克服这种颗粒间的黏结力时,土体由非饱和状态逐渐转变为饱和状态,泥石流才会启动.与原有未考虑非饱和特性的数值模拟方法对比,结果表明,使用PFC3D并考虑土体非饱和特性,可以更接近地模拟流滑型泥石流的破坏形态和启动过程.     

基于三维离散元法的强夯动力响应研究

为了从宏细观结合入手研究粗粒土在强夯作用下的动力响应机理,以干砂强夯室内模型试验为基础,通过引进和二次开发颗粒流程序(PFC3D),首次采用三维离散元法建立土体和重锤数值模型,模拟了强夯的动力冲击过程,研究了夯锤及土体的动力响应,并初步分析了土体颗粒运动规律.结果表明:强夯振动属于单峰值冲击振动,土体动应力峰值沿深度具有一定的滞后性,动应力的衰减在水平方向较竖直方向快,锤底土体颗粒以竖向运动为主,锤底斜下方颗粒主要做斜向下运动,锤侧颗粒以水平或斜向上运动为主,出现松动和飞起现象,数值模拟结果与室内模型试验基本吻合.研究工作为揭示强夯加固粗粒土细观机理及模拟实际工程问题提供了一种新的思路.     

基于数字图像的花岗岩双轴压缩数值试验研究

以花岗岩室内试验为基础,研究花岗岩基于数字图像的二维颗粒离散元模拟方法.根据拍摄的花岗岩照片,运用数字图像技术重构花岗岩真实的细观结构模型.基于重构的细观结构模型建立相应的数值模型,采用颗粒流程序(PFC),通过单轴压缩试验,标定PFC模型参数,利用二维数值双轴试验方法研究花岗岩的力学特性,并从细观上探讨花岗岩的变形破坏机制.研究试件在数值试验中的受力全过程和细观破坏形态,得到试验数据,绘制应力-应变曲线和裂缝数-荷载步曲线,与室内试验结果进行了对比分析.研究结果表明:基于数字图像的花岗岩双轴压缩试验模拟获得的花岗岩强度特性、微观裂缝的发展过程和试件破坏特点与室内试验结果吻合;基于数字图像的二维颗粒离散元法可以描述花岗岩这类具有明显非连续性特征材料在单轴、双轴受压状态下的细观破坏特征,可为进一步研究非均质材料在复杂受力条件下的破坏机理奠定基础.     

不同刺入深度下桩端受力的模型试验及数值模拟

通过自行设计的可视化模型试验,采用高清相机、显微数码及图像分析等技术,对纯砂中桩端埋入持力层不同深度的桩端刺入试验进行宏、细观研究.对随桩端刺入深度不同而产生相应的桩端刺入的受力、砂土的位移场和应变场及其细观机理进行分析研究.通过开发三维非圆颗粒,重点对纯砂中桩端刺入的室内试验进行PFC软件三轴数值模拟,将土体细观参数变化与宏观力学响应相联系,揭示桩刺入过程中桩端砂土的宏、细观演化机理.指出端阻力的发挥在细观上主要表现为桩端附近颗粒接触力的变化:桩端下部颗粒的压密范围、桩脚附近土体孔隙率和接触数变化趋势是端阻随埋深而变化的主要因素;达到极限端阻后,承载力的略微增加在细观上主要表现为持力层中桩侧颗粒孔隙率减小、接触力增大.     

筒型基础静压沉贯过程颗粒流模拟数值分析

筒型基础的安装过程是施工中的关键环节,是决定安装成败的关键所在.针对沉贯过程中土体变形较大的特点采用颗粒流软件建立筒型基础动态沉贯安装模型,分析了安装过程中土体位移场、孔隙率、土体应力状态等因素的变化特征,以土体位移及颗粒间接触力链变化为依据,分析了形成土拱效应的细观机理.结果表明:筒体沉贯过程中形成的土塞效应有助于土拱的形成,同时土拱效应的产生导致土体应力状态发生变化,最终宏观表现为沉贯阻力异常增大.     

船运铁精矿流态化模型试验的离散元数值模拟

采用离散元程序PFC3D对散装铁精矿在动力荷载作用下发生流态化的室内振动台模型试验进行数值模拟,从细观的角度研究铁精矿流态化的演化规律及内在机理。考虑流态化过程中的非饱和特性,利用微小颗粒模拟水团,通过设置黏结模型模拟矿粉颗粒间的基质吸力,实时观察流态化过程中铁精矿位移场、水颗粒迁移情况以及细观组构的变化和发展,并将数值模拟结果与室内模型试验进行对比分析。结果表明:铁精矿发生流态化的主要原因是水液面的上升;其细观机理为在动力荷载作用下,铁精矿细颗粒沿着粗颗粒孔隙向下运动和颗粒间水团汇集形成水膜后的向上迁移。     

竖向受荷单桩细观工作性状

在单桩室内模型试验提供宏观依据基础上,通过对颗粒流程序的二次开发,建立单桩的三维颗粒流分析模型,对竖向受荷单桩的承载特性、荷载传递特性、桩周土体位移场、应力及孔隙率变化规律进行研究。颗粒流数值分析结果表明:单桩桩侧摩阻力的发挥先于端阻力,加载后期在桩身中下部存在一侧摩阻力弱化区,单桩桩侧摩阻力的分布与桩表面的法向应力一致;单桩桩身接触力上小下大,桩侧接触力方向以斜向下为主,桩端下土体孔隙率的变化趋势与土体应力的发展趋势保持一致。颗粒流数值模拟研究完善了对单桩细观工作性状的认识。     

橡胶砂直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟

文章基于颗粒流理论和PFC2D程序,对橡胶砂颗粒混合物的直剪试验进行了数值模拟,并与室内直剪试验的结果相比较,分析了不同竖向应力下混合物颗粒变形的细观机制,探讨了颗粒接触刚度、摩擦系数、孔隙率、剪切速率等细观参数变化对宏观力学特性的影响;从能量变化、力链变化、颗粒分布、速度场、位移场等细观角度分析数值试验结果,揭示了直剪试验中橡胶砂的细观力学性质和颗粒变形规律。研究结果表明:数值模拟能够较好地反映橡胶砂直剪试验的变形规律,得到的剪应力-剪切位移曲线和竖向位移-剪切位移曲线接近试验曲线;颗粒接触刚度、摩擦系数、孔隙率的改变对橡胶砂数值试验的结果均有不同程度的影响,满足加载条件的剪切速率对试验结果影响不大。     

土工结构物渐进破坏过程Cosserat连续体有限元分析

基于压力相关弹塑性Cosserat连续体模型的有限元过程,有效地模拟了挡土墙、开挖边坡等岩土工程结构中由土体剪胀(非关联塑性流动)或应变软化行为所引起以应变局部化为特征的渐进破坏现象.挡土墙中的土体考虑为非关联的理想弹塑性材料,而边坡开挖中的土体为应变软化弹塑性材料.数值结果表明,基于经典连续体的有限元分析不能完成整个破坏过程的模拟,而所发展的基于Cosserat连续体模型的有限元过程具备保持由非关联塑性或应变软化引起的应变局部化边界值问题的适定性和模拟土工结构物中整个渐进破坏过程的能力.     

复合土钉墙支护基坑颗粒流数值模拟研究

利用基于离散元理论的颗粒流软件PFC3d建立基坑开挖土钉支护的三维颗粒流模型,通过分析有复合土钉墙支护基坑和无复合土钉墙支护基坑数值模型的位移场和应力场,研究复合土钉支护基坑开挖过程的规律和土钉支护的机理。由于复合土钉的作用,复合土钉墙支护基坑和无复合土钉支护基坑在变形程度和变形模式等方面存在较大差异。复合土钉墙支护基坑挡墙变形较小,出现“两头小、中间大”的大肚状变形模式,坑底隆起量和墙后土体沉降量相对于无土钉墙支护基坑均较小。利用土拱效应来分析复合土钉支护机理,认为土钉支护作用不仅仅是土钉和土体之间相互拉拔作用,土拱效应才是复合土钉墙支护作用机理的关键。细观机理研究和颗粒流数值模拟为复合土钉墙支护基坑的机理研究提供新的思路和方法。     

尾矿坝液化流动变形分析

介绍了基于双线性模型的砂土液化流动变形分析方法,并用二维商用软件ALID(Analvsis for Liquefaction.induced Deformation)分析了Moch.koshi尾矿坝地震液化流动变形,其中滩长分别按5 m和38 m,坝基土液化和非液化共计3种组合.通过计算分析发现了该坝在不同条件下发生液化流动变形的一些规律.计算结果表明,增加滩长、降低水位线的高度.将有助于减小坝体液化流动变形.增强坝体的稳定性;坝基土发生液化流动将导致尾矿坝整体发生流滑.探讨了用反压体、稳定柱、加筋和密实等措施抑制尾矿坝液化流动变形.     

基于浸水载荷试验的粗粒填土地基工程特性研究

以贵州省凯里市某建筑场地的大区域粗粒填土地基土为例,对填土的物源组成、粒度级配、最大干密度、最优含水率、压实度、密实度等物理力学指标进行了室内实验和原位测试研究的基础上,选择3个代表性试验点开展了初始浸水压力为200 k Pa的浸水载荷试验研究。研究发现粗粒填土地基浸水载荷试验的荷载与沉降关系曲线表现出四个不同变形特征的变形阶段,即细颗粒压缩变形阶段、细颗粒软化蠕变变形阶段、粗颗粒压缩变形阶段和粗颗粒剪切滑移变形阶段。结合填土地基的粒度组成和结构特征,分析了各变形阶段对应的内在变形机理。研究认为,揭示粗粒填土地基的变形机理对建筑物地基采用变形控制设计具有重要的指导意义,有利于克服填土地基上因填土不均匀性造成建筑物不均匀沉降的传统难题。     

砂土地基触地爆炸的SPH-FEM耦合分析方法

针对砂土地基触地爆炸问题,在LS-DYNA框架内建立了有限元法和光滑质点流体动力学法相耦合的数值分析方法SPH-FEM。该耦合法结合了FEM的高计算效率和SPH在处理土体爆炸大变形方面的优势,通过精确捕捉SPH粒子的运动,可以直观再现爆坑形态的发展全过程,适合描述爆炸大变形问题。数值结果显示,爆炸波在近区表现的强间断冲击波,是造成土体流动大变形的重要因素; 土体参数在正常范围的浮动对爆坑尺寸具有一定影响,在设计应用时应予以考虑。利用SPH-FEM耦合法计算得到的爆坑形态和尺寸与ConWep程序经验数据基本一致,验证了SPH-FEM耦合法在分析触地爆炸问题中的正确性。     

路堤高度和加筋对软土地基累积塑性变形的影响

运用有限单元法对交通荷载作用下软土地基进行隐式动力分析,基于累积塑性变形的计算和影响因素分析,研究路堤高度对交通荷载引起的软土地基累积塑性变形的影响,在此基础上,从地基中动偏应力分布的角度,揭示了土工格栅加筋对于减小交通荷载引起的软土地基累积塑性变形的意义和机理.分析结果表明:当路堤高度1 m左右时,在交通荷载作用下,地基中会产生显著的累积塑性变形;随着路堤高度的增加,地基中由交通荷载引起的累积塑性变形迅速减小.对于受交通荷载影响显著的软土地基,土工格栅加筋改善地基表面的压应力分布,减小传递到地基表面的剪应力,加筋后地基土累积塑性变形明显减小,主要是由于加筋减小了地基土的上部由交通荷载引起的动偏应力.     

基于颗粒流的局部强度折减法在边坡稳定分析中的应用

岩土边坡稳定问题是土力学中仍未圆满解决的重要课题,边坡的渐进破坏过程是数值分析中的难点。颗粒流方法的特质是模拟大变形、可破坏的问题,用于边坡失稳破坏研究能获得该过程的时空演化规律。边坡失稳往往是由于局部土体的强度降低造成的,为此,运用颗粒流程序建立边坡模型,采用传统的强度折减法获得滑裂带土体区域,通过对滑裂带区域内土体强度的折减实现局部强度折减,以此进行边坡稳定分析。研究表明采用颗粒流结合强度折减法开展边坡稳定分析,通过数值双轴试验建立试样宏观力学响应与颗粒流细观参数之间的联系,不断折减宏观强度参数直至边坡破坏得到的安全系数与极限平衡法结果基本一致,并且能直观地显示边坡破坏的渐进过程及滑移面位置和形状。局部强度折减得到的边坡位移变化较传统强度折减略小。     

金泉寺滑坡破坏机理及冲击强度定量分析

为了对滑坡冲击强度进行定量预测,以勉县金泉寺滑坡为研究对象,基于颗粒流离散元方法,结合对滑坡岩土体细观参数的双轴试验标定,构建了滑坡数值模型,对滑坡的变形破坏机理及其动力学过程进行了分析,选用冲击距离、冲击速度、冲击力3个指标对滑坡的冲击强度大小进行了定量预测。研究结果表明:金泉寺滑坡坡脚和滑坡后缘首先发生变形,然后滑坡坡体中部的锁固段发生贯通,并最终表现为前拉后推的复合式破坏特征;滑坡最大冲击距离为23. 52 m,最大冲击速度为4. 10 m/s,单位宽度最大冲击力为205 kN。相关结论与利用已有研究方法分析所得结论较为一致,认为滑坡运动过程中滑体内部颗粒碰撞及摩擦耗能对滑坡冲击强度的影响不可忽略。研究方法及成果对堆积层滑坡动力学过程分析及其风险定量评估研究具有重要的参考意义。     

CFG桩复合地基桩土应力比数值分析

利用数值分析的方法，详细讨论了水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基承载与变形特性；通过多种方案计算，就不同的荷载水平、桩长、置换率、桩土模量比、桩尖地质条件等因素，对桩土应力比的影响、桩土荷载分担规律进行了分析研究。     

基坑开挖对下卧管线竖向变形影响的数值分析

基坑开挖会对下卧管线产生不利影响,如何控制基坑开挖对下卧管线产生的不利影响是工程界的热点问题.以杭州市沿江大道管廊基坑上跨污水管段工程为背景,利用ABAQUS软件进行数值模拟,建立了三维有限元模型.在此基础上分析了管线周围土体注浆加固的作用,同时研究了改变管线与基坑的夹角引起管线竖向位移的变化规律.分析结果表明:上方基坑的开挖会使下卧管线呈现出"中间大、两边小"的"上凸型"变形模式,对下卧基坑管线周围进行合理的注浆加固,能有效减少管线的整体隆起变形;且下卧管线与基坑长边夹角越大,管线的最大隆起位移越小,当管线与基坑长边垂直时,管线的隆起变形最小.研究结果可为今后类似工程提供借鉴.     

堤(坝)基层状粗粒土发生渗透变形的颗粒运移规律

堤(坝)基常出现强弱互层的土层结构,具有代表性的主要由强透水砂砾石层、弱透水细砂层和强透水砂砾石层组成,渗透时各土层微观的颗粒运移规律对于揭示堤(坝)基渗透变形和破坏机理至关重要。采用三维颗粒流程序并结合"反演模拟法",准确对颗粒细观参数进行了标定,有效的模拟了该多层堤(坝)基渗透变形的发展过程,获得了堤(坝)基渗透变形过程中的颗粒运移特点及颗粒流失情况。结果表明:渗透破坏主要发生在上部砂砾石层中,随着渗透破坏的持续发生,逐渐影响下部土层,该层中细颗粒在粗颗粒孔隙间移动而后逐渐流失,属于典型的管涌破坏。中间细砂层在上部砂砾石层管涌破坏后,其颗粒最先在管涌口正下方Z4区发生流失,其余区域颗粒流失相对较晚,且颗粒流失量均随着计算时间步的增加而增加,导致细砂层出现小范围的变形。随着计算时间的增加,上部砂砾石层的下沉量是逐渐增加的,当上部砂砾石层细颗粒流失达到一定程度,堤(坝)基发生破坏,将对上部建筑物产生重大危害。为从微观角度认识多层堤(坝)基流渗透破坏提供了一定参考。