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。     

袋装膨胀土强度变形特性及其碾压质量控制与检测

为研究袋装膨胀土的强度变形特性,开展了袋装膨胀土的无侧限抗压强度试验,分析了袋体加载过程中的应力应变关系演化规律,并验证了落锤式弯沉仪用于袋装膨胀土施工质量检测的可行性,探讨了小型平板振动碾的碾压时间和小型滚筒振动碾的碾压遍数对袋装膨胀土回弹模量的影响。试验结果表明:土工袋用于处理膨胀土渠道边坡时只需通过适当碾压消除应力应变关系曲线上初始变形模量“较低”的阶段即可;落锤式弯沉仪可用于袋装膨胀土的施工质量检测;建议膨胀土渠道边坡施工过程中采用小型滚筒振动碾对袋装膨胀土进行碾压,碾压遍数应不低于4遍。     

影响填石路堤压实施工因素的数值模拟

用粒径大于40mm、含量超过70％的石料填筑的路堤称之为填石路堤．影响其压实的因素很多，石料自身的性质与颗粒组成是影响填石路堤的压实特性的内在因素；施工条件，如压实能量、振动频率、碾压速度等是影响压实效果的外部条件．由于填料具有粗粒料压实的工程特性和诸多影响因素的存在，在研究填石路堤的压实机理和施工控制实践中，会遇到一系列复杂问题，同时，给现场试验带来困难，主要表现在数据的离散性大．用计算机进行仿真模拟是解决这类问题的一个新方法．石料颗粒的密实问题属于散粒体力学的范畴，针对压实过程中出现的位移不连续、应力连续的特点，采用了随机的离散单元法，建立石料颗粒的理想结构模型，自主开发和编制了计算程序，对影响填石路堤的主要施工因素进行了数值模拟，分别模拟了填石路基振动压路机施工过程中，在同一碾压压力下采用不同的振动频率，以及同一振动频率不同激振力条件下，不同碾压遍数情况下填石路基的压实效果．模拟结果表明，振动能量与振动频率之间对填石路堤的压实效果有最佳组合，振动压路机的碾压遍数与振动频率有一定的关系，在振动频率较小时，路基的压实效果不好，随着振动频率的加大，碾压遍数存在一个最佳值．在同一振动频率下，激振力并非愈大愈好，这些结论在现场试验中得到了的验证，对填石路堤施工参数的选择具有指导意义．     

黄土振动压实特性分析

为揭示黄土振动压实机理,优化黄土压实作业参数,对压应力时域信号及其傅立叶频谱进行研究,分析压应力在黄土各层的分布与传递规律及压实能量的分布与吸收状况。结果表明:黄土内各层压应力随碾压遍数的增加逐渐增大,随土体深度增加而减弱;试验用黄土在30 Hz振动频率下的压实能量较其他频率更充分,振动压实效果最好;土体各层吸收的振动能量随土体密实度增加而减小,上层比中下层可获得更高的能量,并先趋于密实状态。     

沥青混合料压实特性及沥青路面碾压遍数确定

在研究沥青混合料压实特性的基础上,从能量等效角度确定沥青路面达到密实所需要的碾压遍数.首先对典型沥青混合料进行室内击实试验,得出不同类型沥青混合料达到要求密实度所需要的能量;然后依据理论计算与现场实测,得到了施工过程中摊铺机振捣提供给路面的能量及振动压路机和轮胎压路机一次碾压提供给沥青路面的可吸收能量.室内击实试验表明...     

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。     

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.     

基于颗粒流的粒状岩土材料高应力破碎分析

提出了基于颗粒流方法的黏结键断裂百分比作为数值模拟中颗粒破碎的新的度量方法.通过颗粒流方法中的接触黏结模型与CLUMP模型对高应力下岩土类材料的破碎过程进行了数值模拟分析,模拟了高应力下粒状材料的双轴剪切试验,数值试样由540个簇颗粒单元组成.数值试验结果显示:在颗粒破碎情况下,数值试样的峰值强度小于不破碎情况下的峰值强度;围压与黏结键断裂百分比表示的破碎率呈幂指数关系;随着围压的增加,颗粒破碎率增加,颗粒材料的摩擦角减小.     

仿冲击振动压实规律

利用自主设计的仿冲击振动压实装置,选取21种试验工况,分别调节各影响参数,进行了多组压实试验。试验结果表明,土壤的压实度和表面沉降量之间存在一定的对应关系,且与碾压遍数有着某种内在的变化规律;在压实的前几遍,相对沉降量越大,则对应的压实度增加幅度也越大,而后期压实过程中,沉降量减小的趋势与压实度增大的趋势相似,并分别趋于某稳定值。根据压实度变化的一般规律及仿冲击振动压实试验离散点曲线,建立了压实度与压实遍数之间的函数关系式。采用Matlab编程,分别对21种工况及4种型号的压路机现场试验数据进行了验算,结果表明,计算值与实测值很接近,相对误差为0.2%~6%。     

土体颗粒破裂过程离散元模拟的新方法

土体颗粒的破碎对土体的宏观变形和强度性质有重要影响。数值模拟方法是研究土体颗粒破碎机理的重要手段。采用离散元数值软件PFC模拟土体颗粒的破碎。首先利用PFC内置Fish语言编写颗粒破坏准则,使得单个颗粒在满足破坏函数时破裂成为多个粒径更小的颗粒,从而实现PFC中颗粒的可破碎性,降低了传统方法"团聚颗粒"模拟颗粒破碎时建模和参数选取的复杂性。随后运用Fish编写的程序模拟土体在单轴压缩条件下颗粒破碎的过程;并对土体颗粒破碎特征进行分析。分析可知:颗粒破碎随着加载进行逐步从土体上部向下发展;土体中颗粒的破碎现象在空间上并不均匀发生,主要集中在试样的上部;加载过程中试样孔隙率的变化可以分为两个阶段,第一个阶段与颗粒的位置调整相关;而第二个阶段则与颗粒破碎相关,且第二阶段变化更为明显。颗粒破碎最终导致土体颗粒的粒径分布更为不均匀,最终形成级配较好的土体;但试样初始阶段的颗粒仍然为土体的主要成分。模拟结果与室内试验的部分成果比较,模拟结果与试验观察到的破裂现象基本一致,表明运用新方法模拟颗粒破碎过程合理、可行。     

泥石流宽级配砾石土结构特征实验研究

泥石流堆积物是一种宽级配砾石土,深入研究其结构特征和渗透特性,具有重要的理论和实践意义。根据粗细颗粒的含量,提出了接触式堆积、紧密堆积和基底式堆积三种结构类型,并通过实验进行了验证和分析;分析表明,细粒含量是决定宽级配土结构的关键。击实实验显示土中细颗粒含量达到16.52%时,干密度最大;渗透实验也表明此时其渗透性接近细粒土的渗透性;数值模拟表明,细颗粒含量达到22.23%时,孔隙率最小。理论分析和实验研究认为,宽级配砾石土中紧密堆积结构的细颗粒含量上限应为20%,超过这个含量,粗颗粒的骨架作用会被减弱,强度降低。     

粒度分布对胶结砂岩力学特性的影响

储层出砂过程中砂岩颗粒的离散与其细观结构性有密切关系。以胶结砂岩为研究对象,基于三维颗粒流数值模型(PFC3D)建立4种不同粒度分布的数值模型,模拟剪切过程的砂岩力学响应,研究不同粒度分布的砂岩体应力比、体应变、配位数和黏结破坏与轴应变之间的关系。结果表明:粒度分布对砂岩力学特性的影响较大,仅基于随机方法产生颗粒建立的数值模型不能完全代表实际砂岩的物理结构。须根据实测的砂岩粒度分布建立三维数值模型,才能准确描述储层砂岩的力学特性。粒径越小,连接的颗粒越少,自由度越大,开采中成为离散颗粒的可能性越大。     

砂土地基强夯室内模型试验及加固特性分析

为了获取德国莱比锡砂土地基强夯加固特性,采用自行设计的模型试验装置及量测系统,制备3种相对密实度的砂土进行了强夯室内模型试验,每组试验进行24击强夯。强夯过程中测量夯锤速度、位移、动态力、能量释放时间变化,结合PIV(particle image velocimetry)技术分析强夯后砂土颗粒位移结果,得到水平方向和深度方向的有效加固范围发展特性。结果表明:第6、12、18、24击的速度时程曲线在快速下降阶段基本重合,击数越高回弹速度越高、持续时间越短,体现为能量释放时间的不同;对于ID0.4、ID0.5、ID0.7试验组,从第6击到第24击的强夯能量释放时间分别下降38.9%、34.7%、31.4%,在第24击的夯锤位移回弹比分别达到65.3%、67.1%、69.0%;砂土相对密实度越高,夯锤冲击力越大,第6、12、18、24击之间的差别越小;随着夯击次数的增加,夯锤动态力峰值逐渐提高、上行曲线斜率变小,冲击行程逐渐缩短;ID0.4、ID0.5、ID0.7试验组分别在第20、18、15击后,水平方向有效加固范围增长大于深度方向。     

SAGD井微压裂储层渗透率变化规律研究

对超稠油SAGD井储层进行微压裂能够快速建立上下水平井连通,提高启动效率。为了掌握微压裂储层渗透率演变规律及评价微压裂效果,通过实验获取了新疆风城不同物性油砂储层的孔渗参数,研究了油砂的孔隙体积、各向异性及温度对渗透率的影响。实验结果表明,无论是原位还是剪切扩容后的状态,风城陆相油砂的绝对渗透率及水的有效渗透率随孔隙度或体应变的变化均遵从Kozeny Carman或Kozeny Poiseuille方程;同时,该油砂绝对渗透率为水平方向大于垂直方向,而水的有效渗透率则为垂直方向大于水平方向。同时,微压裂的注液温度对水的有效渗透率的影响可以忽略。在此基础上从机理出发探讨了微压裂和注蒸汽循环阶段的渗流差异,进一步运用有限元模拟手段,通过案例计算证实了微压裂模拟过程应采用水的有效渗透率。     

佳县-子洲地区太原组砂体成因及对储层的影响

按砂体的沉积特征和成因,可将鄂尔多斯盆地东部佳县—子洲地区的太原组砂体分为潮汐沟道砂体、河道砂体和潮下砂坝砂体三类。不同成因的砂体,在结构组分、构造、测井曲线和展布形态等方面均有较大的差异,这些特征又明显地影响后期成岩作用类型和强度,从而控制着储层的孔隙类型、物性、分布等特征。研究表明,最有利于储层形成与演化的砂体为潮汐沟道砂体,高的成分和结构成熟度导致胶结作用较强,压实和溶解作用表现不明显,使砂体内保留有相对多的粒间孔和高岭石晶间孔,物性也较好;这类砂体多呈条带状分布于太2时的中、南部地区,该区块的太2段亦是今后重点勘探的区块。河道砂体和潮下砂坝砂体的沉积特征决定了它们的储集性能不及潮汐沟道砂体,且分布局限,属于较差的储集砂体类型。     

不同粒径风化砂改良膨胀土的特性试验

土的粒径对土的压实性、强度以及胀缩特性有一定的影响。为研究不同粒径的风化砂对膨胀土特性的影响及其影响规律,本文结合宜昌市风化砂改良膨胀土特性试验研究,对粒径(d)为0.5mm、0.5mm≤d1mm及1mm≤d2mm的风化砂改良膨胀土进行了无荷膨胀率、收缩、直剪和击实试验,得到不同粒径、不同掺砂比例改良膨胀土的击实、强度和胀缩指标。试验结果表明,掺入风化砂能够有效抑制膨胀土的胀缩特性,改善压实特性,提高膨胀土的强度;掺砂之后,膨胀土的最佳含水率、无荷膨胀率、线缩率、体缩率及收缩系数均降低,最大干密度、内摩擦角、缩限均增大。同一掺砂比例下,随着粒径的增大,膨胀土的无荷膨胀率、线缩率和体缩率均减小;内摩擦角、黏聚力、最大干密度及缩限均增大。同一粒径下,随着掺砂比例的增大,膨胀土的最佳含水率、无荷膨胀率、线缩率和体缩率均降低;缩限和内摩擦角均增大;黏聚力随着掺砂比例的增大先增大后减小。当粒径为1mm≤d2mm和0.5mm≤d1mm时,掺砂20%时黏聚力达到最大值;当粒径为0.5mm时,掺砂10%时黏聚力达到最大值。最大干密度的变化趋势随着风化砂粒径的改变而改变,当粒径为1mm≤d2mm时,最大干密度随着掺砂比例的增加而增大;当粒径为0.5mm≤d1mm时,最大干密度随着掺砂比例的增大先增大后逐渐减小,掺砂30%时,最大干密度达到最大值;当粒径为0.5mm时,最大干密度随着掺砂比例的增大先增大后减小,掺砂20%时,最大干密度达到最大值。     

基于DEM-CFD耦合方法的水合物与砂颗粒运动分析

采用离散元素法(discrete element method,DEM)和计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的耦合方法,对海底水合物中砂颗粒和水合物颗粒运动进行了研究。利用球形颗粒沉降模拟实验验证了耦合方法的可行性,分别分析了单个砂颗粒和单个水合物颗粒运动过程中颗粒位置、速度、受力及角速度的变化规律。结果表明:砂颗粒向容器底部沉降,在到达底部时发生碰撞,同时颗粒发生旋转;水合物颗粒向上运动,颗粒没有发生旋转。最后对颗粒群进行了模拟仿真,结果表明,DEM-CFD耦合法能够模拟大量颗粒运动的复杂流动,并且能从微观尺度分析颗粒受力和运动情况,对水合物颗粒和砂颗粒运动的研究提供了一种可靠有效的方法。     

开口管桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟

利用侧面透明的模型箱和铝管半模桩模拟了开口管桩在砂土中的沉桩过程.分别测量了不同桩径和不同相对密实度开口管桩完全闭塞时的土塞高度.结果表明桩径越大,相对密实度越小,则土塞高度越大.利用高分辨率数码摄像设备观察到了土塞形成的三个阶段,重点分析了土塞内几个特征砂颗粒的移动轨迹和压桩过程中孔隙率和接触数的变化,从细观尺度出发探讨开口管桩沉桩过程中砂土的变形机制和土塞形成机理.利用Geodip软件分析了桩土接触面处的砂粒长轴定向和平均配位数,分析表明,土塞形成过程中颗粒原先的结构被打破以及发生了剧烈旋转,颗粒重新进行分布.在模型试验基础上,通过二次开发PFC2D颗粒流程序对沉桩全过程进行离散元仿真模拟.数值模拟结果表明,PFC2D能够模拟开口管桩从开始刺入砂土到形成土塞并最终呈现闭口管桩性态的整个过程.