交通荷载作用下粗粒土高路堤动力特性分析

为了研究粗粒土高路堤在长期交通荷载作用下动力响应特性及应力场演变规律,基于相似理论,进行室内动力模型试验。试验中,将交通荷载按比例进行缩减,通过动力模拟装置施加在路堤模型上;利用MIDAS/GTS软件建立粗粒土高路堤数值模型,通过模型试验结果与数值计算结果对比分析,探讨粗粒土高路堤在交通荷载作用下的动力特性。研究结果表明:路堤产生的动应力、位移能表征轴载相互叠加的特性;在路堤同一深度处,交通荷载对车轮正下方的路堤土体动应力响应影响程度最大,车辆载重对路堤影响程度显著高于车速对路堤的影响程度;在路堤不同深度处,动应力出现明显滞后,动应力曲线呈非线性衰减变化特征;路堤在循环荷载作用下,累积变形规律分为平缓增加、急剧上升、缓慢上升和趋于稳定阶段。     

强夯作用下边坡动力响应模型试验和数值模拟

针对坡顶强夯动力作用下边坡地基加固机理问题,开展了室内模型试验和数值模拟研究。在试验中控制锤重和落距,分组测试在强夯过程中天然边坡的变形特性和动力响应特性,结合夯击塑性区概念解释强夯过程中的加速度变化机理,并结合数值模拟对试验结果进行进一步讨论。结果表明：夯击落点中心形成椭圆形有效加固区域,夯击对土体振动的有效影响半径小于3倍锤径;夯沉量与加速度值在最初3次夯击后趋于稳定;在相同强夯能级下,锤重对夯击点夯沉量的影响较落距更为显著,即“重锤低落”优于“轻锤高落”;坡顶夯击主要影响坡顶安全性,造成坡顶和坡中的水平位移显著增加,对坡脚影响较小。研究成果可为边坡地基加固方案设计及施工工艺控制提供参考依据。     

强夯法研究现状分析

在对强夯法简要介绍的基础上,文章从有效加固深度、振动环境分析、数值模拟、强夯时夯锤跟土体之间的接触应力和土中的应力分布、强夯前后土体的性状变化等方面对强夯法的研究现状进行了分析总结,首次对强夯的冲击特性、强夯时被加固土体的性状、夯锤跟土体的作用时间、土体服从的本构模型以及波动能量等方面进行了总结,最后讨论了强夯的研究方向.     

基坑开挖变形的颗粒流数值模拟

采用基于散体介质特性建立的颗粒流细观力学数值方法,通过二次开发对重力式搅拌桩围护基坑的开挖过程和宏细观力学响应进行了研究.结合具体工程,基于相似理论建立了基坑的数值模型,通过双轴试验确定了土的细观力学参数,将土体细观结构特征和宏观力学响应联系起来,重点分析了开挖过程中基坑外土体沉降、基坑内土体隆起及围护桩水平位移等变化规律,模拟结果与实测结果具有较好的一致性,初步验证了用颗粒流方法模拟基坑开挖的可行性,也为从微细观角度研究围护结构和土相互作用机理提供了新的途径.     

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。     

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.     

高填方地基强夯处理的颗粒流模拟及其横观各向同性性质

山区机场高填方地基一般采用强夯施工填筑而成,其填料通常为土石混合料。其中碎石料往往由爆破开采得到,其形状不规则,而土料的加入使其密实特性与纯碎石料又有所不同。针对高填方地基的上述特点,该文对长条形碎石颗粒采用颗粒流软件PFC3D进行土石混合料地基的强夯模拟。为研究颗粒形状和细粒含量对强夯效果的影响,同时建立了椭球形颗粒模型和球形颗粒模型作为对比模型。首先研究了强夯冲击荷载作用下的重锤响应及地基内部动应力的分布和变化规律,并给出了强夯过程中的夯沉量和孔隙比的变化,采用孔隙比变化量表征强夯效果。其次对强夯前后地基土取样进行不同大主应力方向的三轴剪切实验模拟,对比强夯前后土体性质,并统计了三维组构参数来研究强夯后土体的横观各向同性性质。结果表明:长条形颗粒的土石混合料强夯密实效果最显著;长条形碎石地基经强夯后呈现明显的横观各向同性性质,竖直方向较水平方向模量及峰值强度明显要大,而采用球形颗粒时土体保持各向同性。该文可对进一步研究强夯下高填方填料的横观各向同性本构模型提供有益的参考。     

铁路基床翻浆冒泥病害成因的细观机理分析

基于朔黄铁路基床填料动力响应特性试验数据,建立PFC2D饱和粗颗粒土动三轴数值模型,选用线性黏结颗粒接触反映粗颗粒土的黏结特性,从细观力学和几何学角度研究翻浆冒泥病害形成的细观机理。结果表明:该数值模型能较好地反映粗颗粒土的动力响应特性。振动荷载通过改变土体颗粒与颗粒之间的接触荷载,破坏颗粒间的黏结键,形成自由颗粒和孔隙,造成基床软化,并最终形成翻浆冒泥病害。围压和土体颗粒间黏结作用越小,试样越容易发生软化,形成翻浆冒泥病害,基床强化应从改善基床表层和道床的围压状态以及提高颗粒间的黏结强度两方面采取措施。     

粗粒土大型静止侧压力系数测定试验的颗粒流模拟

静止侧压力系数K_0是粗粒土重要的力学参数。采用基于离散元理论的颗粒流数值分析和室内试验相结合的方法,建立了粗粒土大型静止侧压力系数试验的三维颗粒流模型,模拟结果与室内试验具有良好的一致性。在总结数值试验结果的基础上,分析了粗粒土的位移和力链的细观变化过程,并研究了不同竖向应力下细观参数与K_0的关系曲线,探讨孔隙率、颗粒摩擦因数、切向刚度、法向刚度等参数对粗粒土K_0的影响规律,并建立了细观参数和粗粒土K_0的函数关系。结果表明:相同竖向应力下试样K_0随着孔隙率的增大逐渐增大,但增大趋势趋于平缓;试样K_0与摩擦因数存在线性负相关关系;在相同竖向应力下,试样法向接触刚度越大或切向接触刚度的越大时,K_0越小。     

基础承载力分析中土体流动机制的细观分析

介绍了颗粒体非连续变形分析方法的基本原理.采用自行研制的颗粒体非连续变形分析程序对基础(浅基础与深基础)极限承载力分析中的土体流动机制进行了细观上的数值模拟.并与模型试验以及经典滑移线法的结果进行了比较,数值模拟的结果再现了模型试验中的土体极限状态下的流动机制,为研究土体极限状态下的细观分析提供了一条途径.     

非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下的细观力学响应

为了研究非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下的细观力学性质,进行了非饱和粗、细颗粒混合土动三轴的离散元数值分析。根据室内动三轴试验结果标定PFC2D接触模型参数,进行非饱和粗、细颗粒混合土动三轴离散元模拟,分析其细观力学机理。结果表明:离散元模拟结果与室内试验结果曲线拟合度基本一致,能较好地反映非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下力学特征。相同含水率条件下,粗、细颗粒混合土的累积动应变随动应力幅值的增加而增大;随围压的增加先小幅度增大后再大幅度减小。孔隙度随动应力幅值的增大而减小;随围压的增大也减小。试样颗粒在剪切过程中,上下端运动速度最大,整体呈现对称递减状,中部运动速度最小。     

离散单元法分析隔振沟引起的强夯变形和应力变化

为有效分析隔振沟对强夯引起的土体变形和应力的影响, 基于二维离散元法理论和已有的砂土地基强夯离心机试验, 建立了强夯的地基处理模型, 研究了隔振沟深度和位置对地基表面隆起的影响, 从颗粒尺度方面对隔振沟外 3 m 范围内的应力变化进行了探讨. 结果表明: 隔振沟可以有效减小地基表面的隆起变形, 但隔振沟位置和深度对地表的隆起变形影响较小; 隔振沟对应力变化的影响随观测点深度的增加逐渐减小, 当深度达到地面以下 4 m 时, 隔振沟的设置对远离震源一侧监测点处的应力变化影响很小.     

强夯法处理风成砂地基的数值模拟分析

采用ANSYS/LS-DYNA程序建立三维有限元模型,对强夯法处理风成砂地基的过程进行了数值模拟,分析了风成砂地基的沉降、应力、塑性应变时程曲线等的变化特征,对强夯加固风成砂地基的机理进行了探讨.分析表明,所采用数值方法适用于风成砂地基的强夯处理模拟,同时关于强夯加固风成砂地基的机理得到一些结论,可为工程实践参考.     

Discrete Element Simulation of Collision-Rich Dynamics of Wet Granular Flows Down an Inclined Channel

This paper proposes a numerical scheme that employs the discrete element method (DEM) to simulate the motion of a wet granular flow down an inclined channel. To account for the liquid influences on the dynamics between paired particles, this paper presents a wet soft-sphere contact model with liquid-modified parameters. The developed scheme takes full advantage of DEM and avoids the expensive simulation of the solid-liquid interactions with conventional Navier-Stokes equation solver. This wet contact model has been implemented in an in-housed parallel discrete objects simulation system - KNIGHT and ANNE/IRIS to compute the dynamic behaviors of both dry and wet granular particles flowing down an inclined channel.     

重复荷载作用下粘性路基土的永久变形预估

利用室内重复荷载三轴试验,研究了在含水量、压实度和偏应力影响下粘性路基土的永久变形特性,并以Tseng-Lytton路基土永久变形预估模型形式为基础,对Tseng-Lytton模型进行了改进和标定,建立了粘性路基土的永久变形预估模型;最后利用分层应变总和法,并结合一个典型粒料柔性基层沥青路面结构实例,计算了路基土的永久变形量.     

强夯处治粉煤灰路基的显式动力非线性数值模拟

基于显式动力非线性有限元分析方法,利用ANSYS/LS-DYNA软件对强夯问题进行分析,得出了显式动力非线性数值模拟方法的一般步骤.结合某路基强夯实例建立三维立体模型,对碰撞过程进行数值模拟,得到了强夯加固范围及夯后土体的应力场、位移场.通过与现场实测数据的比对,验证了显式动力非线性有限元数值模拟方法在强夯问题中的适用性.在此基础上,研究和探讨了岳阳地区强夯处治粉煤灰路基中的夯锤参数选取问题,分析比较了夯后土体的沉降,结果表明同能级下重锤低落距有更好的加固效果.     

非规则颗粒与滚筒球磨机相互作用的离散元–有限元耦合分析

非规则颗粒形态显著影响球磨机中颗粒材料的运动行为，同时对球磨机结构产生不同的力学响应。采用超二次曲面方程描述非规则颗粒材料，并发展了离散元（discrete element method,DEM）–有限元（finite element method, FEM）耦合算法以分析非规则颗粒材料与滚筒球磨机间的相互作用。在该算法中，滚筒球磨机被划分为一系列四边形单元，并且超二次曲面颗粒与球磨机间的接触判断可转化为超二次曲面颗粒与四边形单元间的接触判断。将计算得到的碰撞力向节点插值，该节点力作为载荷条件在有限元中进行隐式动力学求解，并通过求解颗粒运动方程和有限元动力方程实现颗粒运动更新和结构力学响应分析。进一步分析了滚筒球磨机中球体、圆柱体和立方体颗粒材料的运动行为以及滚筒球磨机的变形及应力分布规律。研究结果表明：颗粒形状显著影响球磨机研磨效果和球磨机结构位移；立方体颗粒具有最好的研磨效果，而圆柱体颗粒比球体颗粒具有更好的研磨效果；在结构位移上，立方体颗粒有最大的峰值位移，其次是圆柱体和球体颗粒；相比于规则的球体颗粒，超二次曲面颗粒有不规则的表面形状，这会导致更好的研磨效果和更大的结构位移。     

地震动斜入射下层状岩体隧洞接触响应分析

为研究层状岩体对隧洞地震响应的影响,考虑地震动斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性,建立一种层状岩体水工隧洞地震动力响应数值模拟方法.首先,基于三维黏弹性人工边界条件和波场分解理论,将地震动转化为作用于人工边界上的等效节点力,建立了一种层状岩体中地震动三维空间斜入射输入方法.其次,针对地震作用下层状岩体层间动力相互作用特点,建立了一种考虑接触面黏结滑移特性的动接触力算法.将该模拟方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算,对比分析地震动竖直入射、地震动斜入射、地震动斜入射且考虑动接触3种工况的计算结果,结果表明,地震作用下隧洞结构的应力和位移响应受地震动入射角影响明显;层间剪切、挤压破碎带的存在加剧了隧洞的地震反应,接触面附近破坏区发展较大;考虑接触作用后,衬砌腰部的应力和位移响应相比顶拱较大,首先发生开裂损伤破坏,成为水工隧洞衬砌结构抗震设计的薄弱部位,隧洞结构的损伤区主要分布于软岩穿过部位和层间接触部位.     

强夯参数对夯击效果影响的室内模型试验研究

为了研究强夯法的加固机理和强夯过程中土体的变形规律,专门设计了半模试验箱和用于测试动应力的微型土压力盒,采用半圆形夯锤,进行强夯法加固粉土地基室内模型试验.分析夯击次数、落距、能级和锤径等参数变化时,土体内部动应力和位移的变化规律,研究各种参数变化对强夯加固效果的影响.试验结果表明:在能级一定时,单击夯沉量和影响深度随着夯击次数的增加而逐渐减小,累积夯沉量和影响深度随着夯击次数的增加而逐渐增加;在不同能级作用下,随着落距的增大,影响深度总体是在不断地减小;夯坑深度和影响深度都随着能级的增加而逐渐增大,影响深度与夯坑深度比值介于3～4之间;影响深度随着锤径的增大而减小,影响宽度则随着锤径的减小而有所增大.