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。     

砂土单调剪切力学性状的颗粒流模拟

利用离散单元法中的二维颗粒流方法(PFC2D),采用了两种不同接触刚度模型对福建标准砂常规三轴试验结果进行了细观数值模拟,并探讨了不同围压水平下两种接触刚度模型的适用性.研究结果表明:对于Hertz-Mindlin接触模型,细观剪切模量影响数值试样的宏观变形模量,颗粒摩擦系数影响试样的峰值强度,细观泊松比变化对试样宏观响应影响不大.当考虑一个确定围压水平下的三轴试验模拟时,两种接触刚度模型均能得到较理想的结果;而当考虑不同围压条件时,由Hertz-Mindlin接触模型得到的结果要比线性接触模型更加符合实际砂土的性质.     

初始组构影响砂土直剪力学性状的数值模拟

文中基于PFC2D 非圆颗粒单元的二次开发,通过制备两种不同初始颗粒定向的数值试样,分别为水平定向(H试样)和竖直定向(V试样),研究了初始组构对砂土直剪力学性状的影响.数值试验过程在对比分析两种不同颗粒定向试样直剪宏观力学响应的同时,从颗粒尺度层面探讨了不同颗粒定向试样的初始组构特征,揭示了初始组构影响砂土直剪的细观力学机理.结果表明,颗粒竖直定向的试样其抗剪强度要高于水平定向试样,在细观机理上不同颗粒定向试样的初始平均接触数有关.     

基于离心模型试验的砂土管涌特性研究

根据离心模拟技术的特点,运用自行研制的离心模拟试验装置,对几种不同颗粒组成的砂土进行了1g重力加速度和Ng离心加速度下的室内管涌试验.在相同试验容器内进行相同颗粒含量、相同密度和相同尺寸的砂土常规试验和离心模拟试验.砂土离心模拟试验结果表明:离心模拟技术可以用来模拟砂土的管涌特性;砂土在Ng离心加速度下的临界水力梯度与1g重力加速度下的临界水力梯度之比为0.8~1.0.     

基于PFC~(3D)的无黏性土渗流临界水力梯度模拟分析

为了实现渗流作用下无黏性土临界水力梯度的计算,应用PFC3D中的渗流模型,对渗流实验算例进行了数值计算模拟,计算结果与实验结果基本吻合,说明该模型用来模拟渗流问题是正确和有效的.对不同颗粒摩擦系数下的无黏性颗粒模型进行了渗流破坏的数值模拟.结果表明:无黏性土的渗流临界水力梯度随着颗粒摩擦系数增加而增大;计算结果与使用经验公式计算所得到的结果基本一致,表明了对渗流临界水力梯度模拟计算的正确有效性.而相较经验公式,应用PFC3D进行渗流数值计算适用于更为复杂的工程和地质条件,因而具有更强的适用性,可为复杂条件下的渗透稳定计算提供可靠的参考和依据.     

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.     

砂土中压力分散型锚索锚固机理研究

岩土锚固机理的研究在很大程度上依赖于对材料细观力学特性的分析。通过室内模型试验和数字图像变形测量技术,分析了不同砂土密实度、锚杆埋深、锚片间距及锚片数量下的压力分散型锚杆上拔过程中上拔力-位移关系曲线特征,并从细观角度分析了压力分散型锚杆在不同工况下的锚周土体变形和破坏机制。以颗粒流理论为基础,建立了压力分散锚杆锚固性能的颗粒流数值模拟模型。通过数值模型试验,分析了压力分散锚杆在荷载作用下砂粒的细观力学特性,如应力、位移和孔隙率。通过与室内模型试验结果相对比,验证了数值模拟的正确性,并通过对锚杆埋置深度、砂土密实度等因素的分析,探讨了影响压力分散锚杆锚固性能的一些因素。     

土的室内平面应变试验的颗粒流模拟

作为颗粒理论实际应用的前期可行性研究，针对具有凝聚力和无凝聚力的两类典型的内摩擦地质材料粘性土与砂土进行了材料试样室内平面应变试验结果的颗粒流PFC^2D仿真。对比研究表明利用颗粒流理论所建立起来的PFC^2D数值仿真试验模型是能通过改变计算模型中颗粒单元的性质，以及颗粒集合体的级配特征等给出与真实材料土工试验类似的本构行为的。这种可行性最根本的意义在于基于颗粒流理论的数值仿真试验能够突破常规土工试验在仪器设备能力及试验条件上的局限性，对实验土样的本构行为作出理论方面的某种预测。此外针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究，并揭示了一些规律。这些工作对颗粒流理论在岩土工程实际应用方面的研究和开发有一定的参考价值。     

饱和砂土液化过程中细观组构的模型试验研究

采用室内振动台模型试验对液化过程中饱和砂土颗粒的细观组构进行研究.分析了砂土颗粒在液化破坏过程中颗粒长轴方向、平均配位数、孔隙率的演化规律及其与宏观现象之间的联系.应用表征上述量的组构参数分析了砂土的诱发各向异性,指出在循环荷载的作用下,砂土颗粒不断重新排列定向以适应新的应力状态,导致累积配位数的丧失、孔隙率增大,继而导致液化的发生.研究成果对于揭示砂土变形(液化)的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有重要意义.     

粘性土平面应变试验颗粒流模拟可行性研究

对四组PFC^2D的数值仿真结果和粘土试样室内平面应变试验的实测曲线进行了对比，研究表明利用颗流理论所建立起来的PFC^2D数值仿真试验模型是能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质颗粒集合体的级配特征等，针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究，并揭示了一些规律。     

欧拉颗粒流模型下的近床面风沙跃移速度分布特征

风沙运动中沙粒速度是风沙物理学研究的重要内容,为反映风沙流运动中沙粒相浓度变化及沙粒的速度分布,从多相流的角度出发,运用二维欧拉颗粒两相流模型对风沙的流动过程进行模拟.通过对比实验中沙粒的体积浓度随高度的变化,验证了模型的准确性,并在此基础上对沙相的运动信息进行统计分析,得到近床面风沙流的沙相速度分布.统计结果表明:在风沙跃移过程中,沙粒体积分数随高度的变化呈指数衰减,并在近地面附近出现浓度饱和层,饱和层沙粒体积分数的数量级为10-7,且在饱和层上方浓度衰减加快.通过对体积分数大于等于10-7的沙粒速度信息进行统计,得到不同时刻沙相速度分布,并给出相应的速度分布概率密度函数.     

室内实验规模的出砂数学模拟

为了研究疏松砂岩的出砂特征,根据连续性孔隙介质渗流、微粒释放和微粒运移理论,建立了室内实验规模的出砂数学模型,并采用有限差分法对该模型进行了求解。结果表明,实验条件下数学模拟与物理实验模拟的结果吻合较好。用理论出砂模型模拟了胶体力、水动力导致的出砂和砂粒运移过程中滞留引起的渗透率变化。模拟结果表明,渗流速度高于临界流速才引起冲刷出砂;胶体力和冲刷力是出砂的诱发因素,砂微粒在运移过程中在孔隙表面再沉积和孔喉处被捕集将降低出砂程度;渗透率比值与注水孔隙体积倍数或渗流速度的关系曲线均呈"S"形;在运移过程中,砂微粒滞留导致渗透率比值随岩心长度的变化呈线性降低趋势。     

带电沙尘对微波传播特性的影响

根据Rayleigh近似下带电球形粒子的前向散射振幅函数,给出了指数分布模型下的带电沙尘粒子引起微波的衰减和相移计算模型,并对其正确性经行了检验。仿真结果表明,带电沙粒比不带电沙粒对微波信号衰减的影响明显增大,带电沙粒所带表面电荷越集中,对微波的衰减影响越大,且衰减随能见度的增大而减小;电磁波频率、沙尘的含水量及所带电荷的荷质比对衰减和相移影响明显。     

计算砂岩出砂临界压力梯度的新方法

摘要：将毛管束模型引入到出砂问题的研究中来,同时考虑了表皮效应,建立了出砂毛管束物理模型,该模型能够将复杂的多孔介质固液耦合问题转化为宏观的管流流动问题,通过分析砂岩颗粒在毛管束中的受力和运动,建立了砂岩出砂数学模型,分析了出砂过程动态机理,推导了出砂临界压力梯度公式,该公式从理论上对出砂问题进行了定量表征。敏感性分析表明：随着表皮和表皮厚度的增大,临界压力梯度增大;随着砂粒半径的增大,临界压力梯度也随之增大。为了验证公式的有效性,设计了砂岩出砂物理模拟实验,结果表明平均误差为16%,和实验符合较好。     

粗砂直剪试验与离散元细观机理分析

为了研究了粗砂的临界状态及临界状态下颗粒的运动规律,利用室内大型单剪试验设备以及颗粒流软件PFC2D,对粗砂进行了等体积条件下的单剪试验与数值模拟。室内试验结果表明,粗砂的临界状态摩擦角为36.4°~37.4°,在本次试验条件下,初始正应力、初始相对密实度对临界状态摩擦角基本无影响;数值模拟结果显示,发生较大速度、位移、旋转量的颗粒均位于剪切带范围内,剪切过程接近临界状态时,剪切带内的颗粒累计旋转量分布趋于稳定即在临界状态下,剪切带内颗粒的旋转量非常小;剪切带的宽度约为45倍的平均粒径。     

大涡结构在有压梯度边界层流中的演化机理

采用直接数值模拟方法,研究大涡结构在不同压力梯度作用下的非线性演化特征.计算结果表明:在逆压梯度条件下,大涡结构幅值快速增长,形成很强的流向涡结构,雷诺应力迅速增加,这可能导致猝发现象的产生;与此相反,在顺压梯度边界层流中,大涡结构很难被激发起来,易于流体流动趋于稳定状态.这些结论与某些理论和试验结果一致.     

气举输沙工作特性的实验研究

以BHM采矿工具中的核心部件气举为研究对象,设计了小型气举输沙装置.选择河沙模拟井下矿层,并引入水射流喷嘴研究气举底部吸口与沙床表层距离H对气举工作特性的影响规律.结果表明:水射流喷嘴布置方式和H对气举工作特性会产生显著影响,通过合理调整这些参数,可以实现最大排沙量的有效控制.另外,对气举提沙的临界情况进行分析发现,在定浸入率下,提升液体对应临界气量值Qgl相同,均为16.5m3/h;提升固体对应临界气量值Qgs随水射流喷嘴个数N’增加而单调递减,但随H(H>0)单调增加.本研究结论对工程应用具有较强的指导意义.     

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model, MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。     

水玻璃旧砂中的Na_2O

水玻璃砂铸型因受不同温度的作用，其断面浇注后变成７种不同的颜色．通过对７种不同色层旧砂的再生处理、化学分析和电性能测试，揭示了水玻璃砂型中的Ｎａ２Ｏ经高温浇注后的行为、在旧砂中的分布及其对水玻璃砂再生和再生砂性能的影响     

渗流作用下的岸坡泥沙起动条件

考虑渗透力作用,分析坡面泥沙受力特点,推导出岸坡均匀沙的起动条件和临界切应力计算公式,并采用不同渗流比降和不同水流方向的算例,以及长江中下游典型岸坡的实例,对渗流作用作出了定量分析。结果表明,泥沙起动流速曲线存在明显的转折点,可以解释崩岸的突发性;向坡外的渗流将大幅降低岸坡泥沙起动条件;冲刷水流方向也影响泥沙起动流速,在接近零流速破坏坡角时影响显著。