砂卵石层隧道离散元细观参数标定及影响规律研究

砂卵石层隧道围岩具有大小颗粒混杂,形状不规则等特点.在进行数值分析时与传统有限元计算差别较大.因此,运用离散元颗粒流软件对砂卵石层隧道围岩进行细观参数标定及数值模拟,通过开展室内试验以及砂卵石层细观参数影响规律研究.结果表明,二维模型和三维模型的细观参数标定结果不同,且相同细观参数情况下,二维模型得到的峰值强度远大于三维模型;颗粒粒径与试样尺寸对于应力应变曲线形态有显著影响,但当颗粒粒径与试样尺寸比值大于1/60时,影响减弱;颗粒形状对于应力应变曲线特征值有较大影响,颗粒越扁平,峰值强度越高,颗粒越接近圆形,则峰值强度越低.通过对砂卵石层围岩进行数字图像处理,得到了砂卵石层围岩的颗粒性状,结合筛分试验和大型三轴剪切试验,标定得到了不同相对密实度及不同含水率情况下的砂卵石层细观参数.     

弹性轨枕对有砟道床宏细观力学特性的影响

为了系统研究列车荷载作用下弹性轨枕对有砟道床力学特性的影响,首先,采用离散单元法建立了考虑道砟颗粒棱角特征的精细化道床模型;其次,结合现场动态测试结果,验证所建模型的正确性;最后,分析了弹性轨枕对道砟颗粒接触力、道砟颗粒摩擦耗能、道砟颗粒运动以及道床变形等行为的影响。研究结果表明：弹性轨枕可以通过弹性垫层的变形从而起到缓冲作用,使列车动荷载分配更均匀,将荷载的分担比降低了5.67%,减小车轮正下方道砟颗粒的受力,减缓道砟颗粒因受力过大而破碎粉化的趋势;弹性轨枕可以降低道床的整体振动,从而降低列车荷载作用下道砟颗粒之间的滑动程度,减缓道砟颗粒摩擦耗能的增长速率,减少道砟颗粒磨耗粉化;弹性轨枕增大了列车动荷载作用下轨道的弹性变形,却降低了道砟颗粒的转动角速度以及道砟颗粒的塑性位移,有助于保持道床的稳定性,减缓道床沉降和变形的速度,延长轨道的使用寿命并降低维护成本。     

描述砂性土宏细观力学关系的数学模型

土体等颗粒材料在外力作用下的细观颗粒层面的力学行为决定着其宏观力学性质。然而,目前已经提出的宏细观本构关系多基于对某一种试验数据的唯象总结,缺乏普适性。根据已有的理论研究成果,基于Hertz接触理论,采用颗粒流离散元程序(particle flow code, PFC^3D)模拟了粒状砂性土的单轴压缩试验,推导了一种更具普适性的描述砂性土宏细观力学关系的数学模型。建立宏观力学响应与细观力学行为的联系,为构建土的本构关系提供了新的途径。     

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。     

细观特征对混凝土力学特性影响试验研究

混凝土材料组分极为复杂,力学性质与其内部细观结构密切相关.为了研究不同细观特征对混凝土力学特性的影响,采用常规三轴压缩试验,对9组27个混凝土试样进行常规三轴压缩试验,对比了胶凝材料类型、骨料种类、骨料含量三种决定细观特征的因素对混凝土力学特性及变形破坏的影响.研究结果表明,水泥胶凝材料的胶结力远强于石膏的胶结力,P.O32.5水泥的胶结力低于P.O42.5水泥;不同类型粗骨料产生不同的混凝土强度,碎石骨料由于其棱角分明,胶结较好,故碎石混凝土拥有较高的强度.同时混凝土强度随粗骨料含量的增加而增加;研究结论可为深入探索混凝土的力学性质提供依据.     

粗粒土堆积体塌滑特性试验与数值研究

基于室内物理模型试验,研究粗颗粒土沿斜面塌滑、蔓延和堆积的整个运动过程;分析粗粒土堆积体初始状态、颗粒粒径、斜面倾角等因素对塌滑体的最终堆积状态参数(主要包括冲程,最大堆积厚度及其位置)的影响.基于离散单元数值分析方法,采用颗粒流程序软件,编写粗粒土堆积体塌滑运动的模拟程序,开展粗粒土堆积体塌滑过程的研究,数值模拟与室内试验结果基本一致.研究结果表明:堆积体最终状态几乎不受初始状态的影响;斜槽倾角对堆积体滑落稳定后最大堆积厚度所在水平位置影响较大,根据数值计算结果,拟合出斜槽倾角与最大堆积厚度所在水平位置的关系式;斜槽倾角对最终堆积形态有着较大的影响;随着斜槽倾角和粒径的增大,堆积体的冲程、最大堆积厚度的位置与坡角的距离增大,最大堆积厚度减小.     

可燃冰沉积物宏细观力学特性真三轴试验离散元模拟

为了研究孔隙填充型可燃冰沉积物在复杂应力状态下的力学特性,采用三维离散元法对孔隙填充型可燃冰沉积物试样进行在不同平均应力、不同中主应力系数下的真三轴压缩模拟试验,研究平均应力和中主应力系数对宏、细观力学性质的影响以及细观力学机制的演化与宏观力学特性的联系。结果表明:平均应力的取值主要影响可燃冰沉积物的峰值强度;大、中、小主应力以及大、中、小主应变受到中主应力系数的取值影响较大,其变化趋势与颗粒接触的强接触组构主值表现出良好的相似性;在三向应力不等的情况下,可燃冰沉积物的破坏强度符合Lade-Duncan准则;随着中主应力系数逐渐增大,XY平面上的法向接触力更倾向于朝着中主应力方向发展。     

土石坝砂卵石作坝壳料土工试验的研究

结合正在施工的,采用砂卵石作坝壳料某水电站这一项目,通过系统的土工试验,对该砂卵石填筑料的级配、压实、渗透和强度等物理力学性质进行了研究;并通过理论分析和工程类比,对砂卵石作坝壳堆石料时的工程特性作出了评价.经综合评价,该砂卵石料为工程特性良好的坝壳填筑料,对类似的工程实践具有重要参考意义.     

CDC-16道岔捣固车对有砟道床作业的宏细观力学行为的影响

道岔是实现列车转线的关键设备,是铁路轨道的三大薄弱环节之一,定期进行捣固养护作业是保障列车安全运营的重要手段。但目前针对道岔捣固作业主要依赖实践经验,缺乏理论依据。为研究捣固作业对道岔区有砟道床力学特性的影响,首先,基于DEM-MBD耦合算法,建立CDC-16捣固车捣固装置-钢轨-轨枕-有砟道床仿真模型,实现道岔区捣固作业的有效模拟;其次,开展现场横向阻力试验,验证模型的正确性;最后,分析捣固作业前后道床阻力特性、轨枕竖向位移及道床支承刚度的变化规律,探讨捣固作业次数对有砟道床质量状态的影响。研究结果表明：捣固作业后道床横向阻力降低32.40%,纵向阻力降低28.13%,支承刚度降低86.23%;捣固作业不会改变枕侧、枕底和枕端3部分对纵横向阻力的贡献排序,但对枕侧区域的分担比影响最大;随着捣固次数增加,在一定范围内道床纵横向阻力和支承刚度提升较明显。综合考虑有砟道床质量状态、力学特性以及大机作业效率,建议对道岔区尖轨位置捣固作业以2～3次为宜。     

不同供给源下的粗粒土水盐迁移特性分析

为探究不同供给源下的粗粒土水盐迁移时空分布特性,根据新疆盐渍土地区的实际工况,选择氯盐为研究对象,掺配3种不同细粒掺量的粗粒土,开展不同压实度与不同供给源组合的粗粒土水盐迁移试验,分析在不同供给源下,细粒掺量与压实度对粗粒土水盐迁移时空分布的影响。结果表明：随着细粒掺量由10%、20%、30%依次递增,水盐迁移趋势逐渐显著;压实度对水盐迁移的影响会因供给源的不同而不同;盐溶液供给源下的水盐迁移速率较小,但迁移高度较高;盐渍土供给源下的水盐前期迁移速率较大,但后期迁移速率有所减小。盐溶液供给源宜选用细粒掺量少的粗粒土进行换填,并尽可能提高压实度;盐渍土供给源的盐渍土部分宜适当降低压实度,换填非盐渍土宜选用细粒掺量为20%左右的粗粒土并提高压实度,由此控制水盐迁移水平。研究成果可为粗粒盐渍土路基结构设计提供一定的理论依据和技术支持。     

基于不同密度与含水率下的砂卵石强度参数研究

砂卵石土在我国大量分布,然而砂卵石土的颗粒离散性以及卵石几何分布的随机性使得其力学特性异常复杂。为反映其在不同应力状态下的变形强度特性,通过室内大型三轴试验,对不同含水率和密度的砂卵石土进行研究。试验结果表明:1不同含水率和密度的砂卵石土的应力应变关系表现为应变硬化型,随着围压的增大,砂卵石土的初始模量变大;2含水率相同时,砂卵石土的密度越大其内摩擦角越大,黏聚力越大;3砂卵石土的内摩擦角与黏聚力随着含水率的变化呈二次抛物线型变化,并且均有突变现象,内摩擦角在含水率为6%左右时最小,黏聚力则最大。     

再生粗集料对混凝土性能的影响

为了研究再生粗集料的强度和砂浆附着率对混凝土性能的影响,采用对比试验,以再生粗集料的强度和砂浆附着率为变量配制C50强度等级混凝土,并对C50混凝土的工作性、强度和耐久性进行研究．结果表明,再生粗集料砂浆的附着率对再生粗集料的基本性质影响比较显著．再生粗集料的砂浆附着率对混凝土强度的影响变化不大,而对混凝土的塌落度、碳化深度和电通量影响比较显著．     

二级配骨料随机分布混凝土动态特性数值模拟

混凝土是民用、工业、安全防护等建筑中最常用的材料之一,具有抗压强度高、工艺简单、抗腐蚀性好、抗耐性优良等特点。在使用过程中,不仅要承受准静态荷载作用,还需考虑爆炸、冲击等动载荷的作用,因此有必要进行混凝土动态特性研究。利用ANSYS/LS-DYNA软件,对粗骨料粒径和体积含量不同二级配混凝土动态特性进行模拟,分析粗骨料粒径和体积含量对二级配混凝土动态特性影响规律。研究表明:随着粗骨料最大粒径的增加,二级配混凝土峰值应力呈下降趋势;随着粗骨料中间粒径和体积含量增大,二级配混凝土峰值应力均呈现先增大后减少趋势。     

含粗骨料超高性能混凝土力学性能研究

针对超高性能混凝土(UHPC)胶凝材料用量大,前期成本高等问题,通过在UHPC体系中掺入粗骨料,用河砂代替石英砂,成功制备了具有优异力学性能的含粗骨料UHPC,并通过试验研究了粗骨料掺量以及钢纤维几何参数对含粗骨料UHPC力学性能的影响.结果表明:随着粗骨料掺量的增加(0~800kg/m3),UHPC抗压强度先增加后下降,静力受压弹性模量几乎呈线性增加;粗骨料掺量为0~400kg/m3时,UHPC抗弯拉强度和初裂强度变化较小,粗骨料掺量为400~800kg/m3时,UHPC抗弯拉强度和初裂强度明显下降;随着粗骨料掺量的增加(0~800kg/m3),UHPC弯拉荷载-挠度曲线变化明显,弯曲韧性明显下降,但均存在应变硬化过程;随着钢纤维长度增加,UHPC的抗压强度、抗弯拉强度以及弯曲韧性均增加,但是静力受压弹性模量和初裂强度变化较小.     

含水率对非饱和砂土力学特性影响的试验研究

使用WF循环单剪试验系统,对不同法向应力、不同含水率的非饱和砂土在单向剪切作用下的力学特性进行了系统的试验研究.砂土含水率为5.4%~25.4%,法向应力为25~300kPa,主要考察含水率、法向应力对非饱和砂土力学特性的影响规律.试验结果表明:存在一个临界含水率,当非饱和砂土含水率大于该临界含水率时,其剪切应力-剪切位移关系将由双曲线函数变为双折线函数.当非饱和砂土含水率小于临界含水率时,非饱和砂土的抗剪强度随含水率增大变化幅度较小.当含水率高于该点后,抗剪强度随含水率增大急剧降低.含水率对土的黏聚力、内摩擦角、剪胀性等力学特性具有重要影响.     

沥青路面压实力学特性的仿真分析

为突破常规数值方法基于连续性的理想假设,采用离散单元的方法,从细观力学角度对沥青路面碾压的过程进行了数值仿真。模拟了由压实载荷引起的混合料颗粒接触力场,分析了其受力的分布规律,从而揭示沥青路面的压实机理。从仿真结果来看,研究准确再现了压实轮和混合料颗粒相互作用性状的定性和定量结果,具有一定的理论与工程意义。     

3D打印粗骨料混凝土力学性能

研发了一种可以连续、稳定的打印最大粒径10 mm的粗骨料混凝土3D打印系统。对比测试了3D打印粗骨料混凝土与浇筑混凝土的力学性能,发现3D打印粗骨料混凝土抗压强度呈现细微的各向异性特征(差异在5%以内),而抗折强度呈现显著的各向异性特征(差异在20%～25%之间);与浇筑混凝土相比其抗压强度降低10%～15%,垂直于打印方向的抗折强度(F_y与F_z)降低10%～15%,平行于打印方向的抗折强度(F_x)降低30%～35%。通过微观结构分析发现,3D打印粗骨料混凝土的总孔隙率与浇筑混凝土总孔隙率相近,但3D打印粗骨料混凝土存在明显的层间薄弱区,其灰度值比平均灰度值低25%,说明在层间薄弱区的孔隙分布更加密集,3D打印混凝土中体积在10 mm³以上的大孔隙率较浇筑混凝土高出10.6%。特有的层间结构和较高的大孔隙率导致3D打印混凝土力学性能的各向异性特征和强度的降低。对比发现,3D打印粗骨料混凝土的水泥用量比以往研究中3D打印砂浆的水泥用量减少17.8%～49.6%。     

母岩性质对粗颗粒材料动力特性影响试验研究

母岩的性质是影响粗颗粒材料动力特性的重要因素.母岩强度越高,对应的动弹性模量值越大,动永久变形量越小;棱角明显的堆石料在动荷载的作用下较浑圆度较好砂砾石料易产生颗粒破碎,使得其动弹性模量值产生一定的降低,而动永久变形量则产生相应的增加;母岩强度和形状的变化对其动力特性的影响随着围压的提高会变得越来越明显,因此对于高土石坝选用母岩强度高、颗粒浑圆度较好的粗颗粒料作为坝体填筑材料是控制坝体在地震荷载作用下变形、提高坝体整体抗震能力的一种简便易行的方法.     

树脂添加量对壳型覆膜砂热性能的影响

本文研究了树脂量对壳型膜覆砂热性能的影响,指出树脂量对壳型覆膜砂热性能的影响是通过树脂膜厚和砂粒间粘结膜接触点数目的改变来实现的.在试验条件下(使用70/140硅砂,树脂添加量约为3%),树脂膜厚在2μm左右有较好的综合性能.     

Si含量对TiAlSiN纳米复合涂层的微观结构和力学性能的影响

采用不同Si含量的TiAlSi复合靶,在Si基底片上用射频磁控溅射工艺沉积了TiAlSiN纳米复合涂层,采用X射线衍射仪（XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和纳米压痕技术研究了Si含量对TiAlSiN涂层的微观结构和力学性能的影响.结果表明：TiAlSiN涂层内部形成了Si₃N₄界面相包裹TiAlN纳米等轴晶粒的纳米复合结构.随着Si含量的增加,TiAlSiN涂层的结晶程度先增加后降低,涂层内部的晶粒尺寸先减小后趋于平稳,涂层的力学性能先升高后降低.当Si与TiAl原子比为3：22时获得的最高硬度和弹性模量分别为37.1 GPa和357.3 GPa.