双层堤基条件下管涌逸出的颗粒流模拟

基于颗粒离散元理论,结合实际工程中的双层堤基管涌对管涌口颗粒逸出问题进行仿真模拟。基于颗粒流程序平台PFC2D(Particle Flow Code in Two Dimension)建立了管涌口附近地层的数值模型,通过模拟实验确定了颗粒参数,分别采用线性接触刚度和平行粘结本构模型定义黏土层和砂性土层的接触模型。通过与水的耦合作用,得到管涌口从发生到扩展的管涌演化全过程。采用FISH语言开发程序,分别得到其流失量、孔隙率、流速等参数并进行分析。宏观方面的研究结果表明,采用颗粒流模拟的结果与实际管涌的宏观现象基本吻合;细观方面,管涌颗粒在管涌发生发展过程中沿着实际水流速度最大的通道溢出,流速的分布情况存在从相等的平均流速状态向局部流速集中并逐渐增大的改变过程,局部细小通道逐的流速集中,引起周边颗粒的加速流失,最终导致管涌通道的形成。这些结果为PFC2D在渗透破坏方面的深入研究应用提供了一定的实用依据,同时也为在细观尺度上解释和分析管涌现象提供了一条新的途径。     

管涌流土实验演示系统设计

为了观察土体发生渗透破坏的现象,模拟基坑土体因基坑开挖引起的流土现象,模拟边坡土体或坝体因渗透作用产生的管涌现象,并分析了土体发生破坏时水、土压力的变化情况,以及计算土体的渗透系数,设计了一套能进行管涌和流土破坏演示的实验系统。介绍了管涌流土实验演示系统的组成结构,以及它所能进行的模拟试验。可为工程中常见的管涌和流土现象提供实验演示,模拟实际工程中的渗透破坏现象,计算实际工程中土体的渗透系数,并提供实验室数据。     

运用离散元法研究管涌机理

为了从细观层面研究管涌发生的机理,引入离散元(DEM)理论,分析多孔介质中的流体动力学方程,考虑颗粒相与液相之间的相互作用力,得到单个颗粒受到流体的作用力,将其作为固相与液相之间的桥梁,运用颗粒流程序(PFC)的优势,对计算过程中的孔隙率、压力场、速度场进行监测。运用这一方法对管涌现象进行了模拟,取得了较为理想的结果。结果表明:采用颗粒流方法研究管涌是可行的,为从细观尺度上解释和分析管涌现象提供了一条新的途径。     

管涌现象在地下工程及水力工程中的发生与防止

针对土体中的渗透现象，通过对土体的几何条件以及水力条件分析，掌握如何判断管涌型土，利用反滤层的设计防止管涌现象的发生。     

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。     

不同形式变水头作用下土体的管涌特性

为探究不同形式变水头作用下无黏性砂土的管涌特性,选取12种不同的变水头形式,利用自行研制的管涌三轴仪选择向上管涌的方法模拟管涌实际.通过管涌试验分析了变水头的周期和振幅对渗透系数和累计涌砂量的影响规律.结果表明:不同形式周期和峰值的正弦水头条件下,土体渗透系数均随着时间的推移而逐渐增加,当达到一定时间后,渗透系数趋于稳定;管涌相同的时间,渗透系数值随着正弦水头周期的减小而逐渐增加,随着峰值的增加而逐渐增加,土体抗渗性能下降;土体管涌3 h后,不同周期和峰值正弦水头条件下的渗透系数在常水头渗透系数线两边呈近似对称分布.土体管涌3 h内累计涌砂量随时间的增长基本呈线性增长,变水头周期越小峰值越大,累计涌砂量越大;通过扩大系数α,得到土体管涌3 h后的变水头累计涌砂量公式和马鞍形状的拟合曲面图.     

考虑管径拓展的管涌发展过程模拟

堤基管涌发展试验表明,在管涌通道发展过程中,通常是上游管径较小而下游管径较大,管道尖端土体颗粒比较松散.现有的堤基管涌发展模型采取单一管径处理方法模拟管涌通道发展过程,管涌发展过程中孔隙率保持不变,难以模拟通道侧向扩展特征.本文采用泥沙运动力学方法,考虑通道发展过程中的颗粒级配调整和孔隙率变化,使得管涌通道发展情况更加符合实际.数值模拟表明,改进后的模型能够刻画管涌通道发展中的管径变化、通道发展方向、流量大小和临界水头等主要特征.     

砂土管涌的细观机理研究

利用数码可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术进行管涌细观模型试验,从细观角度研究砂土管涌机理.研究得到管涌发展过程中颗粒的移动规律,渗漏通道的形成特点,流速、颗粒位移场等随水力梯度的变化特点,并从级配角度分析土样的稳定性,得到土体的稳定性与级配曲线形状及不均匀系数等因素有关的结论.结果表明,管涌形成过程中流速、颗粒运动和渗透通道形成规律很大程度上取决于骨架颗粒、可动颗粒以及水之间的相互作用,表明水土相互作用贯穿管涌发展的全过程.     

管涌渗透形成集中渗漏通道机理研究

本文从土体微观结构组成的角度分析了堤防管涌渗透破坏的形成过程以及管涌产生集中渗漏通道的机理,阐述了堤防管涌产生、发展的变化规律,同时给出了工程设计中经常使用的关于管涌参数计算方法。     

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.     

基于静态贯入试验法研究无黏性土管涌发生后抗剪强度变化规律

管涌对堤防和大坝危害严重且十分常见,但是有关管涌发生后无黏性土抗剪强度的研究较少.通过对不同细颗粒含量试样进行管涌和静态贯入试验,分析总结了无黏性土细颗粒含量和管涌过程中的水力梯度及细颗粒流失量等因素对无黏性土发生管涌前后抗剪强度变化的影响.得出以下结论:对于较松散的无黏性土,当土体细颗粒含量较小时,管涌发生后的抗剪强度有所提高,抗剪强度随细颗粒流失量的增大而增大,随作用在试样上的最大水力梯度的增大而增大;当土体细颗粒含量较大时,管涌发生后的抗剪强度有所降低,抗剪强度随细颗粒流失量的增大而减小,随作用在试样上的最大水力梯度的增大而减小.     

泥石流启动过程试验与数值模拟研究

利用自制模型槽结构,结合PFC2D数值模拟软件,对坡度为25°固定单宽流量下泥石流的启动过程进行了试验和数值模拟,结果表明:坡趾处土体最先发生溯源侵蚀,泥石流的启动过程存在短暂的相对平静期和雍高现象,破坏形式是自上而下发生坍塌式破坏,利用PFC2D数值模拟能很好地模拟泥石流的启动、运动及堆积过程,研究结果可为以后数值模拟与工程实践提供指导。     

基于模糊PI控制的单相无桥PFC的研究

研究了基于模糊PI控制的单相无桥功率因数校正变换器(PFC),分析了其工作原理和控制方法.根据实际工程经验提出了将参数自适应调整的模糊PI代替传统的PI作为双闭环控制,模糊PI控制的PFC能够工作在较宽的负载变化和输入电压的范围内,响应速度快,精度更高.同时,给出了PFC的设计参数.实验结果在一台3.8kW的样机上得到验证,证明了基于模糊PI控制的单相无桥PFC性能较传统PI控制更优越.     

基于CARIMA模型的PFC与GPC的等价性

建立了新型的模型预测控制方法——预测函数控制(PFC)与传统的广义预测控制(GPC)的联系.首先推导了基于含有色噪声的自回归增量滑动平均(CARIMA)模型的预测函数控制的控制律,然后通过选取不同的基函数获取PFC控制律的形式并与GPC控制律进行比较.从而证明了在一定的基函数的选取方式下,基于CARIMA模型的PFC算法和GPC算法是等价的.揭示了PFC与GPC两者之间深刻的内在联系,为PFC的工程应用提供了理论保证.     

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.     

浅谈粉细砂地层深基坑开挖的几点经验

饱和粉细砂地层深基坑开挖施工中易产生管涌等现象,粉细砂地层具有高灵敏度、触变特性,在动力作用下极易造成土体破坏,施工过程中若施工不当,极易造成流沙、沉降、塌方等现象.该文主要介绍了黄河海勃湾水利枢纽工程饱和粉细砂地层基坑开挖和支护方面的几点经验.该工程地层为黄河冲积地貌,系饱和粉细砂地层.基坑排水、基坑支护与基坑开挖密切配合,基坑开挖特殊部位要采用塑性混凝土和高喷防渗墙等施工方法,施工中坚持"慎开挖、勤监测、快支护、早处理"的原则,组织严密,施工科学性可以确保了工程的施工安全和基坑边坡稳定.     

土石混合填料强夯过程三维离散元模拟

传统强夯数值模型多针对单一类型填料,并不适用于利用强夯法加固土石混合料的情况.为此,基于PFC3D软件,首先建立了强夯颗粒流模型,通过开展强夯现场试验验证了数值模型的适用性.然后,利用建立的强夯数值模型,对夯锤位移时程特性、夯沉量发展规律及土体塑性区特征展开研究.研究结果表明,强夯过程会经历一次反弹阶段,随着夯击次数的增加反弹量增加;提出了夯沉比的修正计算方法,可以用来评价强夯单次夯击效率和确定最佳夯击次数;土体塑性区呈竖向深度大于横向的椭圆形;此次强夯最佳夯击次数为7次,有效加固深度约为3.0 m.研究结果可以为同类工程及规范的完善提供参考.     

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.     

降水及注浆处理结构物基础不均匀沉降——京杭运河淮阴三线船闸下游主导航墙基础处理

粉土或粉细砂土层深开挖施工,当承压水头较高时极易形成流砂、管涌等现象,并会对构造物稳定性造成不利的影响。结合工程实例,分析砂性土地基在潜水、承压水头共同作用下,使构造物基础底部土体掏空、产生不均匀沉降,进而导致构筑物失稳,采用注浆进行处理修复等技术措施。