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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

管袋坝接缝管路处渗透成拱的颗粒流模拟

管袋坝接缝管路处是管袋坝体的薄弱部位,易引发渗透破坏,使吹填土体眼管路接缝渐进性流出．经试验可知在较低的渗透坡降作用下,土体可以在孔口形成土拱．采用PFC颗粒流数值模拟软件来研究管袋坝接缝管路处土体在渗透作用下的成拱效应,得出对应不同摩擦系数的吹填土体成拱的临界渗透坡降．从细观角度揭示了既有竖向位移又有侧向位移情况下的土体成拱过程．经研究可知,临界渗透坡降J随摩擦系数f的增大而增大,且有效拱厚随吹填土的摩擦系数f的增大而减小．     

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。     

岩质颗粒破碎数值模拟研究进展

天然岩质颗粒材料在较大外力作用下,会发生颗粒破碎现象,从而影响到材料的强度、变形、渗透等性能,关系到工程的安全。限于试验条件、颗粒尺寸和形状等因素的制约,数值模拟成为研究颗粒破碎问题越来越重要的一种方法。通过回顾国内外的研究成果,总结了两类重要的数值模拟方法:连续介质力学数值模拟方法和离散元数值模拟方法。通过归纳每种数值模拟方法,重点分析了两种模拟颗粒破碎过程的离散元数值模拟方法:碎片替换模型和凝聚颗粒模型,通过整理两种模型的研究内容及特点,讨论了现有方法存在的优势及局限性,并提出了基于离散元方法研究颗粒破碎问题可能性方向。     

穿刺压载试验及桩-土空腔数值模拟

基于穿刺压载试验,采用ABAQUS/ALE有限元分析方法模拟自升式平台插桩过程,对桩土贯入过程中空腔的作用机理进行数值分析,通过监测桩下、土体表面和桩侧附近土体点位移的时程变化,研究空腔的作用机理.数值模拟结果表明:空腔破坏严重加大桩端承载;桩靴底部土体回流造成空腔垂直壁面剪切破坏是空腔形成及其深度发展的主要原因.针对桩靴穿刺现象,利用穿刺压载试验对数值模拟进行验证.结果表明:数值解与试验结果吻合;穿刺发生时,桩端承载骤降,桩靴外侧压力约为内侧压力5~10倍,压力变化呈非线性分布,这与中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》中关于桩靴底部压力呈线性分布假定不符.     

悬挂式防渗墙在管涌过程控制中的作用机制

为了研究悬挂式防渗墙在堤基管涌发展过程中的控制作用机制,该文采用了基于管流-渗流耦合方法的管涌动态发展数值模型,选取二元堤基条件,模拟了管涌通道在堤基无墙情况和设置悬挂式防渗墙情况下的管涌动态发展过程。数值结果表明:悬挂式防渗墙对渗流场的影响是有限的,仅其周围局部区域的流场会因防渗墙发生显著改变,该区域外的流场变化则不大。悬挂式防渗墙将管涌通道的发展过程分为下游侧发展段、绕墙段和上游侧发展段等3个阶段,其中绕墙段的发展耗时明显大于其他阶段。在管涌通道绕墙段的发展中,由于局部流场的改变,土颗粒侵蚀的水动力学条件降低;同时由于管涌发展方向改变,土颗粒的自重增加了颗粒侵蚀的阻力,提高了颗粒侵蚀临界起动条件,使侵蚀难以继续发展。     

基于位移突变准则的颗粒流强度折减法

采用颗粒流强度折减法评价边坡稳定性的关键是临界破坏状态的判定。以某边坡工程为例,利用PFC~(2D)程序对土体进行双轴压缩试验,标定了土体的细观参数并建立边坡颗粒流模型。对位移突变准则进行改进,通过绘制特征颗粒位移与折减系数关系曲线求解边坡稳定系数,并研究特征颗粒的选取方式。研究结果可重现边坡滑动破坏的形态变化,模拟的边坡破坏形态与有限元强度折减法和Bishop法结果一致,研究结果可为颗粒流强度折减法求解边坡稳定系数及滑坡模拟提供参考和借鉴。     

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.     

不同埋深盾构隧道开挖面稳定问题数值模拟

通过对照物理模型试验,采用二维颗粒流程序(PFC2D)对不同埋深和不同密度条件下的盾构掘进过程进行数值模拟,从而分析开挖面前方土体破坏机理.首先通过研究支护力和地表沉降的变化规律,将模型箱试验结果和数值模拟结果进行对比分析,分别确定了极限支护力;利用二维颗粒流程序对土拱效应进行研究,揭示了开挖面前方土体的失稳破坏机理.结果表明,支护力和地表沉降的变化规律都可分为2个阶段,且不受埋深条件的影响;发生局部失稳破坏后,土拱继续向上发展最终导致整体失稳破坏;埋深比较小时,未能形成土拱,而埋深比较大时,滑动区与土拱区随埋深比的增大而增大.数值模拟结果与模型箱试验结果基本一致,验证了采用纵面进行颗粒流模拟的可行性,因此可利用PFC2D进行深入颗粒流模拟.     

切方边坡悬臂桩土拱效应形成与失效机制数值模拟

为了分析切方边坡悬臂桩受力特征,运用二维颗粒流方法建立了相应的数值模型,研究了桩间土拱形成的过程及其破坏机制。依据桩后土体的荷载-位移曲线和变形特征,揭示了桩后土拱形成过程的3个阶段以及各阶段土体应力分布和变形的特征。研究结果表明:抗滑桩土拱的形成机制主要依赖于土体微元的荷载传递过程;土拱效应的形成过程受桩土相对位移的控制,且受桩间距的影响较大,而受土体参数的影响较小;抗滑桩土拱效应失效过程的数值模拟显示,土拱失效过程可分为3个阶段,且该过程受贴近桩体的土体的渐进破坏控制。土体强度和桩间距对桩后土体的荷载-位移曲线影响都较为显著。桩距相同时,随着土体强度的提高,桩后土体的极限荷载也越高,但对应的桩土相对位移量却较接近,同时软弱土体土拱效应的失效以"绕流"模式为主,而强度较高土体的土拱效应失效以"滑塌"模式为主;抗滑桩间距越小,桩后土体的峰值土压力越高,所对应的桩土相对位移越大。     

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.