基于直剪试验的堆积碎石类材料细观参数标定方法及模拟验证

颗粒材料三维离散元数值模拟的可靠性取决于细观参数的合理标定,目前对细观模拟参数的标定方法还缺少系统性的研究。本文通过室内直剪试验和数模试验对比分析,揭示碎石颗粒材料宏观力学参数与颗粒间细观参数的相关性,提出碎石颗粒材料数值模拟细观参数的标定方法,并验证标定方法的合理性。研究结果表明：在线性模型中,碎石颗粒试样的宏观弹性常数与碎石的粒间法向接触刚度呈正相关,而对粒间切向接触刚度的变化不敏感,基于此提出的粒间接触刚度（法向、切向）标定方法;直剪数值试验的剪应力-剪位移曲线计算结果与室内试验值吻合度较高,结果验证了标定方法的可靠性及合理性;在直接剪切过程中,碎石颗粒内部力链网络随着剪位移的增加逐渐由垂直方向向剪切盒对角线方向偏转,随着颗粒的整体速度场变化而出现剪缩和剪胀现象;采用本文提出的细观参数标定方法对室内滑坡运动试验开展数值模拟,数值模拟滑坡碎石堆积形态与室内试验基本一致,验证了该方法在堆积碎石滑坡模拟分析中的适用性。     

土石混合体细观力学参数对宏观力学特性影响研究

为了系统地研究土石混合体细观力学参数对其宏观力学特性的影响,首先在不规则块石体三维离散元模型的基础上,建立了符合宏观统计规律的含石量为50%的土石混合体三维离散元模型;然后进行了不同石-土颗粒法向刚度的比值、不同石-土颗粒法切向刚度比的比值、不同石-土颗粒摩擦系数的比值和不同石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值等情形下的土石混合体大三轴试验三维颗粒流数值模拟,分析了各种情形下土石混合体的宏观力学响应;最后从微裂纹演化、摩擦功、块石颗粒转动特征等多个角度对各细观力学参数影响的细观机理进行了揭示.结果表明:随着石-土颗粒法向刚度比值的增大,试样初始模量增大,破坏应变和峰值强度均减小;石-土颗粒法切向刚度比的比值和石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值对土石混合体的宏观力学行为影响不显著;石-土颗粒摩擦系数的比值越大,峰值强度和残余强度越大.     

粗粒土三轴试验的细观模拟

对排土场粗粒土进行室内三轴固结排水试验,以此试验结果为基础,基于三维离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程序并引入接触黏结模型,得到按级配生成的粗粒土三轴试验三维颗粒流模型.对比了不同围压下颗粒流模型与三轴试验的应力应变关系.分析了颗粒细观参数对粗粒土强度的影响.结果表明:按级配曲线得到的PFC数值模型的应力应变曲线的变化趋势与试验值一致,但强度值略低于试验值.粗粒土强度随颗粒间摩擦系数、接触处黏结强度的增大而提高;颗粒形状对材料的抗剪强度影响显著.研究意义在于从细观角度揭示影响粗粒土强度的因素,突破了常规三轴试验的局限性.     

侧限约束下回填砂分级加卸载力学响应

在公路路基和水利堤防工程中时常出现因回填砂压实不密造成局部沉陷的破坏问题．为降低此类破坏发生的可能性,利用三维应力-应变测试技术,开展轴对称条件下回填砂压实过程的力学响应研究．结合数值分析软件,对采集到的原始数据进行矩阵求解,并对循环荷载作用下的应力、应变、静止土压力系数以及应力-应变路径进行分析．试验结果表明,对于回填砂来说,压实次数并非越多越好,而是存在一个最优压实次数值;在试验初始阶段,随着循环次数增加,静止土压力系数增大,即砂土内部水平方向密实度增大;当循环次数大于6时,静止土压力系数不再增加．在一维竖向荷载作用下,荷载法向面内有效正应力响应落后于荷载平行面内有效正应力响应,建议压实过程中控制压实速率,做到有效竖向压实和水平向挤压．分析应力路径和应变路径可知,不同加载吨位和压实方式（不同形式荷载）会影响应力路径,进而影响应变形变．研究结果可为砂土作为填方材料的力学性能提供借鉴,也为实际工程中原位三维应力-应变研究提供参考．     

基于DEM-CFD耦合方法的煤系土边坡失稳机理宏细观分析

边坡的宏观力学特性是由组成土体颗粒的细观参数及其运动决定的,基于连续介质模型的有限元方法虽然能够在宏观层面上基本等效地得到边坡土体的应力变形特性,但难以反映边坡体在微细观尺度上的变形失稳机理,存在明显的局限性。采用将离散元方法（DEM）与计算流体动力学方法（CFD）进行耦合,建立了煤系土边坡三维DEM-CFD流固耦合细观作用计算模型,对降雨作用下煤系土边坡失稳破坏的细观机理进行了分析。结果表明,采用DEM-CFD流固耦合方法模拟的煤系土边坡破坏形式主要是雨水冲刷,边坡滑动面预测为近似的直线段,这与室外模型试验边坡雨水冲刷的范围非常接近,验证了该数值方法的适应性。边坡土体颗粒的力链、配位数以及孔隙率等细观参数,在降雨过程中都会随之发生变化,如坡顶颗粒的孔隙率由初始状态的0.35变化至失稳状态的0.8,这些细观参数的变化与边坡土体的宏观力学表现直接关联,文中通过对颗粒细观参数变化分析,从细观角度深刻解释了雨水作用下煤系土边坡的破坏演变规律。论文研究成果不仅可为该区域煤系土边坡的防护设计与施工提供理论依据,而且为从微细观角度更好地分析离散介质岩土工程的宏观力学规律提供了一种新思路。     

粗粒土大型直剪试验宏细观研究与离散元模拟

为研究粗粒土剪切试验过程中宏观力学特性与颗粒细观运动规律,采用可视化大直剪仪对不同级配粗粒土进行剪切试验,利用图像处理技术对宏细观参数变化规律进行分析,再通过离散元数值模拟研究试样内部颗粒运动规律.研究发现,剪应力-累计应变关系曲线属于剪切硬化型,颗粒在剪切过程中的破碎形态以接触点侵蚀破碎为主;对颗粒长轴定向、平面孔隙率和配位数的分析发现,剪切过程中颗粒发生翻滚重排以及细粒填充作用;直剪试验图像分析及离散元数值模拟均发现,剪切带不是严格按照水平主剪切面发展,而是与向上突起的弧形副剪切面共同形成拱形剪切带.     

基于DEM–CFD耦合方法的煤系土边坡失稳机理宏细观分析

边坡的宏观力学特性是由组成土体颗粒的细观参数及其运动决定的,基于连续介质模型的有限元方法虽然能够在宏观层面上基本等效地得到边坡土体的应力变形特性,但难以反映边坡体在微细观尺度上的变形失稳机理,存在明显的局限性。将离散元方法(discrete element method,DEM)与计算流体动力学方法(computational fluid dynamic,CFD)进行耦合,建立了煤系土边坡3维DEM–CFD流固耦合细观作用计算模型,对降雨作用下煤系土边坡失稳破坏的细观机理进行分析。结果表明,采用DEM–CFD流固耦合方法模拟的煤系土边坡破坏形式主要是雨水冲刷,边坡滑动面预测为近似的直线段,这与室外模型试验边坡雨水冲刷的范围非常接近,验证了该数值方法的适应性。边坡土体颗粒的力链、配位数以及孔隙率等细观参数,在降雨过程中都会随之发生变化,如坡顶颗粒的孔隙率由初始状态的0.35变化至失稳状态的0.80,这些细观参数的变化与边坡土体的宏观力学表现直接关联。文中通过对颗粒细观参数变化分析,从细观角度解释了雨水作用下煤系土边坡的破坏演变规律。研究成果为该区域煤系土边坡的防护设计与施工提供理论依据,并从微细观角度更好地分析离散介质岩土工程的宏观力学规律提供了一种思路。     

利用迭代思想标定砂土三轴试验宏-细观参数

为提高离散元中三轴试验宏-细观参数标定工作效率,提出一种新的方法——迭代标定法.利用fish语言编写程序在PFC~(3D)中实现了三轴试验的数值模拟.基于接触黏结模型对砂土三轴试验进行模拟,验证了迭代标定法的有效性.结果表明:颗粒刚度大小和颗粒刚度比都会影响偏应力的大小;颗粒法向刚度会影响初始杨氏模量;细观摩擦系数对偏应力的影响程度取决于模型围压的大小;黏结强度对接触黏结模型的应力应变曲线形态影响较小,但对平行黏结模型的应力应变曲线形态有较大影响.迭代标定法可以有效标定宏-细观参数,减少"试参数"过程.     

颗粒体材料中的力链压曲变形

为了研究颗粒体材料的受力和变形性能,建立以力链稳定及其运动学为核心的细观本构模型.选择由3个不同半径颗粒组成的力链单元作为分析对象,通过定义颗粒间的位移模式,由运动位移协调和弯矩平衡条件得出颗粒间的相对切向位移以及各颗粒旋转角之间的关系.根据热力学理论建立力链压曲变形的能量方程,得到力链受力和位移表达式.在力链组构颗粒半径相等的情况下,通过对比分析验证模型的合理性,表明模型能够较合理地拟合离散元模拟实验结果.通过分析2种不同组构颗粒半径情况下力链各物理量的变化趋势,表明力链的受力和变形性能受组构颗粒半径变化的影响较大.     

深基坑开挖土拱效应影响因素研究

为考虑土拱效应对深基坑围护桩内力与变形的影响,以成都地区深基坑工程为依托,采用颗粒流数值计算方法,研究了深基坑开挖过程中土拱产生、发展的细观机理.然后,进一步深入研究了桩间距、桩半径、距径比、摩擦系数等因素对桩土相互作用力的影响.研究表明:随着桩土相互作用力的增大,土拱形成于两桩之间,拱高约为桩间距的0.5倍;考虑土拱效应的土压力计算值与实测值相符,相比朗肯土压力计算值偏小约14.9%;随着桩距径比的增加,桩土相互作用力逐渐减小,而桩间土受力线性增大;桩土相互作用力随摩擦系数增加而近似线性增大,摩擦系数提高0.5倍,桩土相互作用力约增大0.7倍.     

预应力悬锚式挡土墙受力特性

为了研究不同侧向预应力水平及竖向荷载对预应力悬锚式挡土墙墙背土压力、锚定板板前土压力、墙身剪应力分布特性的影响规律,设计了室内模型试验及数值模型并对悬锚式挡土墙受力特性进行测试与计算分析。研究结果表明:侧向预应力作用下,挡土墙墙背土压力呈抛物线分布并在锚杆处呈现峰值,锚定板板前土压力沿板宽度方向呈“马鞍型”分布并以约35°角向两侧扩展,锚定板板前土压力沿锚索轴向的压缩影响范围约2倍板宽;竖向荷载作用下,挡土墙侧向土压力呈“S”形分布,靠近挡墙底板位置处墙体剪应力急剧增大,应加强该类挡土墙根部配筋设计。结论可为预应力悬锚式挡土墙在公路建设中的推广和应用提供借鉴。     

既有地下室外墙影响下的挡土结构非极限主动土压力

针对挡土结构土压力与位移之间的关系,提出一种适用于既有地下室外墙影响下的挡土结构非极限主动土压力计算方法。基于卸荷路径推导了土体力学参数与位移关系和考虑土拱效应下的非极限主动土压力系数,运用应力状态法和静力平衡法给出了既有地下室外墙影响下的非极限主动土压力统一解,通过与室内相关模拟试验对比,采用应力状态法得到的结果较静力平衡法更接近于实际。基于挡土结构非极限主动土压力变化规律,讨论了位移比、两墙间距、墙土摩擦角、黏聚力等参数对土压力分布、合力及倾覆力矩的影响,揭示了其变化规律。通过与物理实验和算例与理论计算方法所得土压力和力矩的对比表明,所建立的计算方法合理可行,为进一步研究挡土结构非极限主动土压力理论计算提供了一定的依据。     

不同物性的储层砂岩出砂力学响应分析

储层砂岩是由砂岩颗粒胶结而成的沉积岩,同一区域的物性特征不尽相同,油藏开采时的地层响应和出砂也会有差异.以2种不同的储层砂岩为研究对象,基于柱坐标系的三维颗粒流数值模型,模拟射孔围压和油藏流速一定时的砂岩宏细观力学响应,分析出砂的发生和发展过程.砂岩的宏观应力曲线表明砂岩颗粒间的弱胶结性越弱,胶结物质含量越少,砂岩越容易屈服破坏,出砂越容易.砂岩的黏结应力分布同样说明储层的砂岩颗粒越小、胶结含量和胶结程度越小,离散的颗粒越多,颗粒接触上的受力越大,砂岩破坏越严重,出砂的几率越大;同时,颗粒的位移和旋转也说明胶结物质对储层砂岩力学特性和出砂的影响较大,与上述研究成果一致.储层开采中,不同物性的储层砂岩力学响应不同,出砂特性有差异,需要针对实际的储层物性和赋存环境,采用适宜的出砂预测方法和防砂手段.     

土工格栅-玻璃砂界面细观特性离散元研究

为分析剪切带的形成机制和演化机理,明确拉拔试验中筋土界面参数的宏细观联系,基于离散元数值方法,使用PFC2D软件模拟土工格栅加筋玻璃砂的拉拔试验,并与物理拉拔试验结果进行对比分析.在数值试验中采用分段函数重现格栅非线性应力-应变关系,根据玻璃砂颗粒位移值确定剪切带的平均厚度,重点分析剪切带内接触力链、颗粒位移、颗粒旋转等因素以及大主应力方向与细观组构参数的联系.结果表明,在格栅拉拔位移较小时,离散元数值方法能较好地分析玻璃砂与土工格栅界面之间的力学行为,试样宏观的体积剪胀主要受剪切带内颗粒的运动控制;通过PFC2D程序采用FISH语言开发的颗粒旋转颜色显示程序,显示格栅上下界面砂颗粒出现不同的旋转方式,颗粒位移和旋转形成了一个呈"锯齿"分布的剪切区,揭示颗粒位移和颗粒旋转是剪切带演化的重要特征;接触力的分布及其各向异性演化决定了试样宏观的力学性质和剪切带基本形状;整个拉拔阶段,剪切带内大主应力方向的偏转与接触力各向异性主方向的偏转呈相近趋势.     

土石混合体地层中基坑开挖对邻近既有隧道影响

为解决土石混合体地层中基坑开挖引起的隧道响应问题,基于离散单元法采用数值模拟手段进行研究。采用颗粒流数值计算软件PFC2D对土石混合体微观结构、隧道管片结构及基坑围护结构进行精细化建模及施工过程模拟,并针对隧道位于基坑开挖引起的主动土压力区及被动土压力区两类位置条件下,地层含石率w对基坑开挖引起的隧道结构响应影响规律进行系统性研究。结果表明:隧道位于基坑开挖主动土压力区时,量值大于60%前提下的含石率提升导致隧道周围逐渐形成具备较好抗剪性能的连续块石骨架体,从而抑制侧面开挖引起的隧道结构响应。隧道位于基坑开挖被动土压力区时,量值小于75%前提下的含石率的提升对上方开挖引起的隧道结构响应起到抑制作用;含石率大于75%时,含石率的提升无法为上方开挖引起的隧道结构响应提供抑制作用。     

橡胶混凝土受压破坏机理的余能基面力元分析

建立橡胶混凝土二维混合随机骨料模型，基于余能原理基面力元法对橡胶混凝土的细观力学性能进行分析，获得了应力-应变曲线图、破坏过程图和最大主应力、应变云图，模拟了橡胶混凝土破坏过程，分析了橡胶混凝土受压破坏机理，并探究了橡胶颗粒的不同粒径及掺量对橡胶混凝土抗压强度的影响。结果表明，抗压强度随着橡胶掺量的提高，明显降低。相同掺量下，采用大粒径的橡胶颗粒可以使抗压强度略有提高。破坏最开始发生于橡胶颗粒较为密集区域，故而在配置橡胶混凝土时应尽量将橡胶颗粒分散均匀。该模型为分析并预测橡胶混凝土的细观力学性能提供了新方法。     

橡胶砂力学性能的三维离散元数值模拟

为揭示橡胶砂混合料强度特性、偏应力-轴向应变曲线及体应变-轴向应变曲线的变化规律,利用颗粒流软件,对三轴压缩状态下橡胶砂混合料的力学特性进行了三维离散元数值模拟,从宏观、微观两方面分析质量配比、粒径比和围压对橡胶砂力学及变形特性等方面的影响。分析结果表明：当ω(橡胶)<10%时,橡胶砂表现出类砂力学特性,即先剪缩后剪胀,应力-应变曲线呈软化型,当ω(橡胶)≥20%时,橡胶砂表现出类橡胶力学特性,试样单调剪缩,应力-应变曲线呈硬化型。随着橡胶含量的增加,橡胶砂应力-应变曲线峰值降低。胶砂粒径比对橡胶砂应力-应变关系存在一定的影响,主要表现为随着平均粒径比的增大,体应变增大,应力-应变曲线降低,抗剪强度减小。随着围压的增加,低橡胶含量的橡胶砂剪胀和应变软化特性得到抑制,而高橡胶含量橡胶砂剪缩和应变硬化特性增强。混合料抗剪强度的降低主要归因于软橡胶颗粒的加入所引起的橡胶砂试样刚度损失,而其膨胀反应受到抑制的原因是橡胶颗粒容易被挤压而产生体积收缩。     

考虑参数—激励复合随机的渡槽结构非线性地震响应与抗震可靠性分析

地震灾害对渡槽结构的破坏受多种因素的影响和制约,混凝土力学参数的随机性和地震激励的随机性为两种较为重要的影响因素,会对渡槽结构的破坏模式产生显著影响。进行混凝土力学参数和地震激励两种随机性耦合作用下的渡槽结构随机动力响应分析,以某大型渡槽结构为例,提出考虑参数—激励复合随机的渡槽结构抗震可靠性分析方法。基于概率密度演化理论,该方法阐明了渡槽结构在复合随机作用下可靠性分析的基本原理和应用途径。与单一地震随机作用的比较研究发现,复合随机作用下渡槽结构的位移响应明显加剧,且位移响应产生的残余变形和位移的变异性较大;随着阈值的减小,渡槽结构在复合随机作用下的可靠度与单一随机地震作用下的可靠度之间的差距呈不断增大趋势,且渡槽结构在两种工况下的可靠度均不断减小。     

气粒两相流与动响应结构耦合下的颗粒动力分析

研究振动结构在湍流气粒两相流的绕流下，颗粒的动力学总理２。就颗粒与振动结构相撞或粘附在结构上的进行了动力分析，导出了以上两种情况下颗粒动力学方程式，并进行了理论 分析。