三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质

基于三维离散单元颗粒流理论,引入了在极限剪力状态下颗粒间可以发生滑动的接触本构模型,建立颗粒体试样,并赋予颗粒相应的细观结构参数进行无黏结摩擦材料的三维应力应变数值模拟。通过大量的颗粒流数值试验,从细观力学角度对砂土的工程力学特性进行了初步的模拟研究。对砂土的室内常规三轴试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下三维颗粒体试样与室内三轴的应力应变关系曲线,基本再现了试样的加载曲线。通过进一步分析颗粒细观结构参数变化对组成材料的宏观力学的影响及其剪切位移场的形成和发展规律,结果表明颗粒介质之间的摩擦系数、颗粒组成材料的孔隙率对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。研究的意义在于理想的颗粒流数值模拟试验能够突破常规的室内土工试验能力及其局限性,对于砂土的细观结构的影响研究成为可能,并且揭示了微观的一些规律,对今后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考。     

几种尾矿的物理力学性质比较

通过对铜矿、铁矿、铅锌矿几种尾矿砂土的物理力学性质的对比分析,阐明了影响尾矿砂土物理力学性质的因素,对尾矿砂土的物理力学性质、固结特性、抗剪强度、渗透特性进行了分析对比.尾矿砂土的比重受矿物成分的控制,与尾矿砂土的颗粒大小等因素关系较小.尾矿砂土的干密度除受矿物成分影响外,还与尾矿放矿方式、沉积规律、颗粒级配密切相关.尾矿砂土一般均属于欠固结土,其固结特性主要受放矿方式、沉积规律、颗粒级配的影响.尾矿砂土具有不均一性和各向异性,其垂直向渗透系数变化大,同一类砂土水平向变化比垂直向变化要小得多.     

基于PFC2D的砂土原生各向异性微观机理数值试验

采用颗粒流PFC数值模拟方法,生成符合标准砂室内单元试验结果的离散元数值试验试样。运用重力沉积法建立不规则砂土颗粒单元的平面双轴试验模型,给定不同沉积步数对试样不同初始原生状态进行模拟,然后分别从水平和竖直方向上施加荷载增量,得到不同沉积条件下不同加载方向上砂土试样宏观应力应变曲线和力学参数。数值试验结果显示,重力沉积步数对颗粒微观长轴定向排列、平均配位数有显著影响;初步建立了砂土微观结构变化和宏观应力应变曲线及力学参数的联系;分析了砂土试样表现出的宏观原生各向异性力学特性与内部颗粒结构的关系。     

考虑颗粒破碎的砂土临界状态特性描述

近年来,随着土石坝和高填方等工程的兴建,粒状土得到了广泛的应用。粒状土在高应力作用下会发生颗粒破碎的现象相当严重,因此粒状土的颗粒破碎问题不容忽视。为了更合理地描述颗粒破碎对粒状土中砂土力学特性的影响,首先分析砂土试验结果,得出了砂土颗粒分别在平均正应力和剪应力作用下的破碎特性。其次,基于UH(unified haedening,统一硬化)模型,引入可以表示砂土压缩破碎和剪切破碎的相关参数,建立了可以考虑颗粒破碎的砂土本构模型。该模型不仅能够反映砂土的剪胀、剪缩、应变硬化和软化等特性,而且可以反映在平均正应力的作用下,不同的压缩曲线最终会归一的特点,同时还能够反映剪应力作用下砂土临界状态线下移的现象。最后,使用模型预测了Lade的常规三轴试验,模型预测结果与试验结果符合良好,说明该模型能够合理地描述砂土的力学特性。     

散体颗粒介质变形局部化宏–细观机制研究

散体颗粒是自然界中广泛存在的一类特殊的介质,受内部组构影响,散体颗粒介质在外荷载作用下发生明显的变形局部化效应,这也是岩土力学领域一直研究的热点问题之一。然而目前对于其机制研究方面大都局限于细观统计参数的分析,忽视了宏观现象与细观机制的内在联系。本文以砂土颗粒介质为例,运用离散元法对其在直剪试验过程中的宏–细观力学特性及变形破坏机制进行系统分析,并取得一些有意义的认识。根据数值试验中试样在不同法向应力下剪应力比的发展,从颗粒运动角度探讨试样宏观抗摩擦特性变化趋势的细观机制;发现描述细观组构的各向异性参数及主方向与宏观上剪应力比的发展具有同步性,反映试样宏细观演化的统一性;通过对于颗粒旋转的统计分析,揭示颗粒间摩擦作用是维持细观力学结构相对稳定的重要因素;通过对力链网络的形态演化分析,发现试样大主应力方向与各向异性主方向一致,力链密集程度随剪切过程下降,试样孔隙度随之上升;提出不同法向应力下的2种主要力链结构的力学模型,通过稳定性分析与能量累积释放理论解释宏观力学参数波动情况的原因,揭示散体颗粒介质变形局部化和体应变剪胀的细观机制。     

结构性砂土胶结厚度分布特性试验研究

颗粒间胶结物厚度对胶结颗粒接触力学特性有显著影响,进而影响结构性砂土离散元模拟结果。为更好地模拟天然砂土的结构性,需要明晰结构性砂土中颗粒间胶结厚度分布特性,并且能在离散元模拟中反映该分布特性。本文采用人工制备结构性砂土,开展电镜扫描试验,对结构性砂土中颗粒间胶结厚度分布特性进行了研究。研究结果表明:在结构性砂土中,随着水泥含量的增加,平均胶结厚度近似线性增加;但是水泥含量对胶结厚度的概率分布规律影响不大,水泥含量不同的结构性砂土,其颗粒间胶结厚度概率分布均为先线性增大,后指数型衰减。在试验研究结果的基础上,提出了离散元模拟结构性砂土胶结厚度的方法,可以较好地反映结构性砂土中颗粒间胶结厚度指数型衰减的分布特性。     

颗粒形状和中主应力对砂土力学特性耦合影响的真三轴试验研究

天然状态下,砂土地基处于三维受力状态。经过复杂的沉积和搬运作用,砂颗粒形态各异,进一步影响其在受力状态下的接触形式。砂土的宏观力学响应同样会受到微观颗粒形状的影响。研究针对不同比例石英砂和玻璃圆(碎)珠的混合颗粒试样开展真三轴剪切试验,研究三维应力状态下颗粒形状对砂土力学特性的影响。结合动态颗粒图像分析技术定量识别颗粒形状参数,获得颗粒形状参数伴随玻璃珠掺量增加的变化趋势。查明中主应力与颗粒形状对砂土宏观力学响应的耦合影响机制。试验结果表明：具有规则颗粒形状的玻璃珠–石英砂混合物能有效抑制试样剪胀特性。对于给定的中主应力系数,玻璃珠–石英砂混合颗粒材料的峰值摩擦角随着颗粒形状不规则度的增加而增大,峰值强度对应的大主应变随着颗粒形状不规则度的增加而减小。玻璃珠–石英砂混合物的峰值强度伴随中主应力系数的变化趋势可以较好地通过岩土材料经典的三维强度理论进行预测。     

应力路径和颗粒级配对砂土变形影响的细观机制

利用GDS应力路径三轴试验系统与颗粒流程序PFC2D,对2种不同颗粒粒径与级配的青岛海砂进行不同应力路径下的室内三轴试验与数值模拟试验,探研应力路径和颗粒级配对砂土影响的细观机制。首先,进行青岛粗细砂在不同密实度与3种应力路径下的室内三轴试验,获得青岛粗细海砂的宏观力学响应,并进行初步地机制分析;然后,进行与室内试验匹配和补充的PFC2D数值模拟试验,挖掘室内物理试验中难以得到的细观信息,如颗粒配位数,转动速度,颗粒位移等,定量地解释不同级配的砂土在不同路径下力学响应的细观原因;最后,进行不同颗粒级配砂土在循环加载路径下力学性质的PFC2D数值试验,从细观角度分析砂土在该路径下的变形机制。     

砂土流变行为的热力学本构模型研究

采用非平衡态热力学方法,通过引入颗粒熵sg和颗粒温度Tg描述砂土颗粒间碰撞、滑动、滚动等相互作用,用颗粒温度引起的弹性弛豫反映砂土内部的不可逆变形,构建了描述砂土宏观力学行为的热力学方程组。通过合理简化该热力学方程组分析了侧限压缩试验和各向同性压缩试验的流变规律,分析表明:简化的热力学模型能够较好地反映和预测砂土蠕变和松弛行为;砂土在外力加载过程中,颗粒熵(颗粒温度)被激发不断增大直至稳定值,在停止加载后的流变过程中,颗粒熵(颗粒温度)逐渐衰减,理论上最终衰减为零(排除外界扰动);颗粒熵衰减过程中,颗粒温度引发的弹性弛豫宏观表现为流变行为,随着颗粒熵衰减为零,理论上流变最终停止在一个稳定值。     

颗粒流模拟土的工程特性(英文)

本文基于颗粒流理论,引入不同的颗粒接触连接本构模型,分别建立了砂土和粘性土的颗粒流模型。通过颗粒流数值模型试验,从细观力学角度对土的工程力学特性作了初步的研究。对砂土和粘性土的室内平面应变试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下颗粒流试样与室内试验的应力应变关系曲线,基本再现了砂土和粘性土试样应力-应变关系。通过分析围压-时步曲线、体变曲线和不同阶段的颗粒位移场的变化规律,研究了剪切带的形成与发展规律。     

盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟

通过对比室内三轴试验和颗粒流程序双轴数值试验结果,确定了颗粒流模拟砂土的细观参数;通过对室内挡板下落试验的颗粒流数值模拟,验证了颗粒流模拟土拱效应的可行性。在此基础上对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟,分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片上的土压力、土体位移和土体颗粒接触力的变化情况。结果表明,土拱效应主要发生在隧道上部1～2倍隧道直径的范围内,隧道顶部土体通过土拱效应可大幅度减少作用在隧道上的土压力。     

圆砾地层深基坑工程特性离心机试验研究

以南宁轨道交通工程为背景,通过离心机试验对圆砾地层深基坑工程进行模拟,获取围护墙体变形、土压力分布及墙后地表沉降等基坑工程特性。研究表明,采用现场取土通过相似级配法制作圆砾地层离心机土层模型可较好地解决土层粒径效应与力学特性问题。试验数据表明,圆砾地层深基坑墙体最大水平位移D为0.96% H～1.49% H(H为开挖深度);主、被动侧向土压力随深度不断增长,均呈三角形分布,土压力大小分别介于理论静止土压力与主、被动土压力之间;地表沉降呈凹槽形曲线分布,最大沉降点发生在距坑边约1.0 H处,地表沉降最大值约1.0 D,开挖主要影响范围约3.0 H。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

循环荷载下老黏土的动力特性试验研究

本文利用GDS动态循环三轴仪施加竖向循环荷载对武汉地区具有代表性的老黏土进行试验研究,主要分析了老黏土在模拟地铁振动荷载作用下的动力特性。通过对孔隙水压力变化和残余应变发展曲线的分析,探讨了下不同固结比、动应力比、卸荷比等因素对老黏土动力特性的影响,并综合各因素总结出老黏土的动力响应规律;通过与软粘土和淤泥质土的已有研究成果进行对比分析与讨论,提出了合适老黏土的孔隙水压力发展模型及残余应变经验公式。本文的研究对地下工程设计中认识老黏土的物理力学特性等具有一定意义。     

基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究

基于三维变形体离散单元法,模拟堆石体的真三轴试验,研究堆石体在三向不等应力状态下的强度和变形特性。真三轴数值试验装置采用六刚性板加荷方式,等中主应力比路径加载。数值试验结果表明：真三轴数值试验能较好反映堆石体在三向不等应力状态下的应力和变形规律,数值模拟得到宏观应力变形特性与试验规律相似;等中主应力比参数的大小对堆石在三向应力状态下应力和强度特性有显著的影响,堆石体在 3 个加载方向的变形也随该参数的变化而变化,应力比参数从 0 到 1 变化过程中中主应变方向先压缩后膨胀,小主应变方向一直处于压缩状态;堆石体的内摩擦角随着值的增加而增大,基本符合 Lade-Duncan 破坏准则;在细观层面上,围压越高,值越大,颗粒配位数越大; 加载过程中,颗粒接触法向和法向接触力各向异性程度加强,各向异性主方向角由水平向转向大主应变方向,试样各向异性系数的演化规律和试样的宏观应力变形曲线相对应,试样的宏观力学特性与细观组构存在内在的关联。     

Multi-scale investigation of active failure for various modes of wall movement

Retained backfill response to wall movement depends on factors that range from boundary conditions to the geometrical characteristic of individual particles. Hence, mechanical understanding of the problem warrants multi-scale analyses that investigate reciprocal relationships between macro and micro effects. Accordingly, this study attempts a multi-scale examination of failure evolution in cohesionless backfills. Therefore, the transition of retained backfills from at-rest condition to the active state is modeled using the discrete element method (DEM). DEM allows conducting virtual experiments, with which the variation of particle and boundary properties is straightforward. Hence, various modes of wall movement (translation and rotation) toward the active state are modeled using two different backfills with distinct particle shapes (spherical and nonspherical) under varying surcharge. For each model, cumulative rotations of single particles are tracked, and the results are used to analyze the evolution of shear bands and their geometric characteristics. Moreover, dependencies of lateral pressure coefficients and coordination numbers, as respective macro and micro behavior indicators, on particle shape, boundary conditions, and surcharge levels are investigated. Additionally, contact force networks are visually determined, and their influences on pressure distribution and deformation mechanisms are discussed with reference to the associated modes of wall movement and particle shapes.     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

Experiment and FEA of impact resistance of CFST columns with circular cross-section

为研究钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的受力性能,通过对圆钢管混凝土柱进行横向落锤冲击试验,获得柱在冲击荷载作用下的破坏形态、整体变形和应变分布规律,分析了冲击力和试件跨中挠度时程曲线的特征;并通过有限元分析,研究了钢材和混凝土强度等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响。研究结果表明：在试验参数范围内,随着冲击能量的增加,试件冲击力峰值、跨中挠度峰值、冲击持续时间增加;含钢率较大试件的冲击力峰值和冲击力平台值较大,跨中挠度峰值较小、冲击持续时间较短;钢材屈服强度对试件抗冲击性能的影响较大,而混凝土抗压强度对试件抗冲击性能的影响则相对较小。     

不平衡土压力对整体式桥台-H型钢桩-土体系力学性能影响试验

为研究不平衡土压力对整体式桥台-H型钢桩-土体系力学性能的影响,在已开展的不平衡土压力下整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究基础上,进一步开展了更大不平衡土压力(台后土表面均布荷载增大了3.81 kPa)下整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究,对比分析了更大不平衡土压力对桩身水平变形、桩侧土压力、应变和弯矩等方面的影响。结果表明:在试验条件下,更大不平衡土压力对桩身水平变形、土抗力、应变和弯矩的分布规律无影响; 正向加载时,更大不平衡土压力使得桩身累积变形的位置更深,桩侧最大土抗力和桩身弯矩增大; 负向加载时,更大不平衡土压力也使得桩身累积变形的位置更深和弯矩增大; 正向加载时,更大不平衡土压力使得累积变形减小,负向加载时则相反; 正向加载时LAHP模型的桩侧土抗力、应变和弯矩显著大于负向加载时的,正向加载时的最大桩侧土抗力和弯矩分别为负向加载时的2.2倍和2.1倍。     

再生细骨料地基动力特性试验研究

建筑固废的处理再利用是使得建筑垃圾资源化的重要措施。为了进一步推进建筑固废动力特性的研究和工程应用,以建筑固废破碎筛分后的再生细骨料为材料,制备成地基土试样。利用三轴动力测试,分析了排水条件下,不同级配（级配良好、级配较差）、相对密度Dr（45%、70%）、围压σc（25、50、100、200 kPa和400 kPa）和含水率（0%、5%、15%、25%和30%）对再生细骨料地基动力特性的影响,并与标准砂地基的动力特性进行对比分析。试验结果表明：再生细骨料的比重为1.912,小于标准砂的（2.65）,使得再生细骨料试样动剪切模量小于标准砂的;阻尼比在剪应变γ较小（γ<0.03%）时与标准砂的差别不大,而剪应变较大（γ>0.03%）时小于标准砂的;在四个影响因素中,围压的变化对动剪切模量的影响最大,围压增大时,动剪切模量明显增大,其次影响较大的是相对密度以及含水率,级配的影响相对最小。通过对可破碎性的分析发现,再生细骨料在小围压（σc<200 kPa）条件下基本未发生破碎,即使在围压为400 kPa、等效循环应力比rcs为0.3的条件下也只发生了少量破碎,此破碎量符合国家标准。