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.     

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.     

基于线性接触模型的小麦三轴试验细观模拟

利用PFC3D离散元技术,采用线性接触模型,建立小麦三轴试验细观模型,模拟了小麦三轴试验.通过对比三轴室内试验获得的应力-应变曲线,对小麦的细观参数进行标定,并反算宏观参数.结果表明,PFC3D数值方法可很好地模拟小麦的三轴试验.小麦的宏观参数弹性模量、泊松比、内摩擦角、剪胀角与细观参数颗粒刚度、颗粒间摩擦系数等具有良好的相关性.     

椭球颗粒体系宏细观特性的三维离散元分析

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成,其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关,目前关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究,而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法(DEM)对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ₃(第三主应力)等b(中主应力比)的真三轴加载数值模拟试验,研究了椭球颗粒体系的三维宏、细观力学特性,并验证了常用三维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。研究结果表明在三维加载路径下,不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性,椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致,宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1,归因于椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献；椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关；随着椭球伸长率η增大,Mohr-Coulomb、Lade-Duncan、Mastsuoka-Nakai及施维成三维强度准则对φmax(峰值内摩擦角)~b关系预测准确度逐渐增大,其中Lade-Duncan准则能更好地拟合不同加载路径下椭球颗粒体系的数据点。本文的研究为提高人们对真实应力状态下椭球颗粒材料的宏、细观特性提供了一定的理论基础。     

考虑细观接触的堆石料本构关系研究

考虑细观接触的堆石料解析模型不仅可以很好地反映堆石料的应力-应变关系,而且可以揭示土体变形和强度发展的细观机理.通过设置特征粒径并采用随围压增加而减小的峰值内摩擦角,将颗粒材料的本构模型应用于堆石料的三轴试验结果模拟中,并采用粒子群优化算法搜寻细观本构模型参数,与试验应力-应变-体变关系比较可以看出,拟合效果很好.表明文中提出的从细观本构出发,构筑堆石料应力-应变关系的方法切实可行.     

粗粒土细观组构分析的影响因素研究

基于离散元方法,采用ＰＦＣ２Ｄ模拟分析了土样在双轴等向压缩和双轴剪切两种不同加载方式 下的细观组构及接触演化规律．通过采取不同的颗粒级配、不同的试样尺寸、不同的制样方法和不 同的加载方式等数值模拟条件,从试样颗粒的接触力网络、平均接触数、组构偏量和应力应变关系 变化等方面研究各种条件变化对粗粒土结构及细观组构演化规律的影响．研究表明：试样的颗粒级 配和制样方法对粗粒土的细观组构和各向异性组构分析有一定的影响;试样的几何尺寸对组构各 向异性分析的影响较小,但是试样尺寸大小对研究土样的应力—应变关系会有影响;加载方式是土 样诱发各向异性和导致土样力学行为差异性的根本原因．     

加筋粗粒土大型三轴试验研究

采用大型三轴剪切仪,对粗粒土,加筋粗粒土强度变形特性进行了实验研究。试验结果表明不同围压条件下粗粒土和加筋粗粒土剪切的应力-应变关系类似,应力应变关系表现为应变硬化型;当轴向应变较小时,加筋效果不明显,随着轴向应变的逐渐增大,加筋效果逐渐发挥;粗粒土加筋后的内聚力c有明显增加,但是内摩擦角φ基本不变,侧向变形减小,体积变形增大;对邓肯-张模型的适用性进行分析,表明邓肯-张模型中切线弹性模量能很好适用于加筋粗粒土,但不能很好地反映加筋粗粒土变形特性;在试验的基础上提出了轴向应变与侧向应变的二次函数关系,建立了粗粒土的体积应变与轴向应变的函数方程,并对粗粒土以及加筋粗粒土的三轴试验体积应变数据进行了预测。     

堆石料的三维应力分数阶本构模型

为合理反映粗粒土的状态依赖非关联应力应变特性,提出应力分数阶塑性力学模型。已有模型基于三轴试验结果,无法对堆石料真三轴条件下的应力应变特性进行预测,为解决这一问题,基于特征应力法对已有分数阶塑性力学模型进行完善。进一步选取不同初始状态条件下堆石料的真三轴压缩试验数据对模型进行验证,结果表明,三维化后的分数阶岩土塑性力学模型可以合理地模拟不同初始状态的堆石料在真三轴压缩条件下的应力应变行为。与传统塑性力学模型相比,提出的分数阶塑性模型在描述堆石料非关联流动时不需要额外引入塑性势函数,仅需对已有屈服面求解分数阶导数。此外,模型在特征应力空间中推导完成再映射到原应力空间,可描述土体的三维强度特性,无需额外采用三维强度准则。     

非饱和土剪切试验颗粒流模拟

实验研究基质吸力对非饱和土的变形及强度特性影响耗时耗力,为减少实验所带来的问题,采用颗粒流理论,以颗粒黏结强度为桥梁,建立非饱和土的PFC3D直剪数值模型,模拟不同固结应力及基质吸力作用下非饱和红土的力学特性,得到其剪切应力与剪切位移的关系。基于摩尔-库伦准则,通过拟合计算得出与基质吸力相关的黏聚力c、内摩擦角φ并与实验值对比;通过黏聚力与基质吸力的关系得到φb角,数值模拟与实验值非常接近,结论验证了模拟的合理性。研究成果为非饱和土性质验证提供了新的思路。     

不同粒径砂土的细观离散元模拟

基于离散元理论,建立砂土数值模型,并赋予颗粒微观参数进行三维数值模拟.通过大量的颗粒流数值试验,对颗粒微观参数进行调整,得到与室内三轴实验相一致的应力应变曲线.通过改变颗粒微观结构,结果表明颗粒直径对材料的宏观力学行为有比较明显的影响.实验突破室内常规三轴实验的局限性,揭示了微观规律,对以后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考.     

粗粒土颗粒渗透系数计算模型的研究

渗透系数是渗流分析中最基本的也是非常重要的计算参数,研究粗粒土颗粒渗流系数计算模型为工程设计提供相对准确可靠数据尤为重要．基于理想致密圆球的渗流模型,将粗粒土颗粒粒径不同级配折算成基于理想渗流模型下的等效粒径,建立粗粒土颗粒流体的渗透系数计算模型．经理论分析建立起渗流系数与粗粒土颗粒等效粒径关系的计算模型,并通过实测数据验证模型的计算精度．为进一步研究多孔介质多组颗粒粒径混比综合渗流系数的计算提供新的途径．     

膨胀土湿化变形特性的试验研究

膨胀土湿化变形的一维试验问题早已解决 ,而在实际复杂应力状态下 ,土的膨胀必然是多维 ,而且各向的膨胀量也不同。文章通过应用控制式对称三轴压缩仪进行膨胀土的三维湿化变形测试 ,研究运用膨胀土筑坝时土体的湿化变形特性 ,提出相应的治理对策     

基于大三轴试验的粗粒土应力剪胀方程

摘要：采用大三轴剪切仪对三种不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料,进行了各向等压固结条件下的排水剪切试验。基于试验成果,提出了一个适用于粗粒土的经验型应力剪胀方程,并通过分析剪胀方程参数与围压之间的关系,给出了剪胀方程参数的确定方法。采用本文剪胀方程和Rowe剪胀方程分别对多种粗粒土三轴试验结果进行了预测,结果初步表明,和Rowe剪胀方程相比,本文剪胀方程能更好地模拟粗粒土的剪胀性。     

不同细颗粒含量土体管涌三轴试验研究

为探究不同细颗粒含量土体管涌机理以及管涌后土体力学性质,选取三种不同细颗粒含量的土体,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情况。通过管涌试验以及管涌后的排水剪切试验,分析了细颗粒含量对临界水力梯度、累计涌砂量、峰值强度以及体变的影响。结果表明:管涌发生前,临界水力梯度和临界流速随细颗粒含量的增加而增加;土体在较高的同一水力梯度作用下,累计涌砂量增长速度随时间逐渐减小,流失相同的细颗粒含量,累计涌砂的时间随细颗粒含量的增加而减小;随着细颗粒含量的增大,管涌后土体峰值强度呈不规则变化,土体体积先发生剪缩后发生剪胀,试样体积最大剪缩量随细颗粒含量的增大而增大。     

考虑温度效应的路基粗粒填料亚塑性模型

为了研究温度效应对路基粗粒填料静力剪切特性的影响,对GDS大三轴试验系统进行温控模块升级,采用循环流体加热模式实现对试样温度的精准控制. 选取浙江省某路基采石场碎石填料进行饱和排水剪切试验,分析不同温度下低围压路基填料静力剪切特性. 基于试验数据,建立剪胀指数与围压之间的关系,对von Wolffersdorff亚塑性模型进行改进以反映路基填料在低围压下的剪胀性. 在此基础上,提出温度对粗粒填料剪胀性及强度影响的本构关系式,建立考虑温度效应的路基填料亚塑性模型. 研究表明,温度升高使密实路基填料表现出软化现象,峰值强度随温度升高而降低;路基填料围压越高,峰值强度随温度的衰减越明显;残余强度基本不受温度变化影响. 所建立的模型能够模拟低围压填料强度与围压的非线性关系,准确反映不同温度下密实路基填料的剪切特性,可以作为温度效应下粗粒土剪切特性模拟的有效工具.     

复合地层土压平衡盾构压力舱渣土改良研究

为降低土压平衡盾构在复合地层中掘进时进行渣土改良的工程成本,以广州地铁21号线朱村至象岭区间为工程依托,通过对粉质黏土和砾砂不同比例组合的渣土进行颗粒分析,计算得到复合地层的粒径分布曲线,并结合室内试验和现场测试研究混合渣土的流动状态和渗透性。结果表明:当复合地层中含有粉质黏土层时,粗粒土层渣土流动状态和渗透性有较大的改善,添加少量的气泡或者膨润土泥浆,渣土状态即可满足盾构掘进的要求。粉质黏土层的含量在30%～70%之间时,渣土能够达到良好的塑性流动状态。粉质黏土层的含量超过70%时,存在结泥饼的风险。     

轮式月面巡视探测器月面牵引性能的预测

通过室内土槽试验和颗粒流数值仿真相结合的方法对轮式月面巡视探测器的轮土交互作用、车轮的牵引特性和轮下土壤变形和破坏进行了深入探讨。以吉林省火山喷发物为原料进行了模拟月壤的配制。设计并制造了深空探测车车轮牵引特性试验台并进行了不同轮齿构型车轮的牵引特性试验,获得了基础性的试验数据。考虑月壤结构松散、颗粒细小、流动性强的离散特征,采用颗粒流法分析了地面重力场下探测车轮下模拟月壤的扰动破坏、土体内接触力的分布、颗粒速度矢量的变化,获得的车轮牵引特性参数与土槽试验数据进行了对比,进一步对车轮在月面环境下的牵引性能做出了预测。     

砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

分析了成都砂卵石地层工程地质和水文地质条件,通过大型三轴试验对砂卵石层力学特性进行了研究。针对砂卵石层粘聚力低、离散性强的特点,选用颗粒离散元法作为数值计算工具,通过对大型三轴试验的数值模拟,对砂卵石层的细观参数进行了标定。研究了支护压力对开挖面变形、地表沉降、开挖面的最大位移和土层应力的影响。研究结果表明：1）开挖面土体破坏形状和砂土的离心试验模型相符;2）当支护压力较小时,开挖面前方土体颗粒接触力很低,颗粒流动趋势明显,因此容易引起超挖,从而导致盾构施工后形成地层中的空洞;3）开挖面前的上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞也不会立刻引起地面塌陷,这是目前成都盾构施工引发地面滞后沉降的主要原因。     

地铁振动下黄土永久变形力学模型的研究

以黄土地区地铁项目为背景,首先对地铁荷载长期循环作用下不同类型黄土的动变形特性分别进行了动三轴试验研究,得到了不同类型黄土累积塑性变形的发展规律,并提出了界定黄土临界动应力比的新方法,其次利用颗粒流程序建立了黄土土体动三轴试验的细观模拟模型,考察了其在模拟地铁列车荷载作用下的动力特性,并与前述相应的土工试验结果进行了比较和分析,在上述工作的基础上,基于建立的粘弹性模型-拓展的Burgers模型,推导建立了描述地铁行车荷载长期循环作用下黄土变形特性的力学模型。从而探讨了在土工试验与细观数值模拟有机结合的基础上建立土体力学模型的有效途径。     

三轴剪切过程中软黏土的微观结构及分形特征

土的物质组成和内部结构是决定土物理力学性质的主要因素;当土性质变化时,土中孔隙大小和形状变化最直观.为研究三轴剪切过程中软黏土微观结构变化特征,利用扫描电子显微镜获取了软黏土在不同应变速率和不同应变阶段的三轴固结不排水剪切试验后土试样的SEM图像;计算得到了软土的等效孔径和孔隙（颗粒）分维值.研究表明,该软黏土具有团粒-絮凝结构.试验前后软黏土中的孔隙均以小孔径、中孔径为主,大孔径孔隙分布较少;大孔隙主要存在于原状土和剪切破坏后土样中.剪切过程中存在一个影响孔隙分布随应变速率变化的应变阈值.软黏土具明显分形特征,孔隙分维值为1.891~1.750,颗粒分维值为1.825~1.908;在剪切过程中,颗粒分布分维值增大,孔隙分布分维值减小,孔隙大小和形状变化最显著.