砂土双轴试验的颗粒流模拟

采用颗粒流程序 ,对砂土试样的双轴试验进行了数值模拟。将数值计算结果和室内试验实测结果进行了比较 ,发现颗粒流方法能较好地模拟室内试验。通过改变计算模型中颗粒单元的性质 ,给出了在不同颗粒单元参数时砂土试样的宏观性质 ,其结果对研究土体的本构模型有一定的应用价值     

颗粒形状对类砂土力学性质影响的颗粒流模拟

 通过颗粒流软件PFC2D中的clump命令,生成4种不同外轮廓特征的颗粒组,并结合颗粒材料变形机制,定义构建基于颗粒圆度与凹凸度的形状系数。用形状系数与粒间摩擦因数分别反映颗粒的外轮廓特征和表面粗糙度。用PFC2D模拟颗粒堆积试验、双轴试验和直剪试验,探讨颗粒形状对类砂土材料宏观力学特性的影响。试验结果表明：在颗粒堆积试验中,颗粒外轮廓的不规则以及颗粒间摩擦因数的增大会导致自然休止角和天然孔隙率增大;在双轴试验中,材料的峰值强度与形状系数的变化规律可用线性函数很好地进行拟合,内摩擦角随形状系数的减小而增大;在直剪试验中,材料的抗剪强度有随形状系数的减小而增大的趋势,颗粒形状的不规则还导致强力传递链数目的减少和速度场分布的不均匀。     

煤矸石压缩试验的颗粒流模拟

 根据煤矸石颗粒材料的特点,采用三维颗粒流方法PFC3D的接触连接本构模型模拟煤矸石的压缩特性,再现其复杂的非线性本构关系。设计单一级配和泰波理论级配方案,并用Fish语言生成级配颗粒模型。对煤矸石的三轴压缩试验过程进行数值模拟,比较不同围压下的应力–应变曲线、体积应变曲线和微裂纹发展曲线,从细观角度验证不同级配煤矸石试样的强度及变形规律。研究结果显示,优化的级配方案能提高矸石的峰值强度,降低其压缩量,这对优化矸石充填的级配设计有一定的参考价值。     

H-V加筋土性状的颗粒流细观模拟

正交水平-竖向(H-V)加筋是一种新型的土工加筋技术,在H-V加筋土中除了有传统的水平筋条外,还在水平筋条上设置了竖向齿筋。结合已完成的加筋土三轴试验,采用基于离散元理论的颗粒流软件(PFC2D)对试验进行了仿真模拟,较好地拟合了H-V加筋砂土三轴试验的应力–应变曲线,并通过观测颗粒的受力情况分析了H-V加筋砂土的受力机理。通过引入颗粒流理论,对H-V加筋砂土试样的剪切带形成进行了细观数值模拟,揭示了H-V加筋土中剪切带产生、扩展的渐进破坏规律。     

基于微观图像处理技术的土体三轴试验颗粒流模型

以扫描电子显微镜拍摄获取的粉土图片为研究对象,把数字图像处理技术引入土体的细观结构观察和定量分析中,求解土颗粒孔隙度、颗粒粒径及颗粒形状等微观颗粒组成参数,为建立颗粒流离散元细观模型提供物理参数。在此基础上,对土样的三轴试验进行模拟,并研究细观力学参数(包括:摩擦系数、平行连接强度及刚度比)对宏观性质的影响。研究表明:通过颗粒簇模型和颗粒排斥法可以实现土体微观颗粒形状和粒径组成模拟。所建立的颗粒流模型能够很好地拟合土体的应力-应变关系和模拟试验中的剪缩-剪胀现象;摩擦系数、平行连接强度和刚度比对土体的初始模量和残余强度的影响规律有所不同;通过监测孔隙率的变化,可以反映土体剪切带发展的过程。     

土石混合体力学特性的颗粒离散元双轴试验模拟研究

土石混合体作为土体和碎石的混合体,其宏观力学特性与碎石特性密切相关。采用试验研究和数值模拟相结合的方法,对土石混合体的力学特性进行研究。基于FISH语言开发颗粒流的多边形碎石生成模块,通过室内试验校核颗粒流模型的细观参数,建立土石混合体双轴试验模型。提出以形状因子m作为衡量碎石磨圆度的指标,对碎石形状进行了量化。研究了碎石含量、强度、形状对土石混合体力学特性影响,探讨碎石对土体强度提高的细观原因,揭示土石混合料的强度指标随各主要影响因素的变化趋势。结果表明:碎石含量和强度越高,混合体的强度也越高,当含石量小于40%时,土石混合体的力学特性受土体主导;内摩擦角随着碎石含量增加而增大,而黏聚力却在减小;随着形状因子的增大,强度降低,黏聚力和内摩擦角均减小;土石混合体中应力分布不均,在碎石含量较高时,碎石形成骨架效应,承担了主要荷载。     

大理岩三轴压缩试验的颗粒流模拟

进行了大理岩在不同围压下的三轴压缩颗粒流模拟,通过试验对比分析,发现经由颗粒流单轴压缩试验模拟得到的微观参数可以较好地应用到三轴压缩试验模拟中;颗粒流程序可以较好地模拟大理岩在单轴、三轴压缩试验中的强度变形特性,得到的强度参数与试验值差距较小,但弹性模量无法反映实际试验中的变化过程,泊松比存在较大差距。     

颗粒破碎对砂土剪切性质影响的离散单元研究

采用离散单元方法,建立了圆形颗粒、不破碎非圆形颗粒和破碎非圆形颗粒的数值试验模型,进行了砂土的双轴剪切试验,研究了颗粒破碎现象对砂土物理力学性质的影响,分析了颗粒破碎和颗粒形状对试样强度的影响以及围压对颗粒破碎性质的影响。研究结果表明：颗粒破碎现象严重影响砂土的峰值强度以及体积应变性质,并且低围压下颗粒形状对强度影响大于颗粒破碎,随着围压增大,颗粒破碎的影响逐渐增强;围压影响颗粒破碎发生的速率和最终的破碎率;由对颗粒破碎的位置和试样内位移场的追踪可得到颗粒破碎的细观演化规律及破碎带的分布范围,破碎带分布范围与围压有关。     

流态混凝土中粗骨料颗粒形状对流动性的影响

结合浦东国际机场二期工程对流态混凝土的流动性和泵送性的要求,分析了流态混凝土中粗骨料形状对流动性的影响,提出了实体率和水泥浆体厚度系数的量化方法,指出粗骨料实体率较大,增大了混凝土的流动性。     

膨胀力试验的颗粒流数值模拟

在室内试验条件下,重塑膨胀土试样的被先后测定侧限条件下的膨胀量和膨胀力。考虑某些膨胀土土工试验结果,使用颗粒流构建膨胀土模型,使用这种模型模拟室内膨胀力试验过程,获得同室内试验相似的结果。制成的模型可以推广到工程模拟之中。     

考虑不同成桩方式单桩特性的颗粒流数值模拟

采用基于离散单元法的颗粒流数值技术对砂土中(无黏聚力)设置就位后单桩在使用阶段的承载特性进行了数值模拟。对应工程中的挤土桩与非挤土桩,按照桩设置的不同方式研究并对比了静压沉桩方式与预埋式两种不同单桩在就位后的工作特性,对两种成桩方式下桩–土–筏板的共同作用特性也略作了比较。分析中,克服传统的连续介质力学模型的宏观连续性假设,研究加载过程中桩体力学行为表现与桩周土体的细观结构参数反应的联系,增进了对桩基工程承载特性与土体渐进破坏演变过程的深入理解。此外,将模型试验与数值模拟结果作了对比分析,桩端荷载–位移曲线特征有较好的一致性。     

颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响

基于三维变形体离散单元法对堆石体进行细观研究,采用随机模拟技术生成堆石体三维数值试样,模拟其常规三轴剪切试验,研究堆石体颗粒形状及粒间摩擦系数对宏观力学性能的影响,揭示其细观组构和细观力学参数与堆石体宏观特性的关联性,建立细观力学参数与宏观力学参数的相关关系。数值模拟结果表明：颗粒形状对堆石体宏观特性影响明显,颗粒的长短径比越大,数值试样的峰值强度和残余强度均明显增大,峰值强度对应的轴向应变也逐渐增大,而数值试样的初始模量有所减小;在细观层面上,颗粒的长短径比越大,颗粒的接触法向向加载方向倾斜越明显,接触法向的各向异性程度越大;粒间摩擦角对堆石体宏观特性的影响显著,随着粒间摩擦角的增大,峰值强度明显增大和初始模量均明显增大,数值试样在剪切时的体积收缩量也有所增大,反映了堆石颗粒间的相互作用对颗粒体骨架的宏观力学行为的影响。     

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。     

不同颗粒组分下泥石流离心机模型试验研究

采用自主研发的离心机可视化试验装置,在坡度和降雨强度不变的条件下,进行降雨诱发泥石流离心机模型试验,研究不同颗粒组分对泥石流形成形态的影响。通过配置五组不同细颗粒含量的土样进行20g加速度下的离心机试验,分析宏观位移场、水分迁移、孔隙水压力等,研究不同颗粒组分下泥石流的形成机理。研究结果表明:随着细颗粒含量由10%增大至70%,泥石流破坏形态由分层滑动型破坏向整体流滑型破坏转变;不同颗粒组分下渗透系数的不同,是泥石流不同破坏形态的主要原因。     

矿物颗粒形状的岩石力学特性效应分析

岩石作为矿物颗粒的集合体,其宏观力学特性主要影响因素为矿物的细观形态特征。基于颗粒流理论,建立了4种代表颗粒形状用于模拟石英砂岩的矿物颗粒,并采用球度指标对矿物颗粒形状进行参数量化。通过石英砂岩的室内三轴试验校准了颗粒流模型的细观参数,在此基础上进行四种矿物颗粒形状试样的岩石三轴力学模拟试验。研究结果表明：颗粒的球度越大,试样的启裂强度、损伤强度和峰值强度均越低。随着颗粒球度的增加,试样的弹模降低,泊松比增大。内摩擦角和黏聚力则随球度的增大而下降。根据岩样数值试验中的变形数据,研究了不同颗粒形状剪胀角随着塑性剪切应变的演化规律。     

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。     

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。     

级配碎石形状量化及其对堆积特性的影响

针对现有离散元模拟多采用规则形状颗粒进行,与颗粒实际形态不符的缺陷。以级配碎石为例,对颗粒形状进行量化分析。采用数字图像处理技术,得到颗粒轮廓,根据轮廓形态特征从多个层次对颗粒形态进行描述,并得到互相独立的扁平度、棱角度形状指标,对指标进行统计分析,发现颗粒形态与粒径无关。最后通过离散元数值模拟探究颗粒真实形态与颗粒堆积孔隙率关系。试验结果表明：在松散情况下,堆积孔隙率随扁平度的增大而增大,而当颗粒近似圆形时,孔隙率随棱角度增大而减小。     

CFS夯扩桩复合地基作用机理的颗粒流数值模拟初探

对竖向载荷作用下的CFS夯扩桩-土作用机理进行颗粒流数值模拟研究.应用PFC2D程序模拟了夯扩桩-土相互作用过程.通过对加载过程中土的颗粒位移图、量测圈的考察,分析夯扩桩复合地基在不同荷载作用下的土体颗粒位移变化及土体孔隙度的变化规律,探讨桩-土相互作用土的细观力学特征和宏观力学行为之间的相互联系.同时,数值试验观测到的结果可为物理模型试验提供指导作用.