基于离散元筛分模拟的道砟级配修正的研究

选取8种常见不同形状的道砟颗粒模型进行振动筛分模拟,探讨了颗粒形状对模拟中预设级配与过筛后真实级配之间误差的影响,并对级配曲线进行修正。结果表明：球形颗粒的预设级配曲线与筛分后真实级配曲线相一致,但不规则形状颗粒的筛后真实级配曲线会相应产生偏大或偏小型误差,偏差幅度与道砟形状相关;粘聚体颗粒存在的内部孔隙,其最小投影面相较同体积的球形颗粒更大,每层筛板的真实过筛率最低。通过对比过筛前后级配曲线和统计各粒组的界限粒径平均偏差值,然后对初始生成级配的界限粒径进行修正,从而使筛后的真实级配更加接近预设级配。通过筛分模拟标定真实级配方法可适用于不同颗粒形状及级配的离散元试样。     

月壤静力学特性的离散元模拟

以典型月壤的物理力学性质为参照标准,采用颗粒流程序PFC3D对月壤静力学特性进行了离散元模拟研究。通过离散元模拟三轴试验反复调整颗粒细观参数,建立了月壤离散元接触力学模型;描述了月面探测车辆行驶下的月壤承压特性模型与剪切特性模型;从月面探测车辆的行驶观点出发,模拟压板试验,得出了载荷-沉降关系;通过模拟履带板试验得出了剪切应力-位移关系。最后,计算出了月壤的变形模量K为1635kN／m^n＋2、变形指数n为1．22,剪切变形模量k为1．35cm。结果表明,模拟试验值与模型预测趋势一致。     

月壤静力学特性的离散元模拟

以典型月壤的物理力学性质为参照标准,采用颗粒流程序PFC3D对月壤静力学特性进行了离散元模拟研究。通过离散元模拟三轴试验反复调整颗粒细观参数,建立了月壤离散元接触力学模型;描述了月面探测车辆行驶下的月壤承压特性模型与剪切特性模型;从月面探测车辆的行驶观点出发,模拟压板试验,得出了载荷-沉降关系;通过模拟履带板试验得出了剪切应力-位移关系。最后,计算出了月壤的变形模量K为1635 kN/mn+2、变形指数n为1.22,剪切变形模量k为1.35 cm。结果表明,模拟试验值与模型预测趋势一致。     

循环荷载作用下铁路路基级配碎石填料累积变形研究

路基在列车往复荷载作用下会产生累积变形,引起轨道不平顺,影响列车运行的舒适性和安全性。为揭示铁路路基级配碎石填料在循环荷载作用下的累积变形规律,对级配碎石开展了大型动三轴试验,研究了循环荷载作用次数、围压及循环应力比对级配碎石累积变形的影响。试验结果表明:1)随着循环应力比的增加,级配碎石试样累积变形达到稳定所需的循环次数逐渐增加;当循环应力比一定时,围压对级配碎石试样累积变形达到稳定所需的循环次数影响不明显,围压越大,级配碎石试样最终的累积变形越大。2)相同围压条件下,循环应力比越大,级配碎石试样累积变形达到稳定所需的循环次数越多,级配碎石试样最终的累积变形越大。3)围压越大,级配碎石试样最终累积变形越大。循环应力比越大,级配碎石试样最终累积变形越大;当循环应力比达到0.4时,已不符合稳定型累积变形规律。通过试验获得了循环荷载作用次数、围压及循环应力比对级配碎石累积变形规律的影响。基于试验结果,提出了铁路路基级配碎石填料稳定型累积变形预测模型,揭示了级配碎石稳定型累积变形规律,可为准确预测和控制铁路路基工后沉降提供依据。     

动力荷载下散粒体的锚杆加固效应

采用细观数值模拟方法研究动力荷载下散粒体的锚杆加固效应,采用随机散粒体不连续变形方法建立加锚散粒体的三维数值试样,对试样施加水平方向的动力荷载,分析散粒体材料在动力荷载条件下的宏观和细观力学特性.分别建立不同锚杆间距、颗粒粒径以及无锚杆的散粒体试样,研究其对动力荷载条件下的散粒体的力学性质影响.数值模拟结果表明:随机散粒体不连续变形方法可以研究动力荷载下散粒体的变形规律及加固效应;锚杆加固可以有效限制散粒体在动力情况下的变形,显著提高散粒体的整体性;与静力加载相同,由于锚杆的挤压使散粒体产生侧向压力,加强了颗粒间的接触作用力;锚杆长度相同的情况下,加锚密度越大,散粒体试样的抗震稳定性越好;当锚杆间距与散粒体平均粒径的比值小于2.35时,锚杆可以很好地提高散粒体结构的自稳能力而保持整体稳定.     

基于离散元理论的OGFC矿料级配设计

提出开级配沥青磨耗层(open graded friction courses,OGFC)混合料矿料级配设计应针对粗细集料在混合料中所起的作用不同进行分别设计的理念.提出基于离散元理论和试验相结合的OGFC混合料粗集料级配设计的新方法:以4.75 mm筛孔通过率作为粗集料级配控制点,根据离散元理论计算粗集料中各粒径最优体积分数,通过粗集料的干捣试验进行VCA_min的验证,根据粗集料空隙率和设计空隙率的要求,确定粗集料的级配.采用N法进行OGFC混合料的细集料级配设计,为了满足设计空隙率的要求,在细集料设计中要求2.36~4.75 mm的质量分数不超过5%.在研究粗集料和细集料级配设计的基础之上给出了OGFC矿料新的级配范围.     

刚性桩复合地基变形特性离散元分析

采用离散元法(DEM)软件PFC2D模拟了刚性桩复合地基单桩模型试验,避免了之前广泛采用的有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)等连续体法在模拟刚性桩复合地基褥垫层时的不足,并基于离散元模型对刚性桩复合地基中桩体刺入量及地基的水平位移、竖向位移等变形特性进行了分析.分析结果表明:在桩顶处1/4椭圆形的区域内褥垫层颗粒的沉降明显小于其他区域内颗粒的沉降;水平位移主要集中在基础下的三角形区域内,褥垫层颗粒在发生水平位移时受到了桩体的剪切作用;桩体在影响褥垫层颗粒竖向位移方面主要起阻挡作用,而在影响褥垫层颗粒水平位移方面主要起剪切作用.     

煤样剪切变形及裂纹演化特征离散元模拟研究

通过对煤样常规三轴试验的拟合,得到一组能够反映煤样宏观力学性质的PFC细观参数,并在此基础上制备含不同倾角预制裂隙的剪切试样,利用模拟的方法研究裂隙倾角对煤样宏观剪切力学性质的影响.通过对模拟结果分析,得到如下结论:由于拉应力最大值和拉应力的分布区域随裂隙倾角不断改变,导致裂纹萌生应力在倾角为0°~30°时呈现不断增大的趋势,在30°~75°之间呈现减小的趋势,在75°~90°之间呈现增大趋势.根据裂纹数目随应力应变曲线的变化特点,将试样的破坏过程分为3个阶段,并根据翼裂纹再次扩展到次生裂纹萌生扩展阶段对应的剪切应变大小将不同裂隙倾角试样大体分为脆性破坏试样和延性破坏试样.在对试样破坏过程分类的基础上分析了试样的最终破裂模式和次生裂纹萌生对应的剪切应变,结果表明试样破裂过程的决定因素为试样的破裂模式,并且破裂模式影响次生裂纹萌生对应的剪切应变.通过对模拟试验结果的分析,提出不同工况的支护建议.     

地铁荷载作用下隧道土体变形的数值模拟

天津市区地铁隧道一般埋设于第一海相软土层中,目前针对这一海相软土层在地铁荷载下隧道周围土体变形的研究较少.本文利用ABAQUS有限元软件,模拟地铁运行荷载,对比分析隧道周围土体在竖向和水平方向上距隧道不同距离处土体的变形,结果表明:土体变形较大的区域主要集中在以隧道轴线为中心的10,m范围内,工程建设时对此区域土体要重点关注;而在30,m以外区域土体变形较小.分析结果为以后在现有地铁隧道沿线建设地下构筑物时提供了有价值的参考.     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程 声发射特性的离散元模拟

采用离散单元法研究了横观各向同性岩石在不同层面倾角条件下的单轴压缩破坏过程及声发射特性。结果表明:由于层面倾角的变化,导致横观各向同性岩石破裂过程具有不同的声发射特性。声发射特性与应力存在一定的耦合关系,且声发射空间响应集中在2种岩石的交界面上。互层岩体由于层间力学属性不同,极有可能在交界面处引起应力集中,使得在交界面附近裂纹最先萌生,裂纹进一步向交界面两侧岩体中扩展,从而引起宏观裂纹的出现,最终引起岩体的破坏。随着层面倾角的增大,岩石的单轴抗压强度和弹性模量呈先减小后增大,层面倾角90°时的强度甚至超过了0°时的强度。     

间歇性循环荷载作用下细粒土的变形特性

铁路路基承受的列车动荷载作用由列车通过时产生的周期性振动和无列车通过时的加载间歇组成, 针对此工程背景,开展不同围压、水的质量分数、动应力条件下的连续加载与加载-停振的动三轴试验,研究间歇性循环荷载作用下细粒土的超孔隙水压力、弹性应变、回弹模量和累积塑性应变的变化规律. 试验结果表明,加载间歇对路基变形特性有显著影响. 由于加载间歇阶段试样卸载以及排水作用,试样在加载阶段积累的超孔隙水压力在间歇阶段消散,土体内部颗粒及结构得到调整,试样抵抗后续荷载的能力得到提高. 此外,加载间歇显著减缓了后续加载阶段的塑性应变发展,降低了试样的累积塑性应变. 加载间歇对提高试样回弹模量、降低弹性应变的效果有限. 加载-停振的间歇加载方式可以更准确地模拟实际列车荷载作用,进而获得更具实际意义的试验结果.     

海洋风化花岗岩崩解特性试验与离散元模拟研究

针对海上风电嵌岩桩基础的施工过程中风化花岗岩的浸水软化崩解对施工安全的影响问题,通过设计浸水崩解装置,开展海洋风化花岗岩的浸水崩解试验,分析风化程度及酸碱溶液对风化花岗岩浸水崩解的影响规律,探究海洋风化花岗岩浸水崩解的机理,并使用离散元模拟风化花岗岩浸水崩解的过程.研究结果表明：花岗岩的风化程度对其浸水崩解速率和程度影响显著,随着花岗岩风化程度的提高,其浸水崩解程度从无明显崩解逐渐发展到部分崩解及完全崩解;黏土矿物胶结作用的丧失是海洋风化花岗岩崩解的主要原因,风化花岗岩中的金属氧化物在酸性溶液中的反应会导致其崩解程度增大.基于平行黏结接触模型建立的离散元模型,可以模拟风化花岗岩的浸水崩解全过程.     

筒仓侧压力的离散元数值模拟

采用离散单元法(DEM)建立了一种筒仓缩尺模型,该缩尺模型能够提供计算原型筒仓所需的重力场.并模拟了该筒仓缩尺模型的静态侧压力,得到模型筒仓的静态侧压力与原型筒仓的Janssen公式计算值相符合的结论,并通过对该模型筒仓卸料过程的模拟分析,得到了筒仓动态侧压力变化趋势和超压系数的范围.     

离散元模拟离心超重力场下的斜槽颗粒流

以非稳态斜槽颗粒流为切入点,利用离散元方法再现颗粒流在离心超重力场中的运动机制,以量化科里奥利效应对岩土体动力过程的影响.利用已发表的离心试验数据验证数值模型的可靠性;从宏观和细观尺度系统量化非稳态流中模型布置方向、斜槽倾角、超重力、斜槽底面粗糙度等试验参数对科里奥利效应的影响规律. 结果表明,在不同模型布置方向下,科里奥利力会大幅改变颗粒流的流态,科里奥利效应与斜槽倾角以及斜槽底面粗糙度正相关,但是科里奥利效应对超重力不敏感.研发抵消科里奥利效应的试验手段是岩土体动力灾变超重力离心模拟领域亟须解决的技术瓶颈之一.     

连续开采下上覆岩层移动的离散元模拟

采用离散元法对走向长壁工作面上覆岩层移动和地表沉陷进行了动态分析和模拟，探讨了离散单元法参数选择问题。通过实例分析，计算结果与实测结果基本一致，并探讨了下沉系数与回采区段尺寸的关系     

循环荷载下软黏土回弹和累积变形特性

针对交通荷载循环应力水平低、循环次数大的特点,利用英国GDS公司生产的振动三轴仪在不同固结围压、不同循环应力比下对温州原状饱和软黏土进行了大周数（50 000次）不排水循环加载试验,研究了循环应力比对饱和软黏土应力-应变曲线、回弹模量和累积应变的影响.研究表明：循环应力比对饱和软黏土应力-应变曲线的形状及其发展规律影响明显.相应地,随着循环应力比的增大,回弹模量的衰减程度加大,达到稳定所需的循环次数增多.通过对50 000次循环后的回弹模量和累积应变进行分析,发现循环应力比在0.60-0.70是一个临界应力水平,当循环应力比大于该水平时,回弹模量不随循环应力比的变化而改变,达到“渐近线刚度”;而累积应变则开始迅速增长,变得不稳定.     

风积沙在循环荷载作用下的变形特性试验研究

通过动三轴试验研究了风积沙在循环荷载作用下的累积塑性应变特点,分析了围压、循环荷载大小、偏压固结比、初始静偏应力和循环荷载作用频率对累积塑性应变的影响,得出了风积沙在循环荷载作用下的累积塑性应变特点,根据循环荷载的大小应变类型可以分为4种:稳定型、缓慢增加型、匀速增加型和突然增大型。当围压为20kPa时,其临界动应力水平D的取值范围为:0.27D0.33。风积沙的累积塑性应变随着循环荷载大小、初始静偏应力的增加而增大,随着围压、偏压固结比和荷载作用频率的增加而减小。提出了一种针对动应力水平较低时风积沙累积塑性应变模型,并验证了模型的正确性。     

长期反复荷载作用下软黏土地基的变形特性

软黏土地基在长期反复荷载作用下容易产生变形大、沉降时间长且难于预测等问题。针对该问题,通过太沙基一维固结理论,求解了矩形及梯形反复荷载作用下软黏土地基的一维固结解析解;利用ABAQUS有限元软件,提出了一种反复荷载作用下软黏土地基长期固结变形的数值分析预测方法。利用该方法结合工程实例详细分析了反复荷载下软黏土地基沉降、孔隙压力和有效应力及孔隙比等随时间的长期发展变化规律,发现沉降量与反复荷载的水平加载段时间成正比;孔隙水压力的最终发展趋势是围绕0值上下波动;有效应力随着加载次数逐渐增加;孔隙比的变化与土层深度、加载大小与加载次数有关,并将不同荷载类型下的模拟值、理论值和实测数据进行了分析比对,发现等效的反复荷载下的沉降曲线与实测值吻合较好。     

开级配大粒径沥青碎石OLSM-25细观结构的离散元分析初探

沥青混合料是由沥青和粗细集料等粒状单元共同组成的多相复合材料,目前现有的沥青路面结构设计理论均将路面结构当作均匀连续、各向同性的弹性体进行计算分析,这与沥青混合料自身属于颗粒体非连续微细观结构的实际情况不相符.本文采用离散元方法,运用二维颗粒流程序(PFC2D),对比分析了两种颗粒生成方法的特点及其适用条件,以开级配大粒径沥青碎石混合料(Open-graded Large Stone Asphalt Mixes,OLSM)OLSM-25推荐级配的上限为1#级配,建立了1#级配OLSM-25混合料的二维离散元模型,验证了二维离散元方法用于沥青混合料颗粒体材料数值模拟的可行性,弥补了有限元方法的不足之处,为OLSM-25的细观结构分析开辟了新的解决思路和途径.     

基于三轴试验与离散元模拟的路基土力学特性研究

针对宿州市学府大道路基砂土,通过室内土工试验得到其基本物理性质指标,并结合室内三轴试验,分析不同相对密实度下砂土的应力-应变特性和体积应变特性及其变化规律.结果表明:在固定围压下,砂土的相对密实度越大,砂土抗剪强度和抗变形能力越强,而且砂土的内摩擦角与相对密实度呈正相关,即随着相对密实度的增大而增大.此外,通过建立与室...