基于离散元理论的静压沉桩过程颗粒流数值模拟

 通过对二维颗粒流程序进行二次开发，对静压沉桩过程进行模拟。模拟结果揭示了桩端、桩周土体在桩土相互作用过程中各自所扮演的角色，从细观层面解释沉桩过程，将沉桩过程中桩体宏观力学行为表现与桩周土体受沉桩影响的细观结构变化联系起来，增进了对沉桩过程的深入理解和规律的揭示。主要结论如下：(1) 不同桩端形式桩周颗粒位移表现不同；(2) 端阻力随贯入过程均呈现似稳值现象；(3) 桩–土宏观响应与土体细观参数变化之间存在紧密联系；(4) 桩端接触面处颗粒以滚动为主，仅一小部分发生滑动；(5) 端阻力与桩尖角度有一定联系。     

软土路基碎石桩加固的土坡稳定性颗粒流模拟

采用颗粒流方法的基本理论,利用基于离散单元法的二维颗粒流程序(PFC2D),建立软黏土的颗粒流模型,对软土路基填土土坡的接触应力场和位移场进行模拟,然后在该土坡模型基础上加入碎石桩,模拟碎石桩对土坡稳定的作用。该方法克服了传统的连续介质力学模型的宏观连续性假设,对比研究了碎石桩加固前后的土坡在滑动时位移场的变化,以及不同桩径、不同间距、不同桩长对土坡的加固效果。研究表明,碎石桩桩长对抗滑能力有明显的影响,随着桩长增加,碎石桩抗滑能力显著提高;不同桩径的碎石桩,抗滑能力不同,随着桩径加大,抗滑能力提高;桩间距对抗滑能力的影响,需根据桩径优化确定,发挥桩与土共同作用。     

静压桩在砂土沉桩过程中桩周土应力-位移场变化规律的颗粒流数值模拟

利用颗粒流理论及PFC2D程序,模拟静压桩的打入过程,分析了打入过程中土体颗粒的结构排列、桩周土体的位移和应力的变化,并绘出应力场和位移场的等值线图,根据应力-位移场将土体的运动分成三个区域。     

扩径桩抗压性能的颗粒流数值模拟

采用二维颗粒流分析程序对扩径桩抗压试验进行数值模拟分析,并与现场试验结果进行对比。应用PFC2D程序,研究扩径桩在试验过程中时步-位移曲线、桩土颗粒排列变化及颗粒位移的变化。通过不同受荷阶段桩土细观力学特征的对比分析,得出桩在下压达极限荷载时的破坏性状。绘制桩在受荷过程中的荷载-位移曲线,并与实测值进行对比分析。     

筒仓压力及其流态的颗粒流数值模拟

本文采用颗粒流数值方法 (PFC2D)对筒仓的动、静压力问题及其流态进行了模拟研究 ,通过与理论和实验结果进行对比 ,认为使用颗粒流方法对筒仓压力的模拟是可行的 ,并且还得出了一些理论方法和常规实验所不能得出的结论。     

上拔荷载作用下桩的颗粒流数值模拟

对桩进行了承受上拔荷载作用的数值模拟试验并与物理实物试验实测值作了对比。应用颗粒流理论及其PFC2D程序,模拟研究了承受上拔荷载作用的桩及桩周土的细观力学特征,桩的上拔位移和颗粒的分布和速度。随荷载增加土颗粒的受影响区由大到小,且影响区边界逐渐明显,颗粒排列发生变化,形成了锥体状的受影响区域。根据土颗粒的分布、速度和位移的分布和变化,确定土中滑裂面为锥体状;数值模拟了上拔荷载、桩上拔位移与时步的关系,并与宏观物理实物试验的实测结果作了对比分析;综合确定了桩的极限上拔承载力。桩承受荷载过程中土颗粒细观结构变化的颗粒流仿真,是关于土体的细观力学特征与宏观力学响应相关联的初步研究。     

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.     

单桩数值模拟参数与方法的研究

分析了模拟单桩的各种数值方法的特点,以北京地区的五棵松大型系列桩基试验中的摩擦桩和端承桩为背景,采用FLAC3D数值模拟方法中的Pile单元来模拟单桩,通过对比分析单桩在荷载与位移的关系、桩的轴力与桩身压缩的关系、桩的侧阻力和端阻力等方面的实测值与计算值,来反演分析单桩的数值模拟技术及其关键的力学参数—耦合弹簧的刚度的取值方法,了解适用于北京地区的桩基模型和参数,为今后更好地分析北京地区的桩基工程积累经验。     

螺旋挤土桩下旋成孔过程的颗粒流数值模拟

螺旋挤土桩在国际桩基工程领域占据着重要的地位,为了深入研究螺旋挤土桩下旋成孔过程的力学特性,运用颗粒离散元方法对螺旋挤土桩下旋成孔过程进行了仿真模拟。在直剪试验的基础上确定了土样细观参数,建立数值模型,模拟研究了螺旋挤扩钻具以不同掘进下旋速度比在浅层和深层土中的掘进过程,通过与试验规律的对比,验证了数值模型的有效性,分析了桩侧土体的位移发展模式和力学响应,探讨了钻具与土体作用机理。研究结果表明,成孔的机理同钻具的掘进旋转速度密切相关,降低掘进旋转速度比,能减小钻具对周围土体的扰动范围,浅层与深层土体的位移模式不同;孔周围应力分布同钻具掘进下旋速度比相关,降低钻具掘进旋转速度比,可有效地减小钻具掘进的竖向阻力。     

考虑颗粒破碎的砂土高应力一维压缩特性颗粒流模拟

以Toyoura砂室内高应力一维压缩试验结果为基础,利用二维颗粒流方法中的接触黏结模型生成簇颗粒单元来模拟实际砂土的颗粒破碎特性。高应力一维压缩数值试验中,数值试样由887个簇颗粒单元组成。数值试验与室内试验结果对比表明:数值试验得到的压缩曲线形状及颗粒破碎屈服应力大小均与Toyoura砂室内试验结果一致,说明数值试验能够较好地再现实际砂土在高应力一维压缩条件下的颗粒破碎特性。与室内试验相比,利用数值试验不仅能得到宏观的颗粒破碎现象,而且还能通过分析内部接触力的变化和对黏结破裂位置的追踪来研究颗粒破碎的细观演化规律,从而可进一步探讨颗粒破碎的细观力学机制。最后,就细观参数、加荷速率、簇颗粒数量及试样平均粒径等因素变化对数值试验结果的影响进行了分析。     

颗粒形状对颗粒流模拟双轴压缩试验的影响研究

采用二维离散单元法,建立了4种不同形状的颗粒,研究了颗粒形状对模拟双轴试验的影响以及4种不同颗粒试样宏观特性随颗粒细观参数的变化关系。研究结果表明:在其它细观参数相同的情况下,颗粒形状对颗粒试样的宏观特性有较大的影响,其中3种异形颗粒由于颗粒形状的特殊性,显著地提高了颗粒试样的剪切强度。同时通过模拟双轴试验分析表明,4种颗粒试样宏观特性与细观参数的变化规律均比较一致。     

基于离散元法的颗粒破碎模拟研究进展

颗粒破碎对颗粒集合体的力学响应有着显著的影响。由于试验手段的限制,基于物理试验的颗粒破碎细观尺度的研究受到很大制约。离散元法为从不同尺度上研究颗粒破碎对颗粒集合体力学特性的影响提供了一条有效的方法。通过回顾国内外现有研究成果,介绍了基于离散元模拟颗粒破碎的两种方法,即基于颗粒黏结模型和基于碎片替换法的颗粒破碎模拟方法,论述了这两类方法的特点。基于颗粒黏结模型的颗粒破碎模拟方法破碎程度有限而且难以开展较大规模模拟计算,基于碎片替换法的颗粒破碎模拟方法需要考虑碎片替换模式和颗粒破碎准则这两个关键问题。整理并讨论了现有破碎模式中碎片颗粒的数目、尺寸分布、满足质量守恒定律的策略以及破碎的应力判定准则和力判定准则。提出了基于离散元的颗粒破碎模拟方法可能的研究方向。     

不同直径单桩静压贯入力学特性模型试验研究

为探讨不同桩径静力压入单桩的贯入力学特性,设计了不同桩径的模型桩,基于光纤光栅(Fiber Bragg Grating,简称FBG)传感技术,开展了黏性土中静压贯入两种不同直径单桩的模型试验研究。结果表明:试桩的压桩力基本呈线性增加趋势,桩径越大,压桩力越大;桩径不同会影响单桩的荷载传递性能,由于桩径越大挤土效应越明显,沿深度方向的桩身轴力传递性能优于小桩径桩;桩身单位侧摩阻力随深度增大而增大,桩径越大,对土体的侧向挤压力越大,桩身单位侧摩阻力越大;同一深度,两种不同直径单桩桩身单位侧摩阻力都出现"侧阻退化"现象,"侧阻退化"现象随着贯入深度的增加越明显,且桩径越大,桩身单位侧摩阻力退化越显著;均质黏性土地层静压沉桩阻力主要为桩端阻力,沉桩结束时,试桩桩端阻力占沉桩阻力的比例分别为59.5%和66.2%,不同的桩身直径既影响桩端阻力,又影响桩侧阻力。确定静压贯入沉桩阻力时,考虑基于黏性土的侧阻退化后实际值更为合理。     

混凝土单轴压缩破坏试验的二维离散元数值模拟

混凝土作为一种典型的准脆性材料,其力学特性和破坏过程非常复杂.利用颗粒流软件PFC2D,模拟了混凝土的单轴压缩破坏试验,分析了模型细观参数对混凝土宏观力学特性的影响,并对其破坏形态进行了研究.分析表明:试件的峰值强度随着平行黏结强度、摩擦系数、平行黏结半径的增大而增加,随平行黏结刚度的增加而降低.     

静力触探试验的离散元数值模拟研究

由于静力触探试验的可重复性及可靠性,它在现场试验中被广泛应用。对静力触探试验进行颗粒流模拟,有助于从细观上了解静力触探试验机理,使之更好地服务于工程实际。颗粒流方法在模拟土体大变形方面具有一定的优势,本文利用颗粒流理论及其程序,首先在双轴试验的基础上确定了土样细观参数,然后建立静力触探的数值模型,模拟研究了贯入过程及锥尖土体的细观力学特征,重点分析了静力触探过程中砂土的位移运动规律,砂土的水平和垂直应力场及主应力的偏转。通过施加不同的应力边界条件,分析了模型不同的应力条件及超固结比(OCR)对锥尖贯入阻力的影响。同时,分析了锥尖尺寸效应对锥尖贯入阻力的影响规律。数值模拟结果与已有的试验规律具有较好的一致性,从而验证了颗粒流方法模拟静力触探试验的可行性,所得结论具有一定的理论价值和工程意义。     

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。