砂卵石土直剪试验的颗粒离散元模拟研究

砂卵石土作为一种粗粒土介质越来越受到研究者的重视。基于PFC3D颗粒离散元法,建立了砂卵石土直剪试验模型,进行了以强度和剪切变形为主的直剪试验模拟研究,并与试验结果进行了对比分析。结果表明,模拟结果与试验结果较吻合,直剪试验初始阶段表现为剪缩现象,后续为剪胀现象,抗剪强度除了受表面摩擦力的影响外,还受剪切带区域起伏度的影响。     

砂卵石土静力特性研究

通过砂卵石土的直剪压缩试验,对试验过程及试验结果进行了深入分析,探讨了非饱和、饱和砂卵石土的强度与变形影响因素,并建立了砂卵石土的抗剪强度与压应力之间的计算公式。     

不同接触状态下粗糙节理剪切强度性质的颗粒流数值模拟和试验验证

节理表面形貌和接触状态对节理剪切力学性质有重要的影响。用砂浆材料的单轴压缩试验和光滑节理直剪试验得到材料和光滑节理的宏观力学性质参数,对颗粒流数值模拟的节理细观力学性质参数进行标定。用颗粒流离散元数值软件(PFC2D)构建人工粗糙节理表面形貌,对不同表面形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质进行颗粒流直剪数值模拟试验,获得其峰值剪切强度。同时进行人工材料节理直剪试验,与颗粒流直剪数值模拟试验结果进行对比分析,数值试验与直剪试验结果吻合较好,验证了颗粒流直剪数值模拟试验与直剪试验具有同等的精度,可以作为各种表面形貌的节理在不同法向应力水平下抗剪强度研究的一种补充方法,以解决节理直剪试验中表面形貌损失对其剪切强度的影响,也可以在少量节理直剪试验的基础上,预估相同形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质,同时还可以在现场测定不同粗糙度的节理表面形貌,预估其在不同接触状态、不同法向应力下的剪切力学性质。从而解决节理直剪试验中在相同形貌节理试件取样和制备困难的问题,且具有经济、方便、快捷、可重复性强等特点。     

断续节理直剪试验与PFC2D数值模拟分析

 在以往有关断续节理模型试验和数值模拟的研究基础上,设计不同连通情况和法向应力的断续节理模型材料直剪试验,并采用颗粒流离散元软件PFC2D对模型试验进行全真数值模拟。以贯通节理试样、完整试样的剪应力–应变数值模拟曲线和模型试验曲线吻合作为PFC细观力学参数选取准则,并利用获得的细观力学参数对共面断续节理试样直剪试验进行数值重现。对比分析数值模拟曲线和模型试验曲线,对断续节理受剪贯通的力学机制进行研究。根据模型试验和数值试验的成果,分析断续节理预剪面上应力随剪应变的演化过程,发现剪切过程中的剪胀效应使得岩桥承担更多的压应力,从而提高了岩桥的抗剪强度。对断续节理岩体在直剪加载条件下的破坏机制进行讨论,将整个剪切过程分为线弹性阶段、初裂阶段、峰值阶段、峰后阶段及残余阶段5个阶段。     

沙壤土直剪试验的离散元数值模拟

基于离散元法,用不同尺寸的球体代表土壤颗粒,添加平行粘连模型模拟颗粒间的相互作用,对沙土直剪试验进行数值研究;为了校正和验证数值模型和输入参数,将剪切结果与标准直剪试验所得的抗剪强度进行对比,结论表明离散元数值模型的仿真结果和试验能够很好吻合;还详细讨论了剪切过程中土壤颗粒的运动情况,以及剪切盒形状、剪切速度、法向载荷对剪切曲线和颗粒料床孔隙率的影响。     

卵石土力学强度特性试验研究

本文通过对不同深度分布的卵石土进行原位剪切试验,研究表明:随着深度增加,土体的孔隙减小,密实度增加,卵石土发生屈服破坏时,剪切位移逐渐减小,卵石土更易发生塑性变形破坏;泥质微胶结卵石土剪切破坏后,其残余抗剪强度没有明显衰减,应力应变曲线属于应变硬化型;试验场地中,卵石土中卵、砾石含量在60%~80%之间,以卵砾石含量70%为界限,卵石土的抗剪强度主要受到粗粒土控制,细粒土产生的黏聚力占次要作用;由于卵石土颗粒大小相差悬殊,在剪切过程中颗粒之间的咬合力随土体密实度对表观黏聚力影响较大,卵石土的颗粒级配情况对剪切面力学性质起控制作用。     

粗粒土颗粒接触力学特性及细观接触模型研究

将石灰岩粗粒土颗粒之间的接触形式简化为点–面接触,通过颗粒接触试验研究粗粒土的粒间法向、切向接触力学特性,并归纳出粗颗粒细观接触模型的具体形式。利用该细观模型,对粗粒土大型直剪试验进行离散元(PFC)数值模拟,通过数值计算结果与试验实测数据进行对比,验证粒间接触模型及细观参数的适用性。最后,对粗粒土颗粒接触特性及其接触模型的进一步深入研究进行分析和讨论。研究结果显示,实测的粒间接触力与接触位移关系曲线可以利用指数小于1的幂函数进行拟合;同时,为了对切向接触刚度进行统一的衡量,定义切向位移为5 mm时的切向力为切向接触强度(切向力有峰值时取峰值切向力)。对比大直剪试验的实测与计算结果发现,粒径较大(2~5,1~2 cm)时计算误差非常小;但对于含有更细小颗粒的级配试样,计算误差偏高。在细观尺度内,颗粒粒径在何种范围内会表现出与大颗粒不同的接触性质,有待借助更精细设备进一步探究。     

轮胎加筋土抗剪强度数值分析研究

为了更好地进行数值计算和预测加筋土的抗剪强度,分析了直剪试验数据,建立回归方程,为工程实践提供理论依据。首先利用弹塑性理论分析加筋土抗剪强度,探讨剪切机理。在比较了相关直剪试验数据处理方法后,针对笔者前期轮胎条加筋土直剪试验数据进行多元回归分析,并利用数值模拟方法将实测值与回归模型计算值做对比来检验多元回归模型的精确度。研究发现轮胎加筋材料的掺入可以增加土体破坏时的轴向应变和土体的抗拉能力,减小土的侧向变形,从而提高了黄土的抗剪强度。建立的回归模型计算结果与实测值较吻合,可以作为加筋土界面抗剪强度数值分析与计算依据。     

玻璃砂透明土与标准砂土强度特性对比三轴试验

制备了不同级配的玻璃砂透明土,对其进行了三轴固结不排水剪切试验和直接剪切试验,并与同等条件下的标准砂土试验结果进行了对比分析.结果表明：玻璃砂透明土的抗剪强度随相对密度的增大而增大;标准级配玻璃砂透明土的抗剪强度比05~10mm粒径玻璃砂透明土大;相同级配下,玻璃砂透明土与标准砂土的抗剪强度相近,可用玻璃砂透明土模拟天然砂土.     

高速剪切条件下土的颗粒流模拟

 以高速环剪仪试验为原型,利用颗粒流模拟程序PFC建立无黏性土的环剪模型,进行在高速剪切条件下的环剪试验。通过将模拟试验结果与高速环剪仪所作砂土剪切试验结果进行对比,模拟试验和高速环剪试验试样的不均匀系数分别为1.64和1.45,2个试验的应力变化趋势相近,应力水平接近,模拟结果所反映的应力变化与物理试验的一致。模拟试验中代表土颗粒的球单元之间的接触模型采用的是线性接触模型,适合模拟无黏性土。模拟试验中发现剪切边界对剪切带的形成影响较大,对比墙、球环和球环+齿状结构3种剪切边界的剪切效果发展,球环+齿状结构的剪切边界可以保证剪切试样内外剪切速率的一致性。     

不同含水率砂卵石围岩宏细观力学特性研究

含水率对具有颗粒物质性质的隧道砂卵石围岩稳定性有较大影响,通过室内大型三轴试验与颗粒离散元数值三轴试验相结合的方法,对中密状态下不同含水率砂卵石围岩在100、200、300 kPa三种围压下的宏细观力学特性展开研究,分析了含水率对隧道砂卵石围岩宏细观力学参数影响规律。研究结果表明:随着含水率的增加,砂卵石围岩的应力峰值、内摩擦角和粘聚力均随之减小;砂卵石围岩变形破坏时轴向应变约为4%,其应力峰值后仍可承受较大的应力特性;确定了中密状态时不同含水率砂卵石围岩的接触模量、摩擦系数、颗粒刚度比、法向接触强度等离散元细观参数。研究成果为砂卵石地层隧道围岩稳定性离散元精细化模拟提供理论依据。     

砂卵石地层盾构施工引发的滞后地面塌陷机理

针对砂卵石地层盾构施工地面突发塌陷频发的情况,结合成都地铁1、2号线地面塌陷实例,研究了盾构施工引发的滞后地面塌陷机理;分析了砂卵石地层地质条件,利用大型三轴剪切试验获得其力学特性;选用颗粒离散元法进行数值计算,通过三轴数值试验标定了土体的细观参数;通过数值计算模拟了开挖面失稳和空洞向地表移动.研究结果表明,当开挖面支护压力较小时,位移大于0.1m的颗粒接触力极低,该区域的土体孔隙率变大、力学性质也降低,该区域是开挖面失稳区,掘进过后将在盾构上方形成空洞;砂卵石层开挖面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,这是地面滞后塌陷的重要原因.     

盾构掘削土体颗粒运动规律及传力特性DEM研究

土压平衡盾构掘进时土舱压力的设定往往缺乏足够的理论支撑,其内部掘削土体颗粒的运动规律也无法直观展现。基于离散单元法(DEM)对土舱内砂卵石颗粒集合进行三维精细化仿真,通过支持向量机反演标定细观接触参数,获得了土舱内部颗粒流速度场分布情况和运移沉积规律,纵向上从土舱前端到隔板流动效果越来越差,横断面上靠近辐条外边缘及支撑柱附近区域的流动性较好,结合局部滞流特征提出了土舱内部结构优化措施。进一步阐述土颗粒内部接触力链变化更迭特征,分析了土舱隔板压力分布情况,其总体上呈现隔板压力左右对称,从上而下逐渐增大的特征。同时揭示了在砂卵石地层中开口率为66%的辐条式刀盘盾构机土舱隔板压力与刀盘前支护压力的映射关系,DEM计算所得压力传递系数为0.771 1,土舱隔板压力的合理设定值为47.08 kPa～70.69 kPa,研究成果可为砂卵石地层盾构土舱压力的设定提供理论基础。     

砂卵石土动强度的试验研究

通过对砂卵石土室内动三轴试验,对饱和砂卵石土的动力特性进行了较为深入地研究。主要分析不同围压、不同固结比和不同振动频率对砂卵石土的动荷载影响的变化规律。试验结果表明,砂卵石土呈现出动弹性模量随动应变的增大而非线性地降低,动荷载频率对动弹性模量影响很小,动弹性模量随着固结比的增大而显著增大的规律。同时,砂卵石土的阻尼比具有随动应变增大而增大,随着围压或固结比的增加而减小的变化规律。     

一种快速生成三维混凝土骨料模型的混合实现方法

三维随机骨料混凝土模型是由骨料、砂浆基体以及界面层组成的三相复合材料,基于Fortran和ANSYS软件提出了一种快速生成含高体分比球形骨料混凝土模型的混合实现方法,并在此基础上生成三维椭球形骨料(卵石)模型、凸多面体骨料(碎石)模型以及混合模型。算例结果表明,这种新方法可以快速生成三级配球形颗粒混凝土模型所需的骨料数据,相应的骨料投放含量能达到65%左右。混合方法可将骨料颗粒和界面层分离开来,在有限元网格剖分时避免了复杂的单元属性判别。通过对椭球形骨料模型和凸多面体骨料模型的有限元数值模拟,进一步验证了该混合方法的有效性。     

Insight on bulk shear strength parameters of clay using discrete element approach incorporating physics-based interparticle force model

This paper aims to provide insight on factors affecting the bulk shear strength parameters of clay, i.e., the cohesion and internal friction as well as the effects of memory of preconsolidation pressure. A unique Discrete Element Method (DEM) model is built on platy particles with customized particle interaction force model. The particle interaction force model considers non-contact forces (such as the long-range electrostatic repulsion, short-range van der Waals attraction) as well as the direct contact force. The long-range electrostatic forces are calibrated by measurement with Atomic Force Microscope (AFM). Parameters for direct particle contacts of the regular DEM contact model, such as the contact stiffness and the friction coefficient, are calibrated by use of experimental consolidation and direct shear testing data. Computational simulations are conducted on digital clay specimen subjected to virtual direct shear tests. The predicted experimental responses of the digital specimens are consistent with typically observed in experiments including the shear stress-shear strain relationship, volumetric contraction and dilation, shear band formation, etc. From the stress–strain curves, the soil strength parameters are obtained with common experimental criteria. The DEM simulation results show that higher preconsolidation pressure drives more particles to overcome non-contact force into direct contacts and consequently bonding by van der Waals force. Consequently, the bulk cohesion of clay increases with increasing preconsolidation pressure. The results show that bulk cohesion strength is mainly attributed to the attractive interparticle force as well as the interlocking of platy particle, while the bulk internal friction angle is affected by the particle friction coefficient and particle fabric. Overall, the simulation results indicate the experimentally observed macroscopic shear strength parameters c and φ are linked to the microscope characteristics of soil particles and their mutual interactions. The results offer insight on the microscopic properties of particles on the bulk macroscopic strength behaviors. Besides, this work demonstrates a new strategy for simulation-based prediction of bulk soil strength parameters, by incorporating microscale characterization of the interparticle interactions and particle fabric into the particle-based DEM model.     

平行黏结模型中细观参数对宏观特性影响研究

 采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对平行黏结模型中细观参数对宏观特性的影响进行系统研究。首先通过理论研究,定性提出细观参数与宏观特性的理论公式,然后运用PFC2D数值模拟,定量地给出两者之间的关系式。研究表明：(1) 计算模型宏观弹性模量主要由颗粒接触杨氏模量和颗粒黏结杨氏模量决定,且与二者均呈线性关系,同时受颗粒接触法向刚度与切向刚度之比、颗粒黏结法向刚度与切向刚度之比及颗粒尺寸的影响,且均呈对数关系;(2) 泊松比主要由颗粒刚度决定,且呈对数关系,受颗粒尺寸的影响较小;(3) 抗压强度由颗粒黏结应力比?b,m/?b,m决定,受颗粒摩擦因数?的影响轻微,当0＜?b,m/?b,m＜2时,抗压强度主要受?b,m的影响,当?b,m/?b,m≥2时,抗压强度主要受?b,m的影响。并给出具有一定参考意义的相关关系式,结合实例进一步对相关分析式的可靠性进行论证。研究成果对快速、合理确定PFC模型细观参数具有指导意义。     

砂卵石地层盾构施工渣土改良试验和数值模拟分析

针对城市地铁盾构施工在穿越富水砂卵石地层时所表现出的非适应性问题,设计开展了不同含石量砂卵石和膨润土泥浆注入率下的渣土改良试验.试验结果表明:膨润土与水的最佳土水质量比为1:10,最佳膨化时间为20h;通过抗剪、坍落度和渗透试验,确定了20％、40％、60％和80％含石量砂卵石膨润土泥浆的最佳注入率,并将试验结果应用于...     

竖向荷载作用下单桩三维模型参数分析

运用大型数值分析软件GTS,通过设置摩擦接触单元来模拟桩与土之间的共同作用,对桩-土进行三维有限元模拟;分析了桩-土模量比、桩的最终剪力、剪切模量、法向刚度、桩端承载力等因素对桩荷载-沉降(p-s)曲线的影响。分析结果表明:在竖向荷载作用下考虑桩-土间接触与非接触对桩顶竖向位移影响较大;接触面最终剪力、剪切模量、桩端弹簧刚度及土体的弹性模量都会对单桩在竖向荷载作用下荷载-沉降曲线产生显著的影响,而桩端承载力和接触面法向刚度不会对桩荷载-沉降(p-s)曲线产生影响。