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。     

三维空心扭剪试验的颗粒流模拟关键技术研究

空心圆柱扭剪仪是一种研究土在复杂条件下应力–应变关系的十分有力的工具。基于三维离散单元颗粒流理论,引入叠式刚性墙体模拟技术,模拟空心圆柱砂土试样在定向剪切条件下的三维应力–应变关系及微观参数的变化;并且对叠式刚性墙的优势进行探讨,表明叠式刚性墙能较好的捕捉到砂土试样的局部化效应。结合室内空心圆柱扭剪试验,对比三维颗粒体试样与室内试验的应力–应变关系曲线,再现试样的加载曲线,对剪切带的宏观和微观特性进行探讨。通过不同测试圆的参数变化,再现空心圆柱加载过程中局部效应,包括不同部位的应力、应变、孔隙率和接触数的变化,并对室内空心圆柱仪的适用性进行评价。最后给出由孔隙比和剪应变速率表征的剪切带在不同应变条件下的形成和发展的过程。通过三维颗粒流数值模拟空心圆柱扭剪试验,突破室内试验测试技术的局限性,使对砂土在复杂应力状态下宏细观参数的研究成为可能,为今后岩土工程的颗粒流模拟提供参考。     

基于PFC2D的砂土原生各向异性微观机理数值试验

采用颗粒流PFC数值模拟方法,生成符合标准砂室内单元试验结果的离散元数值试验试样。运用重力沉积法建立不规则砂土颗粒单元的平面双轴试验模型,给定不同沉积步数对试样不同初始原生状态进行模拟,然后分别从水平和竖直方向上施加荷载增量,得到不同沉积条件下不同加载方向上砂土试样宏观应力应变曲线和力学参数。数值试验结果显示,重力沉积步数对颗粒微观长轴定向排列、平均配位数有显著影响;初步建立了砂土微观结构变化和宏观应力应变曲线及力学参数的联系;分析了砂土试样表现出的宏观原生各向异性力学特性与内部颗粒结构的关系。     

堆积体三轴试验及离散元模拟研究

对典型地区松散堆积体进行大三轴剪切排水试验,基于细观结构离散元理论,在PFC~(3D)平台嵌入自编程序,引入反映颗粒形状的Clump颗粒,形成与堆积体三轴试验相对应的三维颗粒流数值模型。对比了不同围压下数值模型与三轴试验的应力—应变关系。结果表明:随着围压的增大,堆积体试样强度呈现应变硬化型到应变软化型的过渡,并伴随剪胀现象;数值模拟的应力变形曲线规律与实体三轴剪切试验结果基本一致,颗粒流离散元方法可以较好地模拟堆积体三轴试验的力学特性。     

基于精细化数值模拟的EPS轻质土宏细观变形机理研究

EPS轻质土是双固相组分（水泥土与EPS颗粒）、具有特殊细观结构的混合土。当前对其宏观力学特性研究较多，而对细观力学响应规律研究甚少。为此，分别在Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型框架内，基于水泥土和EPS材料试验结果规律总结，发展了二者的简单实用本构模型；基于水泥土和EPS材料界面剪切试验，总结了界面剪切硬化/软化规律；对EPS轻质土三轴剪切试验进行精细化数值模拟，再现了EPS轻质土宏观应力-应变响应规律和试样变形模式。基于精细化模拟分析发现，EPS轻质土的整体剪切、局部鼓胀、整体均匀3种宏观变形模式是细观力学响应的结果，EPS颗粒与水泥土两种材料力学特性的差异引起试样内部应力、应变的非均匀分布，EPS颗粒的非均匀排列强化应力、应变非均匀分布程度，两种因素共同决定试样宏观变形的非均匀性。     

砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究

基于PFC2D非圆颗粒单元的二次开发,对砂土直剪力学过程进行了非圆颗粒仿真模拟,分析了数值试样的应力–剪胀关系并与实际砂土进行对比,探讨了颗粒位移与颗粒旋转特征及其与剪切带演化的内在关联,研究了主应力与主应变增量的非共轴效应,揭示了细观组构各向异性的演化规律及其与宏观剪切强度之间的宏细观关联。研究结果表明,数值试验能够较好的模拟实际砂土的应力–剪胀关系和剪切过程主应力与主应变增量的非共轴效应;剪切带的演化与颗粒位移和颗粒旋转密切相关,颗粒形状影响剪切带的厚度;试样宏观的剪切强度主要受控于粒间法向接触力的分布及其各向异性演化;整个加荷过程中,剪切带内大主应力的偏转方向与法向接触力各向异性的主方向保持了良好的一致性。     

堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟

从细观角度出发,采用随机模拟技术建立堆石体的三维随机颗粒模型,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触,采用损伤软化模型描述细观单元的应力应变关系,当细观单元的损伤度超过损伤阀值时删除该单元,采用Weibull概率分布描述堆石体材料物理力学性质的非均匀性。以水布垭面板堆石坝茅口组堆石为研究对象,进行其三轴剪切试验的变形体离散元细观数值模拟,采用应变控制加载,再现了堆石体的颗粒变形和运动规律。数值计算结果表明,数值模拟能够较好地反映堆石体三轴试验的变形规律,得到的轴向应变–偏应力曲线和轴向应变–体积应变曲线接近试验曲线。从能量角度分析了颗粒变形、颗粒间的摩擦、颗粒的损伤破碎、颗粒运动在加载过程中对系统的贡献。     

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。     

土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制的三维离散元精细模拟

为了更加精细的模拟土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制,针对已有三轴试验侧向柔性薄膜边界模拟方法进行改进,提出三维组合墙法实现了柔性薄膜边界的三维离散元模拟。结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体大型三轴数值试样,开展数值试验标定土石混合体数值模型的细观力学参数并与室内试验结果进行了对比验证。深入分析不同含石量下土石混合体的宏细观力学特性和变形破坏机制。结果表明:三维组合墙法原理简单、参数较少、易于实现且应用效果较好;大型三轴试验数值模拟能够较好地再现土石混合体宏观的应力–应变特征、强度特性和破坏模式;随含石量增加,土石混合体的骨架结构效应越来越显著;剪切带内土颗粒旋转量较大而块石颗粒旋转量较小,表明剪切面绕过了较大的块石颗粒。     

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。     

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。     

粒径对剪胀特性的影响及其细观机理探讨

剪胀是由剪切变形导致的真正的剪胀,从砂土变形细观机理出发,建立了一个仅考虑剪切变形影响的简化模型,分析了粒径对孔隙比和体积应变的影响,发现在经历相同的从＂疏松＂到＂紧密＂的过程时,粒径并不改变孔隙比变化值和体积应变值的大小;并通过PFC2D双轴实验,对不同粒径的土样进行了数值模拟,从实验得出的体积应变曲线和孔隙比变化曲线可推出粒径对剪胀影响无关的结论。     

主动侧向受荷桩模型试验与颗粒流数值模拟研究

分别采用室内模型试验与颗粒流数值模拟的方法,对砂土中受水平荷载的桩顶自由短桩桩周土体在加载过程中的应力和位移的发展变化规律以及桩土相互作用性状进行了较系统和深入的研究。在室内模型试验中,研究了短桩在松砂、中密砂、密砂中的位移荷载规律,桩前、桩后土压力的分布和发展规律;并重点通过数字图像无标点量测技术密切关注桩周土体的位移产生和发展变化过程。通过开发颗粒流程序模拟室内模型试验在加载过程中的桩土相互作用过程中应力和位移的发展变化规律,与模型试验的结果进行了对比。给出了砂土中受水平荷载的桩顶自由短桩较完整的变形和破坏模式及极限土压力分布形式。     

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。     

基于三维离散–连续耦合方法的分层介质中桩端刺入数值模拟

使用离散–连续耦合的方法模拟分层介质中桩端的刺入过程,即在桩端刺入影响较大的区域采用离散元模拟,在离桩较远的区域采用连续单元模拟,开发FLAC3D和PFC3D的结合模块,通过交界处离散颗粒与连续单元的相互接触位移作用实现耦合。通过与有关的数值模拟和离心机试验比较可知,离散–连续耦合方法能高效且合理地模拟分层介质中桩端的刺入过程。研究表明分层介质中桩端刺入存在桩端阻力极限值,上覆软弱层对极限桩端阻的大小的影响效果不明显,但上覆软弱层的存在使得分层介质中桩端阻力达到极限值所需刺入深度远小于纯砂中。综合分析桩端土体宏细观参数的变化规律可得：(1) 与桩端接触的土体被逐渐压密,与桩端连成整体,颗粒基本不旋转,以竖向位移为主;(2) 与桩侧接触的土体颗粒,沿刺入方向发生滑动,颗粒基本不旋转,以竖向位移为主;(3) 稍远区域的颗粒受剪胀作用影响剧烈旋转,以斜向下挤扩运动为主。     

单桩承载性状试验研究

利用预埋钢筋应力计和滑动测微计进行了强夯加固后的软弱土地基的桩身应力应变测试,探讨了钢筋应力计焊接、混凝土浇筑、静载试验堆载配重吊装等对测试的影响,给出了提高测试精度的建议。分析了弹性模量随桩身应变的变化关系,研究了不同荷载作用下的桩侧摩阻力及端阻力分布规律、桩侧摩阻力随桩顶沉降的发挥性状以及粉砂层、粉质黏土层的桩侧摩阻力随该土层桩土相对位移的发挥性状。研究成果可供同类工程项目的设计和科研参考。     

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。     

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。