初始组构影响砂土液化势的细观数值模拟

基于PFC2D椭圆颗粒单元的二次开发,通过制备3种不同初始颗粒定向的数值试样,分别为随机定向（R试样）、水平定向（H试样）和竖直定向（V试样）,研究了初始组构对砂土液化势的影响。数值试验采用常体积（面积）循环等应变幅加荷条件,试验过程在对比分析3种不同颗粒定向试样液化宏观力学响应的同时,从颗粒尺度层面探讨了不同颗粒定向试样的初始组构特征,揭示了初始组构影响砂土液化势的细观力学机理。结果表明,颗粒规则定向的试样其抗液化强度要高于随机定向试样,在细观机理上与不同颗粒定向试样的初始平均接触数有关,砂土的液化过程是一个组构各向异性的演化过程。     

初始组构影响砂土液化势的细观数值模拟研究

本文基于PFC2D椭圆颗粒单元的二次开发，通过制备三种不同初始颗粒定向的数值试样，分别为随机定向（R试样）、水平定向（H试样）和竖直定向（V试样），研究了初始组构对砂土液化势的影响。数值试验采用常体积（面积）循环等应变幅加荷条件，试验过程在对比分析三种不同颗粒定向试样液化宏观力学响应的同时，从颗粒尺度层面探讨了不同颗粒定向试样的初始组构特征，揭示了初始组构影响砂土液化势的细观力学机理。结果表明，颗粒规则定向的试样其抗液化强度要高于随机定向试样，在细观机理上不仅与不同颗粒定向试样的初始平均接触数有关，而且与孔隙形态和孔隙率的分布密切相关；砂土的液化过程是一个组构各向异性的演化过程。     

循环剪切作用下砂土变形特性的颗粒流模拟试验

循环荷载作用下,砂土的应力应变关系会出现非线性、滞回性的性质,且砂土的变形会出现加载剪胀、卸载剪缩的性质。采用颗粒流软件模拟砂土在循环剪切条件下的变形特性,包括循环应力比、应力水平对变形特性,阐明砂土宏观力学特性及细观工作机理,为建立更为合理的土体本构模型提供参考,并对不良砂土地基防治具有一定的指导。     

循环荷载作用下土工格栅剪切特性的颗粒流细观分析

以循环荷载作用下土工格栅与砂土的直剪室内试验结果为基础,对法向循环荷载作用下筋土直剪过程进行三维颗粒流模拟,开发CLUMP颗粒板替代顶墙施加法向循环荷载,并与静载作用结果相对比,分析筋土界面宏细观参数演化规律及其对应关系,深入探讨筋土剪切特性的宏细观机理。与室内试验只能宏观探讨筋土界面的力学性质相比,数值试验可以从宏细观角度分析土工格栅在直剪试验中筋土作用特性,研究结果表明：离散元PFC数值试验可以较好的再现筋土界面作用特性。相较静载作用情况,法向循环荷载使得试样上部区域和筋土界面区域颗粒位移明显增加,循环荷载峰值谷值交替出现,筋土界面区域孔隙率呈现波动变化,颗粒旋转明显,滑动比较大。随着土工格栅埋深的增加,法向循环荷载影响逐渐减弱,筋土界面剪应力峰值上升,循环荷载弱化了土工格栅的加筋作用。循环荷载作用下土工格栅与土颗粒的咬合力以及颗粒间的静摩擦阻力、滑动摩擦阻力、滚动摩擦阻力是形成土工格栅加筋作用的主要原因。     

循环荷载作用下土工格栅剪切特性的颗粒流细观分析

以循环荷载作用下土工格栅与砂土的直剪室内试验结果为基础,对法向循环荷载作用下筋土直剪过程进行三维颗粒流模拟,开发CLUMP颗粒板替代顶墙施加法向循环荷载。与静载作用室内试验结果相对比,数值试验可以从宏细观角度分析土工格栅在直剪试验中筋土作用特性。研究结果表明:离散元PFC数值试验可以较好地再现筋土界面作用特性。相比静载作用情况,法向循环荷载使得试样上部区域和筋土界面区域颗粒位移明显增加,循环荷载峰值谷值交替出现,筋土界面区域孔隙率呈现波动变化,颗粒旋转明显,滑动比较大。随着土工格栅埋深的增加,法向循环荷载影响逐渐减弱,筋土界面剪应力峰值上升,循环荷载弱化了土工格栅的加筋作用。循环荷载作用下土工格栅与土颗粒的咬合力以及颗粒间的静摩擦阻力、滑动摩擦阻力与滚动摩擦阻力是形成土工格栅加筋作用的主要原因。     

砂土振冲密实的细观颗粒流模拟

对二维颗粒流程序PFC-2D进行二次开发,采用其内置的Fishtank函数库和FISH语言,定义了模拟砂粒和振冲棒的颗粒块,建立了模拟砂土地基振冲加固过程的细观颗粒流模型以及相应的边界条件,研究了振动频率和振冲方向等对加固效果的影响,并对振冲密实前后砂样的孔隙率、颗粒排列等细观结构特征进行了研究。与室内细观模型试验对比结果表明,颗粒流理论能够较好地揭示砂土振冲密实的宏细观变化,振冲后砂土的孔隙率、颗粒排列定向性和有序性等细观特性变化与其宏观密实程度具有一定的对应关系。验证了采用颗粒流理论探索砂土振冲加固的可行性和有效性。     

循环荷载作用下粗粒料颗粒破碎数值模拟分析

基于二维颗粒流程序建立颗粒破碎模型,开展粗粒料循环荷载作用下的颗粒破碎数值模拟研究,分析初始应力状态对粗粒料颗粒破碎的影响。数值模拟结果表明,初始应力状态对颗粒破碎影响较大,颗粒破碎率随着围压的增大而增大;相同围压条件下,动应力引起的颗粒破碎率随着固结应力比的增大而减小;竖向总应力相等条件下,颗粒破碎率随着固结应力比的增大而增大;颗粒破碎不仅发生在加载阶段,在卸载阶段也会有少量的颗粒破碎发生;在一个循环荷载加载周期内,随着循环荷载的施加,颗粒破碎率先缓慢增加,再急剧增加,最后趋于平缓;随着循环周次的增大,试样内部的颗粒破碎率先增加,后趋于稳定。     

砂土振冲密实的细观颗粒流模拟

通过引进和开发二维颗粒流程序，采用PFC2D内置的Fishtank函数库和FISH语言，定义了模拟砂粒和振冲棒的颗粒块（clump），建立了模拟砂土地基振冲加固过程的细观颗粒流模型以及相应的边界条件，探讨了振动频率和振冲方向等对加固效果的影响，对振冲密实前后砂样的孔隙率、颗粒排列等细观组构特征进行了研究，并与室内细观模型试验进行了对比。结果表明，颗粒流理论能够较好地揭示砂土振冲密实的宏细观变化，振冲后砂土的孔隙率、颗粒排列定向性和有序性等细观组构变化与其宏观密实具有一定的对应关系。研究成果验证了采用颗粒流理论探索砂土振冲加固的可行性和有效性，并为进一步研究砂土振冲密实宏细观机理提供了一条新的思路。     

撞击荷载作用下板状岩体破坏特性数值模拟分析

板状岩体的动态破坏特性对岩体工程和防护工程具有重要的研究意义。基于有限元方法,通 过引入三维动态接触算法,建立撞击模型,研究板状岩体在子弹中心撞击作用下的破坏特征。数值模型 中,通过采用Ｗｅｉｂｕｌｌ统计学分布考虑岩体非均匀性;利用连续等效损伤理论描述岩体损伤演化过程。 数值模拟结果表明,动态接触算法能够有效地模拟块体之间的撞击过程。岩板在子弹中心撞击作用下, 破裂最先出现在岩板背面中心处,并逐渐向岩板四周及正面延伸。同时,在较低撞击速度作用时,岩板 断裂由产生的径向裂纹控制。随着撞击速度逐渐增加,环向裂纹出现,并与径向裂纹共同决定了岩板的 断裂形式。     

循环加荷条件下饱和砂土液化细观数值模拟

利用离散单元法中的二维颗粒流方法(particle flow code in 2-dimension,PFC2D),通过对双轴数值试样施加循环等幅应变且控制加荷过程中试样体积(面积)不变的方法,模拟了循环加荷条件下饱和砂土的液化特性。在得到试样液化宏观力学响应的同时,分析了液化过程中内部平均接触数的变化规律。进一步研究了应变幅值、围压对数值试样液化特性的影响,并与室内试验规律进行了对比。结果表明,数值模拟能够定性地反映饱和砂土振动液化的一般规律,数值模拟得到的应变幅值、围压对试样抗液化强度的影响规律符合实际砂土室内试验规律。     

波浪作用下海床孔隙水压力发展过程与液化的数值分析

为了探讨波浪作用下海床的液化特性与孔隙水压力发展过程，本文在海床动力响应弹性分析的基础上，将不排水条件下孔压增长模式与动力固结方程相结合，对波浪作用下海床中瞬态与残余孔隙水压力的发展过程与变化规律进行了有限元模拟与分析；对善功企与山崎浩之所提出的海床液化评判准则进行了修正，根据所估算的总孔隙水压力，对波浪作用下海床的液化势进行了评价。     

水下粉细砂土体在超高频机械振动荷载作用下液化特性的试验研究

为了量化高频机械振动对土壤液化的具体效果,在试验室泥槽中对不同性质的水下粉细砂沉积物开展了诸如不同振动作用时间及不同工况下的液化试验,利用静力触探仪测量了振动作用前后其承载力变化情况,基于试验数据分析讨论了振动作用时间、振动作用距离、振动频率对于液化效果的影响.     

上拔荷载作用下扩展基础的颗粒流数值模拟

对砂土地基上承受上拔荷载作用的扩展基础进行颗粒流数值模拟，并与物理模型试验结果进行了对比。应用PFC2D程序，用细观力学的方法研究上拔荷载作用下砂土的颗粒结构分布、颗粒速度的变化。通过对剪切带颗粒速度的考察，分析颗粒间的咬合摩擦和滑动摩擦，判定出土中滑裂破坏面的位置。数值模拟分析了上拔荷载-基础位移曲线。通过实验室模型试验和现场原型试验，测得土中滑裂破坏体为曲面锥台与圆柱的组合体，其破裂面与颗粒流数值模拟的结果符合良好，并分析了荷载-位移关系。细观力学数值模拟的土中滑裂破坏面和荷载-位移关系能反映物理实物试验的宏观力学特性。     

静水条件下垂直圆管负浮力射流的数值模拟

建立了静水条件下垂直圆管负浮力射流的三维水动力数学模型和物理模型,两者的无量纲垂向速度吻合较好;对静水条件下垂直圆管负浮力射流的水动力特性进行了研究。结果表明：随着射流初始速度的增加,射流初始密度和喷口直径的减小,射流最大上升高度和稳态高度均增加。射流初始速度和射流初始密度对最大上升高度时刻中轴线垂向速度衰减早晚和衰减率的影响不大;随着射流初始密度的增加,稳态高度时刻的射流中轴线上垂向速度衰减较晚,衰减率增加;射流量一定时,随着喷口直径的增加,最大上升高度时刻和稳态高度时刻射流中轴线上垂向流速衰减较早,衰减率减小。分别建立了密度弗劳德数表达的无量纲最大上升高度和稳态高度线性关系式;本研究中射流最大上升高度和稳态高度比值趋近于常数1.52,与密度弗劳德数基本无关。研究结果可以为静水条件下垂直圆管负浮力射流的设计和工程应用提供一定的参考依据。