砂土管涌－滤层防治的离散元数值模拟

结合小比尺细观模型试验，利用并开发基于离散元理论的颗粒流程序（PFC3D），充分考虑流固耦合作用，建立渗流理论模型，对不同层间系数比下砂土管涌的基料-滤层系统进行离散元数值模拟，跟踪记录渗流过程中砂样运动、流失量、孔隙率、渗透系数、颗粒间接触力、水力梯度等参数的动态变化过程，从细观角度揭示管涌发展过程中颗粒的运动特性和滤层防治机理。数值模拟结果表明，层间系数D15/d85s大小是滤层是否有效的关键因素；在有效的层间系数下，随着水力梯度的加大，基料的细颗粒运动并进入滤层，在滤层－基料交界处存在的自滤现象。模拟结果与有关的模型试验结果吻合甚好，一定程度上验证了该数值方法的和可行性和合理性。本文所揭示的结果有益于对砂土管涌和滤层防治机理的更深入研究。     

管涌型土滤层防治的细观试验研究

利用数码可视化跟踪技术、计算机信息实时处理技术和土体变形无标点量测技术,从细观层面上对宽级配基料－滤层系统进行了渗透模型试验。从细观角度分析了不同层间系数比的砂样在渗流过程中的水力特性、颗粒运动特点和系统破坏特征,研究了滤层的特性和管涌型土自滤自稳定的细观机理。对堤坝建设及其渗流控制研究是有一定的理论意义。     

管涌型土滤层防治的细观试验研究

利用数码可视化跟踪技术、计算机信息实时处理技术和土体变形无标点量测技术,从细观层面上对不同层间系数的宽级配基料-滤层系统进行了渗透模型试验。从细观角度分析了不同层间系数的砂样在渗流过程中的水力特性、颗粒运动特点和系统破坏特征,研究了滤层的特性和管涌型土自滤自稳定的细观机理。结果表明:层间系数D15/d85s是决定滤层是否合格的最关键因素,随着比率D15/d85s的增大,系统朝不稳定的方向发展;越靠近上游的颗粒移动的越早,越小粒径的颗粒潜在的移动距离越大;除了层间系数,加压速率和扰动力等因素也会影响管涌的发生发展。     

砂土管涌的反滤机理颗粒流模拟研究

针对反滤料粒径对反滤效果的影响,采用颗粒流程序建立不同层间系数基土-滤层颗粒模型,并进行渗流模拟。分析比较不同层间系数下反滤层的滤土减压效果表明,在所给范围内,当层间系数D_(15)/d_(85)~*4时,滤土减压效果较好;当D_(15)/d_(85)~*4时,减压效果虽较好,但滤土作用差。颗粒流数值模拟结果与滤层准则经验公式一致。     

地下集水工程渗滤系统的离散元数值模拟

为从细观角度揭示渗滤系统的渗滤机理,利用颗粒流程序建立了充分考虑流固耦合效应的基土-滤层渗滤模型,对其进行不同层间系数下的系列数值模拟试验,并对渗流过程中基土、滤层及两者界面处的孔隙率、渗透率,基土流失量等参数随渗流作用时间的演化过程进行了监测。结果显示:层间系数的取值决定着滤层是否有效及渗滤系统水力特性的优劣;对于地下集水工程中的滤层设计,应能兼顾保土性与透水性的平衡,若其含水层为均匀基土,层间系数D15/d85不宜大于5;数值模拟试验结果与太沙基准则一致,说明采用颗粒流的方法对渗滤系统进行模拟研究是可靠的,因此可用其做更深一步的研究。更多还原     

颗粒级配影响滤层系统细颗粒迁移试验研究

滤层是渗透破坏防治工程中的重要措施之一。利用自行研制的大型渗透仪,对不同滤层系统颗粒组成条件下的流失细颗粒的迁移规律进行了研究,并分析了层间系数D_(15)/d_(85)、不均匀系数C_u、控制粒径等对滤层有效性的影响。试验结果表明:当水力梯度在10以下时,层间系数在13以下滤层即可达到滤土作用,说明太沙基准则偏于安全。基料颗粒愈粗,临界及破坏水力梯度随层间系数的变化愈显著;基料颗粒愈细,流失细颗粒的运移规律对于层间系数的变化愈敏感,颗粒从起动到运移过程愈短,渗透破坏愈突然,愈不易防范。此外,基料颗粒C_u1.86时,C_u越小,基料颗粒越不易起动;C_u1.86时,起动临界水力梯度基本保持不变。当基料级配不变时,临界水力梯度与滤层颗粒粒径呈线性相关。     

用土工织物滤层处理渠堤管涌

介绍了利用土工织物的排水、过滤功能，用织物滤层代替传统的砂石滤层，以防止土体在渗流作用下发生土粒过量流失，达到处理渠堤管涌险情的目的。     

堤防管涌的破坏机理和新型滤层结构设计

基于对堤防管涌(流土)险情的发生、发展和破坏机理的分析，设计了一种新型的滤层结构，即包括减压、过滤和保护三层合一的滤垫。     

砂土直剪试验离散元数值模拟与细观变形机理研究

基于离散元法进行砂土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究。采用试样分条带法研究砂土剪切过程中的变形发育情况;记录应力-位移关系,分析砂土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析接触力链、接触组构分布、配位数及滑动接触百分比等细观行为演化研究颗粒细观接触状态演变;基于局部孔隙率变化分析颗粒细观分布状态演变;采用颗粒累积转动量和速度场分析颗粒细观运动状态及剪切带发育的细观机制;对离散元软件PFC^2D进行二次开发,实现主应力的可视化。研究表明应变局部化集中于颗粒转动、接触滑动、体胀明显的剪切带内,剪切带内外颗粒不同的运动状态导致细观参量的变化,剪切带厚度为(10~15)d₅₀;力链网络、接触组构和主应力场本质上是一致的,三者主方向在剪切过程中发生了近似一致的偏转。     

颗粒级配对管涌发展的影响试验研究

自行设计模型槽进行垂直渗流下砂土管涌试验,通过精细化量测手段获取管涌发展中土体几何、水力学参数及颗粒运动特点,研究颗粒级配对管涌发生发展的影响,揭示管涌细观机理。管涌型砂土可动颗粒本身级配影响流失颗粒最大粒径及颗粒流失量在渗流方向上的分布情况,但对最终颗粒流失量影响不大;可动颗粒含量对砂土是否发生渗透破坏及潜蚀发展过程影响密切,临界细颗粒含量及存在的自滤过程是要考虑的。通过体视显微镜,从细观尺度揭示临界细颗粒含量的砂土在管涌过程中,可能产生自滤反滤现象而使系统自稳定,进一步揭示该机制是由于砂土在复杂的水土相互作用过程中形成层间系数D15/d85值符合自稳定的级配特点所致。研究表明,对级配分布较广,缺失中间粒径的管涌型砂土,要判别砂土是否会发生渗透破坏及其临界水力梯度大小,在采用经典公式或经验曲线判断的基础上,有必要针对实际工程土体的级配特性与实际水力学条件,开展复杂水土作用过程的试验论证。     

土工袋双轴压缩的离散元数值模拟

鉴于土工袋材料介质不连续性的特点,采用离散元法模拟土工袋双轴压缩试验,从细观角度分析土工袋的力学特性。通过蒙特卡洛随机算法生成一定颗粒级配的土颗粒样本,计算时土颗粒间采用弹簧-阻尼器-滑块接触模型,袋子颗粒间采用皮筋-阻尼器接触模型。计算结果表明:土工袋的极限强度远大于无袋子土体的极限强度,土工袋破坏时的总体变形远大于无袋子土体破坏时的总体变形,且袋子颗粒间的张力呈非均匀分布;土工袋应力-应变的数值模拟结果与理论推导公式计算值吻合较好;竖向外力作用下,土工袋内部颗粒间力链由环状均匀分布向大主应力方向发展,颗粒位移呈对称性向两侧扩散,且袋子破坏是土工袋达到极限强度的直接原因。     

偏桥水电站引水隧洞施工全过程离散单元法仿真模拟研究

为保证偏桥水电站引水隧洞K2 010-K2 310地段的隧洞稳定及基于工期紧的考虑,对该段隧洞的支护结构进行了优化设计.本文采用国际上广泛应用的离散单元法程序UDEC,对该引水隧洞施工运营全过程进行了仿真模拟,达到对其支护结构设计进行检算之目的,同时探讨了隧洞施工和运营全过程的离散单元法仿真技术.     

基于湿润锋前进法的不同应力状态砂质黄土土柱渗流试验

由于试验装置的局限性,非饱和土渗透特性的研究大多未考虑应力对渗透系数的影响。为探讨水-力耦合作用下砂质黄土的渗透特性,自主研制了一套水-力耦合试验装置。采用湿润锋前进法探究了不同初始干密度和轴向力对非饱和渗透系数的影响,得到水-力耦合作用下非饱和黄土渗透性和轴向位移的演化规律。结果表明:(1)砂质黄土的渗透系数随基质吸力的增大而减小,在不同测试截面处渗透函数曲线出现分层现象;(2)土体的渗透系数随初始干密度和轴向力增大而减小;(3)随轴向力增大,不同初始干密度土柱的稳定渗透系数趋向一致;(4)砂质黄土具有较大的水敏性,在水-力耦合作用下土体结构破坏,导致湿化前后轴向位移差异较大。     

基于离散单元法的锚固岩质边坡动力响应研究

采用离散元单法和动力时程法,应用UDEC程序,计算某水电站厂房后方顺层块状岩体边坡动力响应,计算结果表明:动力荷载作用下未支护岩质边坡的破坏可划分成:未滑动、缓慢发展、加速发展和破坏4个阶段;边坡在地震荷载下的破坏是一个累积的过程;锚杆单元的轴力响应曲线与该单元附近的岩体的相对位移时程曲线相关性很好,表明锚杆周边单元之间相对位移是导致锚杆发挥加固作用的原因之一。研究了锚杆轴力分布规律,并据此提出了边坡加固优化方案,该加固方案对相似工程具有参考意义。     

基于离散元方法的竖直群桩冰荷载分析

在高纬度海域或高寒地区的江河中,碎冰对海洋平台桩腿和桥墩等直立群桩结构产生很大的冲击作用,并在一定条件下造成不同程度的破坏。依据碎冰在自然条件下的离散分布特性,采用Voronoi切割算法构造随机分布和具有非规则几何形态的碎冰初始状态,在此基础上采用若干个具有黏结-破碎功能的球形颗粒构造具有一定厚度、尺寸和形状等物理参数的河冰离散单元模型,将竖直群桩简化为刚体结构,从而对碎冰的运移及其对群桩的冲击作用进行数值模拟。在此基础上可确定碎冰撞击下的群桩冰荷载,并分析冰块尺寸、冰速和冰厚对桩结构所受冰荷载的影响。     

用守恒元和解元法数值模拟二维溃坝洪水波

本文采用守恒元和解元方法（简称CE／SE法）来求解二维浅水方程,该方法从守恒积分型方程出发,严格遵守物理意义上的守恒律,通过设立守恒元和解元,从而提出一种新的数值模拟方法。用该方法计算得到的全溃的溃坝洪水波的数值解和理论解与文献中的实验值符合的较好。在此基础上,进一步对二维局部溃坝洪水波的演进过程进行模拟,结果表明,CE／SE法精度较高,稳定性较好,其溃坝洪水波的间断具有很高的分辨率,能很好的模拟溃坝洪水波的运动过程。