抗滑桩桩位对边坡稳定性影响机理的宏细观分析

为了研究抗滑桩桩位对边坡稳定性的影响机理,合理优化抗滑桩支护参数,以西南某高速公路路堑边坡为工程背景,结合有限差分理论和离散元理论,建立边坡三维连续-离散耦合数值模型,从宏细观多角度分析抗滑桩桩位对路堑边坡稳定性的影响机理。研究结果表明:滑面上下颗粒力链表现为上疏下密,颗粒旋转状态有明显的分层现象,离散域颗粒的接触力链和旋转状态可以从细观层次上表征坡体的稳定状态;抗滑桩桩位影响滑面位置和形态,桩位由下向上移动过程中,边坡最大位移量先减后增;且抗滑桩弯矩曲线呈近似抛物线形,最大值位于抗滑桩嵌岩段顶端,剪力最大值发生在桩的嵌岩端以下。

基于离散元法的煤系土剪切带演化宏细观分析

剪切带广泛存在于土质边坡的失稳破坏中,煤系土剪切带形成原因比较复杂。为了揭示煤系土的宏观变形破坏机理,就有必要从细观角度分析煤系土剪切带的形成和演化规律。利用离散元法建立了煤系土三轴试验的三维数值计算模型,对煤系土剪切带的形成和发展进行了三维仿真模拟,得到了煤系土的宏观力学响应,并从细观角度分析了煤系土剪切带演化过程中的体积分数、配位数、颗粒旋转及力链的变化规律。结果表明:试件峰值应力之后,剪切带内颗粒体积分数一直处于下降状态,孔隙率大于剪切带外,煤系土剪切带的形成是剪胀现象产生的重要因素;试件通过颗粒相互旋转,剪切带内颗粒配位数降低,颗粒接触减少、孔隙率增加,试样强度下降,颗粒旋转是煤系土剪切带形成的主要原因;颗粒力链结构经历了由环状向扁平状转换,加载后期颗粒力链两头较密较粗,中间部分力链变得稀疏。计算发现:力链能反映复杂颗粒运动的宏观力学性能,力链的粗细、位置变化、密集程度是颗粒体系在加载时受力变化直观的显现,可为颗粒宏细观受力机理分析提供理论依据。

基于DEM-CFD耦合方法的煤系土边坡失稳机理宏细观分析

边坡的宏观力学特性是由组成土体颗粒的细观参数及其运动决定的,基于连续介质模型的有限元方法虽然能够在宏观层面上基本等效地得到边坡土体的应力变形特性,但难以反映边坡体在微细观尺度上的变形失稳机理,存在明显的局限性。将离散元方法(discrete element method,DEM)与计算流体动力学方法(computational fluid dynamic,CFD)进行耦合,建立了煤系土边坡3维DEM-CFD流固耦合细观作用计算模型,对降雨作用下煤系土边坡失稳破坏的细观机理进行分析。结果表明,采用DEM-CFD流固耦合方法模拟的煤系土边坡破坏形式主要是雨水冲刷,边坡滑动面预测为近似的直线段,这与室外模型试验边坡雨水冲刷的范围非常接近,验证了该数值方法的适应性。边坡土体颗粒的力链、配位数以及孔隙率等细观参数,在降雨过程中都会随之发生变化,如坡顶颗粒的孔隙率由初始状态的0.35变化至失稳状态的0.80,这些细观参数的变化与边坡土体的宏观力学表现直接关联。文中通过对颗粒细观参数变化分析,从细观角度解释了雨水作用下煤系土边坡的破坏演变规律。研究成果为该区域煤系土边坡的防护设计与施工提供理论依据,并从微细观角度更好地分析离散介质岩土工程的宏观力学规律提供了一种思路。

路堑边坡开挖稳定性及加固处治机理宏细观分析

以广东省江门市迎宾西路路堑边坡开挖及处治工程为背景,采用宏细观相结合的方法对边坡开挖及锚索加固处治机理进行分析。结果表明:①边坡开挖塑性变形区位移与接触力链发展方向显著相关,呈现沿坡面方向的链状发展规律;②边坡稳定性与坡体应力状况及局部区域应力发展变化密切相关。锚索加固的处治方案,能有效消除边坡体剪应变率贯通的剪切滑移面,边坡稳定性明显提高。

筋土界面特性宏细观分析试验仪器研制与应用

为了更全面地分析筋土界面相互作用特性,改制了一台可视加筋土界面特性宏细观分析的试验仪器,可开展不同土工合成材料与填料的直剪和拉拔试验;该仪器改进了试验箱的尺寸,可方便两种试验的对比分析,增加了图像摄录系统,可进行试验过程的细观分析。使用新研制仪器分别进行了土工合成材料(土工格栅和土工布)加筋尾矿砂的直剪和拉拔试验,试验结果表明:两种试验条件下,土工格栅与尾矿的界面参数(似黏聚力和似摩擦角)及似摩擦系数均比土工布与尾矿的界面参数和似摩擦系数大;直剪试验下筋材网孔的有无对筋–尾矿界面参数均有较大影响,拉拔试验下筋材网孔有无对筋–尾矿界面参数似黏聚力的影响较为显著,对似摩擦角的影响较小。随着宏观变量法向应力的增加,细观参数孔隙率减小,平均接触数增加,反映在宏观上的现象就是填料颗粒被压密,筋材需要克服的阻力增大。该试验仪器能够较好地分析筋土界面宏细观特性,获得关键技术指标以用于加筋结构的设计。

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。

基于连续-离散耦合的边坡稳定性分析研究

以河北省某露天铁矿边坡为工程背景,采用连续-离散耦合数值分析方法,对典型边坡断面进行分步开挖,结合强度折减法,计算分析坡体的变形规律和受力特征。连续、离散网格区域分别采用有限差分FLAC和颗粒离散元PFC进行建模,着重从连续-离散模型的数据一致性,剪应变增量的形成、发展与局部位移的关系,连续-离散介质受力与位移过程,离散体细观破裂与坡体塑性变形等方面,对边坡稳定性的耦合分析方法进行研究,从宏观和细观角度对边坡的失稳机制进行了较为全面的探索。结果表明:(1)计算过程中坡体应力和位移在连续域和离散域保持了较高的一致性,连续-离散耦合分析方法适用于边坡稳定性研究;(2)作为边坡失稳判据的剪应变增量变化过程主要受岩土体水平位移控制;(3)细观破裂机制可有效表征边坡的宏观塑性变形;(4)土体颗粒接触力链的方向改变是土体位移和变形的驱动因素。

基于大型动三轴试验和图形分析法的有砟道床劣化特性研究

为揭示列车长期动荷载作用下有砟道床劣化规律,开展大型动三轴试验,研究道砟试样在循环荷载作用下的累积应变、滞回圈、动弹性模量以及阻尼比等宏观力学行为演变规律。同时,采用三维激光扫描仪并结合图形分析法从细观尺度分析动荷载作用下道砟颗粒劣化规律。研究结果表明:道砟试样永久变形行为符合塑性安定和棘轮行为特征;随循环次数增加,试样应变硬化现象逐渐增强且增长趋势变缓,动弹性模量表现出先增加、后减小、再增加最终趋于稳定的变化规律,阻尼比则先缓慢上升随后急剧下降,并从细观尺度对其劣化现象进行解释。分析试验结束后发生明显劣化的道砟形态可以看出,主要劣化形式为尖角折断,发生尖角折断的道砟会导致其棱角性减弱,试验后道砟形状更接近球形;相对于立方状道砟,片状和针状道砟更易发生劣化;道砟粒径越大,越容易发生劣化。相比于洛杉矶磨耗试验,动三轴试验由于更贴近道砟实际受力条件而更能揭示道砟劣化进程。

纤维增强复合材料结构阻尼研究进展

随着纤维增强复合材料不久将逐步取代传统的金属材料,广泛用于新型民用超音速飞机、水下核潜艇、高速列车等尖端科学技术领域,对这一先进材料的有效阻尼性能进行分析、预报和优化设计,从而实现结构振动、冲击、噪声和疲劳破坏的有效控制,必将显示出极为重要的工程实际意义,日益受到从事复合材料研究和开发的科技工作者的关注和重视.对纤维增强复合材料阻尼研究的进展情况进行综述,介绍从宏观力学和细观力学两个角度进行阻尼分析和预报的一些具有代表性的模型与方法,讨论了纤维/基体界面、层合结构横向剪切效应、层间应力的影响问题,阻尼性能增强的途径和最优化设计问题,并对该领域研究工作进行了展望.

低温推进剂复合材料贮箱基体开裂预测方法

基于六边形单胞模型,构建了宏细观结构力学响应场间的关联矩阵,建立了低温推进剂复合材料贮箱结构的宏细观一体化分析方法,采用工程常用的能够预测不同失效模式的宏细观强度准则,对机械和温度载荷下复合材料层合板的基体开裂进行预测。结果表明:在机械载荷下,与试验数据相比,宏观Hashin准则、改进的宏观Tsai-Wu准则、细观最大应力准则和细观Hashin准则均具有良好的预测精度。但在温度载荷下,由于考虑了组分材料间热力学性能的不匹配,使用细观强度准则与宏观强度准则预测的结果相比具有一定差异。通过对不同载荷情况下基体开裂预测结果的分析,提出了采用细观最大应力准则作为基体开裂判据,同时结合考虑组分材料热力学性能差异影响的宏细观一体化分析方法,可以有效地对低温推进剂复合材料贮箱结构的基体开裂进行预测。

80%钨纤维增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹侵彻钢靶实验研究

本文在765-1766m／s速度范围内，对钨纤维体积分数为80％的增强锆（Zr）基块体金属玻璃复合材料长杆弹进行侵彻Q235钢靶的穿甲试验，对残余弹体进行宏、细观观测，研究弹体材料的失效破坏模式。穿甲试验表明，在大于1000m／s速度侵彻时，钨纤维非晶弹拥有头形自锐能力，表现出优秀的侵彻能力。弹材变形和破坏主要发生于弹体头部边缘层，呈局域化和尖锐化特点，而且边缘层厚度在整个高速穿甲过程中保持动态平衡。由于非晶基体作用，弹体材料易发生剪切断裂等破坏，通过流动形成质量侵蚀并导致弹体头部边缘层形成自锐。