碾压混凝土分层碾压离散元模拟及施工成层细观机理研究

碾压混凝土(RCC)坝特有的大仓面分层碾压工艺带来的层间结合质量问题,是影响其安全运行的重要因素。从施工控制的角度分析RCC施工成层机理,进而合理调整碾压参数,可有效保证大坝的施工质量。首先,通过RCC分层碾压试验,分析了碾压过程中含层面RCC的沉降规律、压实度及抗剪强度,为后续离散元模拟提供了基础;然后,建立并验证了RCC双层碾压与抗剪试验离散元模型;最后,给出了表征层间结合质量的骨料嵌入值指标,进而从孔隙率、层间骨料嵌入、层面应力分布、层间抗剪强度等方面分析了RCC施工成层的细观机理。结果表明:碾压参数对RCC的嵌入值、压实特性、层面应力和层间结合质量均有一定影响;嵌入值是影响层间抗剪强度的重要因素,二者呈线性相关,嵌入值每增加1 mm,模拟抗剪强度约增加1.583 MPa;激振力的增加以及行进速度、碾压厚度的减小均有利于提高层间结合质量,且碾压厚度是影响层间结合质量的最敏感参数。研究结果可为施工中RCC层间结合质量控制标准的制定提供理论依据。

道砟嵌入路基土三轴试验及离散元模拟研究

有砟轨道道砟嵌入对路基服役性能具有显著影响。基于此设计上层为道砟、下层为路基土的单元试样,通过室内动三轴试验和离散元法(discrete element method,简称DEM)数值仿真研究了动荷载作用下道砟嵌入路基土的宏观变形行为和局部变形特征。研究结果表明:在动荷载作用下,道砟与路基土之间仅通过接触面上有限数量的离散接触传递应力,随动应力幅值增加,道砟嵌入深度也不断增加,嵌入深度与动应力呈指数函数变化。道砟嵌入路基土变形过程分为局部挤压阶段、剪切带形成阶段及剪切带发展阶段,道砟嵌入会使得道砟−路基土接触界面的土样孔隙率显著增加,同时也会使得接触界面发生显著的侧向变形。孔隙率较高的饱和试样在较低的动应力作用下会发生翻浆冒泥现象,道砟嵌入导致的路基面孔隙率升高是既有路线发生翻浆冒泥的重要原因,防治翻浆冒泥需重点防止道砟嵌入导致的土样局部孔隙率升高。该研究成果可加深对道砟嵌入现象以及由此引发的路基表层变形行为的认识。

基于离散元模拟的不同挡土墙位移模式下非极限主动土压力

针对刚性挡土墙主动位移过程中砂土非极限主动土压力问题,利用PFC 2D分别对挡土墙绕墙顶转动(RB)模式、绕墙顶转动(RT)模式和平动(T)模式下砂土主动破坏过程进行模拟分析。分析结果表明,不同位移模式下土体内摩擦角及墙土摩擦角调动规律存在差异。挡土墙主动位移过程中,RB模式下土体破坏从墙顶开始,向墙脚发展,土楔体内部只有靠近墙背侧区域出现主应力偏转现象,并且土楔体中内摩擦角调动值均能达到极限值。RT模式下,土体破坏沿着墙背和滑裂面从墙脚开始,向土体表面发展,墙后土楔体中上部区域主应力偏转角度较大,形成了大主应力拱,与此对应的是该区域内摩擦角调动值相对初始内摩擦角减小。T模式下,土体破坏分别沿着墙背从墙顶向墙脚发展以及沿着滑裂面从墙脚向土体表面发展,墙后土楔体内部会出现小主应力拱,且内摩擦角调动值从初始内摩擦角增加,但达不到极限值。

基于离心试验与离散元模拟的滑坡碎屑流冲击效应研究

滑坡碎屑流物质组成的复杂性造成其对工程结构的冲击效应尚未被完全理解,特别是粒径大小与级配特征如何影响冲击力及其组成,以及拦挡结构设计中如何考虑粒径特征的影响,当前仍缺乏深入的研究。针对这些问题,开展了一系列离心试验与离散元模拟分析,研究结果表明滑坡碎屑流的颗粒粒径控制着冲击力的波动行为,即随着粒径的增大,总冲击力的峰值越来越明显,且伴随着显著的离散冲击力值。小粒径颗粒对大粒径颗粒存在明显缓冲效应,且小颗粒在冲击过程中更容易进入大颗粒的孔隙,进而贡献作用力,因此粒径和级配特征同时控制着冲击力的绝对值。不同粒径特征控制着颗粒尺度上动量传递机制,进而改变了滑坡碎屑流的冲击效应,由此造成冲击动压力系数α随着Savage数的增大基本上呈现出递增的关系,因此建议采用Froude数与Savage数作为双控指标,辅助确定冲击动压力系数α。此外,通过分析冲击力合力作用位置,发现工程设计中可按总冲击力峰值及矩形分布荷载进行考虑。

“6.1”芦山地震作用下宝兴新华村滑坡动力响应与失稳过程离散元模拟

斜坡浅表层是各类地震地质灾害发育的潜在破坏位置,坡面形态和坡体结构往往造成斜坡动力响应及破坏的复杂化。为探究不稳定斜坡浅表潜在滑动层动力响应特征与失稳过程,以芦山M_(s)6.1级地震触发的新华村滑坡为例,基于现场调查采用离散元方法建立了二维计算模型,分析了该斜坡潜在滑动层及坡面形态的动力响应特征并对其失稳过程进行了模拟。结果表明:(1)斜坡浅表潜在滑动层具有强烈动力放大效应;(2)微地貌对于潜在不稳定斜坡坡面的放大效应具有明显的影响,浅表潜在滑动层水平向及竖直向加速度在凸出部位的放大效应显著,凹陷部位相较于凸出部位放大效应较低;(3)研究揭示新华村滑坡在微地貌的作用下凸起地形呈现先于凹陷地形遭受破坏,其失稳过程分为震动放大局部震裂-凸出地形破坏-凹陷地形破坏-完全破坏整体下滑-重力堆积5个阶段。该研究结果有助于提升防灾人员对地震诱发潜在不稳定斜坡失稳的认识,为防灾减灾提供理论和数据支撑。

锆石微破裂过程的离散元模拟

锆石中富含放射性元素U和Th,其U-Pb、U-Th-He与裂变径迹分析方法是最常用的地质热年代计,但这些年龄均与锆石的辐射损伤程度有关。锆石中放射性元素U和Th衰变所导致的晶体自辐射损伤,会改变晶体的物理和化学性质,在微观上表现为蜕晶化,宏观上则表现为密度降低和体积膨胀。不同生长环带间的差异膨胀产生相对膨胀力,导致锆石发生微破裂。为了探究微破裂的发育过程与机制,本文基于锆石自辐射损伤-体积膨胀经验关系,利用离散元模拟方法,模拟核-边双层锆石自辐射损伤过程中内部应力分布;结合锆石的弹性模量与抗拉强度,模拟自辐射损伤与围压对核部高U、Th(模型Ⅰ)与边部高U、Th(模型Ⅱ)两类锆石微破裂发育的影响。结果显示随着自辐射损伤及体积膨胀的增大,锆石微破裂过程具有显著的阶段性:模型Ⅰ边部破裂对称发育,从单条逐渐发育成空心“十”字与“米”字形破裂网络;模型Ⅱ核部发育的多个同心状破裂是由早期放射状破裂随自辐射损伤增强而拓展并逐渐相连而形成。围压的影响效果与自辐射损伤程度有关:低自辐射损伤下,围压增加会抑制模型Ⅰ边部与模型Ⅱ核部破裂的发育与拓展;高自辐射损伤下,随着围压的增大,模型Ⅰ放射状破裂密度增大,而模型Ⅱ同心状破裂数目减少。锆石中微破裂的发育将晶体分割成若干亚颗粒,改变原子扩散出颗粒的路径与距离,因此本文对锆石微破裂过程的研究,对于理解锆石中元素的扩散及相关的地质应用具有参考意义。

选择性激光烧结中铺粉过程离散元模拟

铺粉过程是选择性面激光烧结中重要的工艺过程之一,为研究铺粉过程中不同工艺参数对粉末床铺粉质量的影响,研究并设计了一种辊子-刮板式的铺粉结构,以PES为烧结粉末材料,通过EDEM软件对铺粉过程进行离散元仿真。模拟分析了辊子-刮板的移动速度V和刮板端部倾斜角度α对粉末床铺粉质量的影响。结果表明:辊子-刮板的移动速度V越大,铺粉质量越差;刮板端部倾斜角度α对粉末床铺粉质量影响很小。

RB模式下砂土非极限主动土压力的离散元模拟与理论研究

针对刚性挡土墙绕墙底向外位移(RB)模式下砂土非极限主动土压力分布问题,采用离散元数值模拟对砂土的主动破坏过程进行分析。研究结果表明,非极限主动状态下,不同深度处土体内摩擦角变成极限值时,该点所需的水平位移近似相同,约为0.03%H,墙-土摩擦角至极限值时该点所需的水平位移S_(δ)近似与深度z呈线性关系,即S_(δ)=0.12%z;挡墙位移过程中,墙后土体中存在多个相互平行的“准滑动面”。根据模拟结果,在Liu提出的摩擦角调动值计算公式基础上进行了修正,并利用斜微分单元法,取墙后土楔体中平行于滑动面的薄层作为斜微分单元,建立了非极限主动状态下单元体静力平衡方程,得到了RB模式下挡墙不同位移量时非极限主动土压力计算公式。将计算结果与模拟结果和模型试验实测数据进行对比,验证了理论公式的合理性。

海山俯冲对希库朗伊增生楔构造变形的影响:基于离散元模拟的认识

海山等粗糙海底的俯冲对增生楔的结构、地貌、应力和地震灾害有着重要的影响。希库朗伊(Hikurangi)俯冲带位于新西兰北岛外海,希库朗伊高原向西正以40~47 mm/a的速率俯冲于澳大利亚板块之下。希库朗伊高原内部发育大量形态各异的海山,其俯冲造成希库朗伊北缘经历了严重的构造侵蚀。目前该区域的慢滑移事件有了很好的地震学和测地学约束,但对于希库朗伊北缘的构造侵蚀和构造应力体制如何演化以及对地震活动的影响仍然不清。本文基于离散元方法(DEM)数值模拟,结合地震反射剖面,探讨了海山俯冲对希库朗伊俯冲带北缘增生楔的形态、断裂结构、活动性、应变分配的影响。模拟结果显示海山的俯冲在其顶部形成一条巨型分支断层(mega-splay fault),吸收主要的缩短量并沿海底发生长距离、低角度逆冲推覆。随着俯冲的持续,海山前缘形成一个双重构造剪切带,而随着滑脱层的下移并向前扩展,最终形成前缘逆冲断裂体系。模拟证实海山俯冲提高了弧前增生楔内应力分布的非均质性,海山前缘最大剪切应力显著累积,而海山后缘则表现为一个稳定的应力影区。海山俯冲显著增加了希库朗伊俯冲带板间逆冲断层的几何粗糙度和物质非均质性,对微地震和慢滑移事件的产生具有重要影响。

近距离煤层开采相互作用的离散元模拟研究

近距离煤层开采后，上下层工作面之间将产生相互作用．上下层工作面的合理错距是一个重要工程参数，它直接关系到上下层间的作用．采用离散元法对一个实际条件进行了模拟，分析了互层作用，确定了合理的错距，为安全生产提供了依据．

大尺寸节理煤体单轴压缩力学行为的离散元模拟研究

为研究结构面对节理煤体单轴压缩力学行为的影响,首先基于结构面实测与参数标定试验构建合成煤体模型,然后分别针对REV尺寸煤块与煤体进行不同加载方位的单轴压缩数值试验,分析结构面对节理煤体力学行为的影响机制以及裂隙的形成机制。结果表明:(1)所构建的合成煤体模型可表征研究煤体,其REV为1. 0 m×1. 0 m×2. 0 m;(2)结构面弱化煤体单轴抗压强度与弹性模量,增大煤体单轴压缩变形,弱化/增强程度取决于加载方位与结构面的方位关系;(3)结构面决定煤体单轴压缩破坏方式,煤体表现为平行加载方向的劈裂破坏,加载方位不同劈裂形态不同;(4)提出了可量化评价基质破坏与结构面活化对节理岩体破坏贡献程度的指标:基质破坏贡献比和结构面活化贡献比;(5)平行加载方向的结构面在加载力作用下激活为活化原生裂隙,并在其端部发育出翼裂纹,形成压致拉裂裂隙组合。对于包含非贯穿结构面的煤体,裂隙组合彼此连通形成劈裂裂隙;对于包含贯穿结构面的煤体,贯穿的活化原生裂隙直接形成劈裂裂隙。

考虑环境劣化非贯通节理岩体的直剪试验离散元模拟

非贯通节理岩体的强度特性是大型边坡、隧道等工程安全性的重要影响因素。随着酸雨、河流污染等对岩石环境劣化程度的加剧,考虑环境劣化因素对非贯通节理岩体强度的影响很有必要。采用离散元法,基于已有的胶结接触模型,将岩体因环境作用而劣化等效为岩石试样质量损失不断加剧的过程,最后等效为颗粒和颗粒之间的物质不断溶蚀的过程,由此建立考虑环境劣化的微观接触模型并将其植入离散元软件中,模拟分析了不同环境劣化程度的非贯通节理岩体在不同连通率和不同法向应力下的直剪试验。结果表明:不同环境劣化程度非贯通节理岩体剪切应力-位移曲线趋势一致;随环境劣化程度的加深,节理岩体的破坏形式以拉裂纹为主转变为以剪切裂纹为主;环境劣化使得节理岩体直剪试验起裂应力降低,且环境劣化程度的加深会导致非贯通节理岩体的凝聚力降低及内摩擦角减小,表现为峰值剪切强度降低。

节理岩体中地下水流动的离散元模拟

地下水在节理岩体中流动时,会引起岩体中应力场与渗流场的相互作用.以节理开度变化为纽带,进行了岩体中渗流场与应力场的耦合分析,并用离散元法完成了计算,给出了计算实例.

冲击下材料质量混合的实验研究及离散元模拟

利用化爆驱动飞片对铅—锡和铜—铝的颗粒混合物进行冲击加载。回收样品的金相分析发现，在锡颗粒边界有明显的铅锡质量混合带，带宽约60～80μm。利用扫描电镜对混合带进行点扫描，得到带内铅和锡质量分布。计算出的铅锡动态扩散系数为D=0．9cm^2／s，远高于准静态。利用离散元方法进行了数值模拟，定性的显示了高速冲击下材料细观混合的过程和机理。

综放开采松散顶煤落放规律的离散元模拟研究

运用离散单元法对练放开来革放煤口放煤和支架推进过程中顶煤放出的全过程进行了模拟．根据权拟结果，对放出体的形态、接触力、速度场、顶煤厚度、移架步距对纯煤回收事的影响等问题进行了分析，指出运用传统的放煤楠球体理论计算低放煤口、顶煤厚度较薄的综放开采问题是有缺陷的，提出顶煤落放过程的概念．

K28边坡变形破坏机制的离散元模拟

在工程地质勘察的基础上,对K28边坡在天然和饱水状态下的变形进行离散单元法数值模拟,分析了此类缓倾角顺层边坡滑移压致拉裂的变形破坏机制,以及地下水促进边坡变形破坏的作用机理,为边坡的工程治理设计提供合理的建议。

考虑水软化-化学风化作用的岩石单轴压缩试验离散元模拟

西南地区以岩石地形为主,较为潮湿。而岩石在工程长期运行中,会受到水和化学风化作用的影响,分别表现出软化、强度降低以及力学性能劣化的特性。因此研究岩石在水、化学风化作用影响下的力学性质极其重要。本文采用离散单元法(DEM)模拟水软化-化学风化因素作用下岩石的单轴压缩试验,得到应力应变曲线以及破坏后微观信息图,从宏微观角度分析岩石受水、化学风化作用下力学性质,破坏模式的变化。模拟结果表明:随着岩石饱和度的增加,岩石的峰值强度、弹性模量不断减小,破坏模式由压剪扭破坏为主逐渐转变为拉剪扭破坏为主;随着化学风化程度增大,岩石峰值强度也随之减小,脆性破坏特征越来越不明显,与室内试验结果相吻合。

地震作用下黄土斜坡失稳及运动过程的离散元模拟

在山区,地震诱发滑坡造成的人员伤亡往往占到地震总伤亡人数的一半以上,尤其是在黄土地区,由于地震造成的黄土滑坡具有运动距离远等特征,其灾难性更严重。针对地震诱发黄土斜坡的失稳峰值加速度、临界位移和运动距离等问题,本文利用离散元(PFC)方法,通过对室内三轴实验的应力-应变曲线进行标定和高精度航拍三维地形数据进行转化,以宁夏海口村黄土斜坡为研究对象,开展三维地震作用下斜坡失稳破坏和运动过程的数值模拟研究。通过监测不同位置在地震作用下的应力分量,计算监测点的p、q值并与室内三轴实验所得到p-q破坏线进行比较,获得斜坡破坏过程中的应力路径。结合颗粒的监测位移,获得斜坡失稳破坏的临界位移,得出该黄土斜坡失稳峰值加速度为0.135 g,临界位移为50 cm。同时根据不同地面环境条件,预测了在不同摩擦系数下斜坡失稳后的危害范围,为黄土地区边坡工程的抗震设计及防震减灾工作提供一种新的可视化方法。

土压平衡盾构改性砂土流动特性的离散元模拟

对运用离散单元法模拟改性土流动特性的可行性进行了分析,提出了改性土离散元接触本构模型,在此基础上对改性土坍落度实验进行了离散元数值模拟。在实验室内对标准坍落度实验进行了改进,坍落度实验数值模拟得到的改性土坍落后的形态再现了实验室结果,并且标记点的垂直位移与实验室实测结果一致性较好。

不排水循环荷载条件下胶结砂土宏微观力学性质离散元模拟研究

天然或人工胶结的存在能够提高砂土的抗液化能力,从宏微观尺度对其动力学性质进行研究具有重大意义。将已有的三维完整胶结接触模型引入到三维离散元程序中,对胶结砂土不排水循环三轴剪切试验进行三维离散元模拟,研究颗粒间胶结、循环应力比对离散元试样宏微观力学性质的影响。研究结果表明,胶结的存在能够抑制轴应变和孔压的发展,提高砂土的抗液化强度,循环应力比与液化振次之间具有指数函数关系,证实了本文离散元模拟能够反映胶结砂土的宏观动力学性质。在微观尺度上,当循环应力比较小时,胶结试样内部仅有极少量胶结发生破坏,力学配位数基本不变,外界输入功主要用于增加颗粒和胶结弹性能。对于特定胶结程度的试样,在初始液化发生之前,随循环应力比增加,试样内部胶结破坏更为剧烈,力学配位数下降速率更快,颗粒和胶结弹性能更快地趋向于0,颗粒摩擦耗能、弯转耗能、扭转耗能更快地达到最大值,而破坏胶结接触点、胶结接触点和无胶结接触点法方向的空间分布更快地趋向于各向同性性质。