基于离散元颗粒流的落石冲击力计算公式研究

在用离散元颗粒流软件PFC3D模拟落石冲击过程并进行模拟计算的基础上,提取落石冲击力计算结果,采用SPSS软件进行数据处理,回归落石冲击力的多元线性计算公式。用离散元颗粒流方法研究落石冲击过程并拟合落石冲击力计算公式,对落石冲击研究具有非常重要的意义,尤其对我国山区落石灾害防治具有非常重要的指导和借鉴意义。

基于离散元的废旧二灰碎石与土混合料承载比细观力学特性研究

建筑垃圾应用于路基过程中,其材料承载力对道路服役性能具有重要影响。为评价建筑垃圾用于路基填料时的细观力学特性,该文利用离散元软件对不同含石率的废旧二灰碎石与土混合料进行承载比试验,并利用离散元法揭示强度形成机理。结果表明:混合料的承载比随含石率增大不断增加,含石率为80%时达到最大值。在离散元模拟承载比试验中,空隙率随着二灰碎石土的含石量的增大先降低后增大,当含石率为80%时混合料的空隙率最小,此时能达到最佳的承载效果。随着含石率的逐渐增大,废旧二灰碎石之间的颗粒相互嵌挤,形成骨架结构,因此能够有效承担来自贯入杆的荷载。

裂隙岩体力学特性的三维颗粒流离散元分析

颗粒流数值模拟是目前研究岩石受损破坏特征的重要方法。对比几种常用的数值模拟方法,选取三维离散元作为研究岩体裂隙性质的主要方法,建立了含不同倾角裂隙的三维离散元模型,基于室内试验成果标定了白砂岩离散元模型的细观参数,并进行单轴加载试验。研究发现,应变和强度正相关,应变能达到的值越大,岩体强度越高。裂纹倾角从45～90°试块的峰值强度不断升高。45°试块应变最小,峰值强度最低。在实际工程中,与岩体竖向受力成45°的裂纹对岩体性质最不利。

基于离散元的高速远程滑坡运动堆积特征及能量转化研究——以三溪村滑坡为例

高速远程滑坡-碎屑流运动速度、堆积特征和能量转化是研究其致灾机制的重要因素,而模型试验、野外调查并不能全面揭示其成灾机理。文章以三溪村滑坡为例,采用PFC 3D 离散元模拟方法,揭示滑坡运动过程中的前部、中部和后部岩土体的速度演化分布、堆积特征和能量转化关系。研究结果表明:三溪村滑坡的残余摩擦系数为0.2时,模拟结果与实际堆积特征一致。前部、中部、后部岩土体到峰值速度存在差异,前部岩土体速度分布表现为显著的单峰型特征,而后部岩土体速度分布为双峰型特征。滑坡不同部位的岩土体堆积呈现层序分布;滑坡重力势能的转化中,摩擦耗能占总能量的52%,动能峰值时刻仅有15%的重力势能转化为动能。研究结果可为高速远程滑坡的运动机理分析和防灾减灾治理工程提供重要参考。

填石路基动力夯实离散元数值分析

本文意在使用数值计算方法分析填石路基动力夯实效果及施工设备参数优化问题。以液压夯实技术为例,基于碎石土孔隙率的变化使用二维颗粒流离散元方法对填石路基动力夯实问题进行计算分析。基于夯击前后填石材料孔隙率的改变,讨论了不同夯锤重量、不同夯锤下落高度及不同夯锤提升时间3种情况下路基的动力夯实效果及动力夯击的有效影响深度。由计算结果的对比分析可知,增大夯锤重量和提高落锤高度均可有效增强动力夯实效果及增大夯击的影响深度;增大提锤时间只能小幅提升填石路基的动力夯实效果,而对动力夯击的有效影响深度影响不大。液压夯实技术适合选用改变锤重方案来增强动力夯实效果以及增大夯击的影响深度。

石笼挡墙在振压下破坏机理的颗粒流模拟研究

基于颗粒流离散元理论,对北京某山区公路采用的石笼挡墙建立PFC2D模型,研究墙背土压力的分布规律;在路面施工压实过程中石笼墙体的位移分布、破坏机理;模拟石笼挡墙的破坏过程和破坏方式,以及墙背土应力释放过程。通过模拟分析得出以下结论:颗粒流离散元程序可以用于模拟挡墙结构物,并特别适用与模拟钢丝网等柔性结构;路基加压前后土压力分布规律与理论值基本相符;在路基的振动压实过程中,左侧石笼网最先达到抗拉强度而破坏,墙体丧失整体稳定性而逐步塌陷,形成堆积体,在靠近挡墙2 m范围内路面轻微塌陷,路基土在第一层石笼体位置以上浅层内形成滑动面。

土坡稳定分析的颗粒流模拟

边坡的失稳破坏运动是一个存在岩土体的滑动、平移、转动的复杂过程,具有宏观上的不连续性和单个块体运动的随机性。采用颗粒流模拟土坡的变形破坏全过程,不需要假定滑移面的位置和形状,颗粒根据所受到的接触力调整其位置,最终从抗剪强度最弱的面发生剪切破坏,因此离散元法是模拟边坡变形破坏力学行为的比较理想的途径。运用PFC(颗粒流)程序对砂性土坡和黏性土坡分别进行数值模拟,分析细观参数对土坡破坏型式的影响。结果显示,土性对边坡的破坏型式有很大的影响,随着颗粒黏性的增大,边坡破坏类型从塑性破坏向脆性破坏过渡。

抛石防波堤地震反应的颗粒流数值模拟

基于颗粒流离散元法,对地震动作用下抛石防波堤的动力响应进行了数值模拟分析,结果表明:地震动作用下的抛石防波堤变形规律与经典破坏模式吻合;颗粒粒径相同时,输入峰值加速度越大,坡顶的沉降量越大;相同输入地震动条件下,颗粒粒径越大,坡顶沉降量越小;颗粒粒径和输入峰值加速度相同时,水平和竖向组合输入引起的坡顶沉降最大,单一水平向输入次之,单一竖向输入最小;峰值加速度放大系数随输入峰值加速度的增大逐渐减小;颗粒粒径越大,峰值加速度放大系数越大;抛石防波堤变形特征表现为坡顶沉降,坡体两侧斜向下滑移,坡面存在浅层滑动。研究方法及结果可为抛石防波堤抗震设防提供参考依据。

基于离散元模拟细集料对沥青混合料劈裂试验影响

以AC13为例,采用颗粒流PFC2D软件,建立基于混合料二维数字截面的劈裂试验离散元模型,模拟细集料对沥青混合料劈裂试验的影响。研究表明,细集料影响沥青混合料低温劈裂试验强度和破坏应变;2.36 mm档集料可作为沥青混合料AC13集料级配中粗细集料的分界点,即粒径≥2.36 mm的集料为粗集料,小于2.36 mm的集料为细集料。

碎石土地基动力夯实的颗粒流离散元数值分析

考虑土体动力滞回特性、颗粒的接触刚度及夯锤底面形状三种因素,使用颗粒流离散元数值计算方法分析了碎石土地基的动力夯实效果。分析了地基动力夯实数值模拟过程中上述三种因素对碎石土地基夯实效果产生的影响。探讨了以土体孔隙率变化为衡量标准的碎石土地基动力夯实数值模拟的可行性。

单轴压缩试验下粗糙离散节理网络模型建立及力学特性

针对岩体中随机结构面存在粗糙特性的特点,开展了粗糙离散节理网络(roughness discrete fractures network,RDFN)模型研究。采用数字图像处理技术,开发了生成RDFN模型的算法,并基于Matlab方法建立了与颗粒流离散元PFC方法的接口。采用颗粒流PFC方法研究粗糙度对RDFN模型单轴压缩下的弹性、强度和破坏模式的影响规律,并与直线型DFN模型进行对比。结果表明,RDFN模型的弹性模量低于DFN模型,而峰值强度较高,残余强度较低;DFN模型中微裂纹沿节理方向贯通,局部存在基岩内部裂纹扩展;RDFN模型由破坏模式相对复杂,达到峰值强度后基岩发生显著破坏。

地铁车站模型地震破坏连续-离散耦合模拟分析

基于北京地区典型地铁车站结构的大型振动台试验建立了有限差分-颗粒流离散元耦合模型,对车站结构模型的地震响应和破坏现象进行了模拟分析。在耦合计算模型中,土体采用连续模型,结构采用颗粒流离散元模型模拟,在FLAC边界节点处建立接触面,将FLAC在大应变模式计算的位移通过接触面传输给PFC;并将颗粒与接触面计算的相互作用力传输给FLAC,作为施加在各节点上的力,从而实现并行耦合运算。结果表明,模型的计算结果与试验结果拟合得较好;地震加载过程中,柱板、墙板节点为地铁车站模型结构的薄弱部位;模型的整个破坏过程和能量转化过程分为3个阶段进行;颗粒孔隙率、配位数和接触力的变化以及能量的转化规律能够反映结构的破坏过程。

隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的扰动及衬砌受荷特征

为探明下伏薄煤层采空区地层中隧道施工对地层的扰动以及衬砌结构受荷特性,采用离散元颗粒流软件,从细观角度对隧道开挖引起的地层应力变化特性进行了模拟分析,同时在室内开展模型试验量测了下伏煤层采空区地层隧道衬砌背后土压力以及二次衬砌结构内力(轴力、弯矩),分析了特定围压下间距对土压力和二次衬砌受力的影响。结果表明,下伏煤层采空区地层因隧道开挖引起的围岩松动区呈"O"形分布,隧道下伏围岩颗粒接触力反而小于隧道上覆围岩;洞周允许位移越大,颗粒接触力链间断区域越大;间距越小,颗粒接触力链间断区域越大,当间距大于2.0D(D为隧道跨度)时,下伏采空区对隧道围岩颗粒接触力影响逐渐消失,降低了地基反力,间距越小,降低程度越高;二次衬砌内力分布有一定的离散性,二次衬砌裂缝最先出现在拱底,是隧道主体结构的薄弱环节。

隧道开挖对上覆煤层采空区地层的扰动分析

隧道近接上覆采空区地层施工易扩大上覆围岩松动范围,增大松动荷载,为探明隧道开挖对上覆采空区地层的扰动规律,采用离散元颗粒流软件从细观角度分析了隧道开挖过程中上覆采空区地层应力变化特性,分析了采空区与隧道间距、采空区厚度及倾角对围岩应力的影响。结果表明:上覆采空区地层隧道开挖后围岩颗粒接触力链断开区域分布在隧道上方,开挖后洞周位移越大,颗粒接触力链断开区域也越大;间距越小,开采煤层越厚,颗粒接触力链断开区域越大;煤层倾角影响了松动区域位置。

基于三轴试验的AC-20级配优化

为了提高沥青混合料的高温稳定性,利用PFC^3D(partical flow code in 3 dimensions)软件构建沥青混合料三轴数值模拟方法,结合室内三轴试验评价了其可靠性.通过三轴数值模拟和室内三轴试验,研究粗集料级配、细集料级配和粗细集料比例对沥青混合料抗剪强度的影响规律.通过研究19.000,4.750,0.075 mm筛孔通过率对AC-20性能的影响,提出基于抗剪强度的AC-20矿料级配,并验证其路用性能.结果表明:沥青混合料三轴数值模拟结果与室内试验结果吻合度较好;当粒径为19.000~26.500,16.000~19.000,13.200~16.000,9.500~13.200,4.750~9.500 mm的粗集料的体积比为4:12:4:10:15、细集料取I=0.75时所对应的级配、粗细集料体积比为60:40时,沥青混合料抗剪强度最大;建议在19.000,4.750和0.075 mm通过率范围分别为90.0%~100.0%,35.0%~45.0%和4.0%~7.0%时,确定基于抗剪强度的AC-20优化级配范围;与规范级配相比,优化级配AC-20混合料抗剪强度和动稳定度分别提升26%,29%.

基于颗粒流模拟的黏性土宏细观参数相关性分析

利用颗粒流方法(Particle Flow Code,PFC)建立数值模型,对红黏土进行大量三轴不固结不排水数值模拟试验。通过改变摩擦系数、黏结强度、刚度比、孔隙率的取值,分析了细观参数的变化对应力-应变关系曲线的影响。通过记录不同围压下样本的应力峰值,依据摩尔-库伦强度准则对数值试样的剪切强度参数进行标定,探讨并定量分析了黏性土宏观强度指标与其对应的细观参数之间的关系。通过不断反演,选取合适的细观参数的值,并将数值模拟与各级围压下室内试验进行结果对比,得到了较为理想的模拟效果,为完善该地区红黏土强度特性的分析提供了支持。

高速远程滑坡沿程速度演化与冲击力分布研究——以三溪村滑坡为例

滑坡的运动速度是研究其致灾机制的关键因素,滑坡对建筑物的冲击力是评判其致灾强度的重要指标。对于灾难性高位远程滑坡而言,速度和冲击力是导致建筑损坏和人员伤亡的关键因素,由于灾难性滑坡的突发性、隐蔽性,以及目前现场监测技术的局限性,对其运动速度和冲击力的实时监测存在较大的难度。本文以三溪村为例,利用三维离散元软件PFC,结合无侧限单轴压缩试验进行参数标定,模拟三溪村滑坡启动、下滑、堆积和冲击山区房屋的整个过程。研究结果表明:(1)受地形影响,前缘右侧、中部、左侧岩土体峰值速度存在差异,中部岩土体呈现最大的峰值速度;(2)前缘右侧岩土体滑坡初始阶段呈现最大的加速度,前缘左侧岩土体减速阶段呈现最大的加速度;(3)滑坡冲击力时程关系呈现为单峰特征,冲击过程可划分为动态冲击阶段和准静态堆积阶段,且峰值冲击力与房屋距滑源区距离成反比。在三溪村滑坡的堆积阶段,山区房屋主要承受滑坡岩土体的静态堆积作用。建立的冲击力-时程演化关系、峰值冲击力-运程分布关系和峰值冲击力-速度的关系,可为山区建筑防灾减灾治理工程提供参考。

基于微观图像处理技术的土体三轴试验颗粒流模型

以扫描电子显微镜拍摄获取的粉土图片为研究对象,把数字图像处理技术引入土体的细观结构观察和定量分析中,求解土颗粒孔隙度、颗粒粒径及颗粒形状等微观颗粒组成参数,为建立颗粒流离散元细观模型提供物理参数。在此基础上,对土样的三轴试验进行模拟,并研究细观力学参数(包括:摩擦系数、平行连接强度及刚度比)对宏观性质的影响。研究表明:通过颗粒簇模型和颗粒排斥法可以实现土体微观颗粒形状和粒径组成模拟。所建立的颗粒流模型能够很好地拟合土体的应力-应变关系和模拟试验中的剪缩-剪胀现象;摩擦系数、平行连接强度和刚度比对土体的初始模量和残余强度的影响规律有所不同;通过监测孔隙率的变化,可以反映土体剪切带发展的过程。

高炉矿渣粉煤灰混合料的宏细观力学参数相关性分析

在三维颗粒流离散元理论及已有试验数据的基础上,通过设置大量不同的数值样本,利用PFC3D对高炉矿渣粉煤灰混合料的室内大型直剪试验进行数值仿真。基于此,对混合料的宏细观力学参数进行相关性分析,进而标定混合料的细观参数。结果表明：颗粒摩擦系数影响较小但不宜忽略,对粘聚力影响较大的范围一般介于0.3~1.5之间;刚度比与强度比对混合料的宏观力学响应会产生较大影响,分析认为宜将刚度比控制在0.4~2范围内,而强度比宜为0.4~4之间比较有效。半径因子对剪应力峰值及初始弹性模量所产生的影响具有同步性,并且随着半径因子的增大而增大,而强度参数中的内摩擦角与粘聚力随半径因子的增大呈相反趋势变化。最后,将数值模拟结果与室内试验进行对比分析,标定了混合料的细观参数,分析表明,数值计算的结果与室内试验结果基本吻合。

矿山滑坡危岩体定向拆除抛掷爆破应急排险方法

矿山滑坡危岩体在极限状态下极易发生二次滑坡灾害,如何实现应急排险以及排险方法的安全有效性验证一直是困扰矿山企业的实际难题。以磨环凼西侧滑坡危岩体为研究对象,根据城市高层建筑定向拆除爆破的技术思路,提出一种定向拆除抛掷爆破应急排险方法,采用自下而上、由坡面向内逐孔毫秒微差爆破的方式,将滑坡危岩体定向抛掷到指定位置,以达到应急排险治理和方便采装运输的目的。考虑现场排险试验的不可逆性,采用离散元方法,建立等比例矿山危岩体爆破动力分析模型,利用炸点颗粒膨胀法模拟爆破作用,设置无反射边界,并对最终爆破排险效果进行分析,以提前验证该方法的可靠性。结果表明:以50 ms的起爆时差,由740 m—760 m—780 m平台、自坡面向内依次起爆时,大块率小,无根底,可将滑坡危岩体全部清除;危岩体最远抛掷距离为186 m,符合《爆破安全规程》(GB 6722—2014)的飞石安全距离规定,最大爆堆高度为22 m,主要堆积在坡脚685 m平台,可实现危岩体的安全快速采装运输。研究成果为该类“摇摇欲坠”的滑坡危岩体的安全快速治理提供了一种新的方法,具有一定的工程应用价值。