宽级配土离心试验地基模型落雨法分层机制与数值模拟

落雨法因其在模型制备过程与自然条件下砂土沉积过程相似,因而成为土工离心试验地基模型常用的模型制备手段,但是有关落雨法研究主要集中于相对密实度控制,而对于分层现象关注较少,尤其宽级配土。针对宽级配土落雨法制备过程出现的分层现象,利用PFC3D数值模拟软件,探讨了落雨法制备过程分层现象的物理机制和出砂口落距、移动速度、宽度对分层现象的影响。结果表明:在真空介质中,粗细颗粒不出现分层现象;而在非真空介质中,粗、细颗粒出现了分层现象,原因为非真空环境下粗、细颗粒下落过程中产生了相对速度差,内在机制为粗、细颗粒半径不同受到平均表面流体阻力不同,从而造成不同粒径颗粒分离现象;随环境介质密度的增加,粗、细颗粒在下落过程中更易于发生分离,出砂口落距、移动速度和流量对分层现象具有一定程度影响。

宽级配珊瑚土落雨制模分层现象与控制方法

珊瑚土场地液化是港口工程和滨海设施及岛礁典型的地震灾害现象之一,而珊瑚土具有级配宽、细粒含量高和易破碎等特点。落雨法作为研究饱和模型场地与单元试验液化的重要制模手段,针对落雨法在制备珊瑚土地基模型时出现的分层问题,利用自主研制的大型落雨装置及高速摄像和PFC3D离散元模拟,分析细粒含量、流量大小、落距和出砂口移动速度等因素对分层现象的影响,揭示分层现象的产生机理,并建立相应控制方法。研究结果表明:相对于落距和出砂口移动速度,细粒含量和流量是影响颗粒分层的主要因素。随着细粒含量的增加,分层现象逐渐减弱;随着流量的增大,分层现象逐渐明显;当落距和出砂口移动速度达到一定范围时,分层现象不会再随之增大而出现明显变化。高速摄像分析表明,粗细颗粒在出砂口移动时会出现粗细颗粒的分离,二者之间有着明显的分离界限,其结果表明,分层现象是在重力、空气拖曳力以及出砂口侧向移动的综合作用下产生的。利用PFC3D离散元模拟落雨法制模的过程,模拟结果与试验结构及高速摄像分析结果高度契合,证明PFC3D数值模拟方法的可行性。结合流量、落距和出砂口移动速度等影响因素,提出一种可有效控制落雨法分层现象的方法,为制备大型宽级配珊瑚土模型提供指导依据。

考虑堆石料颗粒形状的大三轴数值模型构造

离散元数值试验是研究堆石料力学特性的重要手段之一。堆石料颗粒形状不规则且粒径跨度大,很难形成既考虑颗粒形状,又满足实验室级配和孔隙率要求的离散元数值试样。在研究傅里叶描述符对颗粒延伸率、纵横比、扁平度等形状描述指标影响的基础上,构造了一系列不规则形状的细观堆石颗粒。结合离散元方法,采用Clump-ball混合的落雨式分层过压建模法构造了大三轴数值模型。结果表明,构造方法更接近实验室制样过程,数值模型满足室内试验级配和孔隙率要求,为研究颗粒形状对堆石料力学特性影响作铺垫。