堰塞体形成全过程的连续离散耦合数值模拟

地震是触发边坡失稳、滑动形成堰塞湖的重要因素,以云南鲁甸"8·03"地震引发红石岩滑坡为例,应用连续-离散耦合分析方法(FDEM),模拟了三维滑坡体从变形破坏至堆积形成堰塞体的全过程。采用双轴压缩数值试验率定各岩土层的FDEM模拟参数,以对应实际岩土体物理力学参数。建立了滑坡体和河谷的三维有限元模型,滑坡体部分采用较小的网格密度,并在实体有限单元之间插入无厚度界面单元模拟。随着滑坡体的失稳和滑动,失效界面单元不断增加,导致滑坡体由连续体向非连续体转换,并最终形成松散的堆积体。三维FDEM数值模拟表明,地震引发边坡岩体内部损伤和变形累积,结构面贯通,滑坡体高速下滑并伴随破坏、解体、撞击对岸、堆积河道、不断密实,形成堰塞体。最终形成的堆积体形态与现场情况比较接近。

基于离散-连续耦合的岩溶隧道防突岩体安全厚度预测

为有效预防岩溶隧道施工中的突涌水灾害,首先,调研近年来国内岩溶隧道突涌水典型案例,总结隧道突涌水形成机理及其影响因素;其次,建立离散-连续耦合模型并采用多元回归理论的方法,明确防突岩体破坏的判定准则,划分岩溶隧道防突岩体破坏模式并提出裂缝发育规律;然后,基于对防突岩体最小安全厚度造成影响的各因素,针对溶洞位于隧道上方、下方及侧方3种情况分别建立防突岩体最小安全厚度预测计算式;最后,依托德庆隧道工程进行验证。结果表明:防突岩体破坏模式主要有弯折破坏、整体剪切破坏和复合破坏3种,可基于裂隙发展速度将其破坏过程分为初始阶段、快速发育阶段、平缓发育阶段3个阶段;各因素按影响显著程度由大到小依次为溶腔内水压、围岩黏结参数、溶腔跨度、溶腔高跨比和隧道埋深;计算得到德庆隧道3处施工段的防突岩体最小安全厚度分别为2.964,5.263和0.961 m,突涌水评估结果准确。防突岩体最小安全厚度预测计算式可用于预测并评估岩溶隧道突涌水风险。

基于三维离散-连续耦合的岩溶隧道突水破坏模式研究

岩溶隧道在修建的过程中难以避免接近溶腔甚至高承压水溶腔,而突水破坏极易引发安全事故甚至对隧道产生不可逆的影响,因此对岩溶隧道突水破坏模式的研究有利于解决相关安全问题,并对选线安全具有一定参照意义。通过三维离散-连续耦合数值技术,对微观离散颗粒物理、力学参数进行标定并验证,模拟水压作用下下伏溶腔与隧道仰拱之间的防突岩体垮塌过程。根据试验结果将防突岩体的破坏模式分为3类:剪切破坏模式、弯折破坏模式和复合破坏模式。弯折破坏模式表现为防突岩体中部和两端拉伸裂缝呈贯通状;剪切破坏模式表现为防突岩体两端裂缝呈剪切态;复合破坏模式则同时具有二者的共同特性。3种破坏模式所引起的裂缝发育规律相似,均可分为初始发育、快速发育和平缓发育3个阶段。初始发育阶段时防突岩体所存在的裂缝数量较少;维持水压力防突岩体的裂缝数量突增并进入快速发育阶段;而后防突岩体中的裂缝产生贯通效果进入平缓发育阶段,最终防突岩体整体垮塌。由此得出结论:突水破坏在岩溶隧道中是一个渐变的过程,但对岩溶隧道总体安全性有不可逆的影响。

基于离散-连续耦合的双层地基承载力研究

路基工程中常采用人工换填方式形成上硬下软的层状地基以增加地基承载力,但目前对于双层地基的极限承载力和破坏机制的宏微观研究尚不够深入。通过室内单元试验、室内模型试验对地基土体的单元力学特性及分层情况下地基的极限承载力进行研究,并采用离散-连续耦合数值模拟方法分别对4种不同上覆土层厚度的双层地基平板载荷试验进行模拟,研究上覆土层厚度对双层地基承载特性的影响及其对应的宏微观特性之间的关联。结果表明:上覆土层厚度对地基宏观力学特性及微观传力机制均有较大的影响;双层地基承载力及变形模量随着上覆土层厚度增加而增大;加载过程中,强力链主要分布在一个对称梯形区域内,且随着上覆土层厚度的增加,梯形区域的斜率增大,应力扩散角减小,受扰动区域变小;加载板正下方可观察到明显的应力集中,随着深度增加,应力集中的强度减小,随着上覆土层厚度的增加,应力集中区域减小。

基于离散-连续耦合法的埋地管道受荷过程模拟分析

为了从宏、细观角度反映出埋地管道管周土体的承载特点,文章采用离散-连续界面耦合数值模型对埋地管道受荷过程进行模拟分析,其中管周填土采用离散单元法进行模拟,埋地管道及原状土基采用有限差分单元法进行模拟。结果表明:随着荷载或埋深的增大,管顶受压产生压缩变形,管顶土体发生“压力拱效应”,引起管周土压力重分布;耦合模型水平位移场显示埋地管道在受荷过程中管侧回填土及原状土基能够分担和转移外荷载;管周土体的细观接触力链分布形态与管顶土压力的分布规律形成相互印证。

堆积体边坡动力响应离散-连续耦合分析

西南地区特殊的地质结构以及人类工程活动及自然气候因素影响造成该区域滑坡地质灾害分布较为集中,针对该地区滑坡的发育规律与稳定性开展研究显得尤为重要。以某大型堆积体边坡为例,采用离散-连续耦合方法对该边坡的动力响应特征进行了探讨。结果表明:当地震强度逐渐增大时,堆积体前部首先发生滑动,边坡后援开始出现拉应力;随着强度进一步增大,滑坡出现整体失稳。且通过离散-连续耦合方法进行边坡动力分析是一种可行的方法,能够体现出岩体在大变形下的破坏形态。该方法可以为之后学者研究边坡动力响应问题提供借鉴。

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。

层状软岩隧道围岩破坏的连续-离散耦合分析

为了研究层状岩体中隧道开挖后围岩的破坏机理,以汶马高速鹧鸪山隧道为例,基于离散元-有限差分耦合算法,建立了一种新的层状软岩隧道开挖模拟方法,采用该方法对不同地应力场、层理间距等因素影响下围岩的破坏模式进行了数值模拟.研究结果表明:隧道开挖后,应力重分布导致强度较低的层理面首先发生滑移及张开破坏,岩体的滑移及张开使得应力场受到进一步扰动,导致层间岩体产生拉裂破坏;同种水平应力条件下,随着侧压力系数的减小,岩体产生的微裂纹不断增多.当侧压力系数为1.00、0.80、0.67、0.57、0.50时,微裂纹总数分别为304、391、602、999、1 240;当层理间距为0.6 m时,层理对围岩破坏形态起控制作用;随着层理间距从0.6 m增加至1.2 m,层理对围岩破坏模式的控制作用减弱,围岩的破坏形态与均质围岩相似.

基于颗粒单元接触的二维离散-连续耦合分析方法

结合离散单元法与有限差分法发展了离散–连续耦合分析方法。在中心区域采用离散元分析,其周围区域采用有限差分法分析。采用离散元中颗粒接触计算模型计算离散–连续交界面处的颗粒与单元相互接触作用,在连续单元中接触点速度按型函数对交界面处的节点速度进行插值,将与颗粒的接触力按权值函数分配到交界面节点上。通过PFC和FLAC的Socket I/O接口,实现二维离散–连续耦合分析,并通过对二维算例分析,表明了该耦合分析方法的有效性。

基于离散–连续耦合的尾矿坝边坡破坏机理分析

在连续介质力学有限差分数值模拟的基础上,选取有代表性的局部区域进行基于有限差分与离散元的离散–连续耦合分析。采用上述方法模拟了某尾矿坝边坡在尾矿冲填前后潜在滑移带附近的宏细观力学特征。模拟结果显示,对于耦合和非耦合模型中的连续域两种方法的计算结果基本一致,但离散域的存在可以对滑移带形成过程的细观力学特征,如力链分布、土体细观组构发展等进行分析,研究边坡破坏的细观机理。研究表明,在滑移带形成过程中,滑移带内外土体各向异性的发展明显不同:随着荷载的施加,潜在滑移带内土体颗粒发生了较明显的位移,应力主方向发生了明显转动。颗粒的转动改变了带内组构的分布,并逐渐形成剪切滑移带,造成边坡失稳。滑带外土体虽然应力主方向发生了一定的偏转,但剪应力变化不大。采用的离散–耦合分析方法可以分析边坡在渐进破坏过程中滑移带形成的细观力学机理。

基于三维离散-连续耦合方法的分层介质中桩端刺入数值模拟

使用离散-连续耦合的方法模拟分层介质中桩端的刺入过程,即在桩端刺入影响较大的区域采用离散元模拟,在离桩较远的区域采用连续单元模拟,开发FLAC3D和PFC3D的结合模块,通过交界处离散颗粒与连续单元的相互接触位移作用实现耦合。通过与有关的数值模拟和离心机试验比较可知,离散-连续耦合方法能高效且合理地模拟分层介质中桩端的刺入过程。研究表明分层介质中桩端刺入存在桩端阻力极限值,上覆软弱层对极限桩端阻的大小的影响效果不明显,但上覆软弱层的存在使得分层介质中桩端阻力达到极限值所需刺入深度远小于纯砂中。综合分析桩端土体宏细观参数的变化规律可得:(1)与桩端接触的土体被逐渐压密,与桩端连成整体,颗粒基本不旋转,以竖向位移为主;(2)与桩侧接触的土体颗粒,沿刺入方向发生滑动,颗粒基本不旋转,以竖向位移为主;(3)稍远区域的颗粒受剪胀作用影响剧烈旋转,以斜向下挤扩运动为主。

基于三维离散-连续耦合方法的堤防工程渗透变形数值模拟方法

针对单独采用连续体法或离散元法分析堤防工程渗透变形的不足,提出了一种三维离散–连续耦合方案用于开展渗流应力耦合分析。采用有限差分法(FLAC)分析全域渗流场,采用离散单元法(PFC)进行渗透变形关键区细观力学分析,依托于ITASCA系列软件的Socket I/O接口,进行二次开发,实现程序间关键信息动态实时交换。首先通过算例验证了该方法的有效性,随后结合相似准则,建立堤防离散-连续耦合模型,对堤防渗透变形问题进行分析,通过对薄弱区复杂水土相互作用进行实时跟踪,可以揭示渗透变形发展过程中系统几何特性和水力特性的非线性动态变化过程和相互影响特性。研究成果表明该三维耦合模型将对大型涉水岩土工程渗透破坏细观研究具有积极的促进作用。

软土地基加筋土挡墙二维离散-连续耦合模拟

本文对一软土地基上土工格栅反包直立墙面加筋土挡墙进行数值模拟,挡墙部分采用离散元模拟分析,软土地基部分采用有限差分法模拟分析。通过PFC和FLAC的Socket I/O接口,实现二维离散-连续耦合分析。采用该离散-连续耦合方法对静载下加筋土挡墙的变形、颗粒位移场、土压力分布进行细观分析,并与相似比例模型试验实测结果进行比较,数值模拟结果与实测结果比较一致,表明该耦合分析方法是合理的。

基于离散-连续耦合方法的隧道压力拱特性研究

隧道压力拱问题一直是隧道工程研究的关键问题,目前常用的连续介质数值模拟方法对于隧道压力拱特性的微观研究有所欠缺,而擅长微观力学研究的离散元数值模拟方法对计算机存储空间和计算时间的要求太高。基于现有离散-连续耦合思路,通过力的传递实现离散-连续模型的耦合;研究了耦合算法中的平均应力计算方法、平均应力计算区域面积及耦合程序遍历颗粒方法;基于自行开发优化的离散-连续耦合程序,模拟了隧道开挖后的围岩受力特性,研究了隧道压力拱形成机理及压力拱特性;计算了埋深分别为10 m,14 m,18 m,22 m,26 m,30 m和34 m情况下的隧道开挖产生的压力拱应力集中等效区域,揭示了隧道压力拱随着隧道埋深的变化规律。研究结果表明,自行开发优化的离散-连续耦合程序能在保证计算精度的前提下,充分发挥离散元方法在微观力学研究方面的优势;隧道开挖后,开挖面周边范围出现层状压力环,但在拱顶和仰拱底附近区域的围岩压力环的环间接触力降低,围岩承载能力急剧降低,形成压力拱;随着隧道埋深的增加,隧道压力拱应力集中等效区域减小,隧道周边围岩的压力拱承载能力越来越大;但当隧道埋深达到一定界限后,隧道压力拱高度趋于稳定。

软土地基刚/柔性组合墙面加筋土挡墙离散连续耦合数值模拟

基于软土地基直立刚/柔性组合墙面加筋土挡墙离心模型试验,建立离散-连续耦合数值模型,采用离散单元颗粒流程序PFC和有限差分程序FLAC分别模拟加筋土挡墙和软土地基,研究软土地基上刚/柔性组合墙面加筋土挡墙的性状及内、外部稳定性.研究结果表明,数值模拟的挡墙沉降、墙面水平位移、墙底竖向土压力及墙面弯矩与离心模型试验结果吻合较好;挡墙在自重及上覆荷载作用下产生显著的沉降和不均匀沉降,但挡墙整体仍保持稳定,显示该型挡墙具有很好的适应软土地基大变形的能力;自重及上覆荷载作用使得连接件末端位置产生应力集中,导致此处的地基表面沉降最大;上覆荷载作用下,刚性墙面弯矩在墙中处最大,为外侧受拉,而在靠近墙底和墙顶处较小,为内侧受拉;软土地基上该型挡墙稳定性一般为深层滑移外部稳定性,其破坏面由过挡墙底层筋材后缘填土中的朗肯破坏面和地基中的圆弧滑移面组成;该型挡墙内部稳定性表现为随软土地基滑移破坏,挡墙内筋材由下至上依次断裂,形成过底层连接件后缘的朗肯破坏面.

基于离散-连续耦合方法的圆砾地层超深地连墙施工力学行为研究

依托昆明轨道交通4号线火车北站工程(三线换乘站),推导了离散元-有限差分耦合算法,并对圆砾地层中单幅超深(70 m)地下连续墙施工全过程的力学行为展开研究。结果表明:超深地下连续墙成槽施工阶段地层水平应力与竖向应力不同程度下降,槽壁向槽内卸荷变形,黏性土层在槽段拐角附近有土拱形成,区域内应力增加,圆砾地层土拱效应不明显;成槽阶段槽壁累计水平变形由大到小依次为圆砾地层、下伏地层、上覆土体,水平最大位移约为15.8 mm,最大地表沉降约为9 mm;在混凝土浇筑阶段,地层应力在混凝土压力挤压作用下均出现不同程度增长,槽壁向槽外反向内挤变形,地表向上隆起变形,并在混凝土硬化阶段逐渐收敛;研究成果应用于实际工程取得了良好成槽效果,可为同类地下连续墙设计施工提供一定参考。

基于三维离散–连续耦合方法的跨活动断裂隧洞错断破坏机制研究

在中国西部强震区兴建的大型水利工程中,输水隧洞常不可避免地横跨多条区域性活动断裂,受活断裂错断运动影响,这些输水隧洞面临着严重的错断威胁。传统隧洞抗错断数值模拟方法多将围岩简单考虑为等效连续体,不能从细观尺度模拟断裂错动时围岩的破裂过程和大变形现象。将三维离散–连续耦合方法引入跨活动断裂隧洞抗错断问题的研究上,研究在断裂错动作用下衬砌的内力响应,及围岩破裂的细观特征。在该分析方法中,采用离散元球形颗粒表征围岩,同时将隧洞衬砌结构考虑为连续单元体。验证接触边界上耦合力的相容性与连续性的同时,通过参数标定使离散区域与连续区域的宏观属性一致,在此基础上建立穿越活动断裂隧洞的三维离散–连续耦合数值模型。利用这一方法,讨论了不同断裂错距影响下隧洞因断裂错动而产生的位移变化与力学响应,并从细观角度对围岩破坏特征进行了探讨。获得的结论可以为穿越活断裂隧洞的抗错断设计提供一定参考。

正断层错动对围岩-衬砌体系响应影响的离散-连续耦合模拟研究

震害记录表明,隧洞结构的破坏多发生在围岩质量差和地层条件有较大变化的断层破碎带。为研究断层错动对围岩-隧洞响应特性的影响,提出基于三维离散-连续耦合理论的跨断层隧洞错断分析方法,并将现有室内模型试验引入验证耦合方法正确性的对比试验中。基于耦合模型,探索细观裂纹不断聚集形成破裂的过程及剪切带的演化规律,研究跨断层隧洞变形机制及内力响应特征,另外,深入分析了衬砌厚度、衬砌混凝土弹性模量和隧洞上覆土层厚度对隧洞受力变形响应的影响。研究结果显示:拉裂纹在上盘内衬砌底部聚集形成倒三角破裂带,剪裂纹呈条带状集中分布在断层错动面处;同时,衬砌在临近断层剪切面处发生急剧变形,上盘内衬砌顶部受压而底部受拉,下盘内衬砌顶部受拉而底部受压;此外,合理范围内提高衬砌厚度及混凝土弹性模量有利于提高衬砌抵抗变形的能力,埋深较大的隧洞在断层错动条件下易受到围岩保护,从而减小变形破坏的程度。研究结果可以为跨断层隧洞的围岩稳定性评价、隧洞抗错断结构设计提供一定参考。

基于离散-连续耦合计算的露天矿边坡失稳特征与影响研究

基于以离散-连续耦合计算方法,以某巨厚煤层露天煤矿靠帮开采后端帮边坡为研究背景,对边坡潜在失稳区域采用离散元方法建模分析滑坡特征、破坏过程、影响范围;对边坡基岩等变形量较小部分建立有限差分法网格,传递坡体内部应力、提高计算速度。结果表明:离散-连续耦合计算方法与有限差分法计算得到滑面位置相近,呈圆弧形滑坡;滑坡过程最先为坡面颗粒间黏结受侧向变形影响发生少量破坏,黏结破坏后颗粒向下滚落并堆积在边坡坡脚;随后滑体后缘出现张拉裂缝,滑面逐渐清晰,滑体前缘煤层错动,在逆倾构造影响下阻碍滑坡进一步发展;边坡下侧岩体优先破坏,随后破坏区域逐渐上移;滑坡结束后,边坡最上部580 m水平出现多处张拉裂缝,距坡肩61.37 m内有明显下沉,约为30 m;边坡岩层明显错动,下部煤台阶及顶板向临空面推挤,下部水平位移达42.39 m。

基于三维离散-连续耦合方法的NPR锚索-围岩相互作用机理研究

恒阻大变形(NPR)锚索作为一种高效的吸能锚索已广泛应用于边坡和采矿工程的加固和监测预警中。NPR锚索工作时的径向膨胀特性将影响整个锚固系统的性能。因此,基于离散元法(DEM)-有限差分法(FDM)耦合方法对静力拉伸作用下NPR锚索-围岩的相互作用机理进行分析。NPR锚索考虑为连续单元体,围岩和锚固材料由离散球体单元表征,将整个NPR锚固系统实现了离散元法与有限元法耦合模拟。围岩的离散元细观参数得到校准,NPR锚索的有限差分宏观参数由相应的静力拉伸室内试验进行验证。通过分析数值结果,对NPR锚索与NPR锚固系统的恒阻力进行了比较;描述了锚索-围岩界面的正应力与切应力的分布特征;此外,对锚固剂与围岩的破坏模式进行了细观研究。研究结果描述了NPR锚索与围岩的相互作用并揭示了NPR锚索的特殊锚固机理,可用于预测和提高NPR锚索锚固系统的性能。