微极键基近场动力学的隐式求解方法及应用

近场动力学(peridynamics,PD)是一种基于非局部理论的新型无网格方法,可以自然地描述裂纹开展过程而无须引入额外的扩展准则.微极键基近场动力学模型(bond-based micropolar PD,MPPD)是普通键基近场动力学模型(bond-based PD,BB-PD)的一种改进方法,解除了泊松比的限制.依据最小势能原理推导了微极键基近场动力学模型物质点系统的控制方程,构造了非局部刚度矩阵,实现用隐式算法求解静态和准静态问题.对悬臂梁的弹性变形和脆性材料试件的裂纹扩展过程进行了模拟,验证了隐式求解方法的准确性和有效性,为使用微极键基近场动力学模型分析静态和准静态问题提供了更好的求解思路.

滩涂地区预压作用下人工硬壳层对桥梁桩基的影响分析: 以浙江省十一塘高速为例

滩涂地区深厚的软土地质条件给现浇箱梁的施工带来了较大挑战,依托浙江省十一塘高速公路一期工程,研究预压荷载作用下人工就地固化硬壳层对桥梁桩基的影响。基于土体硬化模型建立三维数值计算模型,对比不同硬壳层深度下桩身轴力、侧摩阻力和水平位移的变化规律,结果表明:当硬壳层厚度为2 m时,桩身轴力减少约16%且硬壳层的厚度会改变负摩阻力的传递深度,表现为硬壳层厚度越厚桩侧阻力中性点越往上移。此外,在一定深度影响范围内,硬壳层能够有效控制桩顶和不同深度处桩身水平位移,硬壳层厚度越大,桩顶水平位移越小。最后通过分析土体模量对桩身水平位移的影响发现,桩身水平位移会随该层土压缩模量的增大而减小且土体卸载/再加载刚度模量E_(ur)的影响高于土体偏量加载刚度模量E_(50)及土体侧限压缩刚度模量E_(eod)的影响。

土石混合体边坡细观特征对滑面形成影响研究

土石混合体是由软弱的土颗粒与刚度较大、强度较高的块石混合而成,因此土石混合体边坡失稳时,其滑动面受块石-土形成的细观结构特征影响,导致边坡稳定性分析存在诸多困难。本文基于一典型的土石混合体边坡,建立颗粒离散元数值模型,通过室内试验标定土体细观参数,结合强度折减法分析土石混合体边坡与纯土体边坡破坏模式及滑面形态的差别。结果表明:块石的存在使得土石混合体边坡的接触力链分布极不均匀,块石的存在使接触力链形成闭环,增大了滑动面积,对边坡有加固作用;土石混合体边坡的滑面发展趋势总倾向于穿过块石间的缝隙,滑面的发展与块石分布状况相关联;当块石含量达到20%以上时,边坡稳定性显著提高;块石含量达到30%~50%时,滑坡以局部块体运动为主,无法形成连续的滑动面。研究成果可为土石混合体边坡的变形破坏机理分析提供依据与参考。

不同材料填筑顺序对高填方路堤稳定性影响分析

通过有限元模拟,对不同土石方比例、压实状态下,倒装填筑结构路堤的稳定性进行分析,得到了一些有价值的结论,以期对将来的路堤建设中提供一种可借鉴的方法。其研究表明:在倒装结构路堤中下层填土层的高度控制在10m范围以内,路堤边坡稳定安全系数较大(大于1.4),且能满足工程上设计要求;通过对路基基底、填土层和填石层的压实度提出了不同的要求和处理措施,足以保证整体结构的稳定性。

基于PFC-CFD的土体管涌数值模拟研究

堤防工程在高水头作用下的管涌、流土现象是岩土工程中很常见的一类自然灾害,广受社会关注.为研究堤坝土体管涌破坏现象的发展过程,采用颗粒流(PFC)和计算流体力学方法(CFD),基于南京长江大堤管涌案例,建立了土体管涌数值模型,研究了管涌渗透流体变化规律,分析了土体孔隙度及位移随管涌发展的变化趋势.研究结果表明:基于PFC-CFD的方法能够较好地模拟堤坝管涌现象,随着管涌的发展,渗透流速不断扩大,水压力和压力梯度分布发生改变,导致土体颗粒流失量不断增加,堤坝位移增大并存在更进一步破坏的可能.研究结果可为管涌过程细观数值模拟提供参考.

滩涂地区软土就地固化技术

广东牛田洋快速道路基范围多滩涂,土壤天然含水率高达139.42%,承载力极低,没有持力层,施工机械无法进入场地。为了改善路基土的力学性质,减少对周围环境的影响,采用了就地固化技术对滩涂土进行处理。为了进一步反映土壤固化后的性质变化,分别就路基土固化后的含水率、强度以及承载力展开研究,并对固化路基的极限承载力进行预测。结果表明:采用的5%水泥+2%粉煤灰的固化剂配比足够满足工程需求,且可以通过规范法或拟合方程校核固化地基的承载力。论证了就地固化技术在滩涂地区的适用性。

基于OpenFOAM与PFC耦合方法的水下滑坡数值模拟研究

水下滑坡是常见的地质灾害之一,为解决离散元PFC难以模拟水下流体环境的问题,提出采用计算流体力学OpenFOAM与离散元PFC耦合的计算方法。针对流固耦合中的尺度相似性问题,提出了适用于该耦合方法的相似性方法并验证了其可行性。通过典型案例分析了基于该耦合方法的水下滑坡动力学特性及堆积形态,并与单向耦合水下滑坡和陆上滑坡结果进行了对比。结果表明该耦合方法能够较好地模拟水下滑坡运动规律,主要表现为滑坡体前端厚度较大并呈椭圆面;水下滑坡运动过程和堆积形态与陆上滑坡差异较大,OpenFOAM-PFC双向耦合与单向耦合方法相比具有优越性。

基于连续-非连续耦合方法的降雨滑坡数值模拟研究

为研究降雨滑坡过程和破坏特征,基于连续-非连续耦合分析方法,采用边界墙耦合方法建立了连续数值模型与离散元数值模型的耦合边界,利用连续模型进行降雨入渗的饱和-非饱和渗流分析,而后生成连续-非连续耦合模型.通过等效力的方法将渗流场和孔压场施加到离散模型中,进行了降雨影响下的滑坡过程耦合分析.通过案例探讨了该方法的可行性,分析了降雨耦合分析中阻尼参数对结果的影响规律.结果表明,通过连续-非连续耦合计算方式对降雨滑坡进行耦合分析,能够较好地进行降雨作用下滑坡过程和破坏特征分析,研究结论可为连续-非连续数值仿真在岩土工程中的应用提供参考.

坡面张裂缝充水对平面滑动边坡稳定性影响

为了研究平面滑动边坡中张裂缝位于坡面上时边坡稳定性变化情况,根据极限平衡理论,建立坡面张裂缝参数关系式,通过改进水压分布函数获得各水压分布形式下张裂缝和滑动面的水压力表达式,运用Matlab编制程序,探讨不同水压分布形式下各参数对边坡安全系数的影响,以及不同水深条件下,各水压分布形式边坡滑动面临界倾角变化情况。研究表明,地下水位的升高使各水压分布形式下边坡安全系数变小,其中张裂缝与滑动面的连接点透水、滑动面在边坡出露位置不透水且滑动面和张裂缝中均有水压的水压分布形式变化幅度最大,地下水位的升高使该形式的临界倾角变大,使其他形式的临界倾角变小。

循环荷载作用下海洋软土动力特性数值模拟研究

在海浪长期循环冲击的作用下,海洋土体材料的力学特性和变形机制往往与静荷载作用下的不同.基于典型海洋土物理及力学特性试验,运用离散元方法建立数值模型,标定土体细观参数,进行直接剪切数值试验和双轴压缩循环加卸载数值试验.研究结果表明:循环加载初期,试样的主要位移形式呈中心对称形态,最大位移发生在试样的4个棱角处,随着循环加载次数增加,试样的位移由竖向的中心轴线向两侧扩展;在循环单剪试验中,随着循环幅值的不断增大,滞回圈不断变大,塑性应变不断累积,在剪切位移只有1 mm时,能量损失较小,试样的变形基本属于弹性变形,随着剪切位移的增加,试样的塑性变形增加,能量损失增加;发生X型剪切破坏时,试样内部沿着120°方向的裂纹带发生错动,在低围压的情况下,试样X型剪切错动现象更显著,试样的剪胀效应更明显.随着围压增加,试样的剪切强度上升,试样的破坏应变减小.研究成果可为海洋软土力学特性研究提供参考.

节理岩巷应力分布规律与失稳机制研究

为研究具有层状特征的节理岩巷应力分布规律与变形机制及控制对策,通过将巷道直墙拱形断面等效为圆形断面,分析层状节理岩巷应力分布和应力集中影响,并以云南某矿埋深为750 m的阶段运输巷道为研究对象,通过现场调查和Phase 2数值模拟等方法,分析了巷道变形机制并给出了相应的支护对策。结果表明:通过粒子群算法得出的巷道应力集中影响可知,在巷道极角为135°、岩层倾角为45°时巷道应力集中影响指标最大;分析了围岩的变形破坏机制,围岩内节理发育,在地应力的作用下裂隙向深部扩展,最终导致围岩变形破坏;通过对设计的非对称支护方案进行分析,该方案可有效控制围岩变形,保证巷道围岩的整体稳定。研究结果可为该类节理岩巷变形机制分析及控制提供借鉴。

人工硬壳层对于既有管道的影响特性研究

上海金海公路改建工程中老路堤侧存在既有管道和明浜,明浜的存在给施工带来了较大的困难。因此,提出了软土就地固化技术,代替传统换填方案,极大地加快了施工进度。明浜软土固化后,经荷载板试验检测极限承载力可达336 kPa,十字板剪切试验测试其剪切强度最大可达386.4 kPa,处理后表层压实度可达90%。通过有限元计算模型开展了人工硬壳层对于既有管道的应力和变形影响规律研究,发现经过应力扩散后管道上覆应力减少约15%,相比于传统换填施工方案,管道沉降可减少2%,路堤中心沉降可减少2.4%。人工硬壳层不仅能够快速处理明浜区域,也能够有效降低既有管道的上部荷载,具有控制沉降、保护管道的作用,可为工程中类似问题提供参考。

滩涂地区满堂支架地基预压技术研究

随着现浇箱梁的建设需求日益增加,满堂支架因其较高的经济性和安全性而广泛用于工程中。本文依托于杭州湾跨海大桥十一塘高速公路一期工程开展了地基预压荷载及预压时间对沉降的影响研究。采用Plaxis3D软件建立了土体硬化模型,对循环加载过程进行分级加载模拟并与现场实测进行比较,发现:卸载阶段两者的差异最大仅为5%,而回弹时的差异最大为40%,说明软件能够较好地还原加载和卸载过程,但是对回弹的模拟相对较差;进一步研究了一次加载情况下,不同预压荷载对沉降的影响,结果发现:随着预压荷载的增加,达到24h和72h标准沉降的时间并非越短,但总体上保持在23d左右,相差不大,原因可能是下部土体的渗透系数较小,荷载越大,沉降总量也越大,需要的时间就越长。最后,依据不同因素对流水组织的影响,将整跨划分为四个施工段并给出了两种不同的组织方式及其优缺点。

就地固化土层联合桩复合地基桩土应力比分析

研究了就地固化土层联合桩基复合地基在路堤荷载作用下的桩土应力比计算方法。考虑桩-土相对位移对桩侧摩阻力的影响,采用固化层为定值、软土层为线性变化的桩侧摩阻力分布模型;基于荷载传递法,对桩、桩间土体微单元进行受力分析,结合固化层-桩-土的变形协调方程,推导固化土层联合桩复合地基桩土应力比的解析表达式;分析有无固化层、固化土层模量及厚度等因素对桩土应力比的影响。结果表明:选择合适的固化剂掺量,在深厚软土地基上设置一定厚度的固化层能够降低桩土应力比,有效发挥桩间土体的承载能力,有效提高复合地基的承载能力。固化土层模量超过50 MPa后,桩土应力比增幅不明显,在选择固化剂掺量时应适量;桩土应力比随着固化土层厚度增加而增大,但从工程经济节约的角度出发,厚度的选择也要适当。