颗粒流数值模拟在月壤岩土问题研究中的应用概况

总结颗粒流数值模拟在月壤岩土问题研究中的应用,取得的主要成果:考虑粒间作用力及低重力的影响对月壤颗粒接触力学模型进行修正;确定模型的细观参数及其对宏观力学性质的影响;利用"Clump"命令生成颗粒簇对月壤/模拟月壤的颗粒形状进行模拟;进行月壤基本力学性质的模拟研究及其与地面土壤的对比研究;分析月面低重力场对月壤-车轮相互作用机理及牵引性能的影响;进行月壤基本岩土工程问题的模拟仿真及数值耦合分析.随着计算机技术的发展,选择合适的颗粒接触模型,考虑月壤颗粒的实际形状和低重力场等的影响,耦合其他数值模拟方法实现多尺度模拟分析是今后对月壤岩土问题进行颗粒流数值模拟研究的主要方向,也是技术难点所在.

软土地区抗拔桩受力性状的试验研究

通过温州鹿城广场4根抗拔桩静载试验,分析了抗拔桩在不同荷载水平下的受力性状.试验结果表明,抗拔桩在荷载作用下,桩身轴力随着深度的增加而减小,在桩端处桩身轴力始终为零,即抗拔桩表现为纯摩擦桩.对于持力层是卵石层的抗拔桩,桩身拉伸量是桩顶上拔量的主要组成部分.桩侧摩阻力的发挥程度和桩土相对位移有着很好的对应关系.在靠近桩端的桩侧土体中,当桩土发生相对位移时,即使其值很小,桩侧摩阻力也会急剧增加.当荷载(桩土相对位移)增加到一定值后,桩侧摩阻力随着荷载的增加而减小,即出现侧阻软化现象.

盾构掘进引起土体扰动的数值模拟与现场验证

为了研究结构性软土中盾构掘进过程对土体扰动的影响,引入了修正结构性剑桥模型考虑土的结构性,在Abaqus中编写了该模型的子程序并建立了盾构掘进的三维有限元模型,以模型中结构强度参数为评价指标建立了盾构掘进引起土体扰动评价方法。以宁波地铁1号线二期工程邱隘东站到五乡站左线盾构隧道项目为例,分析了盾构推进过程中的土体变形、超孔压分布及土体扰动情况。结果表明,土体结构性变化对预测结果的准确性有较大影响,当考虑土体结构性的影响时,预测结果更接近实测值;数值模拟得到隧道底部土体扰动度大致呈三角形分布,最大值为31%,影响范围达3.0m,与采用静力触探锥尖阻力扰动评价结果基本一致。对盾构施工控制参数进行分析,开挖面的支护压力对土体扰动的影响较大,当增大0.5倍支护压力时,隧道底面扰动度从31%增加至40%,影响范围从3.0 m增大到4.0 m。

考虑压滤效应下饱和黏土压密注浆柱扩张理论

为了研究压滤效应对压密注浆的影响,在考虑滤出水渗流和土体弹性变形耦合的基础上,推导出考虑压滤效应时饱和黏土压密注浆柱孔扩张的控制方程.并在不考虑土体渗透率的变化的前提下,对该控制方程进行简化,得到径向应力和径向位移的表达式,该简化方法可较好地计算柱孔扩张问题中径向应力和径向位移.与考虑压滤效应下柱扩张理论相比较,传统的柱孔扩张理论无法考虑压滤效应和有效应力比的影响,当有效应力比较小时(即浆液较稀),传统方法的误差较大.利用考虑压滤效应下柱扩张理论对压密注浆过程进行分析,结果表明:在相同的注浆压力下,随着有效应力比α的减小,内侧土体的径向应力和径向位移逐渐减小,外侧土体的径向应力和径向位移逐渐增大.有效应力比越小,即浆液越稀,压滤效应对压密注浆的影响越大.

盾构隧道管片施工期上浮特性

针对盾构隧道管片施工阶段的受力特点，建立包含管片与螺栓、盾构机作用、浆液和水土压力作用的管片施工期上浮三维分析模型．借助有限元软件ABAQUS进行求解，对管片施工期上浮变形规律及其引起的管片环接头变形、螺栓受力进行分析．结果表明：第1～5环管片环接头以错台变形为主，第6～12环管片环接头以张开变形为主；减小浆液初凝点与盾尾的距离对控制管片上浮最为有效；当千斤顶总推力较小时，可以通过增加千斤顶总推力进行上浮控制；增加螺栓预紧力对减小管片上浮量的作用比较有限．

公路加筋路基的变形和承载力分析

基于双参数地基模型和土与加筋体之间的库仑摩擦假设,提出了相应的简化分析模型,考察了公路加筋路基的受力变形特性和相关参数对加筋路基施工效果的影响.结果表明：在路基沉降变形控制要求相同的情况下,铺设土工合成材料,可使颗粒填料层厚度降低50%左右,筋材应变最大值出现于距对称中心1.5~2.0倍的加载范围内;在路基填料层厚度保持不变时,铺设土工合成材料,可使路基承载力提高33%;在不考虑筋材的抗弯刚度时,加筋处理可使路基承载力提高约15%.

平面强化有限单元法的h型网格自适应

自适应有限元中的单元细划会不可避免地引入非规则节点,针对非规则节点的多点约束处理方法存在自由度多、数值稳定性差等缺点,根据强化有限单元法(FEM++)中数学网格和物理网格分离的特点,构造一种能够统一处理任意阶非规则节点的位移模式关联法则——物理模式重构法,并导出相应的有限元列式.修正了常规有限元中的超收敛应力恢复法和ZZ(Zienkiwicz-Zhu)后验误差估计理论,提出强化有限单元法的后验误差估计方法及相应的h型网格自适应策略.物理模式重构法在单元层次上直接将非规则节点的位移用具有独立自由度的数学节点位移线性表达,既保证了单元间的位移连续性,又不需要约束处理的多余自由度,保证了数值稳定性.数值算例表明:强化有限单元法的后验误差估计方法及自适应策略能给出满足精度要求的网格.

粘聚裂纹扩展的强化有限元h型网格自适应模拟

非连续变形分析和非规则节点处理是基于单元细划的粘聚裂纹扩展网格自适应模拟的关键。首先,利用强化有限单元法中数学单元和物理单元分离的特点,通过引入过渡单元,将适用于非连续变形描述的数学模式覆盖法和方便处理非规则节点的物理模式重构法结合,提出了强化有限单元法的统一关联法则,并导出了相应的单元列式。其次,基于数学裂纹尖端影响域和裂尖单元尺寸,提出了基于强化有限单元法的粘聚裂纹扩展过程模拟的h型网格自适应策略。最后,通过两个算例验证了本文方法的合理性和有效性。

考虑蠕变时预压期的近似确定方法

针对经典预压理论无法考虑次固结沉降以及考虑次固结沉降的Johnson法有时会出现临界固结度超过100%的错误,提出预压荷载一次骤然施加完毕后预压持续时间的近似计算公式.在推导该近似公式过程中,利用Bjerrum等时蠕变图和Yin-Graham等效时间线流变模型,采用曾国熙近似固结度计算公式,因此该近似公式能够克服Johnson法的缺陷,分析软基固结系数、蠕变系数、回弹指数、超固结比、工后允许沉降和预固结时间对预压工期的影响.研究表明:当预压超载较小时,预压持续时间随着超载比的增加呈幂函数趋势减少,增大超载比能够有效地缩短预压工期;当预压超载较大时,预压持续时间随着超载比的增加缓慢减少,增大超载比对缩短工期意义不大.

考虑预固结时堆载预压卸载的沉降标准

为了分析预固结和次固结对堆载预压期的影响,依据Bjerrum等时间线蠕变图和Yin-Graham一维弹黏塑性模型(EVP模型),根据运行期限和允许沉降量等技术参数获得等、超和欠载预压卸载时的临界孔隙比,由此可计算决定等、超和欠载预压卸载时机的临界沉降量,并根据欠载预压的临界孔隙比公式计算出最小预压荷载,克服传统堆载预压依据主固结理论无法反映堆载预压和天然软土预固结效应降低次固结变形的缺陷.在考虑天然软土存在预固结效应情况下,证明新假说A与假说B存在近似等价的充分条件.算例表明,在计算堆载预压卸载时的临界沉降量和地基总沉降量时不能忽略天然软土预固结效应的影响.

基于虚拟仪器的压电弯曲元测试系统研制

为满足土力学研究与岩土工程对土体剪切波速高精度测试的要求,基于虚拟仪器技术研制了一种压电弯曲元波速测试系统。该系统硬件主要由弯曲元传感器、功率放大器、电荷放大器、计算机等组成;测试软件采用LabVIEW虚拟仪器平台开发,利用计算机声卡实现了信号的发生、采集功能。该系统构建成本低,测试效率高,已在砂土剪切波速测试中得到了应用。