橡胶颗粒沥青混合料力学性能的细观研究

为了从细观角度研究橡胶颗粒沥青混合料的力学性能,该文通过单轴压缩试验测定了抗压强度和抗压回弹模量,利用离散元方法构建了3种典型橡胶颗粒沥青混合料的细观模型,提出了以平均不平衡力和平均接触力作为评价指标。研究结果表明:通过比较室内力学试验与细观数值模拟结果,从宏观和细观两个角度验证了适宜橡胶颗粒沥青混合料的结构为骨架密实型结构。     

高速铁路填方路基粗粒土细观力学性质的离散元模拟

基于离散元方法,建立一个表征填方路基粗粒土细观力学性质的颗粒流模型。同时,利用三维颗粒流程序PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,真实地模拟了粗粒土的颗粒级配曲线。通过大量的颗粒流数值模拟试验,准确地标定了表征粗粒土细观力学性质的相关细观参数。计算结果表明:离散元模拟结果和室内土工试验结果基本一致,粗粒土呈现出较大的体缩和体胀性,同时分别对比了不同围压下,路基粗粒土离散元模拟与室内三轴试验下的应力-应变曲线,其变化规律基本一致。     

级配碎石直剪试验的细观分析

基于颗粒流理论及其PFC2D程序,在细观层次上从数值分析角度研究了碎石的直剪试验,从而揭示了其抗剪强度和变形机理。研究中针对碎石提出了一种随机计算模型,并给出了随机模型的实现方法,同时对该随机模型的算法可靠性进行了验证。文中探讨了在直接剪切试验中碎石的抗剪强度随位移的变化以及最大粒径、竖向压力对其影响,并从细观力学的角度上描述了直剪试验过程中颗粒的运动机理。直剪试验过程中的碎石细观结构变化的颗粒流仿真,是关于碎石细观力学特征与宏观力学响应相关联的初步研究。     

级配对粗粒土直剪过程中抗剪强度与变形的影响研究

为了分析级配对粗粒土直剪过程中抗剪强度和变形的影响,开展不同级配试样的室内直剪试验,并根据试验结果标定细观参数,建立粗粒土数值直剪试验模型。从宏观和细观的角度探讨级配对粗粒土强度和变形的影响。结果表明:有效粒径、中值粒径和限制粒径相差不大时,空隙填充密实,结构性好,能够承受较大外力;粗颗粒含量多,颗粒间的挤压摩擦更剧烈,强力链增多;细颗粒含量越多,颗粒间孔隙填充不均匀,更易产生压缩变形,位移场越密集;空隙率随曲率系数、不均匀系数的增加先增大后减小。     

基于连续-离散耦合的公路拓宽路基变形及换填处治宏细观分析

公路拓宽改建是适应交通运输能力增长的重要应对措施,而由于新旧路基材料性质不同导致的差异沉降和路基稳定性是该类工程建设过程中需重点关注的关键问题。针对公路拓宽改建的工程问题,采用连续-离散耦合数值分析方法,对路堤边坡断面建立二维模型,连续、离散网格区域分别采用有限差分连续元和颗粒离散元进行建模。基于模型不平衡力变化规律、细观接触力链与宏观变形特征、细观配位数与土体沉降机理等模拟结果,从宏观和细观两个角度协同分析拓宽路堤差异沉降及其对路基变形的影响,并针对采用轻质土方式进行道路拓宽的工程效果进行了模拟分析。结果表明:(1)细观颗粒的不平衡单元面积比参数可与宏观不平衡力共同判定计算模型的收敛性及计算结果的合理性;(2)路基拓宽前后,细观接触力的分布规律可表明土体宏观位移变化的发展方向;(3)模型中细观颗粒在计算过程中的配位数变化可解释土体沉降变形机理;(4)采用轻质土换填方式拓宽路基,可大幅减少路基的沉降变形及新旧路堤的差异沉降,表明该技术应用于软土区域的公路拓宽工程具有显著优势;(5)连续-离散耦合分析方法可反映公路路基变形破坏的力学机制及差异沉降产生的内在本质,可在岩土工程灾害防控措施及其机理研究方面进一步推广应用。     

沥青路面三点弯曲试验的离散元模拟

为了深入研究半刚性基层沥青路面结构开裂破坏时的层底应力变化和裂纹扩展规律,从细观结构角度出发,基于离散元方法编写了PFC2D程序。程序中使用"Cluster"理论将以矩阵规则排列的单元颗粒进行随机的聚粒操作,这些单元颗粒聚粒组合在一起用来模拟集料,其余没有聚粒组合在一起的单元颗粒则用来模拟沥青砂浆或水泥胶浆,随后随机删除部分单元颗粒以模拟结构的空隙率,从而建立了半刚性基层沥青路面结构的二维数值模型。对模型进行三点弯曲试验数值模拟,同时在模型底部设置测量圆,监测模型底部的应力和裂纹扩展情况。然后在试验室成型相同尺寸和结构的小梁试件,进行室内对比试验,获得了室内试验的实测数据,将数值模拟结果与实验室试验结果进行了对比分析。研究结果表明:用离散元PFC2D程序建立的二维模型可以很好地模拟半刚性基层沥青路面结构三点弯曲试验,其模拟结果与实验室室内试验结果具有较好的相关性,且试验规律一致,为半刚性基层沥青路面的微观结构研究奠定了基础;二维离散元模型很好地监测了微裂纹的产生和扩展情况,弥补了室内试验仅仅依靠肉眼观测的不足,为研究半刚性基层沥青路面结构开裂时的层底应力变化和裂纹发展规律提供了辅助手段。     

千枚岩用于高速公路路基填料的适用性研究

对千枚岩的物理力学特性、水稳定性以及其CBR与压实度的关系进行了研究,结合现场千枚岩路基填料碾压特性,提出了千枚岩作为高速公路路基填料适用层位及压实要求。结果表明:随着千枚岩风化程度加重,其颗粒密度和块体密度减小,含水率、吸水率和孔隙率逐渐增加,点荷载强度减小;随着干湿循环作用次数增加,千枚岩试样崩解量递增、耐崩解性指数减小;与干燥千枚岩相比,饱水千枚岩强度显著降低,降低幅度达39%~64%;适当提高压实标准,弱风化千枚岩可用作路基填料,中风化千枚岩可用于路堤和下路床,强风化千枚岩只适用于下路堤;采用3%~4%水泥改良中风化、强风化千枚岩可适用于路基各结构层。     

基于改进BP网络的颗粒流方法模拟边坡稳定性

依托锦屏水电站左岸边坡工程实例,应用经粒子群算法优化的BP神经网络,建立了宏观力学参数与细观力学参数的非线性模型,通过输入宏观力学参数,即可快速、准确地反演岩土体细观力学参数；在此基础上,运用颗粒流软件进行数值模拟,分析了边坡开挖时的稳定性情况.计算结果表明,使用改进的神经网络方法反演得到的参数与试验值有很高的精确度,使用反演所得参数值进行的数值模拟分析也能很好地反映边坡实际变化情况.     

含石量对千枚岩土石混合体剪切特性影响的颗粒流数值模拟

以湖北宜巴高速咸池沟大桥下游处渣场中的千枚岩弃渣为研究对象，结合室内大型三轴试验，基于离散元软件PFC 3D,建立了大型三轴剪切试验数值模型，从宏观和细观角度分析了含石量对土石混合体剪切特性的影响以及试样变形破坏的机理。试验结果表明：试样的内摩擦角随含石量的增加而增加，黏聚力则随着含石量的增加呈现出先增加后减小的趋势，在50%含石量处取得最大黏聚力；剪切过程中试样的体应变表现为先剪缩后剪胀，含石量越高，剪胀性越强；从细观尺度上揭示了土石混合体在剪切中变形破坏的机理，初期的剪缩是由于加载板向下移动，试样被压密、高度减小所致，剪切中后期试样中部的颗粒朝向与竖直方向呈约45°的方向向两侧运动，形成两个共轭剪切带，试样在宏观上表现剪胀，随着含石量的增加，试样中部颗粒运动的速度更快，宏观表现出的剪胀性越显著。     

基于仿真虚拟试验的堆积碎石土蠕变特性

运用颗粒离散单元方法,对随机生成的块石形状进行模拟并构建虚拟试验模型1(101mm×200mm)和虚拟试验模型2(300mm×600mm).基于室内试验数据运用虚拟试验模型1标定滑坡坡体物质的堆(残、坡)积碎石土的内部细观尺度,其可靠性较高(误差在5％以内);虚拟试验模型2对其标定的细观参数具有尺度效应(相对误差约为1...     

基于随机骨料模型的钢筋混凝土柱多尺度数值模拟

作为一种典型的非匀质复合材料,混凝土的细观结构将影响钢筋混凝土结构的力学行为和破坏特征。在混凝土材料细观模型的基础上,结合随机骨料法提出了一种钢筋混凝土柱非线性力学分析二维多尺度数值模拟方法。对钢筋混凝土柱拟静力滞回性能进行了数值模拟,并与二维实体模型以及二维全骨料模型模拟结果进行了对比分析。结果表明:采用多尺度模型模拟获得的钢筋混凝土柱的宏观力学行为和细观破坏特征均与试验结果吻合良好,同时多尺度模型可以有效降低计算成本,在有限计算资源下实现计算时间与计算精度的平衡。     

沥青搅拌设备蜗壳除尘器流场仿真与试验

为研究导流板位置对蜗壳除尘器内流场和粉尘粒径的影响,以指导回收粉在沥青搅拌设备中的实际使用,在导流板3种不同位置工况下,对蜗壳除尘器内部气相和气固两相流动状态进行了数值模拟和试验验证。数值模拟基于FLUENT软件,其中气相流场模拟选用雷诺应力模型,气固两相流场模拟选择相间耦合的随机轨道模型模拟粉尘的运动轨迹,分别追踪了16 400个粒径在50~1 000 μm的粉尘,计算了除尘效率。在沥青搅拌设备工地分别采集了导流板3种位置工况下的回收粉,结合筛分和电镜扫描试验,分析粉尘粒径分布,并对数值模拟结果的吻合性进行验证。结果表明：导流板处于O位时,除尘器内部气流的径向速度、轴向速度和静压分布轴对称性较W位和M位好,可有效抑制非对称性扰流及夹带涡流,并削弱涡核摆动现象;导流板处于不同位置时,通过与粉尘颗粒的碰撞反弹来改变粉尘的运动轨迹,进而影响除尘器对不同粒径粉尘的除尘效率,且当导流板处于O位时更有利于对粒径大于100 μm的粉尘的回收。导流板处于O位时,试验测量的粉尘平均粒径为117.6 μm,筛底平均粒径为49.9 μm,均大于W位和M位的粒径,且与数值模拟的结论相吻合。沥青搅拌设备在实际生产过程中,应优先选择导流板O位布置,并根据回收粉粒径的需要进行实时调整。     

混凝土路面细观开裂行为的近场动力学分析

混凝土为现有最广泛应用的土木工程材料,其是一种准脆性材料.为解决混凝土开裂的计算分析,在近场动力学方法的基础上,结合混凝土的细观非均质特性,建立了混凝土路面细观开裂行为的计算模型.并在此基础上,同时考虑混凝土中骨料的开裂特性,探讨了骨料对混凝土路面开裂行为的影响.结果 表明:基于近场动力学建立的计算模型可以很好地 反映混凝土的开裂行为及损伤脆性特性,计算结果可以很好地适用于模拟混凝土路面的开裂特性;对于细观开裂模式的计算分析与试验结果吻合较好,整体曲线的发展规律与试验结果吻合较好;计入骨料的开裂可以更好地反映混凝土的开裂特征.     

考虑初始缺陷的水泥基复合材料细观开裂研究

为了研究微观初始缺陷对水泥稳定碎石基层材料（CTB）细观开裂的影响，基于离散元法（DEM）和随机算法构建了细观非均质随机骨料数值模型，结合参数反演确定了模型细观参数，并引入裂隙网络（DFN）来表征水泥砂浆内部的微观初始缺陷。通过虚拟半圆弯曲（SCB）试验模拟了细观开裂过程，比较分析了数值模拟结果和试验结果，并进一步研究了裂隙密度和宽度对结构细观开裂的影响。结果表明：细观断裂模型的数值模拟结果和试验结果基本吻合，模型能较好地表征细观随机开裂行为；材料的宏观开裂是由于细观损伤的累积导致，宏观裂纹的产生经历了平稳扩展和快速贯通的过程；张力是裂纹演化的驱动力，裂纹通常沿着砂浆与骨料的界面薄弱区进行扩展；微观缺陷显著影响水泥基材料的力学性能和断裂行为，初始裂隙通过诱导微裂纹的扩展与贯穿，降低结构整体强度，但是在一定程度上增大了结构的容许形变，其中20~40 m·m^-2的裂隙密度和0.3~0.45 mm的裂隙宽度对材料强度影响最为显著，施工过程中合理控制裂隙密度和宽度对于提高材料抗裂能力有益。所构建的细观模型可以很好地捕捉微裂纹的扩展和贯穿过程，能够实现对细观断裂的精确模拟，为探索水泥基复合材料的破坏过程和机理提供了一种新的研究手段。     

混凝土直剪力学性能的数值模拟研究

采用随机骨料模型模拟混凝土的细观结构,在细观层次上将混凝土看成是由硬化水泥砂浆体、粗骨料颗粒及二者间的黏结带构成的三相非均质复合材料。利用有限元方法数值模拟混凝土试件的细观损伤断裂和直剪,并对其直剪破坏进行了研究。结果表明:骨料与砂浆的界面是混凝土直剪破坏的薄弱环节,采用数值模拟的计算方法基本可行。     

基于离散元方法的橡胶颗粒沥青路面破冰数值模拟研究

采用自主研发的路面破冰模拟试验仪,对不同橡胶颗粒掺量的沥青路面进行室内破冰试验,研究了不同橡胶颗粒掺量的破冰效果,并利用离散元方法构建了2 mm冰层的橡胶颗粒沥青路面结构细观模型,数值模拟了标准轴载作用下橡胶颗粒沥青路面结构的细观响应。结果表明:3%掺量的BPN加权平均回升量比2%、4%掺量分别增加11.45%、1.46%,3%掺量的BPN加权平均回升率比2%、4%掺量分别增加11.22%、3.06%;在竖向荷载作用下,橡胶颗粒沥青路面结构中的接触力呈非均匀分布,主要集中于轮胎下方区域;橡胶颗粒掺量为3%时,荷载作用前后路面结构的最大接触力最大,分别为2.705×103N、2.706×103N,路面结构中的应变能分别为掺量2%的1.34倍、掺量4%的1.25倍。此外,数值模拟结果与室内试验结果一致,从细观角度阐释了橡胶颗粒沥青路面的破冰机理。     

便携式落锤弯沉仪在花岗岩风化料路基检测中的应用

为了确定花岗岩风化料路基模量与弯沉的快速检测方法,针对不同的花岗岩风化料路基进行了便携式落锤弯沉仪(PFWD)检测法与贝克曼梁法以及承载板法的现场试验研究.通过试验,得到了花岗岩风化料路基动静模量与动静弯沉间的关系.研究表明:PFWD测得的花岗岩风化料路基动静模量与动、静弯沉存在良好的线性关系,可用于该种材料路基弯沉及模量的快速检测和评价.     

基于PFC2D的水泥土单轴压缩试验及细观数值模拟

对不同水泥掺量下的软土稳定土试样分别开展单轴压缩试验,基于测试结果对土样的变形过程进行PFC^2D离散元颗粒流细观数值模拟,分析破坏后水泥土的力学行为和位移场分布。结果发现：随着水泥掺量增加,固化软土试样的单轴抗剪强度与弹性模量表现出指数函数上升的规律,破坏应变随水泥掺量增加呈二次函数的变化特征;由PFC^2D离散元颗粒流模拟得到的水泥土试样的力学参数及应力-应变关系曲线与试验实测结果较为接近,离散元模拟结果也显示水泥掺量对土体力学性能有明显影响;随着水泥掺量的增加,固化软土的破坏形式逐渐由压碎破坏向剪切破坏模式过渡;由离散元模拟得到的位移矢量场准确地反映了水泥固化软土在单轴压缩荷载作用下的破坏模式特点。     

沥青混合料损伤演化的多尺度模拟

为了全面分析沥青混合料的力学性能,了解沥青混合料的力学响应,引入了有限元多尺度计算方法,通过分析沥青混合料在较小尺度范围内出现的特征和现象,将细观和宏观的方法结合起来,模拟沥青混合料在荷载作用下的力学性能(包括损伤演化过程),从而有效实现不同尺度模型间的变形协调。结果表明:该模型能定性地模拟沥青混合料的力学性能,分析不同组成成分的结合以及通过计算评价沥清混合料的性能。     

直背式轿车外流场数值模拟精度的研究

以简化的直背式轿车模型为研究对象,以商用计算流体力学软件STAR-CD为工具,应用不同的湍流模型和离散格式对轿车外流场进行了数值模拟,通过与试验结果的对比,研究了湍流模型和离散格式对直背式轿车外流场数值计算精度的影响,同时对SIMPLE算法及其两种修正方法PISO和SIMPISO算法的计算精度进行了比较。结果表明,高雷诺数Spalart-Allmaras模型和QUICK格式最适合汽车外流场的计算,采用SIMPISO算法的计算精度最高。