基于Maxwell分布的砂岩本构模型研究

砂岩具有典型的颗粒结构,其力学参数与内部颗粒间的接触密切相关.由于砂岩内部颗粒接触数量巨大,具有统计分布特征,因此,通过引入颗粒接触强度的统计分布模型建立砂岩的本构理论,可以更好地从细观角度理解砂岩的变形发展.由于前期研究中的统计分布模型多是基于经验而提出的,没有统计学基础.严格的数理统计理论发现,砂岩内部颗粒接触强度...     

颗粒离散元数值模拟中的宏细观接触力计算方法

基于颗粒离散单元模拟理论,提出一种在宏观层面定量化描述颗粒离散单元法中接触力的方法。构造到各个颗粒的切线长度相等的点集,可以形成一个平面图。该平面图的"边"可表示2个颗粒之间的接触。在二维情况下,宏观接触面可以用图论中的"路"来表示。将颗粒之间细观接触力的值作为平面图中边的权重,则颗粒集合体的宏观接触力可以通过计算表征宏观接触的"路"内部的"边"的权重矢量和来得到。以一个边坡工程为实例,比较传统理论法的计算结果与本文方法的差异,发现计算结果基本一致,且本文的计算结果更能反映岩土体内部接触力分布不均的特点。     

基于离散元理论的粗粒土三轴试验细观模拟

基于三维离散元颗粒流理论,综合考虑颗粒间黏结力,确定颗粒接触本构关系,建立有黏结材料工程性质的数值仿真模型,实现对粗粒土工程力学特性的模拟。根据某粗粒土室内三轴试验结果和大量数值试验,对颗粒流数值模型进行标定,精确再现室内试验的加载曲线。基于标定后的颗粒流模型,针对不同的试样加载过程,分析不同应力路径下的力学响应。通过对颗粒流试样细观参数的进一步分析,研究试样的颗粒间的摩擦系数、细观连接强度以及孔隙率对宏观力学特性的影响。揭示模型细观参数对宏观力学响应的影响,研究结果表明：通过控制细观参数可实现对宏观力学响应的调整,并据此给出细观参数选取的若干建议,为今后的颗粒流模拟试验提供参考。     

循环荷载频率对高速铁路有砟道床累积变形行为的影响

为研究高速铁路有砟道床因反复承受高频率的列车荷载作用而劣化及累积变形的规律,利用离散元分析软件PFC并考虑道砟颗粒的真实几何形态,建立高速铁路有砟道床三维离散元模型,模拟分析不同频率、不同幅值循环简谐荷载作用下道床的累积变形,并通过统计分析道砟颗粒的重排行为,从细观层面探讨荷载频率对道床累积变形行为的影响机理。开展高速铁路有砟道床的室内实尺模型累积变形试验,验证道床离散元模型的合理性和模拟结果的可靠性。结果表明:在相近的荷载工况下,模拟分析获得的道床累积变形结果与实尺模型试验结果较为吻合;循环简谐荷载的频率低于15 Hz时,道床的累积变形主要由道砟颗粒间的相对接触滑动引起,但累积变形及其增长速率均不大;当荷载频率提高至20 Hz以上时,道床的累积变形及其增长速率随荷载频率的提高而快速增大,且其主要原因是道砟颗粒发生了剧烈转动。     

级配不良卵石深基坑地表及 支护变形规律研究

以洛阳市地铁1号线卵石深基坑为工程原型,采用颗粒离散元软件PFC^2D,建立级配不良卵石层深基坑支护结构数值分析模型,分析地表沉降和支护结构变形规律。研究结果表明:围护结构插入比对地表沉降的影响存在3个发展阶段,适用于级配不良中密卵石基坑的插入比范围为0.38～0.58。根据对变形规律的分析,得到内撑在控制围护结构侧向位移和地表变形中作用效果不同的结论。通过理论与实测数据对比,论证级配不良中密卵石地层基坑内支撑设计和插入比选择的可靠性。研究成果可为类似卵石地层中地铁深基坑施工提供参考。     

沙粒内禀尺度对道床宏细观力学特性影响研究

从数学领域的随机填充法入手,建立不同沙粒尺寸自组织轨道结构离散元分析模型,并借助"胞分法"保证沙粒粒径改变前后颗粒体系质量守恒.开展风沙区铁路轨道结构动测试验,标定接触模型的微观参数,验证离散元模型的正确性.在此基础上,利用不同沙粒粒径的数值试验,进行系统的道床宏细观力学特性分析.结果表明:沙粒内禀尺度愈小,道砟平均接...     

冲击式人工捣固装置对有砟道床作用效应及质量状态影响研究

人工捣固作业是实现小区段线路日常养护维修的重要方式之一,可有效改善轨道几何形位、缓和线路不平顺、保证列车运行安全性。然而目前人工捣固装置进行养护维修作业主要依赖现场工人的工程实践经验,缺乏相关理论研究。为研究有砟道床人工捣固装置作业工作机理,借助离散元素法(DEM)-多体动力学(MBD)耦合方法,建立人工捣固装置-轨枕-有砟道床耦合仿真模型,并在现场开展人工捣固作业前后横向阻力试验,验证了模型的可靠性,分析人工捣固作业对道砟颗粒接触力及道床密实度的影响。结果表明：人工捣固作业会使道床横向阻力降低19.51%,道床横向稳定性减弱;捣入阶段会使道砟间接触力分布发生明显变化,其中,水平平面接触力分布由近似圆形向椭圆形变化分布,纵向平面接触力则由半圆形向花束形变化分布,颗粒间接触关系不断变化,逐步建立新的稳定传递关系;捣固作业会使道砟颗粒受迫运动,使枕盒及砟肩处密实度降低。因此,在人工进行捣固作业后应及时补填枕盒处道砟颗粒,并对砟肩处道砟进行拍实。     

龙滩电站航道岩石边坡弹塑性平面离散元分析

基于弹塑性平面离散元(DEM)原理,对龙滩水电站航道1 016~1 080段岩石高边坡的开挖支护过程进行计算,分析了边坡在有支护与无支护下的应力场、位移场、塑性屈服区和整体稳定性变化情况,同时分析了边坡锚索轴力随开挖步骤变化情况。计算分析结果表明:边坡支护前后,应力场、变形场,塑性屈服区分布情况有明显差别,支护结构可以减小边坡位移,改善边坡屈服区分布,提高边坡整体稳定性;计算值与实测值比较接近,说明计算方法可靠。     

基于谷仓效应的砂卵石隧道围岩荷载计算研究

研究目的:砂卵石围岩颗粒体系级配分布不均匀，颗粒间点对点接触，隧道施工过程中易引起围岩松散、失稳坍塌等突出问题。本文针对砂卵石围岩典型的颗粒物质特性，基于谷仓效应原理，采用颗粒物质离散元理论，探明砂卵石隧道围岩荷载计算方法，分析砂卵石土在不同细观组构下的细观力学行为，探究砂卵石颗粒级配对土体压力的影响特征，揭示隧道跨度对隧道围岩荷载的影响规律。研究结论:(1)提出了用于计算砂卵石土竖向压力的修正Janssen计算公式，并确定了公式中重要系数转向比；(2)揭示了砂卵石颗粒级配对土体竖向压力与侧压力的影响规律，得到了砂卵石土体底部压力和侧压力的计算公式；(3)通过不同跨度的隧道模型模拟试验，提出了竖向荷载修正系数，使用修正系数法的砂卵石围岩荷载计算值与模拟计算的结果相近，验证了该公式计算的准确性；(4)建立了基于Janssen模型的砂卵石围岩荷载计算方法，可为砂卵石地层隧道精细化设计提供理论基础。     

高陡边坡深部破裂岩体的变形模式及成因分析

研究目的:高陡岩质边坡的稳定性评价问题是工程建设中的重大工程问题。通过研究高陡边坡深部破裂发育特征、地球化学特征、变形破坏模式、破坏类型、地质特征、控制因素及成因分析,可进一步为西南高陡边坡深部破裂岩体结构、岩体质量及边坡稳定性研究奠定基础。本文通过现场调查、平硐岩体结构统计等方法,揭示高陡边坡深部破裂的破坏类型及发育特征,并通过对研究区岩性条件、岩体结构、地应力、微地貌及河谷演化等控制因素的分析,对深部破裂的成因进行探讨。研究结论:(1)金沙江上游高边坡特殊的岩性、高地应力、强烈构造运动等地质条件,造成了高陡岩质边坡深部变形破坏形式复杂和多样,根据深部变形破坏的特征可划分为:剪-张性、压-剪性和张性深部破裂;(2)构造运动、河谷演化、高地应力重分布等区域因素与地质特征、高陡边坡形态等为深部破裂形成和发育特征的成因机制;(3)本研究成果可为高陡边坡勘察、稳定性评价等方面提供工程地质依据。     

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构缝对路基应力分布特征影响

无砟轨道结构缝位置的路基面动应力存在集中效应，是产生底座/支承层-路基离缝，进而引发路基翻浆的重要因素。针对CRTSⅢ型板式无砟轨道结构特点及层间接触条件，建立设有混凝土结构缝的轨道-路基空间有限元模型，分析转向架双轴荷载作用于无砟轨道结构连续、轨道板缝、底座缝三种位置下路基面列车荷载分布特征，结合现场实测数据，提出考虑结构缝影响的路基面简化荷载模式。研究表明：路基面列车荷载纵向分布范围与混凝土层间接触条件相关，随摩擦系数增加呈非线性增大趋势，实测摩擦系数对应的纵向计算长度与测试值吻合；结构缝对路基面列车荷载沿纵向分布形态有显著影响，转向架双轴荷载作用于底座结构缝正上方为最不利位置，路基面应力分布模式由连续结构位置的梯形转化为应力较为集中的三角形；底座缝断面的基床应力大于结构连续位置，应力增幅由路基面的33%随深度逐渐衰减至基床底面的8%。     

基于PFC-FLAC耦合的弹性轨枕力学特性分析

采用离散单元法建立了具有棱角特征的精细化道床模型,采用有限差分法建立了可考虑变形的连续介质轨枕模型,推导了组合道砟颗粒与有限差分单元之间的接触位移关系,通过在轨枕与道床之间设置耦合边界进行力和位移的交互实现二者的耦合计算,依据现场实测结果验证了模型的正确性.对建立的弹性轨枕有砟道床和普通轨枕有砟道床施加动荷载,对比两者...     

波纹钢-混凝土复合式竖井支护结构稳定性研究

大亮山隧道通风竖井地质条件复杂且富水性强，施工面临较多问题，随施工深度增加，围岩质量变差，同时侧压力增大。经研究，将支护结构形式优化为装配式钢波纹板初支+钢筋混凝土二衬复合式支护体系。为保证围岩稳定性以及复合式支护结构整体安全性，本文采用FLAC^3D数值模拟软件研究6种不同工况下支护结构变形特征，对支护结构稳定性进行评价，并依据分析结果针对性提出第一环波纹板之前增设混凝土加强环，并在其中施作?42小导管(L=6 m)最优施工方案。     

基于颗粒流的膨胀土路基破坏特征分析

研究目的:膨胀土具有强烈胀缩性,常处于非饱和状态,对水分状态的变化十分敏感,并由此引起膨胀土强度和体积的变化,往往造成工程建筑物的破坏。结合新建玉蒙线膨胀土路基的修筑,利用颗粒流离散元方法,对膨胀土的干湿胀缩效应从颗粒间强度变化及颗粒体积胀缩入手进行数值模拟,分析膨胀土路基在干湿胀缩循环下的破坏特征及过程。研究结论:颗粒流数值方法可以合理再现膨胀土的室内加压平衡法膨胀力测试实验及自由膨胀率测试实验;通过对膨胀土路基进行单次胀缩及多次胀缩模拟试验,可从细观角度揭示了膨胀土路基在胀缩循环下的浅表层塌滑现象;对比现场部分填筑中路基的破坏特征,表明数值模拟与现场情况基本吻合。     

锚固结构荷载传递机理离散元模拟研究

研究目的:岩土锚固技术是岩土工程领域的重要分支,被广泛应用于土木、矿山、水电等工程领域,但关于锚固结构荷载传递机理的细观力学研究相对较少。本文依据现场试验,通过建立锚杆拉拔试验颗粒流数值模型,探讨不同荷载作用下轴力、锚固界面剪应力分布特征以及周边岩土体的细观力学特性。研究结论:(1)建立了锚杆张拉试验颗粒流数值模型,通过将计算结果与试验数据进行对比,验证了模型的合理性与有效性;(2)分析了锚固结构的荷载传递机理,其界面剪应力沿锚杆方向的分布是不均匀的:在弹黏性阶段,锚固界面剪应力以及轴力分布均为单调递减曲线;在弹塑性阶段,界面剪应力峰值点大致位于弹塑性变形区和弹黏性变形区的分界位置,并且随着张拉荷载的逐渐增大,界面剪应力峰值不断增大,峰值点不断向远端推移;(3)无论是在重力作用下还是受到拉拔荷载时,锚孔周边岩土体的强力接触力和弱力接触力基本垂直,在受到拉拔荷载时,周边岩土体的颗粒会发生重排列,导致强力接触力与弱力接触力方向产生强烈偏转;(4)本文研究方法与结论可为类似锚固结构的设计与力学分析提供理论借鉴。     

考虑级配影响的透水性基床填料细观空隙特征研究

大空隙级配碎石填料因其较好的渗透性能广泛应用于透(排)水性基床,然而级配对细观三维空隙特征的影响尚不明确。针对此不足,对3种代表性级配的透水性基床填料试样开展室内新型平板振动压实试验,并对压实后的试样进行高精度工业XCT扫描,重构其三维模型并获取其内部空隙,计算面空隙率、等效体积和三维形态等空隙结构特征指标,分析不同级配(颗粒堆积结构)对其三维形态及分布规律的影响。研究结果表明,不同级配的试样其内部面空隙率沿高度方向总体呈对称分布,即两端大中部小,骨架密实型颗粒堆积结构试样其面空隙率处于最低水平且沿高度方向的差异性最小,骨架空隙型颗粒堆积结构试样其面空隙率最大且不均匀性也最大;随着颗粒堆积结构从悬浮密实型过渡至骨架密实型再至骨架空隙型,试样内部空隙总数量大幅减小,孤立微空隙和小空隙数量减小,连通性较好的中空隙与大空隙增多;空隙形态逐渐演化为不规则型和长条型,并从较为圆润丰满型过渡至边缘残缺型,具有更好的连通性,可提供水气运移的通道。优化颗粒堆积结构有利于形成连通空隙并提供渗流通道,进而提升基床填料的水-力特性。研究结果可为透水性级配碎石基床填料的优化设计提供理论依据和技术参考。     

复合轨枕道床横向阻力增强方法

为解决复合轨枕道床横向阻力不足的问题,基于复合轨枕材料和结构,提出横向阻力增强方案。采用3D扫描技术生成道砟颗粒模板库,构建轨枕-道床离散元三维模型,模拟分析了各种纹理复合轨枕对道床横向阻力的分担规律及其增强效果,并从细观层面分析了轨枕与道砟颗粒相互作用机理。结果表明:与普通条形复合轨枕相比,A1型,A2型,A3型,A4型,A5型纹理复合轨枕道床横向阻力可分别提高9.3%～11.4%,17.8%～23.6%,27.4%～32.0%,16.6%～21.8%,17.7%～21.2%;在复合轨枕与道砟接触表面设置纹理可增强轨枕表面与道砟颗粒之间的咬合,有效增大轨枕底面与道砟颗粒接触数目及轨枕侧面与道砟颗粒间平均接触力,提高枕底及枕侧阻力。     

粗粒土的粒间孔隙特征与其影响因素的相关性研究

研究孔隙的形态、分布及孔隙特征的演化规律,对了解土体的力学性质具有重要的意义。采用离散元软件PFC2D模拟粗粒土的形成,并基于MATLAB数字图像处理技术,分析颗粒的接触刚度、粒间摩擦因数以及级配对粗粒土粒间孔隙特征参数的影响。研究结果表明:孔隙特征参数受颗粒接触刚度的影响不明显,不会由于接触刚度的变化而有较大改变。而孔隙率和平均等效直径会随着粒间摩擦因数的增加而呈现增大趋势,并且等效直径为1.5~3 mm的小孔隙占比减少,3~8 mm的大孔隙占比增多。不均匀系数和曲率系数对孔隙特征参数影响较明显,且各不相同,但都不是简单的线性影响。     

静动荷载下桩网结构路基土拱效应细观分析

研究目的:为研究列车荷载下桩网结构路基中土拱效应的形成机理和受力特性,本文通过建立桩网结构路基简化离散元模型,利用PFC~(3D)软件对土拱效应机理进行细观研究,分析颗粒间的接触力链、颗粒的横向及竖向位移以及路基中的颗粒应力竖向分布。研究结论:(1)动荷载作用后,桩间土应力增加,土拱效应被削弱;(2)动荷载作用下,路基中会形成动力土拱,大部分动力会沿动力拱传递至桩顶上方;(3)等沉面的形成与位移拱有关,位移拱范围内桩顶上方颗粒挤入桩间土区域,从而导致位移拱范围外桩顶颗粒竖向位移增大,而桩间土颗粒竖向位移减小;(4)路基中设置土工格栅会降低土拱高度,削弱应力拱内多个虚拟土拱的作用,但比土拱更能提高桩土应力比;(5)本研究结果可为铁路路基结构工作机理分析提供思路和方法。     

钢-混凝土双面组合箱梁日照温度效应研究

在自然环境下,钢一混凝土双面组合箱梁受一天中日照变化的影响,在梁体内部会产生相应的温度应力和变形。以三跨钢一混凝土双面组合箱梁为研究对象,对组合梁在6：00至18：00日照条件下的温度应力与位移进行计算分析。利用有限元软件ANSYSl0．0建立三跨连续组合箱梁有限元模型,采用间接耦合解法进行热一结构耦合场的运算。得到了温度应力与温度位移的分布规律及时程分析,并对箱梁混凝土底板对温度效应的影响进行探讨。