砂土力学性质的细观模拟

基于颗粒流理论,对砂土的室内双轴试验和砂土剪切带形成与发展进行了数值模拟,基本再现了砂土试样应力-应变关系。主要研究了颗粒粒径、颗粒摩擦系数等细观参数变化时试样宏观性质的变化情况。对比分析了室内试验和颗粒流数值模拟试验的砂土剪切带特征。同时对比研究了模型试样颗粒粒径、颗粒刚度和摩擦系数等细观参数的变化,对剪切带的形成与发展过程的影响。结果表明：通过颗粒流数值模型试验可以有效模拟砂土剪切带的形成与发展机理。     

土工格栅与砂土的细观界面特性研究

对大尺寸土工格栅筋土拉拔试验进行颗粒流数值模拟,从细观角度研究了筋土界面特性。分析结果表明,利用颗粒流理论及程序中的"clump"方法开发的类三角形砂土颗粒与实际砂土颗粒性状较一致;拉拔过程中筋土上下界面并不对称,下界面扰动范围比上界面大;在砂土密实度及法向应力较低情况下,筋土界面厚度随法向应力的增大而减小,两者呈一负相关的线性关系。     

岩石材料冲击压缩特性细观模拟方法研究

岩石材料的细观特性对宏观力学性能有着重要影响。为了分析岩石材料颗粒形态、孔隙和含水等细观特性对宏观冲击响应行为的影响规律,从岩石材料的细观特性入手,结合材料细观结构照片,经制图软件矢量化和轮廓处理,建立了能够反映材料细观分布特性的岩石材料有限元模型。基于AUTODYN有限元计算软件,对岩石材料冲击压缩细观行为进行数值模拟,获取材料颗粒形态、孔隙和含水等细观特性对材料宏观冲击压缩特性的影响规律。确定岩石材料冲击Hugoniot参数,应用于冲击开坑仿真中,并与已有的试验结果进行了对比。结果表明:数值仿真结果与已有试验数据吻合较好;孔隙率和含水率对岩石材料冲击波衰减规律有十分显著的影响;细观模拟确定的Hugoniot参数运用到岩石材料宏观动力学行为数值模拟中,可有效反映岩石材料中颗粒、孔隙和含水等细观特性对冲击开坑行为的影响规律。     

基于数字图像相关法的砂土细观直剪试验及其颗粒流数值模拟

砂土等天然颗粒材料具有的剪胀性、压硬性、各向异性等特殊力学性质受控于其内部的微细结构及其演化,如何利用试验与数值模拟等手段对砂土细观组构进行量化,对深入研究砂土变形机制尤为重要。基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的新手段,通过对直剪仪的可视化改造,开发了能初步实现土体宏细观力学性状联合测量的“砂土变形细观瞬时光学测量系统”,并利用该系统对福建标准砂进行了室内细观直剪试验。随后进行了基于颗粒流软件PFC2D直剪数值试验,提取室内试验还难以获得的细观信息,作为对室内试验的补充。通过对宏观力学性质和位移场、应变场、颗粒定向、速度场、颗粒配位数和接触力链等细观的室内与数值试验结果进行剖析,探讨了砂土力学性质的细观机制。     

冻结砂土力学性质的离散元模拟

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用接触黏结模型中来考虑冻土中冰的胶结作用,建立了冻结砂土的颗粒流模型。通过改变计算模型中颗粒单元的参数,模拟了在不同冻结温度以及不同围压下冻结砂土的宏观力学性质,并与冻结砂土的室内试验结果进行了比较,结果表明：颗粒流方法可以较好地模拟冻结砂土的应力-应变关系以及剪切带的发展变化过程,颗粒流细观参数对温度具有显著的依赖性。研究结果对离散单元法在特殊土中的应用具有一定的理论和应用价值。     

颗粒流理论模拟砂土的力学性质

文中采用颗粒流理论模拟了砂土双轴试验和砂土剪切带的形成与发展机理。通过颗粒流数值模拟试验再现了砂土应力－应变关系曲线，同时研究了砂土细观参数变化时其宏观力学性质的反应。对比研究了室内试验与颗粒流试验砂土剪切带的形成与发展机理，同时研究了当细观参数如颗粒大小、刚度、摩擦系数变化时，砂土剪切带的变化规律。     

循环荷载下砂土液化特性颗粒流数值模拟

利用PFC2D常体积循环双轴试验条件,对砂土在不排水循环荷载作用下的液化特性进行了颗粒流数值模拟,数值模拟按等应力幅加荷方式进行。颗粒流数值模拟的优点在于得到试样液化宏观力学表现的同时,通过不同循环加荷时刻试样内细观组构参量（包括配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、粒间切向接触力）的演化规律,分析砂土液化过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系,从而可进一步探讨砂土液化的细观力学机制。数值模拟研究结果表明,砂土液化现象在宏观力学表现上反映为超静孔隙水压力的累积上升和平均有效主应力的不断减小,在细观组构上对应于配位数的累积损失和粒间接触力的不断减小。砂土液化细观机制分析表明,试样配位数的减少与循环加荷过程中组构各向异性滞后于应力各向异性有关。     

平均粒径对砂土剪切特性的影响及细观机理

针对平均粒径对砂土剪切特性的影响作用,结合室内试验和离散元模拟方法对不同平均粒径砂土进行了细观研究。基于3种不同平均粒径砂土的直剪试验结果,通过建立反映砂土剪切试验特征的PFC（particle flow code）颗粒流模型,详细研究了不同粒径砂土在剪切过程中土样体积变化、力链网络、孔隙率和配位数等细观结构参数的变化特征和规律,并从细观角度分析了颗粒粒径对土样宏观剪切特性的影响机制。结果表明：具有不同平均粒径砂土的细观结构参数在剪切过程中存在显著差异,并且其细观参数差异主要集中体现在剪切带处;剪切力学特性的影响主要体现在抗剪强度和剪胀效应方面,砂土平均粒径越大,抗剪强度越高,剪胀效应越明显;具有不同平均粒径的砂土在剪切过程中土颗粒运动规律及剪切带形态变化特征存在一定的差异,平均粒径越大,剪切带内上跨式颗粒占比越大,剪切带厚度越大。     

考虑发育薄弱区对管涌发展影响的数学模型研究

为了揭示发育薄弱区对管涌发展的影响机制,进行了管涌砂槽模型试验和颗粒流数值模拟,建立了3组模型,以研究孔隙通道的空间发育对颗粒运移过程的影响,分析了土体内部细颗粒运移引起管涌破坏的动态过程。根据数值模拟结果,分析了管涌发展过程中试样细观及流体的变化规律,并与砂槽模型试验结果进行了比较,模拟与模型试验结果较吻合。结果表明,薄弱区越发育,压力分布调整的趋势越强,颗粒运移的趋势相应增加,达到破坏需要的时间越短。数值模拟获得的临界水力梯度与室内试验以及理论分析结果均比较接近,证明了采用颗粒流程序研究管涌问题是合理的,对研究存在薄弱区的砂土管涌现象具有明显的优势和广阔的应用前景。所揭示的结果有益于管涌机制的更深入研究。     

考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法

在离散元(DEM)和计算流体动力学(CFD)程序基础上,运用流-固相互作用力方程建立三维CFD-DEM细观耦合数值模拟模型。CFD-DEM的控制方程包括流体-颗粒相互作用力方程、CFD的流体和DEM的颗粒运动方程。其中,考虑到土颗粒的形状效应,引入颗粒滚动阻力机制,介绍了适用性较强的滚动阻力模型。在开源耦合程序CFDEM的框架下,定制CFD开源程序Open FOAM与DEM开源程序LIGGGHTS之间的双向耦合,实现基于颗粒细观的流-固耦合计算。通过砂堆和砂土渗流的模拟分别验证了所嵌入的滚动阻力模型的有效性及耦合模型的可行性。模拟结果表明,圆柱土体中向上渗流流速与水力梯度关系与经典的Ergun理论解接近;耦合模型中所引入的颗粒间滚动阻力模型能够很好地反映颗粒形状对砂堆形成休止角和土体堆积孔隙率的影响。     

红砂岩路基强夯处理大变形数值模拟方法与效果分析

针对红砂岩路基难以压实的特性,采用强夯方法,提高红砂岩路基压实度。基于强夯处理红砂岩路基的现场试验,采用显示动力有限元程序LS-DYNA建立强夯三维模型,对强夯的动力响应进行了数值模拟,研究了强夯作用下红砂岩碎石土路堤的应力-应变变化规律,得到了强夯后土体的应力场、位移场,并与现场试验结果进行了对比,分析了强夯加固红砂岩路基的作用机制及有关夯击参数的取值方法,认为直径为2 m的夯锤在1 200 kN•m夯击能作用下的有效影响深度为4～6 m,锤间距（中心距）不宜大于3.5 m。     

自钻式原位剪切旁压模型试验颗粒流模拟

基于颗粒流理论思想,应用PFC3D 程序对自钻式原位剪切旁压模型试验(SBISP)进行了仿真模拟。以室内模型试验为基础,建立数值模型,模拟了自钻式原位剪切旁压试验加载过程,通过与SBISP试验曲线对比,验证了数值模型的有效性,分析了复杂加载条件下探头周围土体的位移发展模式和细观力学响应。数值试验结果表明,随着剪切应力的逐级施加,中间区域颗粒的位移量不断增大,并且位移矢量的方向性也更加显著,在第五级剪切应力作用下,受影响区域位移矢量形状为一倒锥形; 而且剪切应力变化与探头摩擦系数有关,当摩擦系数达到某一值时,剪切应力-位移曲线不再发生变化。     

基于三维流-固耦合模型的油井出砂细观机制研究

油井出砂机制的研究是提高油藏产能和石油开采成本减小的关键课题,而常规的宏观力学理论和方法不能全面反映油藏开采过程中油井出砂的发生和发展。鉴于砂岩储层的物理性质和射孔试验特征,从岩土力学的角度建立基于柱坐标系的三维颗粒流数值模型,与理论分析成果进行比较,以说明该细观数值模型可行性,有效地模拟出砂过程中的渗流及流-固耦合效应。在该基础上,综合考虑流体压力梯度力和拖曳力,基于PFC3D模型模拟流体不同运动时的砂岩性态。数值分析得到的模型宏观应力图形说明流体运动对砂岩力学特性的影响不可忽略,且在相同条件下,流量越大,砂岩的塑性区越大,形成砂岩破坏出砂的几率也越大。同时,不同工况的砂岩黏结分布和颗粒转动图形表明,相同条件下流量越大,颗粒间平行黏结破坏越多,颗粒转动越大,失去黏结约束的颗粒也越多,出砂量就越大,可见两种细观特征图形与宏观应力图形变化规律一致,该模型可用于油井出砂机制的研究,可为出砂量预测及出砂控制提供新的研究思路。     

Experience of Vibrocompaction in Calcareous Sand of UAE

The study is concerned with the influence of various factors on vibro compaction in calcareous soils, This include effect of carbonate content, and influence of pore water pressures in sand, settlements during vibrocompaction, vibroaccelerations during sand column installation compared to earthquake accelerations and finally the liquefaction design based on average CPT parameters. Previous experiences with calcareous sands and literature review confirm the necessity to apply a correlation factor for calcareous material to the raw cone penetration resistance CPT values obtained in the field. Because of the very fragile grains of the Dubai calcareous sands the penetration resistance will be influenced by crushing and grinding. To accommodate for effect of calcareous sands on measured CPT values, a best fit correlations formula called here “correlation factor” is developed. A parametric dynamic triaxial liquefaction testing programme has been executed on representative samples with loose and dense zones. Representative testing parameters for field conditions and earthquake design accelerations have been applied indicating that ground improvement is necessary. It was observed during the dynamic triaxial tests that the whole soil mass consisting of dense columns and looser zones in between behaves jointly, and therefore compaction control using an average-CPT approach is possible.     

低能级强夯在安哥拉Quelo砂中的应用

针对安哥拉具浸水软化和湿陷的Quelo砂,采取不同夯击能（1 000、2 000 kN·m）和不同工况（天然、最优含水率）4种组合方案进行强夯加固对比试验,分析了强夯前、后各试验场地Quelo砂干密度、孔隙比、重型动力触探击数以及湿陷系数等指标的变化规律,提出了Quelo砂地基土在不同工况下的强夯影响深度、有效加固深度建议值和修正系数a。试验结果表明,在增湿的条件下较低能级强夯时Quelo砂的物理力学指标虽然能够显著提高,但湿陷性消除不明显,夯击能足够高时湿陷性才能够进一步被消除,增湿条件下消除Quelo砂湿陷性的强夯施工存在一个夯击能阀值。     

EPS颗粒混合轻质土与砂土的动力变形特性对比试验研究

在以干密度控制配比的原则下,对砂土与EPS颗粒混合轻质土（LSES）和其原料土砂土进行了动力变形特性对比试验研究。试验表明,LSES与纯砂的动弹性模量具有同样的随应变的增大而减小的性质,不同EPS颗粒体积含量和水泥掺入比的LSES动弹性模量普遍高于纯砂的动弹性模量。LSES与纯砂均显示出动弹性模量随围压的增大而增大的特性,围压对LSES的动弹性模量影响与纯砂相比相对较大。LSES与纯砂的等效阻尼比在整体上具有同样的随应变的增大而增大的性质。水泥掺入比较小时,LSES的等效阻尼比与纯砂相近;在高水泥掺入比下,不同EPS颗粒体积含量的LSES等效阻尼比均低于纯砂的等效阻尼比。LSES与纯砂均显示出等效阻尼比随围压的增大而减小的特性。围压对纯砂与LSES等效阻尼比的影响程度相近。     

Coupled three-dimensional discrete element–finite difference simulation of dynamic compaction

Discrete element method has been widely adopted to simulate processes that are challenging to continuum-based approaches. However, its computational efficiency can be greatly compromised when large number of particles are required to model regions of less interest to researchers. Due to this, the application of DEM to boundary value problems has been limited. This paper introduces a three-dimensional discrete element–finite difference coupling method, in which the discrete–continuum interactions are modeled in local coordinate systems where the force and displacement compatibilities between the coupled subdomains are considered. The method is validated using a model dynamic compaction test on sand. The comparison between the numerical and physical test results shows that the coupling method can effectively simulate the dynamic compaction process. The responses of the DEM model show that dynamic stress propagation (compaction mechanism) and tamper penetration (bearing capacity mechanism) play very different roles in soil deformations. Under impact loading, the soil undergoes a transient weakening process induced by dynamic stress propagation, which makes the soil easier to densify under bearing capacity mechanism. The distribution of tamping energy between the two mechanisms can influence the compaction efficiency, and allocating higher compaction energy to bearing capacity mechanism could improve the efficiency of dynamic compaction.

     

Mechanics of a sandy subsoil subjected to cyclic loadings

A simple model for compaction of a sand, that may be useful in various geotechnical applications is presented. The model has been formulated in terms of the cyclic stress and strain amplitudes. The compaction properties of a dry sand are characterized by a common compaction curve described by two coefficients. The second aim of this paper is to show some applications of the theory proposed. The attention has been restricted to the two extreme cases of practical importance, namely to the behaviour of a dry sand (or a saturated sand but in free draining conditions), and to the behaviour of saturated sand in undrained conditions. Some numerical algorithms showing how to deal with those problems are presented and illustrated on the following examples: settlement and pore pressure generation in a soil stratum subjected to an earthquake, settlement of a foundation, pore pressure generation and liquefaction in a sea-bed. The results obtained suggest that the model proposed, as well as a method of dealing with boundary value problems can serve as a useful tool for the analysis of a sandy subsoil subjected to cyclic loadings.