堤坝管涌的室内试验与颗粒流细观模拟研究

本文对水流垂直方向的堤坝管涌现象分别进行了室内模型模拟和颗粒流模拟实验。在室内模型试验模拟中采用先进的数码成像跟踪设备在细观的尺度上对土样在管涌发生发展的全过程进行了观察和记录,为颗粒流细观模拟提供了必要的细观参数及宏观依据。提出的二维孔隙率与三维孔隙率转换的关系公式很好的将室内模型试验的孔隙率同颗粒流数值模拟结合,运用颗粒流程序采用固液耦合的分析模型对管涌现象作进一步的数值模拟分析。根据模拟结果,分析了管涌产生、发展在颗粒细观尺度的原因,对管涌产生发展中的试样细观变化规律及流速的变化规律进行了分析。这些结果为PFC2D在渗流和渗透破坏等方面的深入研究应用提供了一定的实用依据,同时也为在细观尺度上解释和分析管涌现象提供了一条新的途径。     

干砂强夯动力特性的细观颗粒流分析

通过引进和开发二维颗粒流程序,基于相似理论建立了可以模拟砂土地基强夯加固的细观颗粒流模型,结合小比尺室内细观模型试验,从颗粒细观力学角度入手对干砂在强夯冲击加固过程中的动力反应特性进行了数值模拟。结果表明,数值模拟结果与试验结果有较好的一致性,利用颗粒流模型可以很好地模拟干砂在冲击荷载作用下的锤底动接触应力、颗粒间动接触应力和颗粒位移场分布情况,并可以实时跟踪颗粒的变位及接触应力变化,实现从细观角度揭示干砂强夯动力响应特性,研究工作为今后砂土强夯加固宏细观机制研究提供了一条新的思路。     

粗粒料三维颗粒流数值模拟及其破坏准则研究

采用三维颗粒流程序,进行了粗粒料的三维颗粒流数值模拟试验,试验过程中保持平均主应力和中主应力系数不变,研究了不同平均主应力和中主应力系数下粗粒料的变形和强度特性。通过比较粗粒料真三轴颗粒流模型试验结果和室内真三轴试验结果,发现三维颗粒流程序能够较好地模拟该种材料的三维力学特性。基于已提出的统一破坏准则理论,通过调整准则中的材料参数,发现该准则能够较好地描述粗粒料的室内真三轴试验和数值模拟试验结果。     

三层堤基中细砂层厚度对管涌影响的试验研究

对由弱透水黏土层、细砂层和强透水砂砾层组成的三层堤基进行了管涌发展的砂槽模型试验,为了便于观察分析,细砂层由各种颜色的细彩砂依次排列在砂砾石层上表面,通过改变彩砂层的厚度分析研究了不同细砂层厚度对管涌发生、发展机制及过程的影响。试验结果表明,三层堤基细砂层厚度的不同使管涌发生的临界水力梯度、涌砂量和通道发展的速度不同,与双层堤基有很大区别。临界水力梯度是由多种元素决定的,包括破坏土体的性质及其整体性等;细砂层的存在使流量在渗透变形初期对涌砂不敏感;在试验中发生的相同水位下多次间歇性涌砂,其原因一方面是颗粒在运动过程中发生堵塞,另一方面是通道边界的土体失去支撑发生应力释放,抵抗力随着时间逐渐减小。     

均质土坝管涌发展过程的渗流场空间性状研究

堤坝发生管涌破坏时,渗流场具有强烈的空间特性,管涌发展过程的数值模拟对于堤坝工程管涌预防与治理都具有重要的参考价值。提出以一维通道嵌入三维块体的方法,克服了在三维问题有限元模拟方法上存在的困难。在探讨均质土坝管涌发展过程模拟方法的基础上,使用数值方法分析了土坝管涌发展过程的渗流场时空分布特性;揭示了管涌发展过程中渗流力集中状况及其变化规律。研究表明,改善渗流场的形态是防治堤坝工程管涌的关键措施。     

不同埋深砂土盾构隧道掘进开挖面前方土拱效应研究

盾构施工过程中,开挖面前方土拱效应与掌子面盾构机推力大小和埋深密切相关。通过室内模型试验,研究不同砂土密度和不同隧道埋深条件下,盾构开挖面前方土拱效应,分析了砂土颗粒位移变化模式和土拱发展的时变特征,并揭示了不同埋深下土拱的发展规律和对失稳破坏机制的影响;同时基于室内模型试验,采用颗粒流程序进行模拟,从细观角度进一步研究了土拱效应。结果表明:不同埋深条件下,土拱发展规律一致且与支护力大小,地表沉降密切相关;低密度时土体破坏模式呈漏斗状,高密度为条带状,且土拱范围随埋深比增大而增大;颗粒流模拟得到不同埋深条件下,颗粒接触力、孔隙率和平均土压力变化规律一致。最后得出室内试验和PFC~(2D)颗粒流模拟得到的土拱效应相似的结论。     

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。     

离心模型试验与数值模拟相结合研究采空边坡渐进破坏特性

以贵州六盘水地区煤层开采为工程背景,采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了采空条件下边坡的渐进破坏过程及破坏模式。基于离心模型试验得到了开采过程中边坡的位移场,并采用FLAC~(3D)对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的边坡位移时程曲线吻合程度较高,塑性区分布与试验点对分析得到的滑裂面破坏过程与路径基本一致。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,表明贯通坡脚与采空区的滑裂面由下向上形成,且总体发生剪切错动破坏,贯通坡肩与采空区的滑裂面由上至下发生复杂的破坏过程,初始阶段滑裂面发生张拉破坏,中间阶段同时发生张拉与剪切破坏,末尾阶段发生剧烈的剪切滑移破坏。     

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。     

离心模型试验与数值模拟相结合研究采空边坡渐进破坏特性

以贵州六盘水地区煤层开采为工程背景,采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了采空条件下边坡的渐进破坏过程及破坏模式。基于离心模型试验得到了开采过程中边坡的位移场,并采用FLAC~(3D)对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的边坡位移时程曲线吻合程度较高,塑性区分布与试验点对分析得到的滑裂面破坏过程与路径基本一致。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,表明贯通坡脚与采空区的滑裂面由下向上形成,且总体发生剪切错动破坏,贯通坡肩与采空区的滑裂面由上至下发生复杂的破坏过程,初始阶段滑裂面发生张拉破坏,中间阶段同时发生张拉与剪切破坏,末尾阶段发生剧烈的剪切滑移破坏。     

砂土中等截面桩的上拔机制分析

桩的上拔承载性能的宏观力学现象与桩周土细观结构变化相关,应用细观力学的颗粒流（PFC2D）数值模拟方法对承受上拔荷载作用的桩基进行了分析,数值模拟了上拔荷载作用的桩及桩周土的细观力学特征,研究了桩侧摩阻力的分布、桩周土剪切带的形成过程,较好的再现了桩的荷载－位移关系的实验结果,并与宏观物理实物试验的位移实测结果作了对比分析。分析了土体中剪切带形成过程中的颗粒间的细观变化及其形成过程,当上拔荷载达到极限时,上拔桩的剪切带形成原因是密砂的应变软化效应;颗粒流数值模拟的颗粒接触力与实物物理试验桩侧摩阻力是同一的,数值模拟的荷载-位移曲线与实物物理试验的荷载-位移曲线一致;桩侧摩阻力、桩上拔过程中剪切带的形成过程、桩上拔荷载-位移关系与颗粒流数值模拟的颗粒分布、速度、接触力的细观参数的变化密切相关。桩承受荷载过程中土颗粒细观结构变化的颗粒流仿真,是关于细观力学特征与宏观力学响应的初步研究。     

A physical and numerical investigation of the failure mechanism of weak rocks surrounding tunnels

The large-scale construction of railway tunnels in China is hindered by several challenges, including large depths, large tunnel cross-sections, and fragile geological conditions. In this paper, we explored a new physical and numerical simulation method that improves upon the currently used methods to investigate the deformation and failure modes of weak rocks surrounding a tunnel. We also compared the results from physical tests and numerical simulations with the field measurements to demonstrate the effectiveness of the proposed numerical simulation method. In the physical model test, an artificial speckle field was developed by staining quartz sand particles and mixing the particles with barite powder and petroleum jelly in preset proportions. The artificial speckle field was employed in the digital speckle correlation method (DSCM) to monitor the evolution of the strain field on the surface of the plain strain model for tunneling during loading. A secondary strain-softening constitutive model using the numerical modeling code FLAC^3D was developed (degradation constitutive model) by considering the deformation modulus degradation in the numerical simulation. The failure mode of weak rocks surrounding a tunnel in the physical model test was examined using the developed degradation constitutive model. Both the physical and numerical results revealed that the least stable area was the shear wedge along the minimum principal stress, which was confirmed in the damage zone of the surrounding rocks. The results were consistent with previous research findings. The results of the DSCM in the physical model test indicated that the shear wedge in the middle part of the tunnel and the cracks around the arch of the tunnel were induced by shear strain, whereas the collapse of the arch was attributed to a combination of tensile strain and shear strain. A comparison of the physical and numerical simulation results demonstrated that the degradation constitutive model can be used to describe the extent and depth of the excavation damage zone of tunneling. A comparison of the displacements from the numerical simulation and field measurements indicated that the degradation model can be used to capture the displacement of weak rocks surrounding tunnels.     

含软弱夹层土样变形破坏过程细观数值模拟及分析

基于颗粒流理论,引入接触连接模型和滑动模型,建立了含软弱夹层试样的颗粒流模型。通过颗粒流程序(PFC)数值模型试验,对含软弱夹层试样的强度和破坏发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压以及不同夹层参数条件下的应力-应变关系曲线,通过位移矢量场分析了破坏发展趋势。模拟结果表明,一般围压条件下试样沿软弱夹层滑动破坏,但在某特定围压下,软弱夹层的存在并不起主要控制作用;试样应力-应变关系曲线峰值随软弱夹层颗粒的摩擦系数和法向接触刚度的减小而下降,当颗粒法向接触刚度趋近0时,试样加载初始阶段呈现塑性流变特征;夹层颗粒的切向接触刚度只有低于某一特定值时才会使试样应力-应变关系曲线峰值降低。通过分析,得到了土体颗粒细观参数和宏观力学行为的内在联系,并对土体软弱夹层力学性质和渐进破坏过程有了更进一步的认识。     

基于颗粒元模拟的含软弱夹层类土质边坡变形破坏过程分析

采用基于离散单元法的颗粒元程序,引用平行连接模型,通过数值试验,确定土体细观参数与宏观力学性质的关系,并据此建立含软弱夹层的类土质边坡模型。通过路堑开挖卸荷过程模拟,再现了大变形条件下坡体渐进性破坏的完整过程,并对裂隙的发展演化过程进行实时监测。模拟结果显示,含软弱夹层类土质边坡的破坏过程历经裂隙的形成、扩大、发展直至贯通,最终发生大规模滑移破坏;裂隙从滑坡体前缘和软弱层面开始,范围逐步扩大,呈现典型的类土质边坡的渐进性破坏形式;滑坡发生后,土体结构破坏严重,承载能力大幅下降。边坡滑移过程模拟和最终滑移结果与现场滑坡状况完全吻合,表明该方法适用于类土质边坡变形破坏过程分析及其机理研究。     

流体黏性对油井砂岩力学响应的影响

随着黏度较大的油藏陆续投入开发,油藏黏性对储层砂岩力学特性的影响研究意义重大。基于柱坐标系建立射孔试验的三维颗粒流数值模型,考虑不同黏性的流体运动对砂岩力学响应的影响,反映油井的出砂过程。砂岩的宏观应力曲线说明流速相同时,随着黏滞系数的增大,切向应力和偏应力均增大,使得砂岩剪切破坏的几率增大,砂岩更容易屈服破坏而出砂。另外,砂岩黏结应力图说明油井附近的应力较大,且随着黏滞系数增大,黏结张拉应力的增大是局部的,而剪应力的增大是全局的,且变化趋势更明显;颗粒的旋转也说明随着流体黏性的增大,颗粒旋转增大,砂岩形成离散颗粒而出砂的几率增大。上述结果与实际开采中的砂岩力学响应吻合,说明了在相同的外界条件下,黏性越大的流体运动对砂岩受力的影响越大,出砂越明显,该成果对不同黏性的油藏开采采用有效的防砂方法提供了重要的科学依据。     

基于广义塑性理论的尾砂本构模型在ABAQUS中的二次开发

建立尾砂的本构模型是开展尾矿坝数值模拟和安全评价的重要基础,而目前尾砂的本构模型研究多集中于非线性弹性模型,如Duncan-Chang模型,关于弹塑性模型的研究较少。结合尾砂的应力-应变特性,提出了一种适用于描述尾砂力学特性的改进广义塑性模型。基于用户自定义材料子程序UMAT,将提出的模型在ABAQUS中二次开发实现,应力积分采用Runge-Kutta显式积分。通过三轴试验模拟验证,偏差应力曲线表明,有限元计算结果可以反映围压对应力-应变关系的影响,抗剪强度随应变逐渐硬化,达到峰值强度,随后发生应变软化,抗剪强度有所下降。体应变曲线结果表明,广义塑性模型可以很好地描述体应变曲线的体缩-体胀发展过程,与试验曲线吻合较好。同时有限元数值模拟结果和理论值误差很小,且和试验结果拟合较好。该研究成果可进一步用于尾矿坝的应力变形计算和安全评价。     

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。