颗粒劣化效应的堆石料流变细观数值模拟

堆石料流变的主要机理是由于水位变化、降雨入渗、日晒雨淋等环境因素导致堆石料发生性质劣化,与此同时,颗粒发生高接触应力-破碎和重新排列-应力释放、调整和转移,这一过程由于颗粒的持续劣化而不断重复。在考虑颗粒破碎的堆石体不连续变形分析方法(SGDD)中,引入颗粒强度劣化模型反映颗粒强度随外界环境的持续劣化。应用该方法进行堆石料三轴流变数值试验,模拟结果与室内试验所观察到的规律一致,表明考虑流变效应的SGDD方法抓住堆石料流变的主要机理,适合模拟堆石料的流变变形这一复杂的、非线性演化问题。数值试验结果表明,堆石料随外界环境的劣化程度、劣化速率、母岩强度对宏观流变变形有较大影响。     

超深桩基础的有效应力地震反应有限元分析

采用有效应力动力分析方法,通过三维有限元数值分析手段,对某长江大桥索塔超深钢围堰加钻孔灌注桩基础进行了地震反应性状分析,对超深桩基础的震陷、地震反应加速度及振动孔隙水压力等动力特性进行了研究。计算结果表明：在地震作用下,桩基发生了较大永久变形,水平位移表现为桩侧土体向桩挤压,桩下部土体向外运动;桩侧附近的地震振动孔隙水压力较小,液化度也较小,相对于天然地基,桩基有较好的抗震性能;桩基础在桩顶部位动力反应相对较大,且边桩的动力反应比中桩的动力反应要大。     

盾构隧道局部长期渗水对隧道变形及地表沉降的影响分析

研究表明,盾构隧道长期渗水会造成地表及隧道严重沉降。针对盾构隧道局部渗流难以模拟的现状,首先提出了一种既符合盾构隧道刚度要求又能实现局部接头渗水的计算方法;在稳定渗流状态对应的相同渗流量的前提下,对比分析了管片在不同接头渗水条件下隧道周围土体孔压分布、地表和隧道沉降以及隧道变形规律。分析结果表明,盾构隧道渗水接头的位置不同,孔压分布、地表和隧道沉降以及隧道的变形均有明显差异;接头位置越靠近隧道底部,渗水导致的孔压减小越显著,造成的地表及隧道沉降越显著。接头渗水不但会使隧道发生横向椭圆化变形,还会引起隧道左右两侧受力不平衡,从而造成隧道水平侧移。通过对比表明,采用接头渗水和传统的衬砌均质渗水得到的孔压分布、沉降及隧道变形规律均有显著不同;不考虑隧道局部渗水特点会对隧道结构长期性态的认识产生偏差。     

强夯荷载作用瞬间饱和土层固结变形计算

在已有强夯荷载作用下饱和土层内孔隙水压力分布理论研究成果的基础上,提出了一个预估强夯荷载作用瞬间由于孔隙水压力消散所引起的饱和土层固结变形量的计算方法;讨论了固结系数、卸荷固结比等土性参数对强夯冲击荷载作用下固结变形量大小的影响,进一步解释了强夯法加固饱和土层的机理。     

砂性地基中防波堤地震残余变形机制分析与液化度预测法

海港工程中防波堤地震残余变形的预测以及震损机制的分析是较复杂的问题。采用定义在应变空间中考虑土体动主应力轴方向偏转影响的多重剪切机构塑性模型,分别从砂性土的黏粒含量和标贯击数2个主要影响因素对防波堤地震变形的变化机制进行了有效应力分析,得出防波堤较大的残余变形是由于地震作用下土体中孔隙水压力的升高致使土体软化而产生的。然后,采用液化度单一指标从物理本质上来间接表征防波堤的残余变形,得到防波堤残余变形与液化度之间的函数预测关系,预测值与震害调查值以及数值分析值基本相符,表明所得液化度预测公式具有一定的可靠性。残余变形的液化度预测法可为类似防波堤地震灾害设计与评价提供参考依据。     

液化土层上建筑物倾斜计算要点初步分析

地震中饱和砂土地基液化会引起结构物倾斜并导致其功能丧失,但目前缺乏相应的数值模拟方法。通过振动台简单模型试验,寻找输入波-基底竖向动应力-基底孔压-结构震陷之间的关系,提出发展液化土层上建筑物倾斜数值模拟方法所需要考虑的要点和应满足的条件。结果表明：（1）分析方法中孔压增长模型应适于不规则波计算,能准确地计算出孔压增长过程,准确地计算出峰值一样但不同波形下孔压增长的差别;（2）孔压增长模型应能反映土的各向异性特性对孔压增长的影响,能合理地计算出拉、压不同应力作用下孔压增长的差异;（3）孔压增长模型应能反映非均等固结条件对孔压增长过程的影响,能合理地计算出结构底部不同固结比土体中孔压增长过程;（4）分析方法中土体变形的计算应能跟踪液化过程中的变形发展,且具备大变形计算能力。     

决定饱和岩土材料变形的有效应力及孔压系数

决定饱和岩土材料变形的有效应力 以及孔压系数B的表达式主要有2种不同的形式,为辨析其合理性,分析了不排水条件下,孔压增量和净围压增量作用下固相与骨架的体积压缩系数之间的关系,以及分别由孔压增量和净围压增量作用引起的液相、固相和骨架的体积增量,指出了 和B的两种形式的表达式在推求过程中各自存在的问题,并通过不排水和排水条件下的变形等效关系,建立了新的有效应力 和孔压系数B的表达式。     

考虑边坡内孔隙水压力效应的抗滑桩简化分析方法

将塑性极限分析上限定理与抗剪强度折减技术相结合,建立了考虑孔隙水压力效应的抗滑桩加固土坡的极限平衡状态方程,采用数学优化方法求解桩侧极限有效土压力及相应的潜在破坏模式,其中水对边坡的影响作用通过虚功方程来体现,将孔隙水压力当作外力荷载做功,进一步地,基于获得的桩侧无量纲极限有效土压力,建立了抗滑桩的挠曲微分方程,采用有限差分法求解桩身的反应。在此基础上,针对典型算例边坡进行变动参数计算与对比分析,探讨了孔隙水压力对抗滑桩加固力与最优加固位置的影响。     

降雨诱发填方路堤边坡变形机制物理模拟研究

填方路堤变形失稳是西部山区工程建设的常见问题。重庆某高速公路边坡为典型的堆载条件下降雨诱发型滑坡,填方堆载后,填方边坡在连续降雨条件下,沿基岩之上的软弱面产生滑动破坏。定性分析认为,降雨在滑坡形成中起着关键作用,为了研究填方边坡在降雨条件下的变形破坏机制及孔隙水压力与变形之间的关系,采用物理模拟方法研究边坡变形失稳的全过程,分析孔隙水压力随降雨时间的变化规律及其与变形破坏的关系。研究结果表明：边坡后缘大方量堆载,改变了其应力条件,是滑坡产生的主要因素。场地施工改变了原有的地表水环境,连续强降雨致使大量下渗的雨水,不仅显著改变坡体应力条件,而且雨水沿着滑面运移软化滑带,是滑坡产生的重要诱发因素。孔隙水压力在坡体失稳过程中起着关键作用,填方体土碎屑、泥质含量大,下渗的雨水携带上部细小颗粒及滑带泥质成分至滑带附近,堵塞地下水消散通道,表现为坡体变形积累,孔隙水压力增加;边坡变形陡增,孔隙水压力降低。该滑坡破坏分为降雨下渗、滑带饱水软化、后缘产生裂缝、裂缝贯通-整体滑动4个阶段,为蠕滑-拉裂式滑坡。     

可变形圆化多边形离散单元法

将基于圆化多边形离散单元法与有限元方法结合,提出一种可变形圆化多边形离散单元法。此法对块体离散元进行圆化处理,可较好地表征不规则块体外形,又保留了颗粒离散元计算高效的优势。在求解接触力时,消除了角点处法向奇异等问题,同时增强计算的稳定性和简化接触判断。同时对切向接触力计算模型进行修正,使得接触力计算效率得到提高。此法突破了圆化多边形刚体假设的限制,可以精确计算任意形状不规则离散单元之间的相互作用,对单元的运动和变形进行模拟。通过超静定梁冲击试验、不规则块体单轴压缩试验和料斗流动“卡阻”试验3个数值模拟算例,论证此法可以有效地捕捉单元的碰撞、分离和变形等空间运动和自身特性以及其细观力学表征。     

饱和粉土振动液化分析

液化是造成场地地震破坏的首要原因之一。自Casagrande的经典工作以来,对地震液化的研究已经取得了很大的进展。然而这些研究大多是针对于砂土而进行的,对于粉土液化研究的相对较少,且粉土的液化特性也有别于砂土。因此,在已有研究的基础之上利用粉土液化试验得出的结果,分析了粉土液化的机理、影响因素以及在振动过程中粉土中孔隙水压力的增长规律,认为粉土中的粘粒含量、密实度以及土的结构性对其抗液化能力有较大的影响。考虑到试验中振动次数的离散性,引入了时间参数的概念,根据动三轴试验结果提出了孔隙水压力增长的经验公式,可以比较方便地应用于计算液化的有限元程序中去。     

Revisiting the existence of an effective stress for wet granular soils with micromechanics

A possible effective stress variable for wet granular materials is numerically investigated based on an adapted discrete element method (DEM) model for an ideal three‐phase system. The DEM simulations consider granular materials made of nearly monodisperse spherical particles, in the pendular regime with the pore fluid mixture consisting of distinct water menisci bridging particle pairs. The contact force‐related stress contribution to the total stresses is isolated and tested as the effective stress candidate for dense or loose systems. It is first recalled that this contact stress tensor is indeed an adequate effective stress that describes stress limit states of wet samples with the same Mohr‐Coulomb criterion associated with their dry counterparts. As for constitutive relationships, it is demonstrated that the contact stress tensor used in conjunction with dry constitutive relations does describe the strains of wet samples during an initial strain regime but not beyond. Outside this so‐called quasi‐static strain regime, whose extent is much greater for dense than loose materials, dramatic changes in the contact network prevent macroscale contact stress‐strain relationships to apply in the same manner to dry and unsaturated conditions. The presented numerical results also reveal unexpected constitutive bifurcations for the loose material, related to stick‐slip macrobehavior.     

强夯法处理层状软基的动态响应分析

引入双屈服面弹塑性本构模型,将土骨架的变位和孔隙水作为变量进行流、固耦合分析,通过瞬态波动有限元程序模拟冲击荷载作用下层状地基土体的动态响应特征。计算结果表明,土体的应力峰值、孔压峰值和位移峰值随土层深度和距锤底中心的径向距离的增大而逐渐滞后,通过不同位置土体的动态响应分析,表明应力波是以竖向的椭球面形状在土体中传播的,而且衰减很快。数值计算结果与现场测试结果两者之间较为吻合,为实现有限元模拟分析现场实际提供了可靠的依据。     

Some numerical issues using element‐free Galerkin mesh‐less method for coupled hydro‐mechanical problems

A new formulation of the element‐free Galerkin (EFG) method is developed for solving coupled hydro‐mechanical problems. The numerical approach is based on solving the two governing partial differential equations of equilibrium and continuity of pore water simultaneously. Spatial variables in the weak form, i.e. displacement increment and pore water pressure increment, are discretized using the same EFG shape functions. An incremental constrained Galerkin weak form is used to create the discrete system equations and a fully implicit scheme is used for discretization in the time domain. Implementation of essential boundary conditions is based on a penalty method. Numerical stability of the developed formulation is examined in order to achieve appropriate accuracy of the EFG solution for coupled hydro‐mechanical problems. Examples are studied and compared with closed‐form or finite element method solutions to demonstrate the validity of the developed model and its capabilities. The results indicate that the EFG method is capable of handling coupled problems in saturated porous media and can predict well both the soil deformation and variation of pore water pressure over time. Some guidelines are proposed to guarantee the accuracy of the EFG solution for coupled hydro‐mechanical problems. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

循环交通荷载下软土路基长期沉降理论解

基于循环交通荷载下软黏土累积塑性变形、累积孔压经验公式与分层总和法结合的方法,通过计算不排水循环累积塑性变形引起的沉降和不排水循环累积孔压消散引起的固结沉降叠加,建立了一个软土路基长期沉降拟静力计算模型。对交通荷载应力路径下的软黏土空心圆柱扭剪试验数据分析,获得了不排水累积塑性应变模型和不排水累积孔压公式的参数。基于弹性理论解积分计算交通荷载下路基中的动应力,再结合分层总和法计算了路基沉降与循环周次的关系。通过工程实例分析,对比了计算沉降结果与实测结果并与以往理论分析结果,验证了所建立模型的合理性。     

The effect of pore water pressure on tunnel face stability

The kinematic approach in combination with numerical simulation is used to examine the effect of pore water pressure on tunnel face stability. Pore water pressure distribution obtained by numerical calculations using FLAC^3D is used to interpolate the pore water pressure on a 3D rotational collapse mechanism. Comparisons are made to check the present approach against other solutions, showing that the present approach improves the existing upper bound solutions. Results obtained indicate that critical effective face pressure increases with water table elevation. Several normalized charts are also presented for quick evaluation of tunnel face stability. At the end of the paper, the influence of anisotropic permeability on tunnel face stability is also discussed, showing that the isotropic model leads to an overestimation of the necessary tunnel face pressure for anisotropic soils. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

水压致裂起裂压力的细观离散元模拟及试验研究

水压致裂起裂压力的预测对于油气开采、地应力测量、水工结构物抗裂设计等具有重要的意义。采用颗粒离散元结合域-管道渗流模型的流固耦合非连续数值模拟方法,基于扩展前端法生成的含规则形状钻孔的颗粒体模型,对水压致裂的细观起裂过程和起裂压力大小进行了定量模拟。结果表明,在消除了颗粒体中钻孔形状不规则性的基础上,钻孔壁的接触力链分布与理论解较为一致,拟合的离散元起裂压力公式也与理论解较为接近。进一步地,从颗粒材料受挤压时产生局部张拉力的角度解释了起裂压力拟合公式与理论解之间的差别。最后,设计了含预制钻孔的抗渗砂浆试块制备方法,对不同主应力组合下的起裂压力大小进行了真三轴室内试验,验证了离散元模拟结果的可靠性。     

Nodal-based three-dimensional discontinuous deformation analysis (3-D DDA)

This paper presents a new numerical model that can add a finite element mesh into each block of the three-dimensional discontinuous deformation analysis (3-D DDA), originally developed by Gen-hua Shi. The main objectives of this research are to enhance DDA block’s deformability. Formulations of stiffness and force matrices in 3-D DDA with conventional Trilinear (8-node) and Serendipity (20-node) hexahedral isoparametric finite elements meshed block system due to elastic stress, initial stress, point load, body force, displacement constraints, inertia force, normal and shear contact forces are derived in detail for program coding. The program code for the Trilinear and Serendipity hexahedron elements have been developed, and it has been applied to some examples to show the advantages achieved when finite element is associated with 3-D DDA to handle problems under large displacements and deformations. Results calculated for the same models by use of the original 3-D DDA are far from the theoretical solutions while the results of new numerical model are quite good in agreement with theoretical solutions; however, for the Trilinear elements, more number of elements are needed.     

粉质海床波浪响应的数值模拟及试验研究

针对波浪荷载作用下粉质海床的动力响应问题,结合波浪槽模型试验研究的结果,提出了一种粉质海床在波浪作用下超静孔隙水压力增长的数值分析方法。计算结果表明：该方法能较好地拟合试验数据,揭示粉质海床孔隙水压力发展的机理,能运用于海床液化势的评价分析。