颗粒流方法及PFC2D程序

归纳总结了颗粒流模拟方程产生的背景,比较了与其他模拟方法的异同之处,介绍了颗粒流模拟方法解题的步骤及其在岩土工程领域的应用实例。     

颗粒流模拟方法在岩土工程中的应用

归纳总结了颗粒流模拟方法与其它数值模拟方法的异同之处，介绍了颗料流模拟方法解题的步骤及其在岩土工程领域的应用实例。     

颗粒沉降问题的高解析度CFD-DEM-IBM流固耦合数值模拟方法

为实现颗粒沉降问题的精确数值模拟,探索稠密颗粒两相流中流体与颗粒间的影响机制,基于浸入边界法（IBM）,建立了高解析度CFD-DEM-IBM流固耦合数值模拟方法。分别通过流体动力学方法（CFD）及离散单元法（DEM）描述连续流体及非连续颗粒,引入浸入边界法处理颗粒移动边界,并在Navier-Stokes动量方程中附加体力项以体现流固相互作用,采用交错迭代算法在同一时间步内多次迭代求解直至收敛以实现流固间的强耦合。通过单、双、群颗粒的沉降行为模拟,结果表明:与传统CFD-DEM方法相比,该方法能够准确考虑颗粒间及流固两相间的相互作用,获得高解析度的流场信息。模拟结果与前人数值计算结果吻合,验证了该方法的准确性与有效性及其对稠密颗粒两相流问题的适用性与优越性。     

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。     

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。     

考虑破碎的堆石料颗粒流数值模拟

以双江口300 m级高土石坝为工程背景,根据有关资料的试验数据,利用二维颗粒流计算机仿真技术对堆石料在一定围压下的颗粒破碎情况进行了数值模拟,数值试样由2 574个簇颗粒单元组成。数值模拟与室内平面应变试验结果对比表明,用选定的细观参数进行数值模拟与平面应变试验结果基本一致,说明用颗粒流方法进行数值模拟能够较好的再现堆石料的颗粒破碎特性。与室内试验相比,数值仿真模拟还能得到颗粒破碎的细观演化规律和破碎带的分布范围,从而为进一步建立考虑颗粒破碎的堆石坝本构模型,研究大坝填筑、水库蓄水过程以及地震情况下的颗粒破碎过程以及颗粒破碎所引起的坝体变形提供了一条途径。     

不同墙体位移方式下被动土压力的颗粒流模拟

用二维颗粒流程序（PFC2D）对各种移动模式的刚性挡墙被动土压力进行了模拟。再根据已有的模型试验建立颗粒流模型,分别让刚性墙体朝土体一侧平移、绕墙体顶部转动和绕墙体底部转动,给出了这三种情况下墙后被动土压力的分布图形以及相应的竖向应力的分布图形,同时给出了墙后被动土压力随墙体位移的变化规律。最后,将计算结果与实验结果进行了对比表明,颗粒流数值模拟方法不仅使用方便,而且能较好地模拟墙后被动土压力的分布规律。     

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。     

堆石料碾压试验的颗粒流模拟新方法

针对堆石料现场碾压试验,研究基于颗粒流的仿真模拟新方法。首先,以随机多边形颗粒簇形式,建立堆石料的颗粒流模型,充分体现了堆石料的级配、细观组构和破碎效应,从而可以较为真实地模拟堆石料在碾压过程中的宏、细观力学响应;然后,提出振动碾压荷载及碾压过程的模拟新方法,实现振动碾压荷载及碾压过程的仿真模拟;最后,结合水布垭主堆石料的现场碾压试验,利用该方法进行模拟验证,从而论证该方法的可靠性。该方法可为仿真模拟堆石料碾压试验以及研究碾压效应对堆石料宏观力学特性的影响奠定基础,具有重要工程指导意义。     

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。     

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。     

堆石料大三轴试验的细观模拟

采用三维颗粒流计算程序,对堆石料的大三轴排水剪切试验过程进行了数值模拟。在数值模型的生成过程中,使堆石料集合体达到规定密度和级配;采用动态松弛算法迭代求解,并引入粒间阻尼,以吸收颗粒填装的多余动能使其稳定;颗粒间引入黏结力来提高试样的峰值强度;确定堆石料的细观力学参数,拟合室内试验应力应变曲线。模拟不同围压下堆石料的试验,得到的应力-应变曲线与室内试验基本一致,说明颗粒流方法可以较好的模拟堆石料的大三轴试验过程。由于没有考虑颗粒形状及颗粒破碎的影响,造成大应变剪胀偏大。     

高速远程滑坡颗粒流研究进展

颗粒流是高速远程滑坡物质演化过程的一个重要阶段,也是从细观角度揭示其超常运动特性的重要手段.颗粒流所采用的主要研究方法以及取得的重要理论成果,可以为高速远程滑坡动力学机理的研究提供重要的技术手段和理论支持.本文聚焦颗粒流研究进展,从颗粒流基本概念、流态特征及流变本构模型、颗粒流粒径分选机制等方面进行了系统梳理;进而,从理论、实验及数值计算模型3个方面对高速远程滑坡研究中颗粒流理论及方法的应用进行了系统性述评;在此基础上,提出了从颗粒流角度研究高速远程滑坡动力学机理涉及的关键科学问题:高速远程滑坡高流动性的起源涉及哪些物理过程？如何量化和模拟其多分散性和破碎过程？如何量化描述颗粒尺寸分布的时空演变及其与流动的耦合？如何从其沉积特征中探究流动的传播机制？针对这些问题,从基于沉积学特征的颗粒流物理力学过程、考虑尺度效应的颗粒流动力学特性研究、基于颗粒流力学过程的滑坡运动机理及其本构模型、新技术新方法的应用4个方面提出下一步应重点开展的研究工作.      

上海淤泥质粘土注浆劈裂效应的细观分析

劈裂注浆是目前应用最广泛的一种注浆方法,理论研究落后于实际应用。基于颗粒流理论中的流固耦合原理,对上海淤泥质软粘土劈裂注浆过程进行了颗粒流模拟研究,从细观角度研究了土体劈裂过程中裂隙的形态以及土体孔隙率、应力变化,并与相关的试验结果进行比较。结果表明,运用颗粒流理论及程序研究土体注浆劈裂问题是可行的,且在可视化角度上具有很好的优势,可以直接观察到土体劈裂产生及发展的全过程。     

公路隧道通风竖井岩爆机制颗粒流模拟研究

根据工程地质资料分析,岩爆是秦岭公路隧道2号通风竖井施工过程中的主要难题。岩爆机制是指岩爆发生的物理过程,与岩石的颗粒大小、颗粒胶结和粒间孔隙等结构特征密切相关。根据颗粒流基本理论和竖井混合片麻岩的基本力学特性,进行混合片麻岩细观颗粒参数标定研究。颗粒大小不是一个自由参数,通过颗粒流模拟的相似比分析,采用强度折减方法进行竖井岩爆机制的颗粒流模拟。研究表明,岩爆孕育的细观机制为平行于开挖面的微裂纹萌生-微裂纹扩展、聚合-宏观裂纹的形成,为压致张剪断裂破坏,主要是由张拉裂纹扩展、聚合引起的,是一个渐近破坏过程。研究成果为竖井岩爆稳定性分析提供初步依据。     

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。     

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。     

基于数字图像处理的颗粒流厚度动态提取方法研究

颗粒流厚度及其演化趋势是碎屑流物理模型试验中重点关注的要素。目前试验中颗粒流厚度的监测主要有传感器监测、机械原件测量、人工测读等方法。随着计算机跨学科的应用及计算机数字图像处理技术的成熟,越来越多的数字图像处理技术被应用于工程地质领域。以颗粒流斜槽试验为依托,基于自适应中值滤波、图像二值化、图像腐蚀及种子填充等数字图像处理方法,对高速相机所采集的颗粒流图像序列进行处理分析并编制了相关程序,实现了连续提取颗粒流运动过程中的厚度值。分析结果表明:基于数字图像处理方法提取的颗粒流厚度在颗粒流主体区段与实测厚度值相吻合,在颗粒流尾部由于颗粒离散会存在一定的偏差,主要是由于部分三维空间中的颗粒在二维图像中呈现出重叠的形式,造成颗粒连续的假象。总体而言,通过该方法获取的颗粒流厚度值在一定条件下具有较高的精度,相比于其他方法具有效率高、获取参数多、采样频率高、扰动低等优势,可作为颗粒流试验中流态参数动态获取的常规方法之一。