石灰岩细观力学特性的颗粒流模拟

岩体地区地质灾害的发生和发展取决于岩石细观组分的运动学行为。研究岩石运动学行为时通常将岩石作为整体研究对象较多,而直接以细观组分为对象的研究较少。以石灰岩为例,根据室内试验获得的岩石力学性质指标,使用基于非连续介质理论的颗粒流方法,将材料离散成刚性颗粒组成的模型,把颗粒细观变化与宏观力学特性联系起来,建立了石灰岩的细观结构模型,获得了颗粒接触力、颗粒接触模量、接触连接强度和连接刚度比等细观力学参数。由于文中直接以细观成分为研究对象、反映了岩石和岩体组成的本质特点,所得结论不仅对含裂隙岩石本构关系研究具有广阔的应用前景,而且对岩体工程性质和地质灾害机制研究也具有重要的理论意义。     

非饱和紫色土三轴试验颗粒流宏细观参数关系研究

为确定非饱和紫色土颗粒流宏细观力学参数间关系,采用三维颗粒流软件(PFC3D)并结合控制变量法与莫尔-库仑破坏准则,对不同含水率(8%、10%、12%、14%、16%、18%)及围压(100kPa、200kPa、300kPa、400 kPa)条件下的非饱和紫色土三轴固结不排水试验进行了数值模拟,并与室内结果进行对比。结果表明:重塑紫色土黏聚力随含水率增加呈先增后减的趋势,且存在临界含水率12%;内摩擦角与含水率呈一阶线性负相关。紫色土的宏观强度参数黏聚力与细观参数切向黏结强度呈线性正相关,而内摩擦角值由颗粒切向黏结强度及摩擦系数共同决定。建立了紫色土含水率与颗粒切向黏结强度、摩擦系数之间的定量关系,通过细观参数切向黏结强度及摩擦系数的改变来模拟不同含水率下紫色土的黏聚力与内摩擦角的变化,将数值模拟的应力-应变曲线与室内试验曲线进行对比,验证了该关系的正确性。利用PFC3D内置的切片工具对含水率为12%,围压为200kPa的数值试件进行剖切,可以较好地观察到紫色土三轴微观颗粒的运动情况及颗粒间接触力的分布特征,为深入探究紫色土的抗剪强度特性及应力-应变性状提供参考。     

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。     

砂土中单桩静载室内模型试验及颗粒流数值模拟

通过自行设计的可视化模型箱,进行了单桩静载室内模型试验,考虑了不同桩径、不同土体密实度等影响因素,研究了单桩的沉降模式、桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥性状及随沉降的发展模式,并通过拍摄跟踪和图像处理技术,研究了桩端和桩周土体的孔隙率的变化规律;对二维颗粒流程序进行开发,模拟了单桩静载过程中桩端阻力和桩周土体孔隙率的变化情况。结果表明,颗粒流数值模拟能够较好地模拟单桩静载过程,研究成果进一步揭示了单桩静载过程的宏细观机制。     

微生物灌浆的颗粒流细观力学数值模拟研究

基于流固耦合原理的PFC2D颗粒流数值模拟程序,运用其内置FISHTANK函数库和FISH语言,分别定义流体域的流动方程和压力方程,对微生物灌浆过程中菌液在地层中的扩散过程和形态进行了数值模拟计算。通过调节PFC命令流中的注浆压力p、时步step、水力传导系数perm等参数对菌液的注浆过程进行了模拟计算。数值模拟计算表明,灌浆过程中菌液与地基土的作用形式与灌浆压力大小密切相关,过高的注浆压力会对地层结构造成一定的破坏。对钻孔周围土体的应力状态进行了理论推导和分析,理论推导结果与数值模拟结果相符。劈裂灌浆作用发生时,孔隙率和应变率均增加。     

扩底桩的上拔试验及其颗粒流数值模拟

通过原型试验和应用颗粒流理论及其PFC2D程序数值模拟,研究了黄土中扩底桩承受上拔荷载的宏观力学性能及其细观结构,以及扩底桩在上拔荷载下的位移、极限上拔承载力和破坏机理.结果表明增加扩底桩扩大端的高度对提高承载力是有效的;破坏机理为土的减压软化和损伤软化的渐进性破坏.并提出了扩底桩极限上拔承载力计算式,计算值与实测值相吻合.应用颗粒流理论分析了颗粒细观结构、受影响区域、扩底桩的上拔位移和土中滑裂面.颗粒流模拟的土中滑裂面、荷载与位移关系和宏观试验实测结果相一致.     

关于堤坝管涌计算方法的进一步研究

堤防工程在洪水期间发生渗流管涌而形成的险工往往占堤防重点险工的三分之二以上。将管涌产生初期涌水点附近透水层看作是各向同性均质 ,并利用地下水井流理论 ,推求出了管涌形成后的出水流量、临界面及破坏界面孔口尺寸的计算公式 ,并将计算成果与工程实际进行了比较 ,获得了令人满意的相关效果     

SBPM试验不同长径比颗粒流细观模拟

自钻式旁压试验(Self-boring pressure-meter)具有对原位土体扰动小,测试深度大,能够得到不同深度处土体的应力-变形曲线,在测定地基土性参数和地基承载力上具有广阔的应用前景。然而受分析手段和研究水平限制,目前对SBPM试验不同长径比(length-to-diameter ratio)测定器加载过程中周围土体的细观变形响应研究较少,而土体参数的确定与其变形机制是密切相关的,基于此,应用PFC3D(Particle Flow Code in Three Dimensions)颗粒流程序对不同长径比L/D(6、10、15、20)下自钻式旁压试验进行了数值模拟,对测定器孔应变一定时,周围土体的位移场和应力场分布变化进行了分析研究。试验结果表明:根据长径比的大小,位移场和径向应力场分布可分为两种形式:当长径比L/D=6时,位移场和应力场分布呈"弧形壁灯笼状",测定器周围土体变形在其高度上不符合平面应变轴对称条件,且L/D=6时的土体应力小于后3值(L/D=10、15、20时);当L/D=10、15、20时,则呈"直壁灯笼状",此时在测定器高度上应力分布比前者均匀,其变形基本符合平面应变轴对称条件。径向应力在测定器附近两侧形成近似成对称分布的数个应力集中区。当测定器径向应变一定时,随着L/D的增大孔壁处土体径向应力逐渐呈负指数减小并趋于稳定。     

SBPM试验不同长径比颗粒流细观模拟

自钻式旁压试验（Self-boring pressure-meter）具有对原位土体扰动小,测试深度大,能够得到不同深度处土体的应力-变形曲线,在测定地基土性参数和地基承载力上具有广阔的应用前景。然而受分析手段和研究水平限制,目前对SBPM试验不同长径比（length-to-diameter ratio）测定器加载过程中周围土体的细观变形响应研究较少,而土体参数的确定与其变形机制是密切相关的,基于此,应用PFC3D（Particle Flow Code in Three Dimensions）颗粒流程序对不同长径比L/D（6、10、15、20）下自钻式旁压试验进行了数值模拟,对测定器孔应变一定时,周围土体的位移场和应力场分布变化进行了分析研究。试验结果表明：根据长径比的大小,位移场和径向应力场分布可分为两种形式：当长径比L/D=6时,位移场和应力场分布呈弧形壁灯笼状,测定器周围土体变形在其高度上不符合平面应变轴对称条件,且L/D=6时的土体应力小于后3值（L/D=10、15、20时）; 当L/D=10、15、20时,则呈直壁灯笼状,此时在测定器高度上应力分布比前者均匀,其变形基本符合平面应变轴对称条件。径向应力在测定器附近两侧形成近似成对称分布的数个应力集中区。当测定器径向应变一定时,随着L/D的增大孔壁处土体径向应力逐渐呈负指数减小并趋于稳定。     

考虑细观组分实际分布的花岗岩变形破坏过程颗粒流模拟

花岗岩是一种由石英、长石和黑云母等细观组分组成的非均质岩石, 其变形破坏过程取决于细观组分的分布与相互作用, 可以使用颗粒流模型来研究这种非均质性与岩石的宏细观关系。本文以甘肃北山花岗岩为例, 通过提取单轴压缩试验视频中的单帧图像, 将矿物识别传统方法与图像灰度阈值分割技术结合起来、得到了不同细观组分的实际位置, 使用二维颗粒流代码(PFC2D)中的代码包FishTank生成了细观颗粒的初始分布, 根据实际位置和具体类型确定初始分布中的颗粒类型, 使用平行连接模型来表征细观组分颗粒之间的相互作用, 使用宏观力学性质参数来标定细观力学性质参数, 建立了基于实际分布的花岗岩颗粒流模型, 讨论了试件变形破坏过程中裂隙和力链的演变过程。结果表明, 颗粒流模拟所得花岗岩宏观力学性质参数(峰值应力、弹性模量、泊松比)与试验结果的相对误差平方和达到了可靠性要求, 花岗岩破坏过程中主要裂隙延伸方向平行于压应力方向, 裂隙主要分布于长石组分区域、以拉裂隙为主, 力链网络演变过程与岩石变形破坏过程基本一致。本文以细观组分实际分布为研究对象, 反映了岩石组成的本质特征, 对研究岩石宏细观关系、预测变形破坏过程都具有重要的 参考价值。     

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。     

加载频率对反滤料动变形特性影响的试验及细观数值模拟研究

在动三轴试验过程中,加载频率对动模量和阻尼比的影响目前还没有定论。基于室内动三轴试验结果,采用二维颗粒流程序PFC2D模拟了筑坝反滤料在不同加载频率（f = 1.0、0.5、0.1、0.05 Hz）条件下的室内动三轴试验。数值模拟结果与试验结果基本吻合,试验结果表明,（1）当 f ≥ 0.1 Hz时,频率对动模量和阻尼比的影响可以忽略;当 f < 0.1 Hz时,模量在小应变情况下会有所降低,但随着应变的增大会趋于一致。（2）阻尼比在f = 0.05 Hz时波动比较大,但与其他频率条件下的阻尼比相比都在一个较小的区域内,可以认为频率对阻尼比基本没有影响     

崩积混合体直剪试验与PFC2D数值模拟分析

通过野外崩积混合体结构特征分析,考虑原样级配,开展对崩积混合体重塑样的室内大尺度直剪试验研究,结合PFC2D颗粒离散元仿真试验,分析了不同含石量情况下崩积混合体变形与强度变化规律及内在机理。将数值试验的成果与室内试验结果进行对比分析。结果表明,随着含石量的增加,崩积混合体的应变硬化效应显著。低法向应力下崩积混合体表现为剪胀,高法向应力下则表现为剪缩;当含石量低于40%时,崩积混合体的力学性质由土体控制,超过80%以后,其力学性质基本上完全由块石控制。     

二维小波变换与中值滤波联合去噪方法研究

由于随机噪声是一种频带较宽的干扰波,因此依靠单一的去噪处理方式往往难以获得清晰反映目标体的地震信息。小波变换能够较好的去除高斯噪声,保留有效波中、高频成分,提高记录的信噪比,但去除脉冲噪声的效果却并不理想;中值滤波具有良好的边缘保持特性,虽低频去噪声效果有限,但去除脉冲噪声效果明显。因此可利用二维小波变换与中值滤波优势互补的方法,进行叠前去噪处理,达到去除宽频随机噪声的目的。首先运用二维小波变换的理论,采用自适应门限阀值方法进行去噪,同时结合中值滤波方法联合去噪。模型与实际数据的应用效果表明,联合去噪方法可有效压制噪声能量、保留高频有效信号、提高地震记录信噪比与分辨率。     

基于WCA2D与SWMM模型的城市暴雨洪涝快速模拟

为探讨计算高效的元胞自动机模型(WCA2D)与传统一维管网模型耦合的机制以及计算效果,尝试将WCA2D与SWMM模型耦合(SWMM/WCA2D),以广州市长湴片区为例探究一种暴雨洪涝快速二维模拟技术,对比实测积水数据以及SWMM/LISFLOOD-FP模拟,结果表明:SWMM/WCA2D模拟结果与"20180607"实测积水数据相近,表明模型精度良好;根据多指标评估结果,综合考虑主干渠道淤积以及建筑物阻挡情景的R_TPR、R_PPV、F₁值分别达到0.8、0.6、0.7,模拟精度最高,最能反映区域实际情况;通过与SWMM耦合,WCA2D和LISFLOOD-FP的模拟结果差异小(最大水深差值基本低于0.1 m)、相关性强(相关系数基本超过0.7),但前者计算效率是后者的3～5倍,表明WCA2D能够耦合SWMM且计算效率更高,为复杂城市化地区暴雨洪涝快速模拟提供了一种新方法。     

桩间土拱效应离心模型试验及数值模拟研究

抗滑桩的设计理念是采用非连续结构,利用土体自身强度形成的拱效应来达到支挡的目的。通过离心模型试验,对抗滑桩加固滑坡形成土拱效应的现象进行研究,再现了桩间土拱形成的现象及其破坏模式。根据试验现象提出两种典型的土拱破坏模式,即拱顶发生破坏和拱脚发生破坏,并提出改善拱脚受力,防止土拱拱脚发生破坏的工程措施。基于离心模型试验,采用二维颗粒流方法对桩间水平土拱的应力分布和破坏过程进行数值模拟分析,提出土拱破坏的判别标准为抗滑桩所承担的荷载发生急剧变化,此时土拱传递荷载的功能部分失效,并研究了桩间土拱承载力与桩间净距的关系。随着桩间净距的增大,土拱承载力变化的趋势并非线性的减小,当桩间净距增大到一定程度后,土拱承载力会急剧减小,由此可合理确定桩间距的范围。     

一维-二维耦合的河湖系统整体水动力模型

为对自然界中的复杂水流系统进行整体水动力数值模拟,建立了适用于河湖系统的一维-二维耦合模型.将河网计算中用于处理河段间耦合的汊点水位预测校正法应用到一维-二维耦合边界的处理中,即耦合边界水位预测校正法.该方法具有一维、二维模型计算完全独立,可有效利用现有模型的优点.与传统一维-二维耦合处理方法相比,耦合连接条件的满足程度较高且可通过对计算容差的调整进行有效控制.利用理想及实际例子进行了计算验证,结果表明该方法具有较好的实用性.     

三维地质模型构建方法的研究及应用

地质体三维建模是地学信息系统的核心问题之一.对三维GIS及地学领域的空间构模方法的现状进行分析,结合地质体工程特点,提出一种三维地学空间构模方法--似三棱柱(STP)法.该方法以似三棱柱体作为三维地质体建模的基本体元,并采用5类基本元素和6组拓扑关系对似三棱柱体的数据结构进行描述.它能有效地表达各种三维地质现象,也可以更好地与传统的多层TIN模型结合,维护好空间实体的拓扑关系.基于本文的建模方法开发了一个适合地质领域的三维GIS初步原型,并用实际钻孔数据进行了验证.     

明渠交汇水流阻力对平面二维数值模拟的影响

与顺直明渠水流相比,明渠交汇水流由于存在分离区和自由剪切面,其紊动特性引起的阻力较为复杂,交汇水流除床面阻力外还受到较强的阻力。基于数值模拟与实验比较分析表明,分离流与自由剪切流所产生的阻力(紊动粘性阻力)对于交汇水流数值模拟具有重要影响。同时,由于平面二维模型对二次流影响的忽略,断面环流较强时数值模拟会产生较大的阻力(环流阻力),而断面环流较弱时,交汇水流的三维特性相对较弱,采用平面二维模型和k-ε紊流模型能达到较好的模拟效果。因此,紊动及环流阻力的计算对交汇水流数值模拟的精度至关重要。     

刚性挡土墙后三维被动滑裂面的模型试验

针对无黏性土体,采用模型试验的方法,研究平移模式下刚性挡土墙后被动破坏滑裂面的空间形态。自主设计一种模型试验装置,重复开展6次试验,通过记录挡土墙后土体中预埋脆性玻璃条断裂的空间坐标,复原土体发生滑动的位置,绘制出挡土墙后滑裂面的三维形态图。试验结果表明：挡土墙后滑裂面具有明显的三维效应;挡土墙宽度内滑裂面纵向高度呈先缓慢增高后近似直线增高的曲面,初始破裂角度为9°,平均破裂角为26°,朗肯土压力理论的破裂角为28°;最大纵向破裂面长度为1.8倍挡土墙高度,与经典土压力理论的平面假定基本一致;滑裂面均有一定的横向扩展,主平面投影以初始扩散角约45°的斜线往外扩展,距离挡土墙最远处是宽度为0.7倍挡土墙宽度的水平线,斜线与水平线之间以半径为挡土墙宽度的圆弧过渡连接。研究结果为分析土体被动破坏的滑裂面空间形态提供了试验依据。