无砟轨道粗颗粒盐渍土路基设计方法

我国“一带一路”发展规划中涉及大面积的盐渍土区域,高速铁路线位往往穿越盐质荒漠,沿线不含盐优质路基填料极其匮乏,亟需研究粗颗粒盐渍土作为高速铁路无砟轨道路基填料的可用性。通过技术创新、理论探索,提出了一种无砟轨道粗颗粒盐渍土路基设计方法,内容主要包括采用不同最大粒径、含盐量、溶陷系数及盐胀系数的粗颗粒盐渍土构筑无砟轨道路基,基床底层运用上结构层与下结构层的双结构层进行设计;以基底隔断层、基床隔断层、倒L型防护层、渗水排盐盲沟作为隔盐排盐系统,形成具有堵疏兼备的阻盐、排盐功能;通过容许盐胀变形法对基床底层上结构层、下结构层进行理论计算,确保无砟轨道路基抗隆起变形满足设计要求;对高速列车摩擦力或制动力可能造成基床隔断层复合土工膜产生相对滑移或拉伸破坏,采用最小滑动摩擦系数法进行控制设计。该方法可实现粗颗粒盐渍土在无砟轨道路基领域的首次应用。     

一种模拟堆石料颗粒破碎的离散元-比例边界有限元结合法

试验研究和数值模拟都表明,颗粒破碎对颗粒岩土材料的宏观力学响应具有重要的影响。结合离散元与比例边界有限元法,提出一种用于研究堆石料颗粒破碎行为的新的数值计算方法,可以将两种方法各自的优势同时发挥出来。离散单元法将被用于求解颗粒的运动以及相互作用。在每一个时间步尾,采用比例边界有限单元法计算颗粒内部的应力分布。比例边界有限单元法可以仅用一个任意边数的多边形来描述一个颗粒,大大节约应力计算的成本。当应力状态确定之后,Hoek-Brown准则将被引入用于确定颗粒内部的破坏点,当破坏点达到一定的比例时,即视为这个颗粒将破坏。为简化起见,假设破坏路径为直线,如果破坏发生,则该颗粒一分为二,各个新的颗粒将直接参与离散元和比例边界有限元的计算。该方法无需预定义任何子颗粒或网格重划分。最后以一个简单的双轴试验的模拟展现方法的可行性。     

铁路有砟道床振动和变形的离散元模拟与试验验证

运用三维激光扫描仪获取碎石道砟颗粒的几何形态,构建了不规则形状的簇颗粒模型,在此基础上建立了有砟道床三维离散元模型,用于道床细宏观力学行为的离散元模拟分析。同时,为了验证离散元模拟结果的可靠性,开展了高速铁路有砟轨道1:1实尺模型试验,获得了静态加、卸载和循环简谐荷载作用下道床的变形以及不同深度处道砟的振动响应。对比分析表明,离散元模拟和试验获得的道砟振动加速度幅值接近,随深度的衰减规律一致;等效静态加、卸载条件下道砟的垂向变形以及循环荷载作用下道砟的累积变形均能够与试验结果吻合,说明建立的三维道床离散元模型是合理的,能够较为准确地模拟有砟道床的振动响应和累积变形行为,可用于高速铁路有砟道床的细、宏观劣化机制研究。     

全风化花岗岩突水通道扩展的颗粒起动流速研究

突水突泥是富水全强风化花岗岩隧道施工常见的地质灾害,地层颗粒的流失是导致突水通道扩展的关键因素,其中颗粒达到起动流速是其流失的临界条件。考虑水流冲刷和土体黏结作用,对突水通道断面颗粒进行三维受力分析,导出颗粒的临界起动条件,建立了考虑颗粒粒径、颗粒坡面位置、相对暴露度三因素的颗粒起动流速函数,并利用数值方法分析了上述三因素对起动流速的影响规律。计算分析表明:起动流速随粒径增大先减小后增大,通道断面不同坡面位置颗粒起动流速呈明显的对称性,总体上起动流速随相对暴露度的增大呈增大趋势。采用正交试验法研究了三因素对颗粒起动流速的敏感性,发现粒径对起动流速影响最为显著。同时根据断面颗粒起动最小流速标准及相对暴露度的随机性,简化颗粒坡面位置和相对暴露度两因素,导出颗粒起动流速的简化公式,最后利用室内试验和工程实例验证了该公式的合理性。     

滨海咸水储层微纳米颗粒形貌特征对其运移行为的影响

通过一维水平砂柱试验,结合多孔介质传质理论,从孔隙尺度探索含水层中微纳米颗粒形貌特征与其释放、运移、沉积过程的内在关联,揭示颗粒重组的力学诱导机制。研究结果表明,在渗流溶液水动力作用与物化性质相同,并且含水介质机械组成相近的条件下,球形硅微粉释放率最高,试验过程中累计释放颗粒质量达93.74 mg;咸水层原砂释放率最低,仅为0.62%。依据试验结果,利用双沉积位动力学模型进行反演,计算得到咸水层原砂在受运移距离控制点位沉积系数最大,高于人工制备砂样2个量级。结合电镜扫描与颗粒表面ζ电位测试结果,基于颗粒受力平衡分析,渗流剪切应力与颗粒法向截面面积成正比;同时伴随微纳米颗粒形貌、构成的变化,扩散双电层排斥力存在显著差异。因此,球状硅微粉颗粒通常以单体形式脱离多孔介质表面;片状次生黏土矿物颗粒多以大体积粒团形式释放,出现再次沉积或被孔喉捕获的机率提高。     

考虑颗粒破碎引起级配演变的道砟边界面本构模型

道砟即使在低围压下也会产生颗粒破碎,从而改变其原始级配。级配作为道砟的一个重要物理特性,显著地影响着道砟本身物理、力学特性。建立可以反映颗粒破碎引起级配演变的本构模型至关重要。基于Einav的分形破碎指标和土体边界面塑性理论,通过分析道砟三轴试验结果,尝试建立了低围压下可以反映颗粒破碎引起级配演变的道砟边界面本构模型。与试验结果对比发现:模型可以较好地反映道砟在低围压下的应力-应变特性;同时,可以对加载过程中颗粒破碎引起的级配演变进行合理的预测。     

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。     

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。     

基于颗粒流方法的堆积层滑坡运动过程模拟

以颗粒流离散元为研究方法对勉县杨家湾十组堆积层滑坡破坏方式与运动过程进行数值模拟研究。通过PFC2D双轴模拟试验所标定的岩土体宏观模拟参数与室内试验所获取的宏观实测参数进行对比,确定堆积层滑坡所需的颗粒细观参数,然后将标定的细观参数代入堆积层滑坡模型,对滑坡破坏方式及运动过程进行模拟研究。结果表明:滑坡破坏在初始阶段蠕滑变形累积,滑坡体挤压坡脚,直至坡脚产生剪切破坏,并向上牵引发展,使得滑坡整体顺接触面破坏下滑并堆积于坡脚,表现为典型的牵引式渐进破坏,结果与实际情况基本吻合。研究认为,采用颗粒流方法对堆积层滑坡破坏与运动过程的模拟研究具有较高的适用性,对该类滑坡防治具有一定的参考意义。      

出渗对均匀大粒径泥沙附近水动力特性影响

为探讨出渗对均匀大粒径泥沙颗粒周围水流特性的影响,基于粒子图像测速技术（PIV）对出渗影响下的均匀大粒径泥沙颗粒群周围水流结构进行测量,并对不同出渗强度下颗粒群周围立面二维流场结构进行了分析。试验结果表明:出渗能够减小颗粒群周围原水流运动方向的流速,而增大垂直向上的流速,且两者均随着出渗强度的增强而对流速的影响愈加明显;根据实测数据,拟合出考虑出渗影响下的均匀大粒径泥沙周围纵向流速分布公式,相关性较好;出渗能增强颗粒群附近的紊动强度,加剧周围水体的能量耗散;随着出渗强度的增强,颗粒群周围的涡量值随之减小。