颗粒集合体变形破坏特征离散元计算分析

应用离散单元法研究了颗粒土试样在传统三轴压缩、平面应变和直剪3种不同荷载条件及不同初始条件下的变形破坏特性,从微观角度分析了不同条件下颗粒土试样变形的根本物理机理.对不同初始孔隙比、不同围压、不同荷载条件下的试样变形和破坏进行了数值模拟计算分析.结果表明,离散单元法可以准确反映试样的变形情况和局部应变等特性.通过对微观颗粒行为包括颗粒旋转和颗粒平移及局部孔隙率的研究,从细微观角度解释了不同条件下试样的变形特性和局部应变的产生机理,结果显示,荷载条件是影响试样变形破坏模式的重要因素,土的微观行为特性是其宏观表现特性的根本的内在物理原因.     

曲线盾构隧道施工中土体损失和施工荷载引起地层沉降的理论解析（英文）

目的:盾构掘进引起施工期土体变形的关键影响因素是施工荷载和土体损失。结合曲线盾构隧道施工特点,本文旨在推导由土体损失及施工荷载(开挖面附加推力、盾壳与土体间摩擦力和盾尾注浆压力等)引起的地层竖向变形的计算公式,并研究隧道曲率半径对地层沉降的影响。创新点:1.通过建立曲线盾构隧道掘进模型,推导出三维土体损失引起土体变形的理论公式;2.通过改写Mindlin解,提出作用在空间曲面上的面分布力引起土体变形的理论公式。方法:1.基于半无限体中任意单位空隙变形引起土体变形的镜像法原理,并根据实际三维空间域的积分思想,分别对盾尾处及开挖面处土体损失引起的土体竖向变形进行推导计算;2.基于改写的Mindlin解,推导并计算曲线盾构隧道施工时各施工荷载引起的土体竖向变形;3.与现场监测、数值模拟及已有文献的结果进行对比,验证所提方法的可靠性。结论:1.盾尾整合间隙、摩擦力、注浆压力和开挖面附加推力引起的曲线隧道轴线上方土体的竖向变形曲线不再像直线隧道一样关于隧道轴线对称。2.由于曲线盾构隧道掘进时超挖的需要,各影响因素下总的地表沉降值及横向沉降槽范围都比直线隧道大。3.随着土体深度的增大,各影响因素引起的土体竖向变形的峰值有所增大;总的沉降峰值和偏移量均随隧道曲率半径的减小而增大。     

地铁荷载下隧道周围粉性土孔压的单因素试验

为了研究地铁荷载作用下饱和粉性土的孔隙水压力特性,针对上海地铁10号线国权路附近的饱和粉性土进行多功能GDS循环三轴试验,考虑了振动频率、动应力幅值及固结比等因素对孔隙水压力的影响。试验结果表明:土体遭受地铁振动荷载作用下,孔隙水压力经过三个阶段的变化过程,即快速增长-缓慢增加-衰减稳定。相同振动频率及固结比条件下,动应力幅值越大,产生的孔隙水压力越大;相同动应力幅值及固结比条件下,频率越小,产生的孔隙水压力越大;相同动应力幅值及振动频率条件下,固结比越大,产生的孔隙水压力越大。采用单因素设计法及方差分析,得到振动频率、动应力幅值及固结比等因素均对孔隙水压力有非常显著的影响。     

桩承式路堤二维和三维土拱效应离散元分析（英文）

土拱效应是桩承式路堤的主要荷载传递机理。本文旨在探讨随着桩土差异沉降量的增加,平面土拱和空间土拱演化过程中的相似点和差异性,以深化对桩承式路堤作用机制的理解。创新点:1.基于离散元法对比分析平面土拱和空间土拱的作用发挥机制,包括细观角度的强弱力链分布特征和宏观角度的沉降变形模式;2.探讨路堤设计参数和土体参数对二维和三维路堤荷载传递和沉降变形(路堤顶面和路堤内部)的影响。方法:1.基于活动门室内模型试验建立桩承式路堤二维和三维离散元数值模型;依据接触力均值划分强弱力链,得到土拱结构的空间分布特征;采用颗粒位移分组获取土体变形模式。2.通过变化路堤高度、桩净间距、填料内摩擦角以及孔隙率来分析路堤荷载和变形响应。结论:1.平面土拱效应存在高估路堤荷载传递效率和低估路堤沉降变形的现象。2.当路堤高度高于等沉面,即土拱结构处于全拱状态时,路堤土体的空间滑裂面表现为穹顶状,且等沉面位置高于二维模型。3.增大路堤高度和填料内摩擦角以及减小桩净间距和孔隙率都能够提高平面土拱和空间土拱的荷载传递能力,进而减小路堤沉降量;其中,孔隙率对沉降变形的影响最为明显。4.当路堤高度低于等沉面,即土拱结构处于非全拱状态时,在三维模型中增加路堤高度主要减小四桩间上部土体沉降,而对两桩间上部土体沉降的影响较小。     

基于PFC2D黏性土与混凝土接触面剪切试验研究

基于颗粒离散元理论、单轴及双轴压缩试验可获得混凝土及土体细观强度参数,将其应用到黏性土与混凝土直剪试验中。研究表明：PFC^2D软件能够从细微观尺度揭示土体-混凝土两种不同材料界面处剪切破坏机制,直剪试样经历了四阶段,分别为弹性阶段、弹塑性阶段、强度软化阶段及残余强度阶段;接触界面裂纹的快速贯穿是导致强度软化的主因,在直剪试验加载过程中接触界面及离界面较近区域土体会随混凝土一起变形,直至试样达到土体抗剪强度为止。     

香港科技大学土工离心机先进模拟技术在岩土工程中的应用(英文)

研究目的:采用香港科技大学的先进土工离心模拟技术来研究和解决复杂的岩土工程问题。创新要点:1.验证竖向钻孔开挖技术(应力释放)对建筑纠偏的有效性;2.研究隧道坍塌对其邻近既有隧道的影响;3.研究基坑开挖对坑中既有桩基承载力的影响;4.揭示不同颗粒级配形成的土坡在水位上升和动力荷载作用下的破坏模式。研究方法:1.用香港科技大学全球首台离心机中的双向震动台(见图5)模拟地震荷载对土坡的影响;2.用香港科技大学全球第二台四轴机械手(见图6)模拟不停机情况下的钻孔开挖。重要结论:1.竖向钻孔开挖技术能有效地对建筑物进行纠偏;2.隧道坍塌会对其邻近既有隧道产生很大的附加弯矩,尤其是拱脚处的弯矩可增加多达228%;3.基坑开挖后坑中桩基的承载力取决于桩土接触面的粗糙程度,粗糙的桩-土接触面在剪切过程中倾向于发生剪胀,这会增大桩周围土的水平土压力,从而使桩基承载力增加;4.当水位上升时,颗粒均匀,级配差的松散砂土坡容易发生静态液化;相反地,颗粒级配好的松散砂土坡(风化土)不太可能发生静态液化,而只是发生整体滑动破坏;5.离心机双向震动台实验显示松散的风化岩土坡在0.3g的地震加速度作用下不会发生液化,可以抵御香港地区的地震荷载(0.08g到0.11g)。     

软粘土弹塑性大变形的求积元法分析（英文）

目的:考虑几何非线性及非达西渗流对软粘土固结的影响,提出一种大变形固结问题的求积元求解列式,以提高数值方法的计算精度及计算效率。通过数值算例研究几何非线性及非线性渗流定律对软粘土固结的影响,为工程实际提供参考。创新点:1.提出一种大变形固结问题的高阶数值求解方法;2.在固结问题求解中同时考虑几何非线性及非线性渗流定律。方法:1.基于初始构型,采用完全拉格朗日格式,建立大变形固结问题求解列式;2.基于变形梯度乘法分解,得到大变形条件下的土体本构模型;3.基于指数关系的渗流定律,建立渗流连续性方程;4.通过数值算例验证方法,研究几何非线性及非达西渗流对软粘土固结的影响。结论:1.所建立的求积元方法的收敛速度要远远快于有限元法,降低了问题计算规模;2.在小变形条件下,最终沉降随外荷载线性变化,而在大变形条件下,随着载荷的增大,沉降相对于小变形条件有所降低;3.当考虑非达西渗流定律时,软粘土的固结速率随着非达西渗流参数的增加而降低。     

新建隧道上跨既有地铁隧道近接施工加固措施效果分析

为了确保新建隧道对近接既有隧道的施工安全性,依托北京新机场线上跨既有地铁10号线工程,对新建隧道的加固方案进行优化研究.通过有限差分数值软件,对新建隧道上半环注浆、新建隧道下半环注浆以及新建隧道全环注浆等3种加固措施进行数值模拟分析.研究表明:新建隧道上半环注浆仅能有效降低路面及既有结构的变形;下半环注浆仅能有效控制既有隧道的结构变形;全环注浆能有效地控制地表沉降及既有隧道结构的变形.研究内容可为新建隧道近接既有隧道施工的相关研究提供参考.     

海上风电机组嵌岩桩与砂土桩承载力对比分析（英文）

通过室内缩尺模型试验,比较和分析了嵌岩桩(RSP)和砂土桩在水平荷载下的承载能力.试验使用磷石膏来模拟底部岩石,采用夯实法制作上层砂土.试验前进行了颗粒分析试验以确认土壤的均匀程度.采用圆锥负荷试验(CPT)评估土壤,确认所有试验分组的土壤条件相似,即土体性质引起的误差可以忽略不计.通过有限元模拟对嵌岩桩的承载能力进行了验证,数值模拟结果与试验结果吻合良好.研究表明：嵌岩桩和砂土桩的弯矩分布一致,桩身最大弯矩的位置在2～3倍桩径深度处,但嵌岩桩的最大弯矩位置比砂土桩深约1倍桩径(5 cm);当上层覆土较浅时,嵌岩桩的承载效果更显著,承载力相对于砂土桩增加约41%;由于岩石的挤压效应,嵌岩桩的横截面变形明显小于砂土桩.     

椭圆颗粒层理面定向对密实颗粒试样单剪力学特性的影响(英文)

目的:利用离散元数值模拟技术,从宏细观角度探究单剪受荷模式下,颗粒定向引起的层理面效应对数值试样强度与变形特征、应力-剪胀关系以及组构各向异性演化的影响及其机理。创新点:1.分析了单剪受荷条件下应力主轴偏转引发的主应力与主应变增量之间的非共轴效应,针对密实颗粒试样,研究了初始层理面倾角对非共轴应力-剪胀关系的影响;2.从细观力学角度,研究了应力主轴偏转条件下初始不同层理面试样的应力诱发组构各向异性特征,提出了一个可以考虑初始层理面效应的应力-接触力-组构经验关系式。方法:1.采用离散元团聚颗粒方法构建初始不同层理面定向的数值试样;2.采用傅里叶级数近似法对数值试样细观组构各向异性演化规律进行统计和定量数学分析;3.通过与已有文献数值模拟和室内试验结果的对比,探讨密实颗粒数值试样的单剪特性及非共轴应力-剪胀关系。结论:1.初始层理面定向显著影响数值试样的单剪强度与体变特征,且在定量上能与室内物理试验结果进行对比;2.在单剪受荷模式下,初始层理角越大,非共轴效应越显著;3.随着应力主轴的偏转,颗粒定向各向异性主方向逐渐趋于大主应力面作用方向,而接触法向各向异性的主方向基本垂直于颗粒定向各向异性主方向。4.本文提出的应力-接触力-组构关系式能够较好的反映颗粒定向对试样抗剪强度的影响。     

隧道洞口浅埋偏压富水段施工技术

新建贵广铁路双界顶隧道全长4476米,隧道进口向出口方向设计为8.86‰单面下坡,进口段位于浅埋偏压地段,洞身穿越花岗岩全风化层,全风化层多呈砂土状,围岩富水.因围岩沉降收敛,施工过程中隧道正洞部分地段结构发生较大变形.本文介绍了在这种复杂地质条件下,通过围岩监控量测配合系统支护,合理调整支护参数及施工方法,并在工艺上加以细化,总结出了该类地段的施工方法,对同条件下浅埋偏压富水软岩地段的隧道施工有一定借鉴作用.     

轨道局部缺陷引起的城市轨道交通地面振动——应用动力吸振器作为减振措施（英文）

目的:基于动力吸振器理论提山一种控制城市轨道交通地面振动的有效措施。创新点:1.确定动力吸振器安装在车辆或轨道上的最优位置和动力学参数;2.采用提出的两步分析法真实模拟布鲁塞尔有轨电车在通过轨道局部缺陷时引起的地面振动;3.探明动力吸振器安装在车辆或轨道上对控制地面振动的有效性。方法:1.通过对列车-轨道耦合动力学系统进行模态分解,得山在不同位置安装动力吸振器的最优动力学参数;2.采用所提出的两步法预测不同工况下城市轨道交通的地面振动:首先建立多体车辆与轨道耦合动力学模型,计算作用在土体上的动力作用,然后建立三维土体有限元模型,模拟动力作用引起的地面波传播及周边的地面振动。结论:将动力吸振器安装在车辆上是降低城市轨道交通地面振动的有效措施。     

通过离心模型试验和数值模拟研究地下水位降低对高铁桩基础的影响（英文）

目的:地下水位下降会增大土体的有效应力,使其发生固结沉降,桩基础受到的负摩阻力也随之增加,进而引发桩基显著附加沉降,严重时可能超过高速铁路墩台基础工后沉降控制要求。目前,相关研究多集中于短桩且主要以数值模拟为主,试验研究较少,对长桩的研究更不充分。本文旨在通过联合离心模型试验和数值模拟开展深入分析,揭示地下水位下降对长桩基础的影响。创新点:1.通过离心模型试验和数值模拟,重现地下水位下降过程中不同长度桩基的力学响应;2.获得了桩-土相互作用及桩轴力计算参数β随水位下降的发展规律;3.通过实际工程案例分析,提出了考虑地下水位下降的桩基设计方法。方法:1.通过离心模型试验和自主研发的水位控制系统研究地下水位下降对不同长度桩基的影响;2.结合数值模拟,分析桩基沉降、轴力、摩阻力、群桩效应、参数β等随水位下降的发展规律;3.通过实际工程案例,分析地下水位下降对高速铁路桩基沉降发展的影响,并提出考虑地下水位下降的桩基设计方法。结论:1.地下水位下降会增大桩-土差异沉降,引起摩阻力增长,从而造成桩基下沉。2.桩中性点位置对水位下降不敏感;当水位下降幅值相同时,桩长越长,桩身轴力越大,但轴力增长比呈下降趋势。3.在列车荷载下水位下降不仅会因固结效应增加桩基沉降,还通过增加桩摩阻力改变桩基沉降发展模式。4.在列车循环荷载下,为使桩基沉降发展收敛,桩基承载力须增大60.9%以抵抗地下水位下降2 m的影响。     

沉管隧道碎石垫层力学行为与变形特性试验研究（英文）

目的:目前国内外尚无采用二片石+碎石作为沉管隧道先铺法垫层的先例,且二片石+碎石组合垫层的力学变形特性尚不明确。本文旨在通过室内物理力学模型试验,定量分析二片石及碎石垫层铺设厚度、级配、落管预压荷载量等因素的影响,提出碎石垫层构造方案以及相应的变形模量和承载力等力学指标,以合理确定垫层厚度及可行的施工工艺、准确评估地基刚度偏差、降低淤泥对碎石垫层承载性能的影响以及保证沉管结构的受力安全。创新点:1.提出二片石+碎石组合垫层的力学变形特性;2.提出落管预压荷载的作用以及对垫层性质的影响。方法:1.分别开展二片石和碎石的室内物理力学模型试验,研究二片石与碎石接触面的平整度、颗粒级配、落管预压荷载以及垫层厚度对垫层的物理力学性质的影响,并在此基础上开展二片石+碎石组合垫层的室内模型试验;2.提出碎石垫层构造方案以及相应的变形模量和承载力等力学指标,以提高沉管结构的受力安全。结论:1.在设计荷载作用下,二片石垫层的荷载-位移曲线呈现越压越密的非线性受力特点,而碎石垫层和碎石+二片石垫层的荷载-位移曲线呈现两阶段线性变化;2.二片石垫层顶部的平整密实度对其沉降和压缩模量有很大的影响,因此在施工时需保证二片石垫层顶部的平整密实度;3.级配和厚度对垫层的压缩性影响不明显,而落管预压荷载对提高垫层初始刚度以及降低初期沉降和总体沉降有明显作用;4.对于预压荷载为30k Pa的0.7m二片石+1.0m碎石组合垫层,压缩模量的取值在0～30 kPa段为48.89 MPa,在30～110 kPa段为10.47 MPa。     

不同垫层型式沉箱基础的水平振动特性研究（英文）

目的:沉箱底部垫层型式对基础的水平振动特性有重要影响。本文旨在探讨不同垫层型式(砂垫层或碎石垫层)对沉箱基础水平动力响应的影响规律,并提出简化的沉箱垫层基础水平动力的非线性分析计算方法。创新点:1.针对不同垫层下的沉箱基础开展室内水平稳态振动模型的试验研究;2.建立沉箱垫层基础的非线性分析计算模型;3.建立沉箱垫层基础模型的动力特性与原型沉箱垫层基础动力特性之间的关系。方法:1.通过室内水平稳态振动模型试验研究,得出不同垫层型式对沉箱基础动力特性的影响规律(图11和12);2.通过理论推导,构建激振力大小与基础振动位移幅值及共振频率之间的关系,并建立相应分析模型(公式(3)和(12));3.通过相似理论,分析模型基础与原型基础之间的动力特性关系(表5)。结论:1.静荷载作用下,基础水平荷载-位移曲线近似于刚塑性发展过程,且基础置于砂垫层时的极限荷载比置于碎石垫层的更大;2.沉箱置于砂垫层或碎石垫层上时,随着激振力幅值的增大,由于土体非线性特性的产生,基础振动响应幅值明显增大,且基础的共振频率呈衰减趋势;3.相对于砂垫层,碎石垫层在动力荷载作用下更易产生塑性变形,从而消耗并阻隔部分能量的传递,进而表现出比砂垫层更好的隔震效应。     

SVM颗粒运动形态及其能量耗散的预测分析

基于离散单元法建立了圆柱形颗粒阻尼器的仿真模型,研究了阻尼器内颗粒在不同激振条件下的运动形态及其能量耗散大小。为了获取两者之间的定量关系,应用基于网格搜索法(GS)的支持向量机(SVM)建立了颗粒运动形态的分类预测模型及其能量损耗的回归预测模型,对颗粒运动形态的分布及其能量损耗的大小进行了预测,并通过仿真进行了验证。结果表明:基于GS方法优化的SVM能够建立一个预测准确度很高、推广泛化能力很强的分类和回归预测模型,该预测模型不仅能够很好地揭示颗粒系统在不同运动形态下的能量耗散的变化规律,而且还能在较大的激振条件范围内确定系统能量耗散最大值及对应的运动形态。     

中国铁路轨道系统Ⅰ型板式无砟轨道中水泥乳化沥青砂浆的粘弹性变形分析研究（英文）

目的:作为粘弹性材料,水泥乳化沥青(CA)砂浆的变形依赖于时间,且包含不可恢复变形,使得轨道板与CA砂浆层之间形成离缝,进而影响轨道的结构受力与变形。本文旨在研究CA砂浆在列车荷载作用下、不同初始弹性模量时的粘弹性变形规律,以期为轨道结构的维修养护提供参考。创新点:1.以粘弹性理论与时间硬化率分析方法为基础,拟合得到CA砂浆的时间硬化率特征参数;2.建立基于时间硬化率的中国铁路轨道系统(CRTS)I型板式无砟轨道实体模型,成功模拟了CA砂浆的粘弹性变形过程。方法:1.运用Burgers与四单元五参数粘弹性本构方程,拟合得到CA砂浆的时间硬化率特征参数,并验证该参数的合理性(图5);2.结合现场测试所得钢轨支点压力,统计分析得到有限元模型循环加载的幅值与周期(图11);3.通过仿真模拟,得到CA砂浆在列车荷载作用下、不同初始弹性模量时的粘弹性变形,进而探寻CA砂浆的粘弹性变形规律(图16和17)。结论:1.基于时间硬化率的分析模型能较好地模拟CA砂浆变形行为。2.随着CA砂浆初始弹性模量的增大,CA砂浆在粘弹性变形前后的应变差值逐渐减小,位移差值逐渐增大;位移差值集中于0.2～0.6mm,且变形敏感区域约为板端2.5个扣件间距。3.CA砂浆本身粘弹性特征引起的不可恢复变形是导致CA砂浆层与轨道板之间形成离缝的重要原因之一;在研究CA砂浆变形及损伤时,建议考虑CA砂浆粘弹性行为及其变形特征的不利影响。     

散粒体道床在对称位移循环加载下的纵向阻力性能（英文）

目的:研究散粒体道床在纵向反复荷载下的阻力性能及变化规律是深入理解有砟轨道无缝线路动态服役性能和辨识无缝线路在循环荷载作用下的受力变形机理的基础。本文旨在利用室内足尺试验模型及专用加载系统,分析散粒体道床受循环位移荷载时的纵向阻力性能,探索不同位移加载幅值对有砟道床纵向阻力的影响。创新点:1.利用有砟轨道结构足尺试验模型及循环加载装置,测试循环荷载下的道床纵向阻力-位移滞回曲线;2.根据循环加载试验曲线,构建滞回模型,刻划散粒体道床的纵向承载和传力性能。方法:1.通过试验分析,得到散粒体道床在周期性荷载作用下的力-位移曲线(图6、8和10);2.基于试验数据,分析散粒体道床在周期性荷载下的滞回准则,得到不同位移幅值下滞回曲线的演化规律(图7、9和11);3.通过图像识别技术,对周期性荷载作用下道砟颗粒的运动规律进行分析,从散粒体道床的细观作用机理分析宏观力学表现(图16~18)。结论:1.散粒体道床在循环往复荷载下的纵向阻力-位移曲线为一条封闭的滞回曲线,且存在明显的耗能现象;2.在位移幅值保持不变的循环过程中,散粒体道床表现出一种循环软化行为;3.位移幅值不同,道床纵向阻力的衰减率不同,且位移越大,退化效应越明显。     

吸力式基础设计（英文）

目的:吸力式基础具有投资费用低、施工时间短、无噪音和可重复使用等优点,因此被广泛应用在海洋工程领域。本文针对吸力式基础设计中的关键问题,主要综述现有设计理论,指出理论缺陷,并给出设计建议。创新点:综述砂土、粘土和成层土中吸力式基础的安装、回收、基础承载力、基础沉降和服役性能中的关键科学问题和现有设计理论。方法:1.基于文献报道的现场试验和模型试验,针对吸力式基础安装过程中的沉贯阻力、临界吸力和土塞效应,评估现有设计理论的准确性;2.分析粘土和砂土中吸力式基础的完全排水、完全不排水和部分排水条件下静力和循环承载力计算理论;3.针对吸力式基础的长期服役性能,分析荷载引起的基础变形、固结沉降、循环再固结沉降和极端荷载下的"棘轮效应"。结论:1.现有的吸力式基础安装中沉贯阻力计算理论没有普适性;对于临界吸力的计算,由于没有考虑"土拱效应",理论计算值均低估了安装吸力。2.对于粘土中吸力式基础承载力的计算需要考虑循环作用下土体的强度弱化和基础-土间空隙引起的承载力降低,而砂土中基础承载力计算需要考虑排水条件的影响。3.对于吸力式基础的长期服役性能,特别是基础变形的计算,目前还缺少成熟的计算理论。     

水平偏心受荷群桩的非线性分析（英文）

目的:群桩基础在近海建/构筑物及桥梁中广泛应用,而风、浪、船舶撞击等在群桩基础中产生的水平和扭转荷载往往影响群桩基础的安全。本文旨在提出一套能够计算水平和扭转荷载联合作用下的群桩非线性响应简化分析方法。创新点:1.采用广义p乘子法考虑群桩中各桩水平变形导致的桩-土-桩相互作用;2.建立基于瞬时转动中心的基桩桩头位移关系和承台平衡方程。方法:1.通过理论分析给出基桩桩头位移之间的关系,建立承台平衡方程;2.采用荷载传递模型(p-y和τ-θ曲线)模拟桩周土体非线性响应;3.采用广义p乘子法考虑群桩中各桩水平变形导致的桩-土-桩相互作用,并采用耦合因子计算基桩中推-扭耦合响应;4.通过迭代方法求解各基桩p乘子和群桩响应。结论:1.多组算例均表明本文提出的群桩非线性分析模拟能够较准确地模拟群桩响应,尤其在承台位移较大的情况下;2.广义p乘子能够有效地模拟群桩效应的主要部分;3.模型中的简化公式能够应用于实际工程问题分析。