基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究

基于三维变形体离散单元法,模拟堆石体的真三轴试验,研究堆石体在三向不等应力状态下的强度和变形特性。真三轴数值试验装置采用六刚性板加荷方式,等中主应力比路径加载。数值试验结果表明：真三轴数值试验能较好反映堆石体在三向不等应力状态下的应力和变形规律,数值模拟得到宏观应力变形特性与试验规律相似;等中主应力比参数的大小对堆石在三向应力状态下应力和强度特性有显著的影响,堆石体在 3 个加载方向的变形也随该参数的变化而变化,应力比参数从 0 到 1 变化过程中中主应变方向先压缩后膨胀,小主应变方向一直处于压缩状态;堆石体的内摩擦角随着值的增加而增大,基本符合 Lade-Duncan 破坏准则;在细观层面上,围压越高,值越大,颗粒配位数越大; 加载过程中,颗粒接触法向和法向接触力各向异性程度加强,各向异性主方向角由水平向转向大主应变方向,试样各向异性系数的演化规律和试样的宏观应力变形曲线相对应,试样的宏观力学特性与细观组构存在内在的关联。     

堆石体应力变形细观模拟的随机散粒体不连续变形模型及其应用

 从细观角度建立堆石体的随机散粒体不连续变形(SGDD)模型,该模型采用蒙特卡罗法建立堆石体的随机分布模型,通过基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触作用,可以有效模拟颗粒相互作用及尖端破坏等因素。对堆石体三轴试样进行细观数值模拟和试验验证,再现了堆石体内部的颗粒运动变形规律。数值计算结果表明,SGDD模型能够较好地反映堆石体试验的瞬时变形规律。对室内试验缩尺效应进行探讨,采用试验级配与真实级配的2组三轴堆石体试样,运用SGDD模型进行对比分析。计算结果表明,在没有考虑堆石体流变和湿化的条件下,采用原始级配的SGDD模型在相同的应力水平和围压下表现出较小的变形。     

颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响

基于三维变形体离散单元法对堆石体进行细观研究,采用随机模拟技术生成堆石体三维数值试样,模拟其常规三轴剪切试验,研究堆石体颗粒形状及粒间摩擦系数对宏观力学性能的影响,揭示其细观组构和细观力学参数与堆石体宏观特性的关联性,建立细观力学参数与宏观力学参数的相关关系。数值模拟结果表明：颗粒形状对堆石体宏观特性影响明显,颗粒的长短径比越大,数值试样的峰值强度和残余强度均明显增大,峰值强度对应的轴向应变也逐渐增大,而数值试样的初始模量有所减小;在细观层面上,颗粒的长短径比越大,颗粒的接触法向向加载方向倾斜越明显,接触法向的各向异性程度越大;粒间摩擦角对堆石体宏观特性的影响显著,随着粒间摩擦角的增大,峰值强度明显增大和初始模量均明显增大,数值试样在剪切时的体积收缩量也有所增大,反映了堆石颗粒间的相互作用对颗粒体骨架的宏观力学行为的影响。     

三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质

基于三维离散单元颗粒流理论,引入了在极限剪力状态下颗粒间可以发生滑动的接触本构模型,建立颗粒体试样,并赋予颗粒相应的细观结构参数进行无黏结摩擦材料的三维应力应变数值模拟。通过大量的颗粒流数值试验,从细观力学角度对砂土的工程力学特性进行了初步的模拟研究。对砂土的室内常规三轴试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下三维颗粒体试样与室内三轴的应力应变关系曲线,基本再现了试样的加载曲线。通过进一步分析颗粒细观结构参数变化对组成材料的宏观力学的影响及其剪切位移场的形成和发展规律,结果表明颗粒介质之间的摩擦系数、颗粒组成材料的孔隙率对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。研究的意义在于理想的颗粒流数值模拟试验能够突破常规的室内土工试验能力及其局限性,对于砂土的细观结构的影响研究成为可能,并且揭示了微观的一些规律,对今后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考。     

基于非线性接触本构的颗粒材料离散元数值模拟

在考虑颗粒间细观非线性接触关系的基础上,基于空隙胞元法,采用颗粒离散元法对二维颗粒体试样进行了平面应变数值模拟。颗粒间接触用广义弹簧单元表示,相邻颗粒接触点的塑性变形用非线性弹簧表示。在准静态、小变形条件下,研究了试样的微观织构变化和宏观力学行为。单个空隙胞元的变形通过周围颗粒的相对运动来计算,将离散系统中的变形与连续体中的相应变形联系起来,应用于颗粒离散元方法中平均应力的计算。文中给出了细观尺度上局部织构(通过空隙数,接触价键,配位数来表征)的变化过程,对比了不同情况下的应力–应变关系曲线,再现了试样的加卸载曲线。结果表明了颗粒介质之间的咬合作用对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。     

脆性硬岩CWFS强度准则模型等效塑性参数优化研究

 为探究适应脆性硬岩加载破坏的强度准则,以杏山铁矿混合花岗岩为对象,根据室内试验获得岩石物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴(?3 = 40 MPa)刚性加载试验进行模拟。通过岩石全应力–应变试验与模拟曲线、AE声发射与裂纹监测成果等综合比较研究,获得荷载作用下混合花岗岩细观力学特性及微宏观破裂演化规律。在此基础上,结合岩石单轴刚性加载试验曲线,裂纹数、摩擦力能量与轴向应变关系曲线,以及FLAC模拟,对脆性硬岩黏聚力弱化–摩擦力强化(CWFS)强度准则模型参数进行优化研究与验证。获得杏山铁矿混合花岗岩CWFS强度准则模型参数：初始黏聚力为23 MPa,残余黏聚力为4.3 MPa,初始摩擦角为0°,残余摩擦角为46.3°,临界塑性应变 , 分别为0.001 5,0.003 7。该研究成果对杏山铁矿露天转地下开采围岩体破坏机制和力学本构关系研究和工程稳定性分析等具有重要的意义。     

大理岩破坏过程的三维细观弹塑性损伤模拟研究

为了考虑岩石细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出细观弹塑性损伤模型,采用有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。提出细观破坏单元网格消去法,利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;模拟二维、三维大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏试验,得到岩石非线性应力–应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明,三维破裂比二维破裂更为复杂,本文所建模型可以有效地模拟岩体的三维破坏过程。     

堆石体修正Rowe剪胀方程与南水模型

在分析堆石体三轴试验成果的基础上,探讨了堆石体的体积变形特性,提出了形式简洁的堆石体修正Rowe剪胀方程。将所建立的修正Rowe剪胀方程引入到沈珠江院士提出的"南水模型",克服了该模型由于采用体变–轴向应变抛物线假设所带来的一些缺陷。应用堆石体常规三轴试验和典型复杂应力路径三轴试验成果对修正后模型的合理性进行了验证。     

人工模拟堆石料颗粒破碎应变的三轴试验研究

高应力作用下堆石料的颗粒破碎严重,其对堆石体变形的影响不可忽视。采用水泥净浆浇筑不同粒径和不同强度椭球颗粒的方法,探讨了一种人工模拟堆石料的制备方法。通过系列的三轴试验研究了不同破碎率情况下模拟堆石料应力变形和破碎体应变的特性。结果表明,试验中相对破碎率同颗粒强度和围压力的相对大小直接相关。颗粒破碎对堆石体的应力应变特性具有十分重要的影响。堆石体的破碎体应变均为正值,且随轴向应变的增加而增大,两者近似呈双曲线关系。破碎体应变和破碎率之间存在近似的幂函数关系。     

锚杆加固散粒体的作用机制研究

采用细观数值模拟的方法研究岩土工程中散粒体锚杆加固的作用机制,基于随机模拟技术建立加锚散粒体的三维随机颗粒模型,采用颗粒形状系数控制颗粒表面的不均匀起伏程度,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒之间、颗粒与锚固体、颗粒与承托结构的相互接触,颗粒的物理力学性质服从Weibull概率分布,采用细观损伤软化模型描述颗粒的变形和破碎。分别建立散粒体和加锚散粒体的三轴数字试样,采用位移加载来进行不同围压下的常规三轴剪切试验,研究不同加锚密度对散粒体工程力学特性的影响。数值模拟结果表明:锚杆加固的作用机制为锚固体与颗粒紧密接触、相互咬合形成摩擦阻力,承托结构形成对颗粒体的径向助力,锚杆与其附近的颗粒形成锚固区;锚杆加固能显著提高散粒体的抗剪强度和整体性,峰值主应力差提高37.8%～88.8%,初始模量提高37.4%～93.2%,内摩擦角提高13.3%～24.2%。     

随机路网的行程时间可靠性

分析了随机路网中行程时间的随机变动 ,并重新定义了行程时间可靠性。将OD交通量和路段通行能力作为离散随机变量 ,基于用户平衡分配模型 ,用近似算法求解行程时间可靠性。用一个简单的例子对算法进行了说明     

Vehicle axle load identification on bridge deck with irregular road surface profile

The vehicular axle load on top of a bridge deck is estimated in this paper including the effect of the road surface roughness which is modeled as a Gaussian random process represented by the Karhunen-Loève expansion. The bridge is modeled as a simply supported planar Euler-Bernoulli beam and the vehicle is modeled by a four degrees-of-freedom mass-spring system. A stochastic force identification algorithm is proposed in which the statistics of the moving interaction forces can be accurately identified from a set of samples of the random responses of the bridge deck. Numerical simulations are conducted in which the Gaussian assumption for the road surface roughness, the response statistics calculation and the stochastic force identification technique for the proposed bridge-vehicle interaction model are verified. Both the effect of the number of samples used and the effect of different road surface profiles on the accuracy of the proposed stochastic force identification algorithm are investigated. Results show that the Gaussian assumption for the road surface roughness is correct and the proposed algorithm is accurate and effective.     

长江堤防三维随机渗流场研究

给出分析各向异性非均质稳定随机渗流场问题的三维有限元模型;结合实际工程问题,统计分析长江荆南干堤土性参数的分布特征,通过Kolomogorov-Smirnov统计检验表明,渗透系数呈高斯分布假设可以接受。通过对长江荆南干堤随机渗流场的三维有限元统计模拟的数值分析,研究长江荆南干堤渗流场的各种随机特性,并进一步对随机模拟结果进行统计检验,验证模拟结果的合理性。在实际的分析研究中把上下游水位的随机波动引入三维有限元的随机分析模型,分析上下游水位的变异性对渗流场矢量的随机干扰和边界条件的随机性对随机渗流场分析结果变异性的影响。在此基础上进一步考虑施加诸如垂直截渗墙、下游导渗沟等抗渗措施后其作为复杂边界条件的扰动,在与场内土性参数的变异性共同影响下,对渗流场水头势分布的随机干扰特性,并与相应的确定性稳定渗流场问题的结果对比,证实随机渗流场研究的必要性、可行性及实用性,实现对长江荆南干堤的三维渗流场的较为全面的随机场模拟及特性分析,分析得到的结论通过统计检验并结合实测工程数据对照证明是可靠的,所研制的程序是适用的。     

随机结构非线性地震反应仿真分析

利用仿真技术分析研究了具有随机本构参数的混凝土框架结构的地震反应 ,提出二重随机模拟的概念 ,建议了一类随机结构非线性随机模拟算法。研究结果表明 :当考虑混凝土本构关系的固有离散性时 ,混凝土结构的地震响应会出现大幅度的随机涨落行为。这种随机涨落对于结构的内力分布具有显著影响 ,进而导致结构塑性铰分布的不可精确预测特征。对于复杂结构的分析 ,应注意混凝土材料本构关系随机性的影响。     

单桩承载力可靠度的非线性摄动随机有限元分析

针对岩土工程中的Duncan-Chang非线性本构模型，提出了二阶非线性摄动随机有限单元法的计算方法。编制了相应的程序。在分析计算中，将随机土性分布参数模拟为轴对称随机场，对随机场的选择方法，随机场的局部平均离散法技术等进行了研究。给出了计算和组集相关随机变量自协方差矩阵的方法。推导出切线弹性矩阵的一阶和二阶偏导数，给出了总体刚度矩阵的偏导矩阵和组集方法，提出了单桩承载力二阶矩的非线性随机有限单元分析方法，研究了土性参数空间变异性和荷载变异性对单桩承载力可靠度指标的影响，并进行了实例计算，研究表明，非线性随机有限元法是研究单桩承载力可靠度的有效方法。     

Information Theory for Generation of Accelerograms Associated with Shock Response Spectra

Abstract: In structural dynamics, the specification of the transient loads applied to equipment (or to secondary subsystems) consists of a given shock response spectrum (SRS). The transient dynamical analysis of such equipment is performed using a computational nonlinear dynamical model. A generator of accelerograms satisfying the given SRS is then required. Information theory is used to solve this challenging inverse problem that has been looked at by others but not in the way presented. The maximum entropy principle is used to construct the probability distribution of the nonstationary stochastic process for which the available information is constituted of the mean SRS and additional information on the variance. A random generator of independent realizations of the nonstationary stochastic process is developed using a new algorithm based on the stochastic analysis. The method presented is validated with an example.     

Stochastic seismic analysis of Kömürhan Highway Bridge with varying material properties

Stochastic seismic finite element analyses of the Kömürhan Bridge, the material properties of which are described by random fields, are presented in this paper. The stochastic perturbation technique and Monte Carlo simulation (MCS) method are used in the analyses. A summary of MCS and perturbation-based stochastic finite element dynamic analysis formulation of the structural system is given. The Kömürhan Bridge, located on the 51st km of Elaz??-Malatya highway in the east of Turkey, was chosen as a numerical example. The Erzincan earthquake in 1992 was considered a ground motion, since it took place in the vicinity of the bridge. The material properties were considered to be random variables. During the stochastic analysis, displacements and internal forces of the bridge under consideration were obtained using the perturbation-based stochastic finite element method (SFEM), as well as the MCS method. The selected random variables were elastic modulus and mass density. The efficiency and accuracy of the proposed SFEM algorithm were validated through comparison with results of the MCS method.     

Reliability assessment of reinforced concrete structures based on random damage model

A stochastic model is developed to describe the fracture behaviour of concrete fibres at micro-level, and a probabilistic relation between the fibre strain and the concrete damage variable is established. In this context, the concrete damage evolution can be quantified by two representative random variables. In this regard, the number of random variables employed in potential reliability assessment studies can be greatly reduced. The accuracy of the proposed method is verified by comparing the first- and second-order moments of the stochastic damage evolution with the corresponding closed form solutions. Further, the proposed method is applied to the non-linear analysis and reliability assessment of a five-story reinforced concrete frame, and the results show that it is quite efficient for stochastic response determination and reliability evaluation of complex structures.