基于颗粒流的水工混凝土材料宏观力学及细观破坏特征研究

为研究某水库混凝土材料宏、细观力学特征,采用PFC3D颗粒流模拟计算方法,开展了不同掺量的纤维体混凝土模型宏观力学与细观破坏特征分析。研究得到纤维体掺量不影响混凝土模型应力应变走向,且具有四阶段变化特征;当掺量低于1%时,混凝土强度随掺量为递增变化,反之,为递减变化,而峰值应变随掺量变化与强度变化呈相反。混凝土的变形破坏以剪切裂纹为主导,当掺量改变,不影响混凝土张拉裂纹数量,但剪切裂纹在掺量1%模型中为最低。混凝土的裂纹产生具有无序性,但以其中部为裂纹产生根源。混凝土破坏碎片的产生为递进性,即使在峰值应力后阶段,其仍具有承载能力;掺量1%模型破坏碎片尺寸为最小,抵抗裂纹碎片扩展能力最强,能够适配水库各类设施建设。     

基于颗粒流的容重增加对边坡破坏模式影响研究

容重增加可以使边坡达到极限状态，并求得相应的安全系数。为了研究超载对边坡破坏模式的影响，利用颗粒流PFC2D建立了边坡初始模型。在此基础上，设计了容重单次和连续增加1．5、2．0、2．5、3．0、3．5、4．0、4．5、5．0倍两类计算方案。通过分析容重增加每个工况的坡面演替、监测点x方向速度变化曲线等计算结果，发现：对于碎石土边坡容重增加边坡往往发生浅表滑诲，不平衡力较大，但是更容易达到新的稳定状态。容重增加对坡面形态改变存在临界稳定坡角，达到稳定坡角后面增加容重边坡也不会发生破坏。     

渗流的颗粒流细观模拟

本文基于颗粒流理论,运用PFC^2D计算程序的FISHTANK函数库和FISH语言,定义了细观角度概念——流体域,并分别定义了流体域的流动方程和压力方程,将颗粒体与流体域耦合,推导出颗粒流理论显式求解的稳定条件,成功地对土中的渗流进行了模拟,得到了渗流过程中压力和流速的变化规律。结果表明,运用PFC^2D程序模拟的渗流规律符合达西定律,这一结果为PFC^2D在渗流和渗透破坏等方面的深入研究应用提供了一定的理论基础。     

碎石对土石混合体无侧限力学特性影响研究

土石混合体通常是构成库区边坡、滑坡及坝基的主要岩土体材料,其物理力学性质要较一般的土体或岩体更复杂,是目前岩土力学及地质工程界共同面临的难题。通过制备一定含石量的土石混合体试样进行无侧限条件下单轴压缩试验,研究了碎石对土石混合体单轴压缩强度及变形破坏模式的影响;结合数值模拟方法,进一步分析碎石分布对土石混合体整体强度的影响机制。研究成果表明土石混合体的单轴抗压强度及变形破坏特征受含石量及碎石分布的控制,随着含石量的增加,单轴抗压强度降低,破坏模式由单裂纹开裂变为多裂纹开裂破坏,同时裂纹贯通时间有所增加。     

混凝土防渗墙温度应力数值模拟研究

文中基于北方某尾矿库回收水工程,通过对防渗墙采用刚性混凝土和塑性混凝土两种材料情况下的温度应力进行数值模拟计算,探讨了北方寒冷地区混凝土防渗墙温度应力在墙体的分布情况及对墙体结构的影响,提高了工程运用安全性,工程取得了预期效果,可为类似工程提供借鉴。     

滑坡渐进破坏运动过程的颗粒流仿真模拟

采用颗粒流离散元模拟滑坡的变形破坏全过程,不需要假定滑动面的位置和形状,颗粒根据所受到的接触力调整其位置,最终从抗剪强度最弱面发生剪切破坏。白河滑坡是受强降雨影响诱发的上部顺层、下部微切层的大型古基岩滑坡,滑坡的发生是其独特内外因共同作用的结果。据现场调查资料,总结了滑坡的成因与形成机制。运用基于离散元法的颗粒流（PFC）程序,引入平行粘结模型,通过数值模拟,确定滑带土细观参数与宏观力学性质的关系;据此建立滑坡模型;然后,运用颗粒流离散元法对滑坡运动渐进全过程进行数值模拟,对滑坡不同关键部位进行位移、孔隙率变化及应变监测,阐明其渐进发展过程,明确其时空演化规律。模拟结果表明：上部的土体沿基岩面先出现开裂,导致中部滑体产生剪胀,对下部古滑体产生推挤作用,导致新老崩积堆积区及白河中学食堂地区的失稳,形成整体滑动。通过对白河滑坡发生→发展→破坏的动态演化模拟,可为工程决策提供理论依据。     

入模和养护温度对水工混凝土强度的影响研究

研究以养护温度(-5℃、20℃)、入模温度(5℃、10℃、15℃、20℃)以及引气剂掺量(0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%)为变量,试验探讨水工混凝土强度受各因素的影响作用。结果表明：混凝土同龄期抗压强度随引气剂掺量的增加均呈逐渐下降趋势,抗压强度与入模温度存在正相关性,各龄期强度均在20℃最高,5℃最低;同龄期强度离散性受养护温度的影响显著,早期标养高于负温养护的强度离散性,后期则表现出相反特征;标养条件下同一配比试件强度约为负温养护时的1.2～1.5倍,负温养护呈现出明显的龄期滞后特征。     

土石混合体单轴压缩试验的三维颗粒流数值模拟

为探究不同含石量土石混合体在单轴压缩荷载下的变形破坏机理,在不规则颗粒三维离散元精细建模技术的基础上,提出了一种不规则块石三维离散元模型随机生成技术,并建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维颗粒流数值模型。进行了低、中、高不同含石量(0,10%,30%,50%,70%,90%)的土石混合体单轴压缩试验颗粒流数值模拟,获得了各种含石量的土石混合体在单轴压缩荷载下的应力应变特征和变形破坏特征,并对其变形破坏的细观机理进行了深入的分析探讨。结果表明:随着含石量的增加,土石混合体试样单轴抗压强度和弹性模量随之减小;中低含石量(0,10%,30%,50%)土石混合体的应力-应变曲线表现出典型的应变软化特征,而高含石量(70%,90%)土石混合体在达到峰值应力后表现出一定程度的塑性流动特征;中低含石量土石混合体试样中形成的微裂纹主要是张拉裂纹,宏观上表现出来的是拉裂破坏,而高含石量土石混合体试样中微裂纹很少,主要是剪切裂纹,宏观上表现出来的是剪切破坏。     

节理接触面积和厚度对应力波传播特性影响的颗粒流数值模拟

节理最重要的两个参数是接触面积和厚度,应用ＰＦＣ2Ｄ颗粒流软件开展了节理岩体动力特性的数值模拟,研究了节理接触面积和节理厚度对应力波传播特性的影响。通过比较模拟参数和实际参数证实ＰＦＣ2Ｄ有能力模拟应力波的传播特性。然后考虑到纵波在无节理情况下也存在衰减,进行了模拟分析。最后将模型分成两组节理厚度,每组都有不同的节理接触宽度比例。最终通过对颗粒流模型的计算分析得出:无节理情况下纵波在各向同性岩体中存在线性衰减特性;节理的接触宽度比例的减少会使纵波的传播率减少;节理的厚度越大,纵波的传播率越小。     

不同取芯温度对心墙沥青混凝土性能影响分析

结合某工程沥青混凝土心墙碾压试验,通过在不同温度钻芯取样进行其物理、力学性能试验。结果表明:碾压温度较高时,同一碾压层沥青混凝土产生一定程度离析,上部密度和理论最大相对密度均小于下部的现象;不同温度下钻取芯样的密度和孔隙率均有差异。当取芯温度为20、30、40℃时,单轴抗压强度与弯曲强度随取芯温度的增加变化不明显,取芯温度为50℃时,单轴抗压强度和弯曲强度均下降较多。     

双轴受压混凝土动态力学特性及破坏准则研究

利用动静力三轴试验机进行不同加载速率、不同侧向压力下300 mm立方体混凝土的抗压试验,并对所得试验数据进行力学参数分析,在此基础上,建立考虑动态加载速率的K-G破坏准则并对其适用性进行了验证。验证分析结果表明:应变速率越低,侧压对混凝土峰值应力的增益作用越明显;混凝土峰值应变随应变速率增加,大致呈先减后增趋势;峰值应变随侧压的增大而增大, 侧压对峰值应变的影响在应变速率较低时更明显;随应变速率的增大,混凝土弹性模量呈先增后减趋势;侧压对混凝土弹性模量的影响不明显;建立的改进后的K-G准则对动态双轴受压模型描述效果好,而且该模型同时也适用于100和300 mm混凝土立方体的单向和双向应力状态。     

高温后不同冷却方式对混凝土力学特性的影响

针对50块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方体试件进行高温后不同冷却方式下力学性能试验研究,分析常温(20℃)、200、400、600、800℃这5种不同温度下自然、喷水冷却对杨氏模量、抗压强度、峰值应力等力学性能的影响,此外还探讨了高温后不同冷却方式试件的质量损失、破坏形态。研究结果表明:随着温度升高,两种冷却方式试件的质量损失率逐渐增大,喷水冷却试件质量损失比自然冷却试件小,纵波波速、杨氏模量和抗压强度均呈降低趋势,温度超过400℃以后,喷水冷却试件的降低幅度更大;同时随着温度的升高,应力-应变曲线的峰值应力显著降低,所对应的峰值应变明显增加,弹性阶段曲线斜率显著降低。     

邻近斜坡沉桩挤土效应颗粒流数值模拟

邻近斜坡沉桩问题近年来在工程实践中经常遇到,由此引发的工程事故时有发生。由于沉桩边界条件的非轴对称特性,理论分析方法精确求解会遇到较多困难。本文采用离散单元法二维颗粒流程序(PFC2D),克服传统的连续介质力学模型的宏观连续性假设,研究沉桩过程中斜坡土体的挤土位移场变化规律。结果表明:随着桩体的不断沉入,斜坡挤土位移影响范围越来越大,斜坡土体的位移模式也不断发生变化;紧邻桩身以及靠近桩端范围内的土体,在桩体径向挤压以及桩侧摩擦的共同作用下,产生了向下的位移,而桩身一定距离以外的土体,受地表及倾斜自由边界的影响,表现为竖向隆起位移;当沉桩至斜坡底面以下深度时,后续沉桩对斜坡的挤土位移影响不大。     

颗粒级配对微生物固化砂土力学性能的影响

土体的颗粒级配不同,其微生物固化效果也可能存在一定的差别。将颗粒粒径范围为0.074~2.000 mm的砂土分成颗粒级配良好与颗粒级配不良4组,分别测试了固化后砂样的无侧限抗压强度、渗透系数、孔隙率,碳酸钙沉淀量,从宏观角度对比了颗粒级配对微生物固化砂土的物理力学性质影响。同时,结合电镜扫描,从微观角度分析了颗粒级配对微生物固化砂土的影响机制。研究结果表明：相比于颗粒级配不良的砂土,颗粒级配良好的砂土碳酸钙沉淀量与均匀性更好,孔隙率与渗透系数更小,从而增加了试样的无侧限抗压强度。这是因为级配良好的砂土自身含有更优的粗细颗粒组,可提供更多有利于生成碳酸钙的沉积位置,生成的碳酸钙更加致密,强度更高。     

Influence of shrinkage-reducing admixture on drying shrinkage and mechanical properties of high-performance concrete

High-performance concrete （HPC） has specific performance advantages over conventional concrete in strength and durability. HPC mixtures are usually produced with water/binder mass ratios （mW/mB） in the range of 0.2-0.4, so volume changes of concrete as a result of drying, chemical reactions, and temperature change cannot be avoided. For these reasons, shrinkage and cracking are frequent phenomena. It is necessary to add some types of admixture for reduction of shrinkage and cracking of HPC. This study used a shrinkage-reducing admixture （SRA） for that purpose. Concrete was prepared with two different mW/mB （0.22 and 0.40） and four different mass fractions of SRA to binder （w（SRA） = 0%, 1%, 2%, and 4%）. The mineral admixtures used for concrete mixes were： 25% fly ash （FA） and 25% slag by mass of binder for the mixture with mW/mB = 0.40, and 15% silica fume （SF） and 25% FA for the mixture with mW/mB = 0.22. Tests were conducted on 24 prismatic specimens, and shrinkage strains were measured through 120 days of drying. Compressive strength, splitting strength, and static modulus of elasticity were also determined. The results show that the SRA effectively reduces some mechanical properties of HPC. The reductions in compressive strength, splitting tensile strength, and elastic modulus of the concrete were 7%-24%, 9%-19%, and 5%-12%, respectively, after 90 days, compared to concrete mixtures without SRA. SRA can also help reduce drying shrinkage of concrete. The shrinkage strains of HPC with SRA were only as high as 41% of the average free shrinkage of concrete without SRA after 120 days of drying.     

循环荷载作用下土工格栅剪切特性的颗粒流细观分析

以循环荷载作用下土工格栅与砂土的直剪室内试验结果为基础,对法向循环荷载作用下筋土直剪过程进行三维颗粒流模拟,开发CLUMP颗粒板替代顶墙施加法向循环荷载,并与静载作用结果相对比,分析筋土界面宏细观参数演化规律及其对应关系,深入探讨筋土剪切特性的宏细观机理。与室内试验只能宏观探讨筋土界面的力学性质相比,数值试验可以从宏细观角度分析土工格栅在直剪试验中筋土作用特性,研究结果表明：离散元PFC数值试验可以较好的再现筋土界面作用特性。相较静载作用情况,法向循环荷载使得试样上部区域和筋土界面区域颗粒位移明显增加,循环荷载峰值谷值交替出现,筋土界面区域孔隙率呈现波动变化,颗粒旋转明显,滑动比较大。随着土工格栅埋深的增加,法向循环荷载影响逐渐减弱,筋土界面剪应力峰值上升,循环荷载弱化了土工格栅的加筋作用。循环荷载作用下土工格栅与土颗粒的咬合力以及颗粒间的静摩擦阻力、滑动摩擦阻力、滚动摩擦阻力是形成土工格栅加筋作用的主要原因。     

循环荷载作用下土工格栅剪切特性的颗粒流细观分析

以循环荷载作用下土工格栅与砂土的直剪室内试验结果为基础,对法向循环荷载作用下筋土直剪过程进行三维颗粒流模拟,开发CLUMP颗粒板替代顶墙施加法向循环荷载。与静载作用室内试验结果相对比,数值试验可以从宏细观角度分析土工格栅在直剪试验中筋土作用特性。研究结果表明:离散元PFC数值试验可以较好地再现筋土界面作用特性。相比静载作用情况,法向循环荷载使得试样上部区域和筋土界面区域颗粒位移明显增加,循环荷载峰值谷值交替出现,筋土界面区域孔隙率呈现波动变化,颗粒旋转明显,滑动比较大。随着土工格栅埋深的增加,法向循环荷载影响逐渐减弱,筋土界面剪应力峰值上升,循环荷载弱化了土工格栅的加筋作用。循环荷载作用下土工格栅与土颗粒的咬合力以及颗粒间的静摩擦阻力、滑动摩擦阻力与滚动摩擦阻力是形成土工格栅加筋作用的主要原因。     

全级配混凝土冻融循环后单轴动态抗压性能试验研究

为研究冻融及动力作用对全级配混凝土单轴抗压性能的影响,对全级配混凝土进行不同冻融循环次数(0、25、50、75、100次)的冻融循环试验及不同应变速率(10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s)的单轴动态抗压试验。实测了全级配混凝土经历不同冻融循环次数后的质量损失、损伤形态,以及不同应变速率下全级配混凝土的单轴动态极限抗压强度、应力-应变关系曲线。研究结果表明:全级配混凝土质量损失率与冻融循环次数呈二次曲线关系;在相同应变速率下,全级配混凝土单轴动态极限抗压强度随冻融循环次数的增加而降低;在相同冻融循环次数下,全级配混凝土单轴动态极限抗压强度随应变速率的增大而提高。对试验结果分析的基础上,建立了综合考虑冻融循环次数与应变速率影响的全级配混凝土的统一破坏准则,可为水工建筑物的设计、维修等提供试验及理论依据。