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Discrete numerical modeling of granular materials considering crushability

Journal of Mountain Science 2017年第4期14卷 758-770页

作者： qian jian-gu gu jian-bo gu Xiao-qiang HUANG Mao-song Key Laboratory of Geotechnieal and Underground Engineering of Ministry of Education Tongji UniversityShanghai 200092China Department of Geotechnical Engineering Tongji UniversityShanghai 200092China

The aim of this study is to numerically investigate the influence of particle breakage on the mechanical behavior of granular materials using a discrete element method(DEM). To enable particle crushing, non-crushable elementary particles are boned together to represents the granular aggregates which can be crushed when the external force exceeds its strength. The flaw of the aggregate was also modeled by randomly distributed void. Single particle crushing tests were carried out to determine the distribution of particle strength. The results of single particle crushing tests illustrate that the simulated single particle fracture strength and pattern agree well with the Weibull's distribution *** oedometer tests, drained monotonic and cyclic triaxial tests were also carried out to investigate the crushing of the aggregates and the associated mechanical behaviors. The effect of confining pressure on the crushing of aggregates and the mechanical behavior was also analyzed. It was found that the peak stress and dilation decrease significantly when particle crushing was *** deformation behavior of the specimen is essentially controlled by two factors: particle rearrangement-induced dilation and particle crushing-induced contraction. The increase of permanent strain and the reduction of dilation were observed during cyclic loading and they tend to reach a stable state after a certain number of cycles. The crushing of aggregate is most significant in the first two cycles. The results also indicated that for the same axial strain the volumetric strain and the bound breakage in the cyclic loading tests are significantly larger than that in the monotonic loading tests,especially at high cyclic stress ratio.

关键词： DEM simulation Granular materials Crushing Monotonic and Cyclic triaxial test

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Anisotropic characteristics of granular materials under simple shear

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Journal of Central South University 2013年第8期20卷 2275-2284页

作者： qian jian-gu YOU Zi-pei HUANG Mao-song Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education (Tongji University) Shanghai 200092 China Department of Geotechnical Engineering Tongji University Shanghai 200092 China

The discrete element method was used to investigate the microscopic characteristics of granular materials under simple shear loading conditions. A series of simple tests on photo-elastic materials were used as a benchmark. With respect to the original experimental observations, average micro-variables such as the shear stress, shear strain and the volumetric dilatancy were extracted to illustrate the performance of the DEM simulation. The change of anisotropic density distributions of contact normals and contact forces was demonstrated during the course of simple shear. On the basis of microscopic characteristics, an analytical approach was further used to explore the macroscopic behaviors involving anisotropic shear strength and anisotropic stress-dilatancy. This results show that under simple shear loading, anisotropic shear strength arises primarily due to the difference between principal directions of the stress and the fabric. In addition, non-coaxiality, referring to the difference between principal directions of the strain rate and the stress, generates less stress-dilatancy. In particular, the anisotropic hardening and anisotropic stress-dilatancy will reduce to the isotropic hardening and the classical Taylor’s stress-dilatancy under proportional loading.

关键词： simple shear discrete element method anisotropy non-coaxiality

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水锤作用下饱和地基蓄排水隧道的动力响应

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岩土力学 2024年第12期45卷 3802-3814页

作者：黄超钱建固同济大学地下建筑与工程系同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室新疆大学建筑工程学院

针对饱和土地基中深埋蓄排水隧道在水锤作用下的三维动力响应问题，建立了流体-衬砌-饱和土地基系统的频域有限元与边界元耦合模型。隧道内流体视为无黏性、微可压缩性流体，将隧道衬砌结构模拟为弹性介质，用弹性多孔介质模拟饱和土地... 详细信息

针对饱和土地基中深埋蓄排水隧道在水锤作用下的三维动力响应问题，建立了流体-衬砌-饱和土地基系统的频域有限元与边界元耦合模型。隧道内流体视为无黏性、微可压缩性流体，将隧道衬砌结构模拟为弹性介质，用弹性多孔介质模拟饱和土地基。采用频域有限元法分别求解隧道内流体和衬砌的动力控制方程；采用频域边界元方法求解饱和土地基的动力控制方程。基于流体-衬砌接触面和衬砌-饱和土地基接触面的位移一致、面力平衡及完全不透水边界条件，实现了频域有限元与边界元模型的耦合求解。与以往研究的对比验证了新建模型的正确性。利用该模型计算了蓄排水隧道在水锤作用下的内水压（水锤荷载）和周边饱和土体的位移及孔隙水压力响应。结果表明：（1）水锤作用下的动力响应呈现出显著的周期性和衰减性；（2）土体径向位移幅值显著大于轴向位移幅值；（3）将地基简化为单相弹性介质会导致动力响应评估不准确；（4）水锤作用会对隧道周边广大的区域内造成显著的影响；（5）土体的渗透性越差，隧道内流体压力、土体位移和孔隙水压力的峰值越小。

关键词：水锤蓄排水隧道有限元-边界元饱和土动力响应

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基坑开挖诱发周围土体水平移动的解析解

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岩土力学 2016年第12期37卷 3380-3386页

作者：钱建固周聪睿顾剑波同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

基于位移-位移平面应变边值问题,从理论上求解基坑挡墙水平变位诱发墙后周围土体水平移动。通过镜像映射法求得了挡墙平移与绕墙趾转动等两种基本刚性挡墙位移模式下墙后周围土体水平移动的精确理论解;在土体不可压缩的特定条件下,将该... 详细信息

基于位移-位移平面应变边值问题,从理论上求解基坑挡墙水平变位诱发墙后周围土体水平移动。通过镜像映射法求得了挡墙平移与绕墙趾转动等两种基本刚性挡墙位移模式下墙后周围土体水平移动的精确理论解;在土体不可压缩的特定条件下,将该理论解与经典的汇-源理论解进行了对比验证。理论分析表明,周围土体水平移动主要取决于挡墙位移模式及位移大小,与地基土的变形模量无关。针对不可压缩土体,对比该精确解与汇-源理论近似解的理论预测发现,两种理论方法求得的周围土体水平移动规律一致,但在挡墙最大变位处相邻范围内,汇-源理论求得的土体水平位移偏小,在挡墙变位较小处相邻范围内,汇-源理论求得的土体水平位移偏大。

关键词：基坑开挖挡墙周围土体水平移动被动桩解析解

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基坑挡墙变位诱发地表沉陷的模型试验研究

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岩土力学 2015年第10期36卷 2921-2926页

作者：张戎泽钱建固同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

针对刚性挡墙不同变位模式,对基坑开挖过程中地表沉陷规律进行模型试验研究。开展的模型试验分别模拟了挡墙在平移(T模式)、绕墙趾转动(RB模式)和绕墙顶转动(RT模式)3种基本刚性变位模式下诱发的墙后地表沉陷,得到了土体沉陷曲线的分布... 详细信息

针对刚性挡墙不同变位模式,对基坑开挖过程中地表沉陷规律进行模型试验研究。开展的模型试验分别模拟了挡墙在平移(T模式)、绕墙趾转动(RB模式)和绕墙顶转动(RT模式)3种基本刚性变位模式下诱发的墙后地表沉陷,得到了土体沉陷曲线的分布规律。结果表明,挡墙平移时,墙后地表沉降呈勺型分布,最大沉降紧靠墙背处;挡墙绕墙趾转动时,墙后地表沉降近似呈三角形分布,最大沉降紧靠墙背处;挡墙绕墙顶转动时,墙后地表沉降近似呈抛物线分布,最大沉降位于距墙背一定距离的位置处。挡墙变位距离相同时,对于绕墙趾和绕墙顶转动模式,墙后土体沉陷的面积基本相等,两者沉陷面积之和近似等于平移模式的土体沉陷面积,另外,挡墙变位面积与墙后土体沉陷面积也近乎一致。将试验观察的沉陷曲线与既有的解析解作了对比分析,验证了二者的一致性。

关键词：基坑开挖刚性挡墙地表沉陷挡墙变位模式模型试验

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柔性路面结构设计的动力安定下限理论与分析方法

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交通运输工程学报 2023年第4期23卷 45-59页

作者：钱建固戴浴晨同济大学土木工程学院上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

为研究长期交通荷载作用下柔性路面路基的力学响应与服役性能,回顾了安定理论在柔性路面路基设计过程中的研究现状、存在问题及前沿进展,阐释了经典上限、下限动力安定理论的基本原理及其在交通岩土工程领域的应用与发展现状,阐述了下... 详细信息

为研究长期交通荷载作用下柔性路面路基的力学响应与服役性能,回顾了安定理论在柔性路面路基设计过程中的研究现状、存在问题及前沿进展,阐释了经典上限、下限动力安定理论的基本原理及其在交通岩土工程领域的应用与发展现状,阐述了下限安定的判别准则与数值分析方法;结合人工边界-动力有限元案例揭示了交通移动荷载作用下路面-路基系统的动力响应,讨论了材料横观各向同性、轮-路摩擦等因素对道路结构动力安定性的影响规律。分析结果表明:交通荷载作用下道路结构的动力效应对安定极限有重要影响,下限安定极限水平随车辆移动速度的增大而降低,当移动速度增至结构体系的Rayleigh波速时,道路结构体系的安定极限降至最低;路基材料力学属性与各向异性程度、轮-路摩擦因数等因素对柔性道路结构的下限动力安定极限也有重要影响;道路结构体系的下限动力安定极限随结构上层与下层弹性模量比的增加先增大后减小;对应最大安定极限的最优模量比表明安定极限临界位置从下层路基向上层路面的转变;考虑水平向摩擦时,轮-路摩擦因数的增大会明显降低结构的动力安定极限,同时减弱荷载移动速度对道路结构动力效应的影响。

关键词：路面工程动力安定下限有限元模拟荷载移动速度横观各向同性摩擦因数

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纯主应力轴旋转下饱和软黏土的循环弱化及非共轴性

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岩土工程学报 2016年第8期38卷 1381-1390页

作者：钱建固杜子博同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土进行了纯主应力轴旋转应力路径的循环不排水试验,加载过程中维持平均应力、广义剪应力和中主应力系数不变。观测了孔隙水压和各应变分量在循环加载过程中的变化特性,着重探讨了中主应力系数及广义剪... 详细信息

采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土进行了纯主应力轴旋转应力路径的循环不排水试验,加载过程中维持平均应力、广义剪应力和中主应力系数不变。观测了孔隙水压和各应变分量在循环加载过程中的变化特性,着重探讨了中主应力系数及广义剪应力对变形刚度以及非共轴特性的影响规律。主应力偏转的循环剪切路径下,存在扭转剪切和轴向剪切两种不同的循环应力应变响应。试验结果表明:循环加载路径下饱和软黏土的孔压及应变产生累积效应,应力应变刚度呈现各向异性弱(强)化效应,而应变增量呈现显著的非共轴性;中主应力系数b影响特性表现为,b值越大则刚度弱化越显著。试验观察还发现,剪应力水平较低时循环变形刚度表现为强化,非共轴角趋于增大;反之,剪应力水平较高时,伴随着循环弱化,非共轴角趋于减小。

关键词：主应力轴旋转循环弱化非共轴各向异性饱和黏土

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平面应变条件下饱和土体分叉后的力学性状

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工程力学 2005年第1期22卷 48-53页

作者：黄茂松钱建固同济大学地下建筑与工程系上海200092

土坡和挡土墙的应变局部化和渐进破坏分析的一个关键问题是如何合理描述土体分叉后的力学性状,而从试验得到的峰后应力应变关系实际上并不是土体本身的一种真实本构反应。为此,提出了一种描述含剪切带土体宏观力学特性的改进后的复合体... 详细信息

土坡和挡土墙的应变局部化和渐进破坏分析的一个关键问题是如何合理描述土体分叉后的力学性状,而从试验得到的峰后应力应变关系实际上并不是土体本身的一种真实本构反应。为此,提出了一种描述含剪切带土体宏观力学特性的改进后的复合体理论(或均匀化理论)。结合干密砂以及饱和松砂、中密砂、密砂的平面应变试验结果,验证了该理论框架的合理性。

关键词：饱和土体应变局部化分叉后平面应变试验复合体理论

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土体应变局部化现象的理论解析

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岩土力学 2005年第3期26卷 432-436页

作者：钱建固黄茂松同济大学地下建筑与工程系中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室湖北武汉430071 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室

引起土体失稳的应变局部化现象是在特定应力状态下,土体本构产生的分叉特性。基于有限变形理论推导了应变局部化产生的三维解析解。基于应变局部化的理论解析,分析了轴对称和平面应变条件下应变局部化现象在弹塑性硬化阶段的存在性以及... 详细信息

引起土体失稳的应变局部化现象是在特定应力状态下,土体本构产生的分叉特性。基于有限变形理论推导了应变局部化产生的三维解析解。基于应变局部化的理论解析,分析了轴对称和平面应变条件下应变局部化现象在弹塑性硬化阶段的存在性以及剪切带的方向性。理论分析表明,在轴对称条件下,土体应变局部化产生于土体应力-应变的软化阶段,而平面应变条件下,土体应变局部化一般出现在应力-应变的硬化阶段,其剪切带方向角的理论预测与 Arthur 等[1]建议值较为一致。

关键词：应变局部化分叉剪切带

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循环动载下软黏土路基变形响应的离心试验模拟

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岩土工程学报 2017年第S2期39卷 99-102页

作者：钱建固王其伟同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

介绍了动力离心模型试验的关键性试验技术及循环动载下饱和软土累计变形响应规律。路面结构分别采用刚性路基板,路基基层采用压密的砂垫层模拟,地基采用上海地区的饱和软黏土,并考虑了地基土的超固结效应。详细探讨了离心试验过程中若... 详细信息

介绍了动力离心模型试验的关键性试验技术及循环动载下饱和软土累计变形响应规律。路面结构分别采用刚性路基板,路基基层采用压密的砂垫层模拟,地基采用上海地区的饱和软黏土,并考虑了地基土的超固结效应。详细探讨了离心试验过程中若干试验技术的实现过程,包括饱和黏土的重塑土制样技术、重力场的固结技术及不同超固结比的实现技术,并给出了如何在离心场实现地基变形的图像分析技术(PIV)。最后,给出典型的试验观察成果,揭示往复动载下饱和软黏土累计变形时空演变规律。试验表明,累计超孔压表现为先增大后减小的变化规律;通过PIV技术分析发现,在循环动作用下饱和软黏土路基竖向变形影响区域随着循环次数的增大而增大。

关键词：离心模型饱和软土地基循环动载

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