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基于连续—离散耦合分析方法的堆石体缩尺效应研究

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基于连续—离散耦合分析方法的堆石体缩尺效应研究

作者：李响武汉大学

学位级别：硕士

现阶段,我国对于高堆石坝的建设需求不断增加,对于堆石体筑坝材料的相关力学特性研究也至关重要。筑坝堆石料的最大粒径能够超过1m,以现有的试验条件还无法进行原级配室内试验。因此,在进行室内试验时必须在原级配上进行一定程度的缩尺... 详细信息

现阶段,我国对于高堆石坝的建设需求不断增加,对于堆石体筑坝材料的相关力学特性研究也至关重要。筑坝堆石料的最大粒径能够超过1m,以现有的试验条件还无法进行原级配室内试验。因此,在进行室内试验时必须在原级配上进行一定程度的缩尺,进而在一定程度上模拟出原级配堆石料的力学性质。堆石体在经过缩尺后其级配发生了变化,颗粒间的填充关系也显著的不同,使得缩尺后堆石体试样与原级配堆石料的力学特性之间存在较大差异,即缩尺效应。本文考虑颗粒破碎效应,采用随机颗粒不连续方法对水布垭堆石料进行数值模拟试验,分析缩尺效应,主要工作如下:（1）介绍了堆石体的随机颗粒不连续变形分析方法。运用随机模拟技术生成形状随机的堆石颗粒及其在空间中的分布,反映堆石体的不规则颗粒形状和随机堆积特性;介绍了堆石体随机颗粒模型的生成程序SPG;介绍了一种简便易行的颗粒侵入判据,提高颗粒生成的效率;介绍了基于内聚力模型以及岩石劣化模型的堆石料颗粒破碎效应的模拟方法。（2）系统分析了缩尺效应的影响因素;测定了岩石颗粒在不同尺寸下的强度,采用Weibull理论统计分析了颗粒强度分布特性和尺寸效应;采用连续-离散耦合分析方法,研究了颗粒强度的尺寸效应对堆石体室内试验缩尺效应的影响,从细观层面揭示了室内试验尺寸效应的产生机制。（3）依托水布垭高面板堆石坝的筑坝材料,对典型材料分区（主堆石区、次堆石区）的堆石体进行数值剪切试验,根据原级配堆石料的三轴试验曲线整理邓肯E-B模型参数,分别采用室内试验和数值试验得到的邓肯E-B模型参数,进行大坝应力变形仿真分析,验证堆石体数值剪切试验研究的合理性。

关键词：堆石体缩尺效应连续-离散耦合力学特性

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基于离散元的堆石体大粒径填料优化排布研究

公路 2023年第1期68卷 59-63页

作者：张志刚朱颖杰河北省高速公路延崇管理中心张家口市075400 北方工业大学北京市100144

为同时解决桥台跳车和大粒径挖方弃石的利用问题,一种堆石体法大粒径填料填筑山区高速公路路基技术被提出。针对堆石体大粒径填料优化排布问题,采用离散元分析方法,对不同粒径范围的大粒径填料在台背回填区域的不同排布方案进行了数值... 详细信息

为同时解决桥台跳车和大粒径挖方弃石的利用问题,一种堆石体法大粒径填料填筑山区高速公路路基技术被提出。针对堆石体大粒径填料优化排布问题,采用离散元分析方法,对不同粒径范围的大粒径填料在台背回填区域的不同排布方案进行了数值模拟和对比分析。结果表明,大粒径填料填充液态泥浆形成的堆石体结构具有良好的刚度和稳定性,能够实现桥台至路基沉降的平稳过渡,有效避免桥台跳车的出现,且在中大粒径填料填筑厚度为4 m时沉降量最小,工程中建议填筑厚度为3~5 m。离散元的颗粒接触力分析结果显示大粒径填料承担了堆石体受力骨架功能,力链图显示堆石体结构内部存在复杂的拉压应力状态,大粒径填料之间的填充泥浆可提供必要的黏结作用。研究成果已应用于延庆至崇礼高速公路河北段台背回填工程中,实测路面沉降与计算值基本吻合,解决桥台跳车问题的效果良好。

关键词：道路工程桥头跳车大粒径填料堆石体离散元优化排布

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爆破堆石体填筑机场道基结构稳定性分析

公路交通科技（应用技术版） 2009年第1期5卷 21-23,27页

作者：陈成石名磊刘维正东南大学交通学院江苏南京210096

围绕堆石体强度特征、压缩特性及边坡稳定开展了初步分析。依托工程堆石体颗粒岩性主要为安山岩,材质强度高,为极硬岩。600kPa设计控制荷载条件下,堆石体结构不会发生蠕变,道基沉降主要由地基沉降产生。通过汉森公式分析和孔穴扩张理论... 详细信息

围绕堆石体强度特征、压缩特性及边坡稳定开展了初步分析。依托工程堆石体颗粒岩性主要为安山岩,材质强度高,为极硬岩。600kPa设计控制荷载条件下,堆石体结构不会发生蠕变,道基沉降主要由地基沉降产生。通过汉森公式分析和孔穴扩张理论反演分析,可以得出堆石体摩擦角φ>40°。安山岩体爆破堆石体边坡稳定分析表明,边坡坡度1∶2.0时,整体滑动稳定安全系数满足设计要求,同时基岩表面坡度等边界条件对边坡稳定影响相对很小。

关键词：堆石体凝聚力内摩擦角压缩特性边坡稳定分析

颗粒形状对堆石体真三轴数值试验力学特性的影响

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水电能源科学 2011年第9期29卷 68-71,177页

作者：刘东谢婷蜓马刚常晓林武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072 中国水电顾问集团中南勘测设计研究院湖南长沙410014 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室湖北武汉430072

基于随机散粒体(SGDD)模型的变形体离散元法和基于PFC圆球颗粒模型分别对堆石体进行真三轴数值试验,研究了多面体颗粒和圆球颗粒两种不同颗粒形状对堆石体真三轴数值试验力学特性的影响,并结合堆石体的实际受力特性对数值试验结果做了... 详细信息

基于随机散粒体(SGDD)模型的变形体离散元法和基于PFC圆球颗粒模型分别对堆石体进行真三轴数值试验,研究了多面体颗粒和圆球颗粒两种不同颗粒形状对堆石体真三轴数值试验力学特性的影响,并结合堆石体的实际受力特性对数值试验结果做了相关探讨。结果表明,基于SGDD模型的多面体颗粒堆石体的抗剪强度明显高于基于PFC圆球颗粒的堆石体强度,但其弹性模量小于后者;多面体颗粒堆石体的剪缩特性明显,但随围压的增大,其剪缩变化无圆球颗粒堆石体剪缩变化明显;多面体颗粒能较真实地反映堆石的实际形态,亦能较真实地模拟堆石体的实际强度,即堆石体强度取决于堆石间的摩擦力和咬合力,而圆球颗粒无法模拟。

关键词：堆石体真三轴随机散粒体圆球颗粒数值试验力学特性

塑性变形增量评价堆石体强夯加固质量原理与实践

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公路交通科技（应用技术版） 2009年第1期5卷 28-31页

作者：刘国栋曾志军海军工程设计研究院北京100070

堆石体填筑工程中,为了及时全面地反映堆石体整体压实情况,弥补传统质量检测难度高、周期长等问题,提出了堆石体加固质量评价的塑性变形法,包括累计塑性变形率(密实控制性指标)和塑性变形增量(抗力检测性指标)。通过某工程先导试验段,... 详细信息

堆石体填筑工程中,为了及时全面地反映堆石体整体压实情况,弥补传统质量检测难度高、周期长等问题,提出了堆石体加固质量评价的塑性变形法,包括累计塑性变形率(密实控制性指标)和塑性变形增量(抗力检测性指标)。通过某工程先导试验段,对不同加固能级、摊铺方式以及补强方案,进行了系统的塑性变形测量,采用正态分布左截尾技术,对剔除坏值后的塑性变形数据进行了统计分析,并以失效概率10%,提出了累计塑性变形率和塑性变形增量的双控制标准。结果表明:累计塑性变形率和塑性变形增量的综合,不仅能有效的反映堆石体压实施工效果,同时可以作为工艺性质量普检指标,快捷有效地评价堆石体加固质量。

关键词：堆石体工艺性检测指标累计塑性变形率塑性变形增量

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附加质量法检测堆石体密度的数值模拟研究

附加质量法检测堆石体密度的数值模拟研究

作者：谢海粟哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

进入新世纪，随着工业经济不断发展，人们对电力的需求量也越来越大，现在在建的水利水电设施也有很多。为了确保水利水电项目中堆石坝的质量，其中很重要的一项任务就是对堆石坝的密度进行检测。目前广泛应用的堆石坝密度检测方法是附... 详细信息

进入新世纪，随着工业经济不断发展，人们对电力的需求量也越来越大，现在在建的水利水电设施也有很多。为了确保水利水电项目中堆石坝的质量，其中很重要的一项任务就是对堆石坝的密度进行检测。目前广泛应用的堆石坝密度检测方法是附加质量法，但目前的研究大部分还是基于堆石体为弹性体系为假设前提，对其中参振质量的分布形式和分布范围还不够明确，并且在实测过程中对主频的影响因素较多。本文通过建立粘弹性堆石体模型，一方面研究附加质量法中参振质量的分布形式和分布范围，另一方面通过改变模型介质参数，研究主频随介质参数的变化趋势，具体研究内容及成果如下：首先，由于人们对于附加质量法中参振质量的分布形式和分布范围还不够明确，本文通过对未添加质量块的粘弹性堆石体模型进行分析，提取通过锤击区域中心纵向截面各节点的加速度时程曲线，将各节点加速度最大值取出绘制等值线，结果表明在堆石体中参振质量是以锤击区域为中心呈半椭球型分布的。其次，通过在粘弹性堆石体锤击区域附近添加不同级数的质量块，对比分析堆石体中参振区域的分布范围，发现质量块级数的增加并没有明显影响参振区域的范围。本文通过分析给出附加质量法中参振质量的建议范围，将其质量与实测数据推算的参振质量吻合。最后，通过建立弹性和粘弹性堆石体模型，改变模型参数，从承压板中心提取加速度时域信号计算主频，得到在弹性介质堆石体模型中，主频随密度的增大呈下降趋势，在一定范围内随弹性模量的增大呈增大趋势，泊松比对主频的影响不够明显。在粘弹性介质堆石体模型中，主频随密度的增大呈下降趋势，随弹性模量的增大呈增大趋势，随泊松比的增大呈下降趋势，随阻尼系数的增大呈下降趋势。

关键词：附加质量法堆石体密度参振质量主频

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考虑颗粒形状的堆石体缩尺效应研究

考虑颗粒形状的堆石体缩尺效应研究

作者：李鹏鹏武汉大学

学位级别：硕士

颗粒状材料被广泛应用于生活生产和工程建设之中,范围包括农业、制药业、机械制造业、食品制造业、采矿业以及建筑工程行业等,由于其应用前景广阔,对其材料性质的研究一直被诸多科研人员所重视。堆石体材料作为一种典型的颗粒材料,其力... 详细信息

颗粒状材料被广泛应用于生活生产和工程建设之中,范围包括农业、制药业、机械制造业、食品制造业、采矿业以及建筑工程行业等,由于其应用前景广阔,对其材料性质的研究一直被诸多科研人员所重视。堆石体材料作为一种典型的颗粒材料,其力学特性受到例如颗粒形状、级配以及材料自身性质等诸多因素的影响,随着我国高堆石坝工程建设的不断发展,对其主要筑坝材料之一——堆石体材料力学特性的研究提出了更高的要求。离散单元法是从细观尺度研究不连续介质的有效数值模拟方法,基本思想是将不连续介质离散成独立的颗粒单元并模拟颗粒之间的相互作用,不仅避免了有限元方法中复杂的本构关系,还弥补了室内试验需要大量人力物力的不足。为了深入研究堆石体的力学行为,并从细观机理上对其进行合理分析,目前国内外很多关于堆石体力学特性的研究都采用了离散单元法。堆石料的力学特性受颗粒形状的影响较为显著,但是基于离散单元法的数值模拟软件中采用的基本单元通常是圆形颗粒,无法代表复杂多样的堆石体颗粒形状。为此本文借助有限元网格划分技术,提出了一种复杂形状颗粒的离散元模拟方法,实现了包括了凹多边形在内的不规则随机多边形颗粒模拟,研究了不同颗粒形状对颗粒集合体力学特性的影响,并从细观角度对其进行了分析。以离散元数值分析软件为工具对堆石体进行研究时,考虑到计算机的运行速度和计算容量,对试样的颗粒数目会有一定限制,通常无法完全按照给定级配生成颗粒。对此,常用的方法是将级配曲线中小于某一粒径的细小颗粒采用该粒径颗粒进行等体积替换,该方法实际上改变了级配分布,导致数值计算的结果会受到一定影响。本文基于二维离散元程序PFC2D,对同一级配曲线在不同最小粒径处进行截断,并采用两种压实度控制标准,结合本文提出的不规则颗粒形状生成方法,得到五种最小粒径不同的不规则多边形堆石颗粒试样。对其模拟双轴压缩试验,研究了最小粒径截距对不规则形状堆石体强度变形特性的影响,为离散元数值模拟中采用等体积替换法时替换粒径的选取提供了有效参考。由于受到试验仪器尺寸的限制,研究堆石体力学特性的室内试验需要对堆石体材料进行缩尺,缩尺后的试样由于颗粒大小、形状和级配组成均发生了改变,导致力学特性与原级配堆石料产生的差异即为缩尺效应。采用室内试验研究缩尺效应需要耗费许多人力和物力,而且影响堆石体缩尺效应的因素繁多,室内试验很难保证试验条件完全相同,会对试验结果产生一定影响。本文采用离散元数值模拟方法,分别用等量替代法、混合法、相似级配法对堆石料原级配进行缩尺,研究了不同颗粒级配分布的分形特性。分别生成不考虑颗粒形状的圆盘形堆石颗粒试样和不规则多边形堆石颗粒试样,研究采用不同缩尺方法缩制得到试样的强度变形特性之间的差异,分析了颗粒形状因素对试验结果的影响,并建立了各组试样的分形特性与力学参数之间的拟合关系,为研究缩尺方法对力学特性的影响提供了有效参考。

关键词：离散单元法堆石体颗粒形状最小粒径缩尺方法

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自密实混凝土充填堆石体试验研究

混凝土 2005年第1期 3-6,42页

作者：安雪晖金峰石建军清华大学水利系北京100084 南华大学建工学院湖南衡阳421001

　本文利用自密实混凝土高流动抗分离的性能,借鉴已广泛应用的压浆混凝土施工方式,提出一种新的混凝土施工方式,即利用自密实混凝土充填预先放置的堆石体,待自密实混凝土硬化后与堆石一起形成堆石混凝土。为了检验自密实混凝土充填堆石... 详细信息

　本文利用自密实混凝土高流动抗分离的性能,借鉴已广泛应用的压浆混凝土施工方式,提出一种新的混凝土施工方式,即利用自密实混凝土充填预先放置的堆石体,待自密实混凝土硬化后与堆石一起形成堆石混凝土。为了检验自密实混凝土充填堆石体的施工工艺的可行性,验证堆石混凝土硬化后的强度性能,本文设计并实施了堆石混凝土充填试验,利用低水泥用量自密实混凝土对堆石体进行充填,初步验证了堆石混凝土的性能,为这种新型的混凝土施工方式打下了基础。

关键词：自密实混凝土堆石体堆石混凝土低水泥用量

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爆破硬岩堆石体填筑设计方案论证

公路交通科技（应用技术版） 2009年第1期5卷 32-35页

作者：姚世贵黄应国海军工程设计研究院北京100070

岩体爆破堆石体作为一种填料应用于道(路)基填筑工程时,由于颗粒粒径大、强度高等基本特征,密实原理、填筑工艺等与一般细粒土填筑压实不尽相同。通过先导试验段研究,就强夯加固和冲击压实进行了对比分析,考虑了分区域、分层位、分能级... 详细信息

岩体爆破堆石体作为一种填料应用于道(路)基填筑工程时,由于颗粒粒径大、强度高等基本特征,密实原理、填筑工艺等与一般细粒土填筑压实不尽相同。通过先导试验段研究,就强夯加固和冲击压实进行了对比分析,考虑了分区域、分层位、分能级和分遍数;整体抛填和分层堆填;不同补强方案等。提出了道槽区采用虚铺厚度4.0m,分4层(每层1m)的摊铺方案,3000kN.m级强夯主加固方案;土面区采用整体抛填5.0m,3000kN.m强夯主加固方案。同时,提出了25kJ冲压20遍和1000kN.m满夯表面补强方案。先导试验段检测成果表明,上述岩体爆破堆石体填筑方案技术可靠、经济合理、工艺简便。

关键词：堆石体强夯冲击压实摊铺方式表面补强