基于离散元的无黏性干颗粒土剪切振动流化特性研究
发布时间：2021-02-14 04:11
在土木工程领域,土体作为大量工程结构的承载体,频繁地受到动荷载作用,如地铁隧道周边岩土体、高速列车路基、地震作用下的边坡等。土体受动荷载作用下可能由固态向液态（流态）转变,其承载力下降,并导致灾难性的后果。国内外学者针对含水砂土的液化问题已做了大量的研究,但对于反映土颗粒相互作用机理的振动流化现象仍缺乏深入的理解。本文基于振动流化理论以及国外学者Taslagyan博士开展的振动直剪试验成果,以离散元软件PFC3D为平台,进行二次开发,通过大量的数值模拟,展开无黏性干颗粒土的振动流化特性研究。主要的研究工作如下:（1）根据依托试验和相关理论,分别建立了玻璃珠和粗砂试样的振动直剪试验三维离散元数值模型;为保证数值试验的准确性,对颗粒的各细观参数进行标定;通过按一个周期分段施加墙体水平速度的方法实现上剪切盒的振动模拟。（2）将数值试验结果与室内试验实测数据进行对比,通过分析剪应力、竖向位移、抗剪强度包线等参数,研究试样发生振动流化的宏观力学及变形特性。（3）数值模拟结果的可靠性是展开细观分析的前提。针对模型的尺寸效应,考虑模型最小尺寸与颗粒最大粒径之比,展开对比建模分析...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
隧道工程中各种振动源
2危害性更大（图1-2）。图1-2液化灾害（a）日本新泻地震；（b）美国阿拉斯加大地震与液化相近又有所区别的另一个概念为土体振动流化（Vibrationalfluidization），指土颗粒在临界状态下受振动而发生扰动，在一定范围内产生流动滑移面，抗剪强度急剧减校相比较液化，流化的发展较为缓慢，因此更具有潜伏性和难以预测性，从而可能会产生更大的危害。不同于砂土液化，在不含孔隙水的干砂中，振动流化仍然有可能发生。例如：2008年汶川地震引发了20多万个不同规模的滑坡，其中干性砂土滑坡不在少数。自上世纪中期以来，诸多学者在振动对土体强度和变形的影响领域取得了许多重要的成果，从一系列土体振动试验中获得了大量有价值的数据并得出很多重要结论。这些发现和结论为受动荷载作用的不同工程结构的设计提供了宝贵的试验依据与改进意见。然而，对于受振动时土颗粒之间的相互作用和剪切变形发展的力学机理的认知和理解仍然处于初期状态，因此对土体受振动时抗剪强度和变形行为的研究，尤其是对于处在残余抗剪强度状态（即临界状态）的土体的振动效应研究，是很有必要的。如果存在可预测的大变形，对于某些大型工程结构的设计（例如地铁隧道、高速列车路基、土坝等），就必须考虑周边土体的残余抗剪强度特性。在这种临界状态下，一旦土体受到振动，就有可能造成土体强度损失，从而导致过大的变形，影响结构稳定。基于上述背景，本文结合Taslagyan等[3-4]所做振动直剪试验，以离散元软件PFC3D为平台，进行二次开发，通过大量的数值模拟，展开针对无黏性干颗粒土的振动流化特性研究。（a）（b）
28图3-1振动直剪仪实物图[4]振动直剪试验主要装置为改进的应变控制式振动直剪仪，如图3-2所示，改进的地方主要包括在量力环与剪切盒中间添加了一个水平振动激励器以及多个传感元件。当下剪切盒剪切至试样残余抗剪强度状态（临界状态）时，给上剪切半盒施加水平振动，振动的同时下剪切半盒继续保持剪切状态。图3-2试验三维示意简图试验材料为0.55mm玻璃珠、细砂和粗砂。试验颗粒放置于60×60×32mm的剪切盒中并压实到一个相近的密实状态，三种颗粒材料的级配分布如图3-3所示。其中0.55mm玻璃珠为粒径一致的理想光滑球体；细砂形状不一且具有比较明显的棱角（角细砂）；粗砂形状不一但轮廓较为圆滑（圆粗砂）。将试件分别在8、23、36、50、118和200kPa的竖向应力下，以下剪切盒0.61mm/min的剪切速率进行测试，振动阶段频率固定为60Hz。室内试验结果将为数值模型的细观参数标定以及后续数值计算结果与试验值对比分析提供数据支持。具体的室内试验过程详见文献[4]，在此不再赘述。
本文编号：3033091
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
隧道工程中各种振动源
2危害性更大（图1-2）。图1-2液化灾害（a）日本新泻地震；（b）美国阿拉斯加大地震与液化相近又有所区别的另一个概念为土体振动流化（Vibrationalfluidization），指土颗粒在临界状态下受振动而发生扰动，在一定范围内产生流动滑移面，抗剪强度急剧减校相比较液化，流化的发展较为缓慢，因此更具有潜伏性和难以预测性，从而可能会产生更大的危害。不同于砂土液化，在不含孔隙水的干砂中，振动流化仍然有可能发生。例如：2008年汶川地震引发了20多万个不同规模的滑坡，其中干性砂土滑坡不在少数。自上世纪中期以来，诸多学者在振动对土体强度和变形的影响领域取得了许多重要的成果，从一系列土体振动试验中获得了大量有价值的数据并得出很多重要结论。这些发现和结论为受动荷载作用的不同工程结构的设计提供了宝贵的试验依据与改进意见。然而，对于受振动时土颗粒之间的相互作用和剪切变形发展的力学机理的认知和理解仍然处于初期状态，因此对土体受振动时抗剪强度和变形行为的研究，尤其是对于处在残余抗剪强度状态（即临界状态）的土体的振动效应研究，是很有必要的。如果存在可预测的大变形，对于某些大型工程结构的设计（例如地铁隧道、高速列车路基、土坝等），就必须考虑周边土体的残余抗剪强度特性。在这种临界状态下，一旦土体受到振动，就有可能造成土体强度损失，从而导致过大的变形，影响结构稳定。基于上述背景，本文结合Taslagyan等[3-4]所做振动直剪试验，以离散元软件PFC3D为平台，进行二次开发，通过大量的数值模拟，展开针对无黏性干颗粒土的振动流化特性研究。（a）（b）
28图3-1振动直剪仪实物图[4]振动直剪试验主要装置为改进的应变控制式振动直剪仪，如图3-2所示，改进的地方主要包括在量力环与剪切盒中间添加了一个水平振动激励器以及多个传感元件。当下剪切盒剪切至试样残余抗剪强度状态（临界状态）时，给上剪切半盒施加水平振动，振动的同时下剪切半盒继续保持剪切状态。图3-2试验三维示意简图试验材料为0.55mm玻璃珠、细砂和粗砂。试验颗粒放置于60×60×32mm的剪切盒中并压实到一个相近的密实状态，三种颗粒材料的级配分布如图3-3所示。其中0.55mm玻璃珠为粒径一致的理想光滑球体；细砂形状不一且具有比较明显的棱角（角细砂）；粗砂形状不一但轮廓较为圆滑（圆粗砂）。将试件分别在8、23、36、50、118和200kPa的竖向应力下，以下剪切盒0.61mm/min的剪切速率进行测试，振动阶段频率固定为60Hz。室内试验结果将为数值模型的细观参数标定以及后续数值计算结果与试验值对比分析提供数据支持。具体的室内试验过程详见文献[4]，在此不再赘述。
本文编号：3033091
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