高填土涵洞相似材料模型试验与数值模拟
高填方涵洞关键问题探讨
高填方涵洞关键问题探讨摘要：在山区公路设计过程中，受平纵指标及填挖平衡的限制，高填方工程是无法避免的，为了满足路基横向排水或被交道路交通要求，需要设置涵洞。
高填方涵洞由于上覆土层厚度大，垂直土压力大，巨大的压力容易使混凝土开裂破坏。
上覆土层厚度大，对地基承载力的要求也高，而且容易发生不均匀沉降，导致涵内积水甚至裂缝，严重影响了涵洞的正常使用。
由此可见，在设计高填方涵洞时，如何确定高填方土压力分布状态，有效地减小涵洞上的垂直土压力，提高地基承载力及涵洞基础设计是首要解决的问题。
关键词：高填方涵洞减载承载力基础设计1、高填方涵洞的定义及特点我国的公路桥涵设计规范，对于高填方涵洞并没有明确定义。
而根据我国路基设计规范，把填方高度超过20m的填方路基定为高路堤，故在高路基底部修建的涵洞也就是高填方涵洞。
高填方涵洞具有土压力较大，对地基沉降要求高，工程造价高以及出现问题后，加固维修难度大的特点。
2、合理确定高填方土压力分布状态目前在涵洞设计中存在两个误区。
一方面，如果在涵洞设计过程中过于保守，采用过大的安全系数，那么为了使地基承载力满足设计要求，往往需要投入大量的人力和物力进行涵洞地基的处理，同时造成涵洞顶部填土压力更加集中，这种做法是不经济的，也是不合理的。
另一方面，如果对涵顶“土拱效应”认识不足，没有考虑到高填方涵洞拱顶的土压力集中现象，得出较小的土压力，从而导致结构物因强度不够而开裂，或因地基承载力不能满足实际受荷要求，而导致基底沉降和不均匀沉降过大，造成涵洞结构物顶部拉裂或路面开裂，有些涵洞还可能出现中部沉降值较大，造成涵洞内积水甚至基础开裂的情况，严重影响涵洞的正常使用。
因此，合理确定高填方土压力分布状态成为高填方涵洞设计和施工中的首要问题。
在实际工程设计中，需根据地基条件不同，选择不同的竖向土压力计算方法。
当涵洞周围为非软土的稳定地基时，涵顶填土与涵台外填土的沉降差很小。
由沉降差引起的附加剪应力很小，可以忽略，此时若填土高度较低，可采用土柱法计算。
减小明洞回填损伤的数值模拟研究
减小明洞回填损伤的数值模拟研究发布时间：2021-03-29T15:41:25.843Z 来源：《建筑实践》2021年1月1期作者：黄继龙[导读] 明洞回填作业中，相关的施工机械对明洞衬砌造成的损害已屡见不鲜。
黄继龙杭州林升地基基础工程有限公司摘要：明洞回填作业中，相关的施工机械对明洞衬砌造成的损害已屡见不鲜。
夯土过程中，土体所受的击实能量源源不断地下传，最后全部由明洞承担。
不均匀的冲击受力，使得明洞理想化的拱形形状无法化解集中的击实能量，以至于局部损害明洞衬砌，影响明洞整体受力。
运用动量冲量原理，在明洞防水层上铺设一定厚度和密度的 EPS 板能有效的减小夯击能的冲量，减小明洞衬砌的损伤程度。
关键词：高回填明洞；衬砌损伤；击实能量；EPS 板Research of The Numerical Simulation of Reducing The Damage of Backfill Open Cut Tunnel Huang Jilong (Hangzhou Linsheng Foundation Engineering Co.,Ltd) Abstract: Construction machinery-related damage to the lining of open cut tunnel has been common in open cut tunnel backfilling. The process of ramming earth, compaction energy for soil sustained transfer to open cut tunnel. Uneven impact force, making open cut tunnel idealized arch form can not resolve the concentrated compaction energy , so local damaging for open cut tunnel lining, and affecting overall force. Using momentum-impulse principle, What a certain thickness and density of the EPS board laid on open cut tunnel waterproof layer can effectively reduce the tamping energy impulse, reducing the extent of damage for the lining of open cut tunnel. Keywords: high backfill open cut tunnel; lining damage; compaction energy; EPS board随着土地资源的日益短缺和铁路项目的高速发展，如何合理地应用地下空间已成为新世纪首要的研究领域，其中隧道行业迅速崛起。
【国家自然科学基金】_正交数值试验_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
桥梁 机织物 有限元 最小均方误差 数值计算 数值分析 改进的遗传算法 收敛位移 掺气射流 振动台试验 拼焊板 成形深度 悬垂 影响因素 应变软化 应变路径 差异进化 岩质边坡 岔口巷道 屈曲 小间距隧道 季节尺度 奇异值分解 大气环流模式 复杂起伏地表 复合空调系统 基函数 土木建筑工程 回归分析 四维奇异值分解 可预报性 反馈分析 双排桩 参数优化 动力学参数辨识 动力学 加工方法 力学参数 剪切带 分阶段识别 冲刷 内燃机 免疫 信噪比 优化设计 亚洲夏季降水 乘波构型 主成分分析 三轴试验 三个体交叉 smip2比较计划 pod msc.marc h-v加筋
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
科研热词 推荐指数 数值模拟 9 正交设计 5 遗传算法 2 正交试验 2 高填土涵洞 1 风洞实验 1 颗粒流 1 预制裂纹槽 1 非轴对称管件 1 非线性模型 1 非线性地震反应 1 隧道工程 1 隔震桥梁 1 除氢 1 阈值 1 镁合金熔液 1 铅芯橡胶支座 1 通风效率 1 适应度函数 1 连杆 1 边坡稳定性 1 辐射供冷 1 车间作业凋度问题 1 超薄塑件 1 起动 1 资料同化 1 误差分析 1 裂解加工 1 航空发动机 1 置换通风 1 缩径旋压 1 经验正交函数 1 细观力学本构模型 1 约简遗传规划 1 移动荷载识别 1 离散元 1 硬阈值去噪 1 相似材料配比 1 热舒适 1 热力学 1 灰色决策 1 深埋隧道 1 注射工艺参数 1 正则化 1 正交试验法 1 正交试验方法(田口方法) 1 正交最小二乘 1 正交小波变换 1 正交优化 1 模型试验 1 桩柱式桥墩 1 桩基础 1
防冲槽的模型试验与二维数值模拟
2021 年第 7 期
东北水利水电
0.79 m/s，3 个测线均在海漫末端形成最大流速。
将数学模型与物理模型各断面流速进行对
比，结果见表 2。由表 2 可得，2-2 断面处数学模型
水利科研
漫末端，水位呈现明显收缩降低，并且在 5-5～7-7
断面之间形成水跃，至 7-7 断面受防冲槽尾端影响
形成水位跃升，其后 8-8 与 9-9 断面水位平稳。
图 1 抛石防冲槽二维模型示意图
例制作，其他比尺：泥沙粒径 λ d = λ L = 30 ，泥砂比
3.2 网格划分
流的统计资料，首先选择典型流量 Q =220 m3/s 进
采用不规则网格进行划分，在上下游水位附近网
重 λ r = λ L = 1 ，时间 λT = λ L 0.5 = 5.477 。根据新疆河
2
2）出口边界：出口部分分为大气压力出口或
大气压力出口与水压力出口结合，其中水压力与
出口水深有关。
3）固体边壁：闸室、防冲槽、河床底部及侧面
较大，由于模型试验时该处水位波动幅度较大，取
平均值作为结果，而数学模型水位在该处较稳定，
水位有偏差，误差稍大。
表 1 二维数学模型与物理模型试验水位对比
水位/m
右
左
中
右
拟可消减进口连接段的误差，此二维模型在后续
的冲刷研究中可以继续使用，与物理模型做对比
研究。
断面
最大
最小
平均
［参 考 文 献］
［1］陈卓英，倪培桐.低水头拦河闸重建工程消能工优化布
1-1
2.86 3.26 2.70
4.35 3.11 2.11
2-2
3.38 3.61 3.35
高聚物锚固体与土体黏结特征试验与数值模拟
高聚物锚固体与土体黏结特征试验与数值模拟刘恒;王复明;石明生【摘要】针对高聚物锚固体与土体相互作用机理认识不足、黏结强度参数不完善的问题,采用中心拉拔的大比尺模型试验,测试了低密度(0.11～0.13 g/cm3)高聚物锚固体与土体间的黏结特性,获得了锚杆加载端的荷载-位移曲线以及锚杆轴力、界面黏结力的分布规律,得出了低密度高聚物锚固体与不同状态土体的黏结强度值;从细观力学角度出发,采用颗粒流软件(PFC2d),建立了锚杆杆体-高聚物锚固体-土体的三相锚固体系数值模型,对拉拔荷载作用下高聚物锚固机理进行分析,通过和模型试验结果的对比,验证了数值模型的合理性,并重点探讨了土体应力和孔隙率的变化规律.试验结果为高聚物锚固注浆设计及应用提供了参数依据,颗粒流模型为高聚物锚固机理的细观尺度研究提供了一种可行的手段.【期刊名称】《水利学报》【年(卷),期】2018(049)006【总页数】8页(P749-756)【关键词】高聚物;锚固体;颗粒流;细观参数;黏结强度【作者】刘恒;王复明;石明生【作者单位】郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001;郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001;郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001【正文语种】中文【中图分类】TV161 研究背景随着国内外基础设施建设的高速发展，锚杆在隧道工程、地下工程和边坡防护等工程领域得到了广泛的应用［1］。
由于锚杆工作的岩土环境复杂多样，以水泥砂浆为代表的传统锚固材料在固化过程中易干缩开裂，导致锚杆强度降低或因杆体锈蚀而过早失效，从而影响锚固工程的稳定。
现阶段对于锚固材料的改良，大多是在水泥砂浆中添加改性剂，减少水泥基锚固体的干缩现象，虽说也取得了一系列的成功应用［2-4］，但此类改良并未改变有水参与反应的本质，因此锚固性能提升有限。
具有自膨胀特性的高聚物是将双组份液态聚氨酯通过注浆设备在一定压力和温度下反应生成的固化物，是一种优良的锚固材料，其主要特点为：（1）高聚物材料在固化过程中体积膨胀，可完全充满钻孔，有利于增大锚固体与基体间的作用力；（2）高聚物材料不透水［5］，对钢制杆体而言是隔水材料，可以防止杆体锈蚀，提高耐久性；（3）高聚物材料弹性较好，能够和土体协调变形，抗拉强度高，不易开裂；（4）高聚物材料的固化时间为15～30 s，并无需养护［6-7］，因此有利于缩短施工工期；（5）高聚物材料固化过程中完全没有水参与反应，注浆设备需要的工作面小，尤其适用于湿陷性黄土、膨胀土以及各类应急抢险锚固支护工程。
拱涵位移和垂直土压力的数值模拟
拱涵位移和垂直土压力的数值模拟刘熙阳【摘要】通过数值模拟，对高填方拱涵的土压力和位移进行了数值分析，确定了高填方拱涵的土压力分布规律和位移规律，指出涵顶土压力呈非线性分布特征，不同于现行《公路桥涵设计通用规范》中的土压力线性分布假定。
%Through the numerical simulation,this paper made numerical analysis on soil pressure and displacement of high fill arch culvert,de-termined the soil pressure distribution rules and displacement rules of high fill arch culvert,pointed out the culvert top soil pressure had nonlin-ear distributionfeature,different from soil pressure linear distribution of current Highway Bridge and Culvert General Design SPeciFication.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2014(000)027【总页数】2页(P178-178,179)【关键词】涵洞;位移;土压力;数值模拟【作者】刘熙阳【作者单位】湖北丹江口市远通公路养护建设有限公司，湖北十堰 442700【正文语种】中文【中图分类】U442.5本文利用PLAXIS 2D软件进行建模，模拟计算过程如下：1)根据现场涵洞的几何条件，创建数值模拟的几何模型；2)根据现场涵洞地勘资料和土样的室内试验确定模型所涉及材料的参数，并将参数赋予模型中对应材料；3)对几何模型进行网格划分。
网格划分的大小、疏密对计算结果的准确性和精度有较大的影响，本文采用三角形15节点单元的网格对模型进行划分，该类型单元既能满足计算精度，又能够尽可能地减少计算时间；4)设置几何模型的边界条件，对模型底面采用固定约束，对模型两端采用水平约束；5)确定加载步骤，分步对涵洞进行加载，来模拟现场路堤填筑工艺；6)对模型进行计算。
加肋土工膜与土工布界面模型试验与数值模拟
加肋土工膜与土工布界面模型试验与数值模拟高俊丽;李厚伟;曹威【摘要】针对填埋场沿土工膜与土工布界面易出现滑移失稳的问题,设计了加肋土工膜衬垫系统的室内模型试验.根据正交试验原理,考虑加肋土工膜的加肋形状、加肋高度和加肋间研究了10种试验工况下的衬垫系统沉降.在试验基础上,采用基于离散元理论的颗粒流软件PFC2D进行数值模拟.试验结果表明,加肋间距为175～400 mm、肋块高度为4.5～6.0 mm时存在最优值.数值模拟结果表明,PFC数值模拟能较好地拟合室内模型试验的荷载-沉降曲线,得出加肋土工膜衬垫系统附近砂土颗粒运行情况和应力变化情况,揭示模型内部颗粒的运动轨迹和加肋土工膜受力机理.【期刊名称】《上海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(025)002【总页数】11页(P317-327)【关键词】加肋土工膜;室内模型试验;颗粒流【作者】高俊丽;李厚伟;曹威【作者单位】上海大学土木工程系, 上海200444;上海大学土木工程系, 上海200444;上海大学土木工程系, 上海200444【正文语种】中文【中图分类】TU531.7垃圾填埋场中衬垫系统一般由黏性土和土工合成材料(如土工膜、土工布等)组成.由于土工合成材料间的界面剪切强度往往小于上覆垃圾和土工合成材料界面的剪切强度,填埋场衬垫系统的土工合成材料之间往往发生失稳现象.因此,高俊丽等[1]提出了加肋土工膜的概念.加肋土工膜与土工布界面直剪试验和理论分析表明,加肋土工膜在一定程度上能有效提高界面的摩擦性能,缓解衬垫系统的失稳破坏.国内外学者也对类似加肋土工膜的的结构材料做了相关研究.包承纲[2]提出了间接影响带理论,指出筋材的加筋作用会使其周围一定范围内的土体形成“加筋土体”.Irsyam等[3]利用热蜡对土工格栅进行了直剪试验,得到了松砂和密砂在不同横肋间距下的剪切面和位移矢量分布.张孟喜等[4]对H-V加筋砂土试样的剪切带形成进行了细观数值模拟,揭示了H-V加筋土剪切带产生、扩展的渐进破坏规律.周健等[5]和杨庆等[6]通过室内模型试验对加筋土地基的加筋长度和高度进行了研究,指出3倍基础宽度的加筋长度为最优值,最佳加筋层数为2∼3层.Oda等[7]通过对三轴试验进行有限元模拟,分析了土体中剪切带的产生和发展.为了更加深入地研究加肋土工膜,本工作进行了加肋土工膜和土工布衬垫系统的室内模型试验,研究了加肋土工膜与土工布界面在不同试验工况下的沉降,并利用颗粒流软件PFC2D对加肋土工膜衬垫系统进行数值模拟,分析了加肋土工膜衬垫系统模型内部接触力的发展和应力分布情况,旨在通过模型试验与数值模拟较全面地体现加肋土工膜与土工布界面的特性.1 室内模型试验1.1 试验材料将肋块用大头针钉在光面土工膜上得到试验所用的加肋土工膜试件,试件长1 150 mm,宽640 mm.粘贴肋片由同类型土工膜裁剪得到,其中条状肋块尺寸为640 mm×50 mm,块状肋块为50 mm×50 mm.土工膜一端沿长边方向留有250 mm用以固定,因此加肋土工膜的有效长度为900 mm.加肋土工膜的试验布置如图1所示.图1 加肋土工膜试验布置Fig.1 Experimental schemes for ribbed geomenbrane试验所用的光面土工膜为高密度聚乙烯膜,厚度为1.5 mm,屈服强度为22.0 N/mm,断裂强度为40.0 N/mm.试验所用土工布为厚3.0 mm的无纺土工布,最小密度为400 kg/cm3,断裂强度为12.5 kN/m.试验过程中将土工布平铺在土工膜表面. 1.2 试验工况基于正交实验原理[8],考虑加肋形状、间距和高度3个因素,按照L9(34)正交表设计加肋土工膜的试验工况.另外,为了验证加肋土工膜的运用能有效提高土工膜衬垫系统的界面摩擦特性,将光面土工膜作为对比试验.因此,本工作共设计了10种试验工况,具体如表1所示.表1 加肋土工膜的试验工况Table 1 Test condition of ribbed geomenbrane?1.3 试验设备和方案室内模型试验在模型箱中进行,如图2所示.模型箱为钢结构,高1.1 m,平面尺寸为1.4 m×6.4 m.模型箱的侧壁透明,便于观察模型沉降破坏情况,且能承受试验过程中砂土对侧壁的压力.试验加载所用的液压千斤顶最大行程为150 mm,千斤顶传感器最大量程为200 kN.图2 室内模型试验箱Fig.2 Indoor model test box土工膜与土工布模型试验布置如图3所示.模型底部边坡比为1.0∶1.5,相对密实度为97%.在边坡上铺设土工膜并固定,再在土工膜上铺设土工布.采用液压千斤顶和砂土模拟上部荷载,通过600 mm×300 m m大小的加载板作用在砂土表面.试验测得土样的内黏聚力c=11.31 kPa,内摩擦角ϕ=31.62◦.由于斜面角度大于砂土内摩擦角,试验过程中土样不会发生自锁现象.砂土采用分层铺设的方法,每层填土厚度为100 mm,分5次填土.在加载板坡中放置位移计,沉降每增加3 mm为一荷载级,记录荷载p加至200 kPa过程中每级荷载的沉降量s.2 试验成果及分析2.1 条状加肋土工膜2.1.1 加肋间距加肋间距l不同时室内模型试验的p-s曲线如图4所示.从图中可以看出,在加肋高度d相同的情况下,在一定范围内,随着肋块间距的增加,上覆土沉降变小,说明在这个范围内,条状加肋土工膜与土工布衬垫系统对上覆土的加筋效果越来越强,界面剪切强度越来越大.但是,随着肋块间距的增加,肋块间距为400 mm时上覆土的沉降大于间距为175 mm时的沉降.这是由于当肋块间距过大时,肋块对上部砂土的加固作用有限,不能形成有效的加固影响区,这时整个界面上的剪切力并不大,即界面的摩擦性能好.若加肋间距较小,前一个肋块形成的塑形剪切流会延续到后一个肋块,导致前一个塑形剪切流对砂土的作用不能得到有效的发挥,从而影响整个界面的剪切力大小.这充分说明加肋间距存在最优值.图3 土工膜与土工布模型试验布置示意图Fig.3 Model test arrangement of geomembrane and geotextile图4 加肋间距不同时模型试验的p-s曲线Fig.4 p-s curves with different rib space for model test2.1.2 肋块高度肋块高度d不同时模型试验的p-s曲线如图5所示.从图中可以看出,在一定高度范围内,随着肋块高度的增加,上覆土的沉降量越来越小,说明在这个范围内,条状加肋土工膜与土工布衬垫系统对上覆土的加筋效果越来越强,肋块之间对砂土的加固作用变大.肋块高度为3.0和6.0 mm时,两种加肋土工膜作用下沉降曲线差别不大,但是肋块高度为6.0 mm时的模型沉降比4.5 mm时的沉降大,这是因为4.5 mm时肋块对上部砂土形成有效影响区的范围较广且更稳定,对模型的稳定性起了更大的作用,即肋块高度过高反而不利于土体内部的加固作用.这说明肋块高度在4.5和6.0 mm之间存在一个最优值,当超过最优值时,加筋效果反而会降低.图5 加肋高度不同模型试验的p-s曲线Fig.5 p-s curves of different rib height for model test2.2 块状加肋土工膜块状加肋土工膜的试验结果如图6所示.从图中可以看出,在相同荷载时,块状加肋土工膜的沉降量比光面土工膜沉降小很多.这是由于块状土工膜能充分发挥加肋部分侧面与砂土间的侧摩阻力,加肋部分之间所形成的挤密区域对砂土能够形成有效约束,表现为在不同荷载下,块状土工膜界面的剪切强度得到明显增强.2.3 正交试验结果分析由于试验条件的限制,取千斤顶荷载为180 kPa时不同试验工况下沉降的平均值为研究对象,采用极差分析法进行分析,具体结果如表2所示.图6 块状加肋土工膜模型试验的p-s曲线Fig.6 p-s curves of the block ribbed geomembrane表2 p=180 kPa时不同试验工况下模型试验的数据分析结果Table 2 Test results of model test with different conditions(p=180 kPa)注:Kij为第j列第i水平所对应的试验指标的数值之和,kij为第j列第i水平所对应的试验指标的数值的平均值,Rj为第j列的极差.?余能等[9]发现,利用极差的大小能够判断各因素的影响主次关系、最优水平和最优水平组合.Rj越大,说明该因素对试验指标影响越大,Kij越大,则说明效果越好.因此,由表2可以判断各因素的主次关系依次为肋块高度、加肋间距和加肋形状.根据正交表综合可比的特点,不同因素水平的试验条件是相同的,可以进行直接对比.因此,由表2可以判断出加肋形状的最优水平为A1,同理可得、肋块间距、肋块高度的最优水平为B2和C3,故最优水平组合为A1B2C3,即加筋效果最优的是4排4层块状加肋土工膜.3 加肋土工膜衬垫系统3.1 数值模拟PFC2D为二维颗粒流软件.为了与室内试验得到的曲线特征相匹配,通过反复调整模型的输入参数,进行一系列PFC数值模拟试验,直到数值试验结果与室内模型试验结果基本一致.数值模拟时模型尺寸根据室内模型试验确定为1 400 mm×600 mm,采用Wall单元模拟模型试验箱,Ball单元模拟砂土颗粒,Clump单元模拟土工膜和加载板,在土工膜Clump表面设置Ball单元.本工作中分别设计了2,4和6个颗粒代表不同的加肋高度,加肋宽度分别设计了2排,4排和6排3种情况,如图7所示.由于PFC2D 只存在水平x轴向和垂直y轴向,即只能在xy平面内建立模型,故颗粒流模拟未对肋块的形状进行设计.周健等[10]研究了颗粒的数目对双轴试验的影响,指出PFC2D 双轴试验中颗粒数量超过2 000个时,则对试验结果的影响不再明显.因此,在本次模拟中土颗粒半径放大了6倍.经过大量PFC2D试样的仿真试算,PFC2D模型颗粒的级配和参数基本符合室内模型试验砂土的性质.图7 数值模拟中加肋土工膜布置方案Fig.7 Experimental schemes of ribbed geomembrane in numerical simulation采用PFC2D中的线性接触模型,其中参数的选择直接关系到计算结果的准确性.因此需要进行一系列的PFC数值模拟试验,通过反复调整PFC模型的输入参数,直到数值试验结果与实际物理模型试验结果基本一致.由于数值模拟时填土、筋材和加载板所用颗粒都设置成圆盘状,实际模型试验中填土则为不规则砂土,而不规则性使得砂土咬合作用较大而且摩擦性要比圆形颗粒大很多,另外,加载板和筋材与砂土之间也存在摩擦力,因此在PFC模拟时需要设置摩擦系数减小这种作用和颗粒形状的影响.模型试验中土工布紧贴于土工膜表面,在肋块处会形成一定的角度,而这种情况在颗粒流模拟中并不能得到较好地模拟.因此,模拟中没有模拟土工布的作用,颗粒的抗变形能力减小,模拟与模型试验存在一定误差.PFC模型的参数如表3所示.表3 PFC模型中颗粒细观参数Table 3 Values of micro parameters in PFC model?3.2 建模过程首先生成4道无摩擦的墙体构成试样的边界,再在边界内部相应的位置生成加肋土工膜;然后在试样内部生成砂土颗粒,此时颗粒粒径与实际值相比偏小,砂土颗粒生成后调整颗粒粒径的大小和模型内部的应力,使其达到试验的初始状态;最后删除顶端的墙体,在砂土颗粒的表面设置加载板.模型建立后,采用分级加载的方式对施加在加载板上的力进行控制,每级增加20 kPa,分10级加载.每一级荷载需循环至模型内部最大不平衡力达到1×10−3kPa量级再进行下级加载,完成真实试验中加载板与千斤顶的加荷作用.4 结果与分析光面土工膜PFC2D模拟的模型沉降随荷载变化曲线如图8所示.结果表明,本次模拟所用的参数模拟室内膜模型试验是合理的,可以以此模型对室内模型试验进行细观分析.图8 光面土工膜模型试验与PFC2D模拟结果的对比Fig.8 Comparison of smooth geomembrane results between model test and PFC2D图9 荷载不同时PFC2D模型的颗粒间接触力Fig.9 Particle contact under different loading conditions in PFC2Dmodel4.1 颗粒间接触力模型中颗粒之间的相互作用可由PFC2D软件直观观测,本次数值模拟中以4排4个颗粒为例研究加载过程中接触力的发展.荷载不同时颗粒间时接触力如图9所示.由图9可以看出:未加载之前模型内部主要受到自重的作用;当上部荷载为100 kPa 时,模型内部颗粒间接触力发生明显变化,此时由于模型内部颗粒间的相对位置和相互接触的影响,力的分布主要集中在加载板下部的土体,荷载虽然传递到土工膜界面,但是土工膜所起的作用并不大;当上部荷载增加到200 kPa时,加载板下方土体的接触力发生较大变化,此时由于加载板下方肋块的存在,限制了肋块内部土体向外扩散,形成一定的“环箍”作用.肋块间的受限土体与其上部的自由土体间形成了较大的摩擦阻力,阻止其向外扩散,形成了土体加强区域,使得模型承载力相应提高,不均匀沉降减小.4.2 位移场在PFC2D模型中,可直接动态输出位移场.为方便说明,将土工膜的肋块进行编号,图10为4排4个颗粒加肋土工膜模型循环结束时的位移矢量图.图10 PFC2D模型中颗粒的位移矢量图Fig.10 Displacement vector diagram of particles in PFC2Dmodel由图10可以看出:加载板下方有一条向下延伸的剪切带B,在剪切带附近位移发生了偏转.在颗粒向下运动的过程中,由于肋块存在形成的影响区阻碍了位移的向下运动,故剪切带B右侧的颗粒出现了明显的隆起.目前,剪切带的定义仍限制在现象的描述范畴,没有统一和严格的定义,其中剪切带的厚度受到结构物表面的粗糙程度、土的力学特性和颗粒级配等影响.另外,在加肋土工膜的上方出现了明显的位移不连续,将这些区域与肋块连接起来形成了加肋土工膜对上部颗粒的影响区,在影响区域内颗粒的位移变缓,趋于静止,顶部两端的颗粒继续向两侧移动,形成剪切带A.肋块所形成的影响区在肋块之间发生了重叠,由于砂性土之间存在咬合力,会引起周围砂性土颗粒参与到界面受力过程中,接触面上的张力膜效应特别是接触界面附近土体内出现的“剪切带现象”,这些都会增强地基的承载力,延缓破坏的发生.土体中剪切带存在一定的影响范围,不会无限制地在土体中延伸.剪切带最高点的高度约为肋块高度的2∼3倍,这与Irsyam等[3]利用热蜡试验对铝板进行的研究结果大体一致.4.3 颗粒内部应力室内模型试验由于受测量仪器的限制,很难量测整体模型内的土压力分布,且测量精度也不高.PFC2D软件提供了测量圆的功能,通过Fish语言和History命令可以监测测量圆内的应力.在本次模拟中通过反复的设置,在垂直2号肋块3h(h为肋块高度)的位置能较好地反应试验规律,因此布设半径为10.0 mm的测量圆,如图11所示.4.3.1 肋块高度对应力的影响下面以4排加肋土工膜为例说明加肋高度对土中附加应力的影响.肋块间距相同时的PFC2D模型应力如图12所示.从图中可以看出,在距离肋块高度3倍的位置,4排4个颗粒土工膜工况下水平应力始终小于其他两种工况.这说明4排4个颗粒加肋土工膜能使模型中的应力更快分散作用于全部土体,使模型内部颗粒受力更合理,不会出现部分土体分担上部荷载较大,而其他土体分担较小的情况.模型较慢地达到极限荷载值,因此模型的承载力会得到提高,且不均匀沉降明显减小.另外,肋块高度过高或过低,都不能使模型达到最佳承载力状态.图11 测量圆试验布置Fig.11 Experimental schemes of measuring circle图12 肋块间距相同时的PFC2D模型应力图Fig.12 Stress diagram of the same rib space in PFC2Dmode4.3.2 肋块间距对应力的影响下面以加肋2个颗粒为例说明加肋间距对附加应力的影响.肋块高度相同时PFC2D 模型应力如图13所示.从图中可以看出,对于相同高度的土工膜而言,4排土工膜作用下的应力小于其他两种工况.这说明4排2个颗粒土工膜使得模型内部的应力比较均匀,当加肋间距够大时,肋块及剪切带沿剪切方向会形成一个比较完整的塑性剪切流,且每一个肋块后面的塑性剪切流都能得到充分发挥,此时界面的摩擦特性较好.但是,如果加肋间距过小或过大,都会影响到界面的加固能力,因此加肋间距存在一个最优值.图13 肋块高度相同时的PFC2D模型应力图Fig.13 Stress diagram of the same rib height in PFC2Dmodel5结论(1)通过设计的加肋土工膜衬垫系统室内模型试验,可知加肋土工膜的使用能很大程度上减小模型的沉降.(2)对加肋效果影响较大的因素依次是加肋高度、加肋间距、加肋形状,其中加肋高度和间距都存在最优值.模型试验中加肋效果最好的为4排4层块状加肋土工膜.(3)通过调整模型颗粒的级配和细观参数,采用颗粒流软件PFC2D可以对加肋土工膜与土工布衬垫系统进行较好的模拟.在颗粒流模型内部,肋块限制了上部颗粒的运动,形成加固区,提高了模型整体的承载能力.(4)最优的加肋高度和加肋间距能使上部颗粒受力更加均匀,使更多的颗粒分担上部荷载,对肋块之间的颗粒起到加固作用.参考文献:【相关文献】[1]高俊丽,张孟喜,张文杰.加肋土工膜与砂土界面特性研究[J].岩土力学,2011,32(11):3225-3230.[2]包承纲.土工合成材料界面特性的研究和试验验证[J].岩石力学与工程学报,2006,25(9):1735-1744.[3]Irsyam M,Hryciw R D.Friction and passive Resistance in soil reinforced by plane ribbed Inclusion s[J].G´eotechnique,1991,41(4):485-498.[4]张孟喜,张石磊.H-V加筋土性状的颗粒流细观模[J].岩土工程学报,2008,30(5):625-631.[5]周健,孔祥利,王孝存.加筋地基承载力特性及破坏模式的试验研究[J].岩土工程学报,2008,30(9):1265-1269．[6]杨庆,张克,栾茂田,等.土工格栅加筋砂土地基性能模型试验研究[J].大连理工大学学报,2006,6(3):390-394．[7]Oda M,Nemat-Naaser S,Konish J.Stress-induced anisotropy in granular masses[J].Soil and Foundations,1985,25(3):85-97.[8]赵选民.试验设计方法[M].北京:北京科学出版社,2006:156-157.[9]余能,刘正宇,胡培良,等.边坡稳定性影响因素的敏感性正交极差分析[J].矿业研究与开发,2013,33(5):66-69.[10]周健,池永.土的工程力学性质的颗粒流模拟[J].固体力学学报,2004,25(4):377-382.。
基于ABAQUS的红黏土三轴试验数值模拟
基于ABAQUS的红黏土三轴试验数值模拟摘要：目前ABAQUS具有多种岩土体本构关系模型，其中修正剑桥模型以其自身的优越性被广泛应用。
本文选用修正剑桥模型模拟红黏土的三轴压缩试验，试验结果显示应力-应变曲线和孔压-时间关系曲线与实测结果相比具有较好的一致性。
研究成果为红粘土的物理力学特性的研究提供了一定的借鉴意义。
关键词：ABAQUS；本构关系；修正剑桥模型；三轴试验Numerical Simulation of Red Clay Triaxial Test Based on ABAQUSZHANG Xing-shuo，LIU Yang，ZHOU Ze-jiang，GONG Jun-xiang（School of Civil Engineering，Guizhou University Guiyang 550025 China）Abstract：At present，ABAQUS has a variety of geomorphological constitutive models，and the Modified Cambridge model is widely used for its own superiority.In this paper，the Modified Cambridge model is used to simulate the triaxial compression test of red clay，the test results show that the stress-strain curve and the pore pressure-time relationship curve have good consistency with the measured results.The research results provide a certain reference for the study of the physical and mechanical properties of red clay.Keywords：ABAQUS，Constitutive relationship，Modified Cambridge model，triaxial test引言岩土体的应力应变关系通常具有非线性、弹塑性、剪胀性各向异性等特点，试图用一种数学模型反应土体的本构关系等特性是不合理的。
高速公路涵洞填土高度对土压力分布的影响
- 112 -工 程 技 术在山区公路建设中，修建公路涵洞是较为常见的工程[1-2]。
当涵洞上方填土荷载较大时，填土压力增加会导致涵洞基础沉降增加，影响涵洞结构安全，为避免该问题，该文对公路涵洞进行数值模拟计算，研究填土高度对涵洞土压力分布的影响，并对上埋式涵洞和沟埋式涵洞的沉降分布和土压力特征进行分析。
1 工程概况某高速公路路基宽度为28m ，路线全长为39.24km ，部分线路在丘陵地带，因此在施工过程中，须跨越百余道冲沟，冲沟的长度和深度为几米或数十米，冲沟填土的宽度和深度变化较大。
高度超过25m 的冲沟填土几乎占冲沟总数的50％，被水浸湿后，黄土结构迅速破坏发生附加变形，严重时黄土会沉陷，严重影响了公路路基建设。
因此，工程在冲沟地区建设高填方涵洞可满足施工要求，但高填方涵洞的设计及病害问题较为明显，于是该文建立涵洞数值模型，对高速黄土路基涵洞土压力分布特征进行研究。
2 建立数值模拟该研究通过CANDE 有限元软件建立涵洞模型，设置涵洞模型的宽度为涵洞宽度的6.5倍，根据现场地质条件，设置模型边界位移。
设置模型底部为基岩，采用固定约束，限制其垂直方向的位移，将模型顶部作为自由面，用左右边界和前后边界约束其法向位移。
涵洞基础以下采用理想弹塑性本构模型，基础采用线弹性模型，填土采用邓肯—张模型，填土参数泊松比为0.4，初始切线模量为95.64，无因次指数n 为0.96，破坏比R f 为0.65。
根据现场勘测数据，模拟试验赋与涵洞地基、原黄土及回填土材质参数，见表1。
在工程填土的过程中，采用分层填土的方式。
为保证准确模拟计算数据，在模拟回填的过程中，也采用分层回填的方式。
模拟试验设置填土高度从0.6m 逐级增至80m ，设置2种涵洞填埋方式，分别为上埋式设涵方式和沟埋式设涵方式。
上埋式设涵方式是将涵洞建设在天然地基上，沿洞身两侧向洞顶填土并压实，沟埋式设涵方式是在天然地基中挖出容纳涵洞的沟槽，沟底建设涵洞后进行填土并压实。
高能级强夯加固回填土的数值模拟
高能级强夯加固回填土的数值模拟赵永祥【摘要】采用FLAC软件,对强夯加固回填土地基进行了数值模拟,研究了能级变化对强夯加固效果的影响,并结合工程实例,分析了不同夯击能、不同夯击次数作用下土体的动力反应特征,所得结论对类似强夯工程施工有一定的参考价值.%The paper adopts FLAC software to undertakes the numeric simulation for the dynamic consolidation of the refilled foundation,researches the influence of the changes in energy levels on the dynamic consolidationeffect,analyzes the dynamic response features of the earthwork under different dynamic energy and various compaction times with the engineering cases,and indicates its application value for similar dynamic projects.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2017(043)011【总页数】3页(P89-91)【关键词】回填土;高能级强夯;数值模拟;锤击应力;土层厚度【作者】赵永祥【作者单位】中交第一公路工程局有限公司,北京 100024【正文语种】中文【中图分类】TU472.31随着城市化进程的不断深入，用地矛盾日益突出，采用“开山填谷”“开山填海”的方法解决建设用地的工程日趋增多[1]。
与此同时，强夯加固机理较为复杂，现有的设计计算方法基本上都是经验性或半经验性的，国内外的专家学者进行了相关研究，但至今未形成一套完整的设计计算理论。
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第38卷 第2期吉林大学学报(工学版) Vol.38 No.22008年3月JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition) Mar.2008
收稿日期:2006-12-18.基金项目:国家自然科学基金项目(50508008);国家留学基金委员会基金(2003821178).作者简介:范鹤(1979-),女,博士研究生.研究方向:地下工程及优化.E-mail:fanhe1979@163.com通讯联系人:刘斌(1940-),男,教授,博士生导师.研究方向:岩土工程设计,检测与加固.E-mail:lb40neu@163.com
高填土涵洞相似材料模型试验与数值模拟范 鹤1,2,刘 斌2,范 泽3,王 成2(1.华南理工大学建筑学院,广州510006;2.东北大学资源与土木工程学院,沈阳110004;3.辽宁地质工程职业学院资源系,辽宁丹东118008)
摘 要:依据相似理论,采用正交试验和增加局部试验相结合的方法在最少的试验次数下确定相似材料的配比,得出材料配比用量与力学指标的关系。根据现场资料,满足几何相似条件,制作相似材料涵洞模型。在模型上逐层填土、分级加载来模拟实际施工过程。以盖板涵为例,测出模型关键部位的应变、应力结果。把模型试验的结果按照相似指标推算出原型结构的应力分布。用有限元软件ANSYS进行涵洞受力全过程的数值模拟,并将数值模拟结果与模型试验、模型试验推算出的原型结构应力数据加以对比。结果表明,模型试验和有限元数值模拟二者可以互相印证,对实际工程设计具有参考意义。关键词:土木建筑工程;高填土涵洞;相似材料配比;数值模拟;模型试验中图分类号:TV312 文献标识码:A 文章编号:1671-5497(2008)02-0399-05
Modeltestwithsimilarmaterialandnumericalsimulationofculvertwithhighfills
FanHe1,2,LiuBin2,FanZe3,WangCheng2(1.Architecture&CivilEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China;2.SchoolofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China;3.ResourcesDepartment,LiaoningGeologicEngineeringProfessionalSchool,LiaoningDandong118008,China)
Abstract:Baseonthetheoryofsimilarity,orthogonaltestandadditionallocaltestwereconductedtodeterminethemixtureratioofthematerialsimilartothatofculvertwithminimaltestnumber.Therelationshipofmixtureratioandmechanicalindexofthematerialwasobtained.Applyingavailablesiteinformation,aculvertmodelwithsimilarmaterialandsatisfyinggeometricalsimilaritywasbuilt.Layer-by-layerfillingandsteploadingonthemodelwerecarriedouttosimulatetheculvertconstructionprocess.Takingplaneculvertforexample,thestrainandstressoncriticalpositionsofthemodelweremeasured.Withsimilarityindex,theresultsofmodeltestwereappliedtopredictstressdistributionontheprototypestructure.Finiteelementsoftware,ANSYS,wasusedtosimulatetheloadingprocessontheculvert.Comparisonshowsthattheresultofnumericalsimulationisingoodagreementwiththatofmodeltestandthatofpredictedprototype.Thisstudymayprovideusefulreferencetoprojectdesign.Keywords:civilarchitecturalengineering;culvertwithhighfills;similarmaterialmixture;numericalsimulation;modeltest吉林大学学报(工学版)第38卷 工程结构模型试验的理论是以相似原理和量纲分析为基础,以确定模型设计中必须遵循的相似条件为目标[1-3]。相似材料模型试验是用与原型力学性质相似的材料,按一定关系制成模型,它具有原型结构的全部或主要特征。只要设计的模型满足相似指标,则通过模型试验获得的数据和结果可以直接推算到相应的原型结构上去。相似材料模型试验中模型制作选用的相似材料及其最佳配比是进行模型试验的前提,相似材料的确定是根据材料力学参数的相似指标来判定的。由量纲分析法推导出模型试验的相似指标,作为相似材料选择的判据[3]。本文以位于辽宁中部环线高速公路处高填土涵洞为工程背景,按几何相似关系在试验室缩小制作现场涵洞结构,在涵洞模型的几处典型位置上粘贴应变片,将模型放入自制的模型箱中,在模型上逐层填土、千斤顶逐级加载模拟实际施工过程,应变仪搜集数据观察涵洞的力学行为。同时用ANSYS对模型试验进行模拟,两者结果加以对比,验证ANSYS结果的可靠性。把模型试验结果按照相似关系换算成实际结构的受力情况,ANSYS依据现场实际结构参数重新建模,得出数值模拟结果,用模拟的结果验证推算出的实际结构受力结果的可靠程度。实现模型试验与有限元数值模拟互相验证,充分发挥两种方法各自的优越性,为实际施工设计提供参考。1 相似材料的选择与配比1.1 相似试验的指导思想和理论基础1.1.1 相似理论如果表征一个系统中的物理现象的全部量的数值,可由第二个系统中相对应的诸量乘以不变的无量纲数得到,这两个系统的物理现象就是相似。相似现象的两个系统中各对应物理量的比值是无量纲的常数,称为相似常数。相似常数之间必定满足一定的组合关系,当这相似常数的组合关系式等于1时,两个系统相似。这种等于1的约束各相似常数关系式指标称为相似指标[3]。只要设计的模型满足相似指标,则可以由模型模拟反映出原型的力学状态,这样确定相似指标成为模拟试验的关键。1.1.2 相似指标的导出几何相似常数Cl=lplm,重度相似常数CC=CpCm,弹性模量相似常数CE=EpEm,单轴抗压强度相似常数Cc=RcpRcm,劈裂抗拉强度相似常数Ct=Rtp
Rtm
,
泊松比相似常数CL=LpLm。其中,下标m表示模型,下标p表示原型。由量纲分析法选出体力Y=C和长度l作为基本量群的物理量,C的量纲为FL-3,l的量纲为
L,满足相互独立,P1=RCAlB=FL-2[FL-3]ALB。要使此
式满足量纲和谐要求,则必须A=1,B=1。故有P1=RYL。同理可得P2=EYL,P3=L。
根据两个力学现象相似则相似指标相等,推导得出RpCplp=RmCmlm,EpCplp=EmCmlm,Lp=Lm,即CRCCCl=
1,CECCCl=1,CL=1。1.2 相似材料的选择1.2.1 现场涵洞材料力学指标涵洞盖板和涵洞拱采用钢筋混凝土材料,侧墙混凝土浇注,基础浆砌片石砌筑。试验室测量现场混凝土的力学指标为:Rc=38.6MPa;Rt=4MPa;Rc/Rt=9.65;E=3.35@104MPa;C=23.8kN/m3;L=0.2。1.2.2 相似材料的选择相似材料力学指标与实际材料符合程度直接关系到模型试验数据的准确程度。目前采用的相似材料大多数是混合物[4,5],一类是作为骨架物质的惰性材料,一类是作为胶结物质的材料。试验针对现场涵洞资料,模型材料选用砂作为骨料,石膏、硅藻土混和物为胶结材料。石膏初凝时间短暂,与砂浆混和为放热反应,产生大量气泡,如果不及时排出,模型表面会产生很多孔洞,直接影响材料的强度。所以,在胶结材料中依据石膏含量加入一定比例的硅藻土,硅藻土起到一定的缓凝作用且能加速气泡逸出,排除试验干扰因素。砂、石膏、硅藻土相似材料可以变动砂膏比和用水量在较大范围内调整相似材料的力学性能,满足相似指标要求。1.3 相似材料配比方案试验几何相似常数Cl=20,由相似材料配比实测出CC,依据前述推导的相似指标可计算出各力学指标的相似常数。初次根据L9(34)正交表安排试验,考虑砂膏比、用水量、膏土比、养护条件4个因素,以抗压强度相似指标为判定准则,在小
#400#第2期范 鹤,等:高填土涵洞相似材料模型试验与数值模拟范围增加试验,进行二次试验;在二次试验中权衡各指标相似程度,得到满足相似要求的材料配比。1.3.1 初次正交试验方案与结果依据正交试验设计9组配比,满足养护条件后测量其抗压强度,并对结果进行分析,具体如表1所示。其中,自然养护条件指空气中相对湿度为48%,养护14d;烘干条件指在烘箱温度35e下连续烘72h。石膏为建筑石膏;骨料为河砂,砂的级配为:2~2.36mm占9.8%;1.5~2mm占22%;1~1.5mm占37.5%;0.5~1mm占17.1%;0.25~0.5mm占11.5%;0.25mm以下占2.1%。由极差栏得到用水量对抗压强度指标影响最大,砂膏比次之,影响程度最小的是养护条件。
表1 正交试验方案和结果分析Table1 Schemeandresultanalyseoforthogonalexperiment
试验序号砂膏比用水量/%膏土比养护条件C/(kN#m-3)Rc测/MPaRc拟/MPaRc测/Rc拟
11.0B12810B1烘干14.166.431.185.4521.5B12811B1自然养护13.752.811.152.4432.0B12812B1烘干13.612.361.132.0941.0B13312B1自然养护12.072.591.012.5651.5B13310B1烘干12.101.931.001.9362.0B13311B1烘干11.891.420.991.4371.0B13811B1烘干11.001.240.921.3581.5B13812B1烘干10.660.740.890.8392.0B13810B1自然养护11.000.280.920.30Ñ3.423.872.882.86Rc测