砂土振冲细观土动力学研究及PFC2D程序仿真

摘要

振动水冲法,以下简称振冲法,加固软弱地基自上世纪30年代逐渐的开始广泛的应用,在中国,振冲法已经成功的应用于不同地区砂土和粉土的抗液化加固,由于振冲法相对于其他地基处理方法而言,省工省料,成本较低,有很大的经济优势,因此这种地基处理方法在中国有很大的发展前途.长期以来,对于振冲加固的机理研究表明,振冲加固地基主要体现在挤密效应、排水减压效应、预振效应和对粘土地基的置换方面.但是限于研究手段的不足,这些机理研究很多停留于宏观假设的水平上,到底在振冲中砂土颗粒是如何运动的,所谓的砂土颗粒的高势能位置和低势能位置是怎样的,一直缺少有力的直接观察.该研究利用PFC<'2D>程序,从直接模拟砂土颗粒运动入手,研究了在简化的理想的2维条件下振冲的过程,发现均一粒径砂土振冲后存在明显的颗粒定向性,并定性研究了振冲频率、振冲加速度方向、颗粒形状等因素对于颗粒定向性的影响.为了验证计算机模型模拟的结论,我们还利用显微镜摄影对几类砂土进行了直接观察,并作了相应的试验,试验的结果可以支持模型计算得到的结论,即:在振冲之后砂土存在定向排列的趋势,由于砂土颗粒的从排列定向性,使得砂土颗粒间接触面积增大,砂土颗粒间的接触应力减小,颗粒结构更加稳定,这是无填料振冲提高土体强度的原因所在.该文研究的意义在于为引入一种新的土动力学的研究视角而作的起步工作,由于图像分析能力的限制,该研究只能限于对图像的直接观察,无法通过一个或几个数学参数加以量化表达,同时2维计算和3维试验的结果之间必然存在一些出入,如何更有效的建立计算模型,以至于更进一步的将细观研究成果反映到宏观本构模型上去,这些都是需要后继的研究者做出大量工作的地方.

目录

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声明

第一章绪论

1.1无填料振冲法细观土动力学研究的必要性

1.2土的细观结构研究文献综述

1.2.1细观研究的尺度范围

1.2.2细观研究的目前发展

1.3 PFC2D颗粒流程序简介

1.3.1颗粒流程序的理论背景

1.3.2颗粒流方法的特点

1.3.3颗粒流程序的应用范围

1.4本文的研究内容及意义

第二章砂土振冲的细观土动力学分析

2.1振冲过程中的导致颗粒转向的土中应力

2.2影响土体孔隙率和颗粒转动的因素

2.3不同颗粒在振冲中的受力与排向分析

第三章PFC2D颗粒流程序仿真与分析

3.1 PFC2D颗粒流的基本假定

3.1.1颗粒模型

3.1.2基本力学理论

3.2基本颗粒的生成

3.2.1颗粒模型的选定

3.2.2颗粒参数的选定

3.3振源的生成

3.4颗粒成样

3.5振冲过程

3.6振冲前后的颗粒排列变化

3.6.1不同振冲频率对砂土定向性的影响

3.6.2不同振动加速度方向对于颗粒排列的影响

3.6.3不同颗粒形状对于振冲的响应

3.6.4粘粒对振冲效果的影响

3.7本章小结

第四章细观力学试验观察

4.1试验设备与砂样

4.1.1砂样

4.1.2容器

4.1.3动力源

4.1.4观测设备

4.2基本试验操作过程

4.2.1砂样的成样

4.2.2振冲的操作方法

4.3人工砂的振冲试验

4.3.1颗粒的定向性

4.3.2密度试验

4.3.3CPT试验

4.4工程砂的振冲试验

4.5结论

第五章建议与展望

5.1细观模型如何在数学上表述

5.1.1颗粒定向性指标

5.1.2颗粒特征的参量

5.1.3颗粒接触情况

5.2颗粒识别问题

5.3细观与本构模型的联系

5.3.1颗粒排列方向参数与内摩擦角

5.4计算机模型模拟的改进

5.4.1单相程序对于液——固两相问题的模拟

5.4.2颗粒的尺寸效应

5.5总结

致谢

参考文献