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Geofluids/2021年/文章
特殊的问题

冻融的进步在寒冷地区地质岩体的行为

把这个特殊的问题

研究文章|开放获取

体积 2021年 |文章的ID 9508367 | https://doi.org/10.1155/2021/9508367

刘冯,郭Panpan叫海波,成威朱,Xiaonan锣, 加载方式和土壤结构相互作用下的一个浮动的石柱刚性基础:民主党的一项研究”,Geofluids, 卷。2021年, 文章的ID9508367, 13 页面, 2021年 https://doi.org/10.1155/2021/9508367

加载方式和土壤结构相互作用下的一个浮动的石柱刚性基础:民主党的一项研究

学术编辑器:于王
收到了 2021年8月12日
接受 2021年8月30日
发表 2021年9月21日

文摘

探讨相关的加载方式和土壤结构的交互与一个浮动的石柱在刚性基础下采用离散单元法(DEM)。聚合和软土模拟粒子大小不同。刚性地基是由两个加载模拟板在同一位置相同的速度。压力分布和微观列和软土间的相互作用。列的垂直应力增加而沉降随着深度的增大而减小。列的位置与大型径向应力也有大变形,减少从上到下。软土的竖向和径向应力与沉降增加,和径向应力显示高价值软土的上部。获得应力集中系数由两个加载板、加载期间从2.5降低到1.55。列和软土之间的交互显示的列不深入底层阶层但拖周围的土壤。

1。介绍

石头列已经被证明是有效的,经济和环境友好的改善软土(1,2]。他们可以提高承载力,减少最终和不均匀沉降,加速土壤固结,提高边坡稳定性,降低液化势(3- - - - - -5]。该技术在1839年首次记录以来贝永(法国),它在世界各地得到了广泛的应用6- - - - - -8]。大量研究来揭示石column-improved软土的工程特性,特别是在最近几十年。

基于一维(1 d)整合理论由巴伦Terzaghi和理想的排水井的解决方案,许多分析,semianalytical解决方案软粘土的石柱。他们中的大多数认为孔隙水压力和时间因素,推导出各种地质状态下固结方程和边界条件。平均固结度可以通过使用解决方案[好预测9- - - - - -15]。

现场监测可以得到结构的沉降和变形;数据可以用来可靠地分析沉降和承载力的石头列在软粘土。原位监测一般持续数年,甚至十多年,这是耗时和不经济1,2]。实验室测试可以克服这些缺点,在小规模模拟场结构。试验研究行为可以由石柱的各种参数如软粘土的抗剪强度,加载条件,直径和间距的石头列(16- - - - - -21]。可以观察到明显的膨胀变形时只加载桩;的最大膨胀位置从顶部柱直径的0.5倍20.]。没有明显的膨胀是当负载应用于整个模型槽区(20.,21]。

有限元法(FEM)被广泛用于分析石头列的行为。假设石柱是各向同性的,连续的,和模型的一部分通常是作为研究对象由于轴向对称(22- - - - - -30.]。一些研究把个人石头墙使用平面应变分析列列。结果与等效面积法在长期条件下(26]。有限元法的计算效率相对较高,但其结果主要集中在宏观层面上的模型。

DEM-FDM是一个耦合的数值模拟方案。可以模拟孤立石柱民主党,周围的土壤由针对摩尔-库仑屈服准则FDM与模拟。许多研究使用这种方法来了解石头的行为列和周围的土壤31日- - - - - -35]。发现孤立的石柱在软粘土的破坏模式与土弹性模量和土壤凝聚力(31日]。力和位移之间的石柱和土壤是由一系列的墙壁,转移不能直接捕获。

民主党是广泛应用于岩土工程,如斜坡、堤防,道路,和岩石36- - - - - -46]。在岩土工程中,民主党可以模拟土壤和岩石的不连续面,揭示了微观破坏机理。王等人。40)利用DEM研究围压和加载路径的影响粘性粒状材料的变形和强度。Yu et al。42)研究了砂岩的破坏机理在不同层面角度和渗透压力的民主党。民主党是一种有效的模拟方法因为石柱骨料粒度的;它可以模拟微观颗粒材料的反应。顾等人建立了一个3 d的DEM模型端轴承在软粘土石柱,石柱和周围的土壤被DEM模拟。他们分析了应力和变形的一个孤立的石柱下负载(47]。然而,在实践中,并不总是穿透石头列软土地层和坐在硬支承层(19,21]。是普通石头列安装在刚性地基或均布载荷22]。直到现在,根据作者的知识,没有民主党的应力和变形研究浮动刚性基础下石柱。

在这项研究中,一个3 d模型石柱漂浮在软粘土,加载和模型一致。列的纵向和径向应力和软土,孔隙度,柱的配位数和变形,应力集中系数和column-soil互动进行了分析。

2。数值模拟

2.1。单胞

石头列通常排列在三角形或正方形如图1。因此,列和周围的土壤是一个六边形的一部分(图1(一)(图)或广场1 (b))。由于轴向对称条件,六角或广场可以转换成一个圆(气缸)同一区域。单位细胞的直径 三角形和正方形形式,分别为, 列之间是中心到中心的距离, 柱的半径, 是替代柱的半径。

2.2。参数选择

民主党软件,三维颗粒流代码(PFC3D,版本5.0),在这项研究中应用。PFC是伊的成熟的商业软件公司。每个粒子的位移和接触力是由牛顿第二定律计算。

线性接触债券模型是用于本研究模拟骨料和软粘土。总量和土壤颗粒的参数如表所示12,被顾验证。在吉布森的土壤模型中,软粘土的不排水抗剪强度随深度增加。据韩寒的建议,软粘土的不排水抗剪强度计算(48]: 在哪里 软土的凝聚力和吗 是有效的软粘土比重。contact-bond强度较低的六层为3.40 N, 3.65 N, 3.95 N, 4.20 N, 4.55 N,分别和4.90 N。


参数 价值

粒子密度(克/厘米3) 2.65
粒子摩擦系数 0.8
粒子正常刚度(N / m)
粒子剪切刚度(N / m)
接触键正常强度(N) 130年
接触粘结剪切强度(N) 130年


参数 价值

粒子密度(克/厘米3) 2.65
粒子摩擦系数 0.25
粒子正常刚度(N / m)
粒子剪切刚度(N / m)
接触键正常强度(N) 3所示。2
接触粘结剪切强度(N) 3所示。2

2.3。DEM模型刚性基础下的一个浮动的石柱

3 d DEM模型是用来模拟一个浮动的刚性基础下石柱。图2显示了一个浮动的单位细胞在软粘土石柱。为了有效地模拟石头column-soil互动和提高计算效率,模型的直径和高度设置为800毫米和1500毫米,分别。模型的底部板是固定的。侧边界的摩擦系数设置为0,以减少对模型边界的影响。石柱的直径是260毫米,长度是1000毫米。骨料的直径范围从30到50。骨料与直径30到40毫米占40%的石柱,和骨料直径40 - 50毫米占60%。石柱的孔隙度是0.37。面积置换率是10.56%,10至35%7]。

由于土壤颗粒的不规则形状和矿物成分的影响,土壤颗粒的微观相互作用是非常复杂的49,50]。民主党很难准确模拟粘性土。本研究做了一些简化,忽略了一些属性和侧重于软粘土的内聚特性。软粘土是由线性接触债券模型模拟。土壤颗粒的直径范围从18到20毫米。总共117930个粒子生成模拟软粘土在石柱。清晰显示,土壤颗粒分为两组,石柱和底层层周围的土壤,它以不同的颜色显示。软土的初始孔隙度是0.4。

生成一个圆板和一个环形板装入盘子。这两个加载板是刚性,在加载过程中不会变形。圆板的直径是260毫米。环的内径260毫米,外直径是800毫米。两个加载板向下同时获得的初始压力5.0 kPa。在初始压力下,粒子的石柱和土壤达到一定压实状态。位移控制方法用于加载过程。在加载过程中,加载两个板块同时向下移动以均匀的速度为0.008米/秒。这个速度是足够小,以确保模型仍然在准静态加载。最大不平衡力的比值最大接触力小于0.003。

骨料的参数变化和软粘土在加载可以通过测量监控领域。图3显示的位置测量领域内的模型。有14个260毫米直径的测量领域沿石柱底部板。这些测量范围从1到14)(ID相互重叠,允许更多的密切监测数据。42测量领域(ID从15岁到56岁)生成监控周围软土在不同的位置。这些测量球的直径是100毫米。

3所示。结果

3.1。石柱的应力和变形

PFC3D 5.0提供的测量范围可以有效地获得列的应力和变形的变化和土壤粘土在加载。因为介质离散,压力不能直接获得。平均压力测量范围可以计算: 在哪里 平均压力在测量领域, 测量球的体积, 在测量领域是联系人的数量或边界, 是接触力向量, 是分支向量加入两个粒子的重心在接触,然后呢 表示外部产品。

3.1.1。纵向和径向压力

4沿着石头列显示垂直应力的分布在不同的定居点。总的来说,解决的垂直应力增加而增加。结算时录得超过1000毫米,压力在石柱显著减少。这是因为聚合的水平约束的列很小,和测量范围的有效容积( )由于结算的增加减少。垂直应力沿石柱首先增加然后减少,这意味着垂直负载从列转移到周围的土壤。起初,最大应力是在200毫米以下列前;结算的增加,逐渐向下移动500毫米。列上的垂直载荷向下转移,而不是底部的列。

5沿着石头列显示了径向应力的分布在不同的定居点。如图,最大径向应力发生在400毫米以下的范围列前。与结算的增加,径向应力也增加,但受影响的区域不会增加。

3.1.2。孔隙度变化

孔隙度的变化是一个重要的指数的石柱。它可以反映出相对密度的变化列在加载。然而,准确的孔隙度的变化是很难获得在实验室和现场测试。PFC的测量范围可以很容易地测量孔隙度随时间的变化。孔隙度的比值的体积在测量领域空白的整个测量范围。选择四个测量领域模型高度700毫米,900毫米,1100毫米和1300毫米。这四个位置对应于200毫米,400毫米,600毫米和800毫米的列,分别。

6在加载显示列的孔隙度变化。石柱的初始孔隙度是0.37,增加到0.425后立即初始压力。随着荷载继续增加,孔隙度低的三个位置变化小,基本稳定在0.41和0.42之间。上位置的孔隙度是稳定在0.42左右,当沉降小于750毫米。沉降大于700时,孔隙度增加而增加结算。这表明当沉降小于750毫米,列的总量相对密集。随着荷载继续增加,较低的一部分列保持稳定,和上部显示失败的迹象。

3.1.3。配位数

活动联系人的配位数是平均数量为每个粒子在测量范围和计算 在哪里 配位数, 是粒子的数量与质心测量领域,然后呢 活动联系人的粒子的数量吗

配位数可用于估计的粒子运动专栏。四个测量领域模型高度700毫米,900毫米,1100毫米和1300毫米。这四个位置对应于200毫米,400毫米,600毫米和800毫米的列,分别。图7在加载显示列的配位数。初始压力应用后,配位数的高度700毫米,900毫米,1100毫米,1300毫米是4.9,4.7,4.5和4.0。随着负载逐渐增加,配位数的四个位置有一些波动,但总体协调数量增加,这意味着聚集密度。加载结束时,配位数的高度700毫米,900毫米,1100毫米,1300毫米是4.7,4.6,4.3和3.8。列的聚集在上部有一个小的配位数,这也意味着总量相对宽松。这是与孔隙度的结果一致。

3.1.4。变形

列的变形可以直观地反映故障模式。然而,很难监控负载石柱的变形过程在实验室测试和现场工程实践。数值模拟可以克服这个缺点,方便地获得列在不同负载下的变形。PFC 3 d加载期间获得列的变形,如图8。在载荷的作用下,列不断压缩和扩展。从上到下扩张变得越来越小。的上部柱的变形很大,和径向应力也大,显示一定的正相关。当沉降达到1500毫米,列的形状接近截头圆锥体。PFC数值模拟的结果是类似的实验20.,21]。王等人。20.和郭et al。21)进行了模型试验均布荷载下的石柱在整个模型。石柱在刚性地基的变形不同负载下只在列。当负载只列前,明显扩张变形将发生以下列顶部(29日,33]。这种差异与土壤的承压强度有关。当负载应用于列和土壤,土壤可以提供承压强度大于负载时仅适用于列。

3.2。软土的竖向和径向压力

软土的竖向和径向应力加载期间得到了在不同的位置使用测量领域。图9显示的垂直应力软土180毫米,280毫米,350毫米远离中心的列。图9(一个)表明垂直应力沿深度方向波动。这是因为在这个地区土壤接近列和列的变形可极大地影响。软土的垂直应力分布相对较常规数据9 (b)9 (c)。在图的垂直压力9所有增加随着负载的增加。在同一位置远离中心的列,垂直应力随深度的增加而减小。作为承载板逐渐向下移动,测量球的体积在顶部逐渐减少,所以顶部的压力测量的测量领域也减少。

10显示了软土的径向压力180毫米,280毫米,350毫米远离中心的列。数据10 ()10 (c)显示的径向应力的上部土壤相对较大。图10 (b)表明土壤的径向应力波动在中间大,但径向应力很小的价值。在500毫米的高度,即柱脚的位置,径向应力显著增加。

纵向和径向应力的分布的软土在刚性基础下不同负荷只在列。当负载只在列,垂直应力沿深度增加,径向应力在上层土壤侧边界附近的大(47]。

3.3。Column-Soil交互
3.3.1。应力集中系数

应力集中系数是岩土工程的一个重要参数,它反映了列和土壤之间的负载共享。在这项研究中,一个圆形的承载板和一个环形加载板记录上的负载生成列和土壤,分别。计算得到的应力集中系数可以记录负载。图11表明,应力集中系数随沉降的增加而减小。初始压力后,应力集中系数达到最大值为2.5。这是因为列有更高的刚度比周围的土壤和携带更多的负载。逐渐增加的负载,解决变大,压力从列转移到土壤里去的。结算达到150毫米时,应力集中系数是1.55。在这个研究结果在2到4的范围,这是符合其他的文学10,26]。在张等人的文章,一块石头的典型应力集中系数column-improved地面刚性基础下2 - 4 (26]。沉降大于90 mm时,应力集中系数小于2。这是由于膨胀的列前;循环加载板不能准确记录。应力集中比例加载的后期是一个近似值。

3.3.2。柱的变形和土壤柱的底部

PFC的优点来监测负荷下粒子的运动。每个粒子在装货前可以分为不同的群体。因此,在加载粒子的轨迹清晰可见。在这项研究中,如图2软粘土的颗粒分为两组不同的颜色。黄色的土壤是相同的身高列。图12显示列的变形和土壤的底部列在不同的定居点。随着负载的增加,列和土壤变大的变形,突出更明显。当沉降达到150毫米,突出接近锥。列不深入底层阶层,和列阻力影响周围的土壤。换句话说,列和周围的土壤变形合作,显示出一定的完整性。这是有关大柱和土壤之间的摩擦系数。从内至外的压力传播,通过柱周围的土壤,从而使锥形状的突出。

4所示。讨论

虽然拟议的DEM模型可以分析一个浮动的石柱的行为在刚性基础下,它仍然需要改进以下方面:(1)线性接触模型被用来模拟土壤粒子为简单起见;PFC模拟软土的使用需要进一步研究;(2)在模型中采用位移控制方法,和负荷控制方法可以在进一步的研究开发;(3)当列顶部扩大加载期间,列上的承载板没有同时扩大。

5。结论

在现在的工作中,一个3 d的DEM模型建立了刚性基础下的一个浮动的石柱。石柱的总量和软粘土与粒子模拟,使用线性接触模型。两个加载板块在同一位置相同的速度是用来模拟刚性基础。列和软粘土的应力和变形进行实验研究。列和土壤之间的相互作用也进行了分析。根据数值模拟结果,取得了以下结论:(我)列的垂直应力增加结算的增加和减少的深度列。列的径向应力与结算也增加,但受影响的区域集中在浅的部分(2)结算增加,孔隙度浅的部分列增加和配位数相对较小。这意味着聚集在上部增加列松动的和解。孔隙度与协调的列保持相对稳定的较低部分的增加结算。因此,下部保持相对密集的聚集(3)在刚性基础下,周围的土壤可以提供巨大的横向强度。的膨胀变形列从上到下逐渐降低(iv)软粘土的垂直应力增加而增加的。上部的软粘土的径向应力很大,在柱脚的位置,径向应力显著增加(v)应力集中系数减少加载期间从2.5到1.55。列不深入底层阶层,和列拖周围的土壤

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号51778575和51778575)。

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