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    自钻式原位剪切旁压模型PFC3D细观模拟

    张亚飞 徐光黎 侯天顺 胡焕忠

    张亚飞, 徐光黎, 侯天顺, 胡焕忠, 2015. 自钻式原位剪切旁压模型PFC3D细观模拟. 地球科学, 40(11): 1922-1932. doi: 10.3799/dqkx.2015.173
    引用本文: 张亚飞, 徐光黎, 侯天顺, 胡焕忠, 2015. 自钻式原位剪切旁压模型PFC3D细观模拟. 地球科学, 40(11): 1922-1932. doi: 10.3799/dqkx.2015.173
    Zhang Yafei, Xu Guangli, Hou Tianshun, Hu Huanzhong, 2015. PFC3D Mesoscopic Simulation of Self-Boring In-Situ Shear Pressure-Meter Model Test. Earth Science, 40(11): 1922-1932. doi: 10.3799/dqkx.2015.173
    Citation: Zhang Yafei, Xu Guangli, Hou Tianshun, Hu Huanzhong, 2015. PFC3D Mesoscopic Simulation of Self-Boring In-Situ Shear Pressure-Meter Model Test. Earth Science, 40(11): 1922-1932. doi: 10.3799/dqkx.2015.173

    自钻式原位剪切旁压模型PFC3D细观模拟

    doi: 10.3799/dqkx.2015.173
    基金项目: 

    国家自然科学基金项目 41072218

    西北农林科技大学博士启动基金项目 Z109021507

    详细信息
      作者简介:

      张亚飞(1987-), 男, 讲师, 主要从事土体原位测试方面的研究工作.E-mail: zhangyafei00111@163.com

    • 中图分类号: P64

    PFC3D Mesoscopic Simulation of Self-Boring In-Situ Shear Pressure-Meter Model Test

    • 摘要: 自钻式原位剪切旁压试验(self-boring in-situ shear pressure-meter)以其独特的多级加载方式, 能够直接测出土体的强度和变形参数, 然而, 目前对探头周围土体变形机理研究较少.为揭示自钻式原位剪切旁压仪试验过程中测定器周围土颗粒变形机理, 应用PFC3D(particle flow code in three dimensions)颗粒流程序对自钻式原位剪切旁压试验进行了仿真数值模拟, 对多级加载过程中探头周围土体的位移场和应力场发展变化以及数值试样各阶段变形模量和土颗粒运动轨迹进行了分析研究.试验结果表明: 随着剪应力的逐级施加, 中间区域颗粒的位移量不断增大, 且位移矢量方向性更加显著.径向应力在探头附近两侧形成近似呈对称分布的数个"应力核"; 竖向应力在探头两侧形成扁平状应力带, 且在肩部形成应力集中区.中部区域球颗粒的运动轨迹成台阶状, 且随距探头距离的增大由近到远可分为3个特征区域; 球颗粒的Z向和XY向位移量亦随之呈负指数形式衰减, Z向位移量衰减速率更快.

       

    • 图  1  大型三轴土槽示意

      Fig.  1.  Sketch of triaxial chamber with probe of SBISP

      图  2  模型边界及探头示意

      Fig.  2.  Sketch of the model boundary and probe

      图  3  SBISP颗粒流数值试样

      Fig.  3.  PFC3D numerical sample of SBISP

      图  4  SBISP现场试验曲线

      Fig.  4.  The field test curve of SBISP

      图  5  SBISP试验颗粒流数值模拟曲线(σV=80 kPa)

      Fig.  5.  Numerical simulation curve of SBISP tests

      图  6  球颗粒位移量与对应颜色关系

      Fig.  6.  The corresponding colors for different displacement of particles

      图  7  各级径向应力作用下颗粒位移等值线

      Fig.  7.  Displacement contour sketch of numerical sample under different radial stresses

      图  8  颗粒位移矢量分布与位移等值线对比

      Fig.  8.  Comparison of the distribution of displacement vectors of particles and the contour map under shear stress of each grade

      图  9  探头周围土体应力分布

      Fig.  9.  Contours of soil stress

      图  10  各级径向应力与探头半径关系

      Fig.  10.  Relation of the radius of the probes and the radial stress of each grade

      图  11  SBISP试验变形模量实例

      Fig.  11.  The deformation modulus example of SBISP field test

      图  12  不同距离处球颗粒运动轨迹

      id表示监测球的编号; r表示监测球距测定器中心的距离.各球运动轨迹在XZ面上的投影用黑色线表示; 各球运动轨迹在XY面上的投影用蓝色线表示

      Fig.  12.  Motion trails of particles located in different distances

      图  13  球颗粒Z向和XY向位移量变化趋势

      Fig.  13.  Vertical and horizontal displacement of particles in different distances

      表  1  冈垣砂物理性质指标

      Table  1.   Physical property indexes of okagaki sand

      项目 颗粒密度ρs(g/cm3) 平均粒径D50(mm) 有效粒径D10(mm) 不均匀系数Uc 最大孔隙比emax 最小孔隙比emin
      冈垣砂 2.63 0.26 0.16 2.2 0.94 0.56
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      表  2  模型墙细观参数

      Table  2.   Meso-parameters of model wall

      墙编号 法向刚度kn(N·m-1) 切向刚度ks(N·m-1) 摩擦系数fc
      1 1×1010 1×1010 0.6
      2、3、5、6、7、8 1×1010 - -
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      表  3  数值试样分区及细观参数

      Table  3.   Partitions and meso-parameters of numerical sample

      区域 D的倍数范围 粒径(mm) 法向刚度kn(N·m-1) 颗粒密度ρs(kg·m-3) 摩擦系数fc
      中间区域 1~10 2.0~3.2 2.0×105 2 630 1.0
      外围区域 10~14 5.0~6.2 4.3×105 2 630 1.0
      注:D为探杆直径.
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    出版历程
    • 收稿日期:  2015-02-19
    • 刊出日期:  2015-11-15

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