离散元颗粒流软件(PFC)在道路工程中的应用

第1章 概述

1.1 土木工程中的数值分析方法

1.2 离散元方法的历史、发展及应用现状

1.3 道路工程中的典型问题

1.4 本书的主要内容

本章参考文献

第2章 离散元方法的基本原理

2.1 离散元方法的基本思想

2.2 离散元方法的基本假定

2.3 离散元方法的计算原理

本章参考文献

第3章 颗粒流程序PFC2D/3D

3.1 离散元方法与颗粒流程序PFC

3.2 颗粒流程序PFC的组成与工具

3.3 颗粒流程序PFC的常用命令

3.4 颗粒流程序PFC的文件类型

3.5 颗粒流程序PFC的FISH语言

本章参考文献

第4章 颗粒流程序PFC的接触模型及其参数

4.1 PFC中的接触本构模型

4.2 微观参数和宏观参数的关系

4.3 沥青混合料的接触本构模型和微观力学参数

本章参考文献

第5章 集料的重构与沥青混合料离散元试件的生成

5.1 二维沥青混合料离散元试件的生成

5.2 基于离散单元相互重叠算法的三维集料颗粒重构和沥青混合料离散元试件的生成

5.3 基于随机切割算法的三维集料颗粒重构和沥青混合料离散元试件的生成

本章参考文献

第6章 集料和沥青混凝土基本力学性能的离散元分析实例

6.1 沥青混合料中集料力学特性研究

6.2 集料的三轴剪切试验模拟

6.3 沥青混合料动态模量试验的离散元模拟

6.4 沥青混合料各向异性研究

本章参考文献

第7章 沥青混凝土开裂问题的离散元分析实例

7.1 沥青混合料小梁断裂试验模拟

7.2 沥青混合料劈裂试验的离散元模拟

本章参考文献

第8章 沥青混凝土高温变形问题的离散元分析实例

8.1 沥青混合料蠕变试验的离散元模拟

8.2 沥青混合料车辙试验的离散元模拟

本章参考文献

第9章 荷载作用下沥青路面结构响应的离散元分析实例

9.1 路面结构的离散元模型与参数

9.2 静止荷载作用下路面结构响应

9.3 振动荷载作用下路面结构响应

9.4 移动荷载作用下路面结构响应

本章参考文献2100433B

《离散元颗粒流软件（PFC）在道路工程中的应用》系统地讲述了在道路工 程材料性能分析中应用离散元颗粒流软件PFC2D/3D 的基本理论和方法。主要内容包括：离散元方法的基 本原理、PFC2D/3D软件介绍、PFC的接触模型及其参 数、集料的重构与沥青混合料离散元试件的生成、集 料和沥青混凝土基本力学性能的离散元分析实例、沥 青混凝土开裂问题的离散元分析实例、沥青混凝土高 温变形问题的离散元分析实例以及荷载作用下沥青路 面结构响应的离散元分析实例。

《离散元颗粒流软件（PFC）在道路工程中的应用》适合于从事公路设计、研究的技术人员以及 各院校师生学习参考。

本书介绍了作者多年来在水利工程和岩土工程领域有关颗粒离散元分析的研究成果，主要内容包括：①离散元颗粒的应用基础，包括颗粒离散元模型的尺寸效应分析和细观力学参数反演研究；②离散元颗粒模型建立的方法及应用实例；③离散元颗粒在大尺度工程问题中的应用研究，采用基于连续-离散耦合方法对隧洞围岩变形与破坏机理进行分析；④基于离散元颗粒方法流固耦合分析，包括堤基渗透破坏的离散元模拟分析和地基灌浆加固离散元模拟分析。

目录

前言

第1章 绪论 1

1.1 水利工程中材料及结构的力学特性 1

1.2 离散单元法的发展及应用 2

1.2.1 离散单元法的基本思想 2

1.2.2 离散单元法的发展 3

1.2.3 离散元颗粒流的特点 4

1.3 离散单元法在水利工程中的应用 5

1.3.1 离散单元法在堤坝渗透变形方面的应用 5

1.3.2 离散单元法在地层灌浆方面的应用 6

1.3.3 离散单元法在岩爆方面的应用 8

1.3.4 离散单元法在混凝土工程中的应用 8

1.3.5 离散单元法在土力学方面的应用 9

1.4 本书主要内容 10

第2章 颗粒黏结模型细观参数的选取 12

2.1 模型的颗粒尺寸效应研究 12

2.1.1 颗粒尺寸效应的研究方案 13

2.1.2 力学参数的颗粒尺寸效应分析 15

2.1.3 破坏模式的颗粒尺寸效应分析 20

2.1.4 颗粒尺寸的选取建议 23

2.2 宏-细观参数间的关系研究 27

2.2.1 宏-细观参数间关系的研究方案 27

2.2.2 基于正交试验设计的敏感性分析 29

2.2.3 基于中心复合试验设计的响应面构造 33

2.3 细观参数标定程序 38

2.3.1 **化模型的构造及优化算法的选择 39

2.3.2 细观参数标定程序的实现 40

2.3.3 细观参数标定算例及其讨论 42

2.4 本章小结 46

第3章 颗粒离散元模型的建立与应用 47

3.1 含不规则形状颗粒的材料模型 47

3.1.1 模板构造法 47

3.1.2 颗粒簇图像构造法 50

3.1.3 **多边形颗粒簇构造法 51

3.1.4 小结 56

3.2 含圆形孔洞的岩石材料 56

3.2.1 试验背景 56

3.2.2 试验设计 57

3.2.3 裂纹演化与声发射特征 59

3.2.4 孔径效应分析 61

3.2.5 小结 63

3.3 泥石流启动过程试验与数值模拟研究 63

3.3.1 工程背景 63

3.3.2 启动实验设计 63

3.3.3 试验过程与结果 64

3.3.4 启动模拟与机理分析 65

3.3.5 小结 68

3.4 本章小结 68

第4章 基于连续-离散耦合的硐室围岩变形与破坏机理 69

4.1 连续-离散耦合模型的映射算法 69

4.1.1 耦合映射算法原理 69

4.1.2 颗粒-节段端点的作用力映射 70

4.1.3 节段端点-颗粒的速率映射 72

4.2 基于矩张量的声发射算法 72

4.2.1 矩张量的提取方法 72

4.2.2 声发射事件的尺度效应 72

4.2.3 矩张量与矩震级的求解 73

4.3 连续-离散耦合模型的建立 74

4.3.1 单向竖向荷载下的渐进变形破裂 75

4.3.2 竖向荷载下的矩震级分布特征 82

4.3.3 不同围压下的破坏特征与矩震级分布特征 88

4.3.4 矩张量分解与不同围压下的破裂类型 93

4.3.5 不同间距下的破坏特征 96

4.4 本章小结 102

第5章 堤基渗透破坏的离散元模拟分析 103

5.1 基于颗粒离散元的流固耦合原理 104

5.1.1 颗粒多孔介质的渗流动力学方程 104

5.1.2 颗粒与流体的相互作用 104

5.1.3 颗粒的运动方程 106

5.2 流固耦合在颗粒流中的应用验证 106

5.2.1 固定粗糙网格法 106

5.2.2 渗流试验验证 107

5.3 堤基渗透破坏过程仿真模拟 110

5.3.1 细观参数标定 110

5.3.2 离散颗粒元渗流模型的建立 112

5.3.3 颗粒离散元模型渗流模拟 113

5.4 渗透破坏数值模拟结果分析 114

5.4.1 颗粒间接触力的变化 114

5.4.2 砂槽中颗粒孔隙率变化 115

5.4.3 流量与水力梯度关系 116

5.4.4 颗粒流失规律 117

5.4.5 砂槽中流场的变化 118

5.4.6 水位上升速度对管涌的影响分析 120

5.5 本章小结 121

第6章 地基灌浆加固离散元模拟分析 122

6.1 颗粒流灌浆模拟基本理论 122

6.1.1 流体域的构建 122

6.1.2 颗粒体的渗透特性 123

6.1.3 流体细观-宏观关系 124

6.1.4 流体的压力效应 125

6.1.5 流固耦合作用的实现 125

6.2 灌浆的颗粒流分析 127

6.2.1 砂砾石地层模型 127

6.2.2 水泥浆液在砂砾石层中的渗透系数 129

6.3 灌浆过程的模拟 130

6.3.1 灌浆模型的边界条件 130

6.3.2 测量圆设置 130

6.4 模拟结果分析 133

6.4.1 灌浆过程分析 133

6.4.2 灌浆压力对灌浆效果影响分析 134

6.4.3 灌浆过程的时间效应 136

6.4.4 灌浆的劈裂效应 136

6.4.5 灌浆过程中孔隙率的变化 138

6.4.6 砂砾层中灌浆的破坏模式分析 139

6.5 本章小结 141

参考文献 143 2100433B

离散元颗粒流是研究岩土材料物理力学性能及破坏机理的有效方法，可以从微细观角度解释岩土材料损伤断裂机理，在水利工程领域也开始得到了广泛的重视。本书介绍了作者多年来在水利工程和岩土工程领域有关颗粒离散元分析的研究成果，主要内容包括：①离散元颗粒的应用基础，包括颗粒离散元模型的尺寸效应分析和细观力学参数反演研究；②离散元颗粒模型建立的方法及应用实例；③离散元颗粒在大尺度工程问题中的应用研究，采用基于连续-离散耦合方法对隧洞围岩变形与破坏机理进行分析；④基于离散元颗粒方法流固耦合分析，包括堤基渗透破坏的离散元模拟分析和地基灌浆加固离散元模拟分析。