土石坝施工质量监控的离散单元法分析

【摘要】： 目前，对土石坝施工质量的监控基本上是以碾压后的土体密度或压实度作为控制指标。虽然此法简单，但是操作起来费时费力。另外目前应用数值方法从理论上对土体的压实度进行研究还鲜有文献可查，这主要是因为土石坝的填料是一种离散介质结构，其力学行为受到诸多外部因素的影响，而且还有受其形状、块体之间的相互约束和作用等因素影响，这些是连续机理方法难以模拟分析的。而离散单元法是一种分析不连续结构即离散介质的数值方法，可以用来模拟土石体的力学行为。 本文基于二维圆盘刚性离散单元法的基本原理，编制了相应的计算分析程序(DEM2D)，并对相关参数进行了分析和研究，通过算例验证了DEM2D程序的正确性，最后用该程序对土体的动态力学特性进行了模拟分析。 二维圆盘刚性离散元的生成方式有多种，主要是基于蒙特卡洛法随机生成，并且可以对区域内的单元的大小、位置、级配和孔隙率进行参数控制；在程序中，可以对单元施加初始速度或外荷载，二者均是以x，y方向施加到单元的形心上；采用动态松弛法求解静力或动力作用的瞬态位移场、速度场、加速度场和单元之间的接触作用力，并以AutoCAD图形或文本文件输出。 本文首次应用离散单元法对土石坝的土体压实度与其弹性模量之间的关系进行了模拟分析。该计算模型和方法可以动态地模拟便携式落锤弯沉仪(Portable Falling Weight Deflector简称PFWD)测定土体弹性模量的工作方式。模拟的结果显示土体的压实度与模量之间具有良好的相关性，并且与试验及便携式弯沉仪实测的数据保持一致性，故在土石坝施工质量监控中，可以利用便携式落锤弯沉仪进行监控，以提高效率。 研究显示应用离散单元法对土石体的静动态力学行为进行模拟分析是一种较为完善的数值方法，为解决此类岩土工程问题提供了一种新的手段。本文的工作为进一步对土石料动态特性的模拟分析研究奠定了基础。