湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃
項(xiàng) 目 申 報(bào) 表
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學(xué)校名稱
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長沙理工大學(xué)
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學(xué)生姓名
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學(xué) 號
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專 業(yè)
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性 別
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入 學(xué) 年 份
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王創(chuàng)業(yè)
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201508021028
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城市軌道
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男
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2015
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周偉
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201508021023
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巖土工程
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男
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2015
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王子建
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201508020827
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城市軌道
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男
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2015
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羅躍龍
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201508021016
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城市軌道
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男
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2015
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郭劍雄
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201508020922
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城市軌道
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男
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2015
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指導(dǎo)教師
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胡敏
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職稱
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講師
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項(xiàng)目所屬
一級學(xué)科
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土木工程
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項(xiàng)目科類(理科/文科)
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理科
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學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況
1、參與了指導(dǎo)老師主持的長沙理工大學(xué)橋梁工程領(lǐng)域研究基地開放基金資助項(xiàng)目“基于分形結(jié)構(gòu)的砂卵石土地層橋梁樁基承載力分析”的實(shí)驗(yàn)工作。
2、針對張桑高速有關(guān)膨脹巖的化學(xué)改良進(jìn)行了調(diào)查研究與初步實(shí)驗(yàn)。
3、參與了側(cè)限壓縮下級配砂礫石料的強(qiáng)度特性及其顆粒破碎特征的相關(guān)研究。
4、部分隊(duì)員參加中南地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽并獲特等獎(jiǎng)。
5、參與國家自然科學(xué)面上基金“基于塊體模型細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性和演化機(jī)理研究”的項(xiàng)目數(shù)值模擬。
6、在校期間曾參加過多次科技立項(xiàng)并獲獎(jiǎng)。
7、參與“互聯(lián)網(wǎng)+”、“創(chuàng)青春”全國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽并獲獎(jiǎng)。
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指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況
1.長沙理工大學(xué)橋梁工程領(lǐng)域研究基地開放基金資助項(xiàng)目，15KC03，基于分形結(jié)構(gòu)的砂卵石土地層橋梁樁基承載力分析，2015/12-2017/12，3萬元，在研，主持
2. 國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，11072095，對碎石樁和堆石路基中應(yīng)力鏈的拱效應(yīng)及其崩塌破壞模式的研究，2011/01-2013/12，25萬元，已結(jié)題，參與
3．長沙理工大學(xué)引進(jìn)博士啟動(dòng)基金，側(cè)限壓縮下級配砂礫石料的強(qiáng)度特性及其顆粒破碎特征研究，2017/12-2019/12，6萬元，在研，主持
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項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題
項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的：
膨脹巖是一種似巖非巖、似土非土的特殊土體，又被稱為膨脹土。其具有吸水易膨脹崩解的特性，在公路、邊坡、房建工程具有極大的危害[1][2]。目前國內(nèi)對膨脹巖的治理改良大多使用水泥石灰、二灰土、化學(xué)改性劑和物理加固的方法，成本較為昂貴，我們提出采用水泥黏土這一新的改良方法，同時(shí)做了初步的實(shí)驗(yàn)來論證這個(gè)想法的可行性。依托張桑高速公路施工開挖遇到的膨脹巖，現(xiàn)場采集樣品后判別其膨脹特性，以此為背景從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的角度來探究膨脹巖作為路基路堤填料的化學(xué)改良方案，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)將調(diào)整不同水泥黏土配合比并測定一定天數(shù)后的抗壓強(qiáng)度，從滿足一定改良強(qiáng)度、滿足不同配合比下兩個(gè)角度下來對改良方案進(jìn)行比較；同時(shí)基于兩款離散元軟件對膨脹土改性前后的無側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，嘗試模擬顆粒遇水膨脹破碎崩解機(jī)理的過程，為膨脹巖的研究提供新的研究方法。
項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容：
采用水泥和粘土對膨脹巖進(jìn)行化學(xué)改良，調(diào)整水泥、粘土、膨脹巖按不同配合比裝填物料入試樣中，經(jīng)過 7天、28天灑水養(yǎng)護(hù)后評價(jià)各個(gè)配合比下試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)反映了改良后擊實(shí)膨脹巖下自然條件下的變化情況及強(qiáng)度特征，而初步的探究中尚未涉及，因此在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中將進(jìn)行多次灑水與自由風(fēng)干來模擬干濕循環(huán)，并測其干濕循環(huán)穩(wěn)定后的抗壓強(qiáng)度。
對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)借由origin等專業(yè)繪圖軟件進(jìn)行二次處理，得出不同配合比下
的改性無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，確定一定抗壓強(qiáng)度下的最優(yōu)配合比，結(jié)合工程實(shí)際確定相應(yīng)改良方案。
借助PFC與EDEM軟件進(jìn)行相應(yīng)配合比下的實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)值模擬，以此得出更為普遍的規(guī)律。
要解決的主要問題：
在實(shí)驗(yàn)方面：
1.尋找合適的改良材料組合，該組合可以使改良后的膨脹巖強(qiáng)度達(dá)到要求且作為路基使用保證不易受水的影響，同時(shí)需滿足原料經(jīng)濟(jì)、有工程應(yīng)用價(jià)值、施工便利。
2.研究改良材料之間的配比方案，找到最佳的配比方案，使得改良后的膨脹巖在滿足強(qiáng)度要求的情況下經(jīng)濟(jì)節(jié)約。
3.試樣添加水分的多少對試樣強(qiáng)度有一定影響，因此需要定量探究含水率對形成試樣后的強(qiáng)度影響并確定最佳含水率。
4.干濕循環(huán)強(qiáng)度是膨脹巖實(shí)際應(yīng)用中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而初步的探究中尚未涉及，因此我們還需探究改良后的膨脹巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)穩(wěn)定后的抗壓強(qiáng)度。
在數(shù)值模擬方面：
1.如何利用PFC的clump功能來模擬顆粒的聚合，精確模擬復(fù)雜外形顆粒，設(shè)其接觸模型為粘性接觸模型。
2.模擬顆粒聚合團(tuán)遇水破碎、軟化、崩解、膨脹的現(xiàn)象。
3從顆粒三軸實(shí)驗(yàn)?zāi)M程序出發(fā)，嘗試對改良膨脹巖的聚合物進(jìn)行無側(cè)向抗壓并測其模擬強(qiáng)度。目前我們學(xué)習(xí)開發(fā)了一些相應(yīng)的程序代碼來支撐我們的數(shù)值模擬研究，限于篇幅，我們在附件中給出了一部分代碼。利用EDEM和PFC軟件做改性后模型的無側(cè)向抗壓強(qiáng)度數(shù)值模擬，其結(jié)論做改良試樣室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的對照，
為研究膨脹巖的軟化崩解提供新的思路。
在數(shù)據(jù)處理方面：
初研的結(jié)果顯示同一組試樣的強(qiáng)度也有偏差，在實(shí)驗(yàn)允許的情況下探究含水率和養(yǎng)護(hù)條件對強(qiáng)度的影響。同時(shí)對數(shù)據(jù)曲線是否考慮因自然因素引起的強(qiáng)度波動(dòng)，我們將結(jié)合進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)確定級配-強(qiáng)度的曲線。
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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)
一、膨脹巖的背景介紹
膨脹巖屬于軟巖，不同程度上含有親水礦物，其含水率產(chǎn)生變化時(shí)體積發(fā)生劇烈改變，其應(yīng)變、強(qiáng)度等力學(xué)特性與含水率、溫度等有復(fù)雜的關(guān)系。
膨脹巖的治理是工程地質(zhì)領(lǐng)域的一大難題，目前我們對膨脹巖的研究還較為初步。早于1956年Holtz 等[3]便開始了涉及膨脹土的工程研究，而在國內(nèi)20世紀(jì)90年代起，由于其對基建的危害，引發(fā)了國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注。而在南昆鐵路工程，南水北調(diào)中線工程中均分布有膨脹巖，在一些西部地區(qū)如云南、四川等,膨脹巖分布分布面積較大且地質(zhì)條件復(fù)雜,由于膨脹巖的研究不足不斷出現(xiàn)相應(yīng)的施工維護(hù)等問題，造成了人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失。
我們在張桑高速采集了膨脹巖，針對其做了定量的研究。
圖1
圖2
圖3
如上圖1圖2圖3是張桑路段膨脹巖對道路邊坡的破壞現(xiàn)場。由此可見膨脹巖對公路邊坡等工程施工的危害。
二、實(shí)驗(yàn)部分的研究進(jìn)展
1．膨脹巖的分類判別研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)
膨脹巖易發(fā)生脹縮，脹縮是由于巖石吸水、脫水而引起的，這與膨脹巖的含水量密切相關(guān)。但不同地區(qū)的膨脹巖, 由于其粘土礦物成分與含量的差異, 其破壞機(jī)理與治理原則也有所不同。易發(fā)生吸水膨脹現(xiàn)象的巖石種類極為復(fù)雜, 如泥巖、頁巖、粘土巖等。目前根據(jù)膨脹巖的膨脹機(jī)理將其分為化學(xué)膨脹和粘土質(zhì)膨脹?；瘜W(xué)膨脹是由于吸水或結(jié)晶體積變化等, 如硬石膏等，另一類是含有粘土礦物, 如泥巖等，其粘土類膨脹巖礦物含量越高, 膨脹率就越高。由于其分類與膨脹機(jī)理的復(fù)雜性，不少人對此做了一定的研究。
何山等[4]綜合考慮影響膨脹的因素，采用數(shù)理概率統(tǒng)計(jì)方法對膨脹巖的膨脹判定給出了定量的表達(dá)方法，對不同影響參數(shù)進(jìn)行了加權(quán)處理， 避免了單因素分類對膨脹巖進(jìn)行分類的不準(zhǔn)確性，但由于因素眾多而不適合在工程中推廣。
朱訓(xùn)國等[5]提出了一種以膨脹巖成分含量、吸水率等為主要控制指標(biāo)的新標(biāo)準(zhǔn)，并將其應(yīng)用于工程實(shí)際。
2.巖石浸水膨脹的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系
由于膨脹巖組成成分與破壞機(jī)制的復(fù)雜性，不少學(xué)者嘗試從其本構(gòu)關(guān)系來研究其物理力學(xué)性能。1970 年Huder 和Amberg 提出Huder-Amberg 模型，他們認(rèn)為其膨脹應(yīng)變與應(yīng)力呈半對數(shù)線性關(guān)系,而劉曉麗等[5]基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 提出了修正的Huder-Amberg 膨脹本構(gòu)模型，考慮到膨脹巖應(yīng)變隨時(shí)間變化的特性，給出了側(cè)限膨脹應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系，劉等還將巖石一維膨脹本構(gòu)關(guān)系擴(kuò)展到三維。
羅鴻禧[7]采用高真空冷凍升華干燥法, 對膨脹巖進(jìn)行了因水份變化而引起的孔徑分布變化規(guī)律的研究, 揭示脹巖膨脹過程的實(shí)質(zhì)是結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部的細(xì)孔和微孔不斷吸水膨脹, 產(chǎn)生一定的膨脹力, 引起總體結(jié)構(gòu)重新調(diào)整的過程。
朱珍德[8-10]借助南京水利樞紐工程所提供的巖樣研究膨脹變形及力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明紅砂巖膨脹應(yīng)變隨吸水率增加而呈對數(shù)增長；借助巖伺服機(jī)和應(yīng)變儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在Zhong Wanxie等[11]的基礎(chǔ)上提出考慮膨脹巖膨脹及軟化特性的彈塑性本構(gòu)模型，得出不同荷載下膨脹特性隨吸水率的變化關(guān)系 ，并進(jìn)一步提出用圖像處理技術(shù)定量描述紅砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)及裂紋擴(kuò)展變化過程。
非膨脹巖水理性質(zhì)較穩(wěn)定，可用于路段填料，如于春江等[12]對實(shí)際工程中大量的軟巖、泥巖的工程特性進(jìn)行分析進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)路段的泥巖等非膨脹巖可作為路基填料。付宏淵等[13]通過對廣西六寨至宜州高速公路炭質(zhì)頁巖作為路基填料路用性能研究表明：并不是所有的炭質(zhì)頁巖都能用于路堤填料，它取決于炭質(zhì)頁巖的物理力學(xué)性能，因此膨脹巖常常需要進(jìn)行改良改性處理才能作為填料。
流變特性是巖石的重要力學(xué)性質(zhì)之一，鄭西貴等[14]在西原體流變模型基礎(chǔ)上，考慮濕度效應(yīng)，建立了膨脹巖在應(yīng)力和濕度耦合作用下的流變本構(gòu)關(guān)系。
參考Genuchten模型[15]模型用土水特征曲線基礎(chǔ)上趙二平等[16]結(jié)合工程實(shí)際開展了循環(huán)加卸荷實(shí)驗(yàn)并嘗試用指數(shù)關(guān)系來刻畫應(yīng)變增量隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。
張巍等[17]則對崩解物粒徑和巖樣膨脹性關(guān)系展開研究，他提出膨脹巖膨脹性與其崩解物的最大含量粒組顆粒粒徑、有效粒徑呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)針對南水北調(diào)中線河南安陽段的膨脹巖設(shè)計(jì)了飽和與非飽和滲透特性實(shí)驗(yàn)．發(fā)現(xiàn)膨脹巖的飽和滲透系數(shù)、試樣下滲速度與含水量的關(guān)系。
何建新等[18]對新疆某地膨脹巖重塑土在不同含水率干密度，以及干濕循環(huán)狀態(tài)下的強(qiáng)度指標(biāo)通過直剪實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，得出膨脹巖的強(qiáng)度指標(biāo)隨著含水率的變化趨勢。
益圣強(qiáng)[19]結(jié)合實(shí)踐對擊實(shí)條件下膨脹巖含水率與膨脹率進(jìn)行了探究，得出了膨脹率與起始含水率關(guān)系曲線，膨脹率與摻入石灰率、擊實(shí)功關(guān)系曲線；
李國富[20]通過實(shí)驗(yàn)分析預(yù)測巷道開外后膨脹巖的力學(xué)行為并基于實(shí)例建立膨脹巖的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停贸隽讼锏郎疃扰c膨脹率等參數(shù)的關(guān)系。同時(shí)發(fā)現(xiàn)粘土礦物比表面積的變化是粘土礦物強(qiáng)吸水特征的主要原因，膨脹巖粘土礦物顆粒與水相互作用形成的擴(kuò)散層厚度及塑性變形是巖石膨脹變形的主要原因.
Lin[21]對泥巖不同含水量下的晶體、形態(tài)等做了研究，基于此楊成祥[22]借助CT 技術(shù)觀察泥巖動(dòng)態(tài)軟化并提出了水－巖作用過程中泥巖軟化演化的三個(gè)階段。
Heggheim[22]研究了不同介質(zhì)溶液下水巖的相互作用，楊春和等[24]通過電子掃描電鏡等電子設(shè)備研究了板巖遇水軟化的過程與機(jī)理。
車平[25]從礦物含量等方面，對粉砂質(zhì)泥巖軟化實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明水、可溶鹽膠結(jié)、裂隙綜合作用導(dǎo)致巖石軟化。
胡博聆[26]依托滇中路段場地探究不同風(fēng)化程度下泥質(zhì)粉砂巖的崩解實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 巖石風(fēng)化程度與崩解程度呈正相關(guān)，泥質(zhì)粉砂巖的崩解是由浸水過程、膠結(jié)物溶解、干濕循環(huán)共同作用引起的。
譚羅榮[27]從力學(xué)強(qiáng)度特性的角度討論了粘土巖泥巖的泥化崩解問題
綜上所述，粘土巖類泥化崩解，最初是宏觀的結(jié)構(gòu)破壞，然后是巖體吸水礦物水化，這使得巖體不均勻膨脹又加劇巖體的拉裂，粘土礦物進(jìn)一步水化，逐步使受損軟巖產(chǎn)生泥化物，最終形成形成高含水量的泥化物。在整個(gè)泥化過程中，實(shí)際上是巖體結(jié)構(gòu)由宏觀破壞引起微觀破壞并相互影響的過程，最終粘土礦物水花泥化崩解強(qiáng)度急劇降低。
楊建林[28]利用粉晶X 射線衍射等設(shè)備對泥巖進(jìn)行測試，研究表明：泥巖的崩解主要由吸水產(chǎn)生的次生孔隙及表面拉應(yīng)力控制。
黃宏偉等[29]通過掃描電鏡等對煤系地層泥巖進(jìn)行分析,研究了該泥巖軟化時(shí)微觀結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的特征。
張建智等[30]認(rèn)為滲水膨脹巖隧洞變形機(jī)制是一個(gè)受滲流、膨脹等多因素影響的復(fù)雜時(shí)變問題，探討了其變形機(jī)制，建立了滲水膨脹圍巖受力平衡方程。
盧義玉等[31]針對煤礦穿膨脹巖的縮徑問題，在考慮濕度影響的基礎(chǔ)上結(jié)合ANSYS 和模型實(shí)驗(yàn)研究分析了濕度與地應(yīng)力耦合對鉆孔縮徑變形的影響。
楊軍平等[32]通過控制水溫觀察膨脹巖在水中崩解模式，探究了溫度對膨脹巖崩解軟化的影響規(guī)律。他發(fā)現(xiàn): 隨著溫度的升高，粘土礦物膨脹作用增強(qiáng)，崩解速率也漸漸增加。
吳珺華[33]采用壓縮儀和收縮儀，對重塑膨脹土反復(fù)進(jìn)行膨脹和收縮，探究了在干濕循環(huán)作用下膨脹土的脹縮變形特征。
Terzaghi[34]，Gamble[34]從水分與孔隙的角度探究了紅砂巖的崩解機(jī)制，而劉曉明等[34]則從能量變化的角度建立了基于能量耗散原理建立紅砂巖崩解的能量耗散模型。研究結(jié)果表明：紅砂巖崩解能量利用率隨崩解呈指數(shù)衰減。
3.處理方法
為治理膨脹巖這種特殊土體，國內(nèi)外不少學(xué)者做了較多的研究，
羅勇[37]在對南水北調(diào)南陽實(shí)驗(yàn)段中，水泥改性土的應(yīng)用做了探究。他對于膨脹土的研究不僅使得實(shí)際工程中避免了特殊土體的運(yùn)走，也節(jié)省了路基填料的費(fèi)用。
目前對于膨脹巖的處理，運(yùn)用得最廣泛的是石灰與水泥，粉煤灰這三種材料。這三種材料廉價(jià)易得且性質(zhì)穩(wěn)定，適合施工處理。不僅實(shí)現(xiàn)了資源的苒利用’ 還減少了對資源的開采，對環(huán)境起到了很大的保護(hù)作用。
楊和平[38]提出采用微生物技術(shù)對西部膨脹土地區(qū)公路進(jìn)行土質(zhì)改良，并從多個(gè)方面考慮了利用微生物技術(shù)對膨脹土進(jìn)行改良,
王小軍[39]嘗試用生石灰改良膨脹巖，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 他的研究得出摻入生石灰改良后膨脹巖改善了其脹縮特性。膨脹巖改良最佳生石灰摻入比在8 %～ 12 %范圍內(nèi)。
何愛華[40]采用高分子量有機(jī)陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）對礦膨脹性凝灰?guī)r進(jìn)行改性，模擬工程實(shí)踐自制模擬注漿儀，發(fā)現(xiàn)CPAM改性液抗崩解性能優(yōu)良，且濃度越高，對于細(xì)小顆粒的吸附、孔隙的封堵作用越強(qiáng)。
鄒開學(xué)[41]依托南昆鐵路膨脹巖開展實(shí)驗(yàn),采用日本粉體材料和二灰土、水泥( 加粉煤灰)改良膨脹巖, 為增強(qiáng)韌性添加了高分子材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 二灰土、水泥( 加粉煤灰)強(qiáng)度滿足要求, 但需增加韌性;
徐晗等[42]過物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、擊實(shí)實(shí)驗(yàn)、力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)以及膨脹特性實(shí)驗(yàn)探究了新鄉(xiāng)潞王墳段巖層的壓實(shí)度，初始含水率與其工程特性之間的關(guān)系,
王建軍[43]針對路塹邊坡工程中常遇的膨脹巖問題，探討了其破壞機(jī)理，總結(jié)了設(shè)計(jì)施工的基本原則，提出膨脹巖邊坡防治技術(shù)措施。
傅毅靜[44]針對南欽鐵路沿線風(fēng)化軟巖填料進(jìn)行水泥改良土實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明: 強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖填料摻4 %水泥改良后滿足鐵路路堤填料要求，比遠(yuǎn)運(yùn)合格填料方案更為合理。
于春江[12]對實(shí)際工程中大量的軟巖、泥巖的工程特性進(jìn)行分析進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)路段的泥巖可作為路基填料。
陳花林等[45]結(jié)合武廣客運(yùn)線對泥質(zhì)粉砂巖化學(xué)改良進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)論:泥質(zhì)粉砂巖化學(xué)改良后力學(xué)強(qiáng)度及水理性得到較大提高,能滿足鐵路路基填料的要求。
毛忠良[46]介紹了 CMA 膨脹土生態(tài)改性劑在衡茶吉鐵路工程中改性膨脹土的施工技術(shù)，且改性后的土體基本上消除了膨脹土的脹縮特性，土體的強(qiáng)度大幅度提高，水穩(wěn)性好，土體穩(wěn)定。
王浩[47]提出了一種用DAH改良劑與石灰混合溶液滲透改良的新方法。研究表明,改良膨脹土脹縮性降低,同時(shí)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性大幅提高。
楊國錄等[47]提出了用HPZT 膨脹土改性劑固結(jié)膨脹土進(jìn)行膨脹土渠道施工。該方法抑制了膨脹土的膨脹性能。
顏春[49]探究了樹根樁與CMA 混合溶液共同作用下膨脹土的加固防護(hù)效果。
4.施工方向的具體措施研究
針對膨脹巖施工的過程，相關(guān)學(xué)者也做了一定的研究：
青兆麟[50]探究了泥巖用于石路堤填料施工技術(shù)
成海坡[51]的研究表明泥質(zhì)軟巖可以作為應(yīng)用在填泥質(zhì)粉灰?guī)r的施工過程中， 但要注意壓實(shí)次數(shù)、鋪設(shè)厚度和壓實(shí)度。
韓強(qiáng)等[52]提出采用一種化學(xué)材料（GCL）等做為渠基隔水材料，設(shè)置隔水層，以控制渠基膨脹巖自身穩(wěn)定和不發(fā)生變形
物理改良：王福和等[53]依托賀家坪連接線K2+710～+890 段老路拓寬路堤的工程實(shí)例，從滿足整體穩(wěn)定性和均勻沉降的要求出發(fā), 應(yīng)用Geo- slope軟件對土工格柵加固填石路堤進(jìn)行了分析,結(jié)果表明: 土工格柵對填石材料提供了側(cè)向壓力，限制了路堤的側(cè)向變形, 因此路堤的整體穩(wěn)定性得到了較大提高;。
5.室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展
國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)關(guān)于泥質(zhì)膨脹巖室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的建議由四部分組成，對膨脹巖的取樣和實(shí)驗(yàn)處理提供了指導(dǎo)。
惠會(huì)清等[54]通過石灰、粉煤灰混合料改良膨脹土實(shí)驗(yàn), 得到了石灰、粉煤灰混合料在改良膨脹土中的最佳添加量;發(fā)現(xiàn)膨脹土的自由膨脹率隨石灰量的增加而減小, 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰量的增加而增大。
陳濤等[55]針對廣西已建高速公路部分路段路面開裂等路基病害，從基本物理性質(zhì)和水穩(wěn)定性角度對風(fēng)化泥巖進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 該路段風(fēng)化泥巖水穩(wěn)定性較差，經(jīng)過一定的干濕循環(huán)次數(shù)后，其強(qiáng)度已不能滿足規(guī)范要求。
施建振等[55]對南京繞越高速公路風(fēng)化泥巖作為路基填料的問題進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)該路段泥巖開挖料水穩(wěn)定性較差，若利用其作為填筑材料，需要在外面用其他土料包裹以增強(qiáng)路基穩(wěn)定性。
由于軟巖填筑路基的廣泛應(yīng)用，有學(xué)者對軟巖填筑路基可行性判定與應(yīng)用做了定量的研究，鄭明新[57]通過X-衍射分析礦物，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)踐提出了風(fēng)化軟巖軟巖填筑路基可行性的初步判定方法。
劉新喜等[58]在探究風(fēng)化軟巖用于高等級公路路基填筑時(shí)得出壓實(shí)特性變形特性是評價(jià)填料性能的重要指標(biāo)，對填料在不同壓實(shí)度下進(jìn)行承載比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，承載比值隨填料壓實(shí)度的增大而增大。
周小順[59]針對某高速公路施工中所遇到的大面積膨脹土的情況，借由以石灰為核心的改性土室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在膨脹土中摻加摻入比為3%的石灰改性后膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)有明顯改善。
動(dòng)態(tài)：目前對膨脹土的改良大多屬于化學(xué)改良
化學(xué)改良原理：由土力學(xué)經(jīng)典理論晶格擴(kuò)張膨脹理論認(rèn)為凡是具有膨脹晶格構(gòu)造的粘土礦物都具有一定的膨脹性，引發(fā)膨脹巖脹縮變形的主要礦物成分蒙脫石具有兩層硅氧四面體夾一層硅氧八面體組成的三層相疊的晶格構(gòu)造，層間以氧原子形成公共弱鍵結(jié)合。這種結(jié)構(gòu)具有膨脹晶格構(gòu)造和晶格內(nèi)離子交換的特性，容易吸附大量的極性水分子，從而使晶層間距增大產(chǎn)生體積膨脹，當(dāng)有側(cè)限約束時(shí)則會(huì)產(chǎn)生膨脹力?；谀z體化學(xué)原理的擴(kuò)散雙電層理論則認(rèn)為粘土顆粒表面帶負(fù)電荷，在靜電場作用下必然會(huì)吸附帶正電的可交換性陽離子來平衡電場力。這種交換性陽離子在水溶液中以水化離子的形式存在，與粘土顆粒表面的負(fù)電荷形成的雙電層可以吸附極性水分子。蒙脫石顆粒表面雙電層中的擴(kuò)散層厚度較大，結(jié)合水膜變厚則會(huì)使水膜“模開”粘土顆粒的間距也增大。能提供大量有機(jī)陽離化合物的水溶液可減小塑性土樣的塑性、收縮及膨脹性,
從上述土力學(xué)理論背景可知化學(xué)改良膨脹巖是行之有效的。
6.工程實(shí)例，對膨脹巖的新認(rèn)識(shí)
龔壁衛(wèi)等[59][60]指出：人們常常把干縮裂隙與原生裂隙混為一談而忽視了原生裂隙，發(fā)現(xiàn)原生裂隙對滑坡也有重大影響。
范秋雁[61]采用原狀膨脹巖進(jìn)行室內(nèi)邊坡模型實(shí)驗(yàn)，揭示在連續(xù)降雨和濕-干循環(huán)模式下膨脹巖邊坡的變形破壞模式。
程永輝等[62]為研究降雨條件下膨脹土邊坡失穩(wěn)的機(jī)理，研制相似室內(nèi)模型，模擬了降雨條件下土邊坡失穩(wěn)破壞過程。研究表明膨脹土邊坡失穩(wěn)具有漸進(jìn)性且屬于邊膨脹邊失穩(wěn)。
王軍等[63]發(fā)現(xiàn)隨著干濕氣候不斷循環(huán), 裂隙逐漸發(fā)育,因此利用Matlab數(shù)字圖像處理方法提出圖像灰度化及二值化的數(shù)值處理技術(shù),來定量描述膨脹巖裂隙度。
童學(xué)軍等[64]依托武康二線工程開展膨脹土填料的室內(nèi)石灰改良實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：經(jīng)石灰改良處理后膨脹土的脹縮性得到了有效抑制且浸水穩(wěn)定性和強(qiáng)度都有了明顯改善，滿足鐵路路基填料要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)石灰改良土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加和壓實(shí)系數(shù)的提高而增加，隨著摻灰比的增加，石灰改良土的強(qiáng)度相應(yīng)增大。
辛文棟等[64]結(jié)合蘭新線膨脹性泥巖路段，開展了路塹邊坡受膨脹性及風(fēng)蝕的影響研究，提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。
二．?dāng)?shù)值模擬方面的進(jìn)展
膨脹巖的本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性導(dǎo)致其模型建立較為困難，在工程實(shí)踐中往往通過現(xiàn)場取樣室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法來開展處理與進(jìn)一步的研究，地應(yīng)力和巖層成分的不同導(dǎo)致其特征物性參數(shù)的標(biāo)定難題顯得尤為突出，目前在膨脹巖的治理應(yīng)用中沒有較為成熟的數(shù)值模擬案例，但仍有一些學(xué)者從不同方向做了相關(guān)的研究來驗(yàn)證對照室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。
王凱等[66][66]為探究膨脹巖濕度應(yīng)力場對圍巖變形與次生應(yīng)力狀態(tài)的影響，結(jié)合工程實(shí)例，基于FLAC3D 軟件進(jìn)行本構(gòu)模型的二次開發(fā)并建立了膨脹巖濕度應(yīng)力場的本構(gòu)模型，他發(fā)現(xiàn)巖體中水分?jǐn)U散屬于動(dòng)態(tài)擴(kuò)散且膨脹巖的體積膨脹具有流變性。
劉新喜等[58]利用飽和與非飽和滲流原理，將有限元軟件用于邊坡的極限平衡分析，探討降雨強(qiáng)度、持時(shí)和壓實(shí)度等外界參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響。數(shù)值模擬分析表明：強(qiáng)風(fēng)化軟巖用于路堤壓實(shí)度不能低于90 %；當(dāng)暴雨強(qiáng)度高于200 mm/d 時(shí)，邊坡容易失穩(wěn)。
離散單元法系cundall[67]于1971年最早提出后，廣泛應(yīng)用于巖土等離散介質(zhì)總，在借鑒Thpompson[68]，calvetti[69]應(yīng)用離散單元法于巖體的的計(jì)算分析基礎(chǔ)上，鄭立寧等[70]運(yùn)用數(shù)值模擬分析膨脹土路基在干濕脹縮循環(huán)下的破壞特征及過程。合理再現(xiàn)膨脹土的室內(nèi)膨脹率，膨脹里等測試。 通過對膨脹土路基多次脹縮模擬，從細(xì)觀角度揭示了膨脹土路基在脹縮循環(huán)下的淺表層塌滑現(xiàn)象。
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本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績
為避免實(shí)驗(yàn)開展的盲目性，相關(guān)人員收集并閱讀了大量有關(guān)膨脹巖化學(xué)改良的文獻(xiàn)，分類整理后主要?dú)w結(jié)為如下十類：膨脹巖的分類；本構(gòu)關(guān)系；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)；數(shù)值模擬；處理方法；工程實(shí)例；邊坡失穩(wěn)研究；巖石風(fēng)化程度；對膨脹巖的新認(rèn)識(shí)。如圖4，對不同分類下的文獻(xiàn)
我們也做了較為深入的學(xué)習(xí)與總結(jié)。如下圖5是一部分本構(gòu)關(guān)系的整理分類，按照時(shí)間、作者、研究內(nèi)容的順序進(jìn)行了閱讀與整理。
 圖4 文獻(xiàn)分類
圖5 本構(gòu)關(guān)系相關(guān)文獻(xiàn)
對膨脹巖的化學(xué)改良原理有了一定了解。同時(shí)利用暑假時(shí)間做了膨脹巖的化學(xué)改良實(shí)驗(yàn)，獲得了不少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，下面是一些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。如圖6
圖6 不同水泥粘土比改良后試樣抗壓強(qiáng)度
在實(shí)驗(yàn)方面：我們已經(jīng)找到了膨脹巖路用的化學(xué)改良材料，分別是粘土和水泥。確定水泥和粘土占總質(zhì)量的25%左右，試件在無側(cè)限壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)下有最大強(qiáng)度，并且膨脹巖、粘土、水泥、水四種物質(zhì)配合在一起無側(cè)限壓強(qiáng)普遍在400KPa以上，能達(dá)到路用要求。另外還總結(jié)了配合比的變化對改良后試件強(qiáng)度的影響，水泥粘土占總質(zhì)量的比例不變，粘土比水泥為5：1，4：1，3：1，試件強(qiáng)度增加，如果固定水泥和粘土的比例不變，大致呈現(xiàn)水泥和粘土占總質(zhì)量的增加，試件強(qiáng)度先增加后減小的規(guī)律。
首先進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，反?yīng)的是水泥和黏土比值一定的條件下，膨脹巖含量不同的情況下，7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的對比。從圖中可以看出，在水泥與黏土含量1：3和1：5的比值下，不添加任何膨脹巖時(shí)強(qiáng)度最高，膨脹巖含量從75%-60%的過程中，強(qiáng)度呈現(xiàn)從高到底再從低到高的趨勢，在水泥與黏土含量1:4和1:6的比值下，強(qiáng)度由低到高又由高到低最后由低再到高。由此可見，改良后試件的強(qiáng)度在60%-75%范圍內(nèi)是先增加后降低再增加，而最佳的膨脹巖配比是70%-75%之間。
而在數(shù)值模擬方面：能較為熟練地使用顆粒流程序PFC2D,PFC3D模擬一些實(shí)驗(yàn)過程中的力學(xué)性質(zhì)與顆粒膨脹，擠壓的變化，如圖7、圖8；同時(shí)也能較好地使用EDEM軟件對顆粒的簡化關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的模型建立與模擬，下一步即引入clump用多個(gè)顆粒組成模板模擬實(shí)際顆粒探究相應(yīng)配合比下的力學(xué)特性，同時(shí)在附件中給出了相應(yīng)的模擬程序例子。
圖7 PFC模擬顆粒的堆積碰撞
圖8 EDEM對球形顆粒的填充
由于膨脹巖本身的特殊性，我們初步的學(xué)習(xí)是將實(shí)際模型簡化成球體來處理，但進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與模擬需要考慮顆粒的破碎和復(fù)雜顆粒模型的替換來取代球體顆粒的簡化。
經(jīng)學(xué)習(xí)，我們掌握了origin等專業(yè)繪圖軟件對顆粒數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理如圖9：
圖9 origin繪圖
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項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色
1. 膨脹巖的化學(xué)改良有不少方案，但大都針對具體案例，較少有系統(tǒng)的研究，我們嘗試提出水泥黏土這種新的膨脹巖改良方案并從一定強(qiáng)度下最佳配合比、一定配合比下的對應(yīng)強(qiáng)度兩個(gè)角度對弱膨脹巖、中膨脹巖展開研究，且初步的研究表明在弱膨脹巖中這種改良方法是滿足路用要求的。
2.有不少學(xué)者使用生石灰對膨脹巖進(jìn)行改良，生石灰遇水反應(yīng)生成碳酸鈣，而碳酸鈣與水、空氣三相作用下生成可溶性碳酸氫鈣，不僅破壞改良土體結(jié)構(gòu)，還導(dǎo)致水分滲入土體，使用水泥黏土則能很好的避免這種情況，由于黏土壓實(shí)后滲透性極差能避免水分的滲入導(dǎo)致改良土的破壞，能更穩(wěn)定地提高改良膨脹巖的強(qiáng)度。
3.積極研究膨脹巖的化學(xué)改良方案可以給工程帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益，并且減少工程中膨脹巖的浪費(fèi)。目前大多學(xué)者使用石灰與水泥或者二灰土進(jìn)行改良，我們嘗試著用水泥與粘土來對膨脹巖進(jìn)行改良，石灰相對于粘土較為昂貴，這有利于節(jié)約經(jīng)濟(jì)，與其他改良膨脹巖的方法相比, 水泥粘土改良是成本低、原料易得且綠色環(huán)保。
4.實(shí)驗(yàn)已有初步的結(jié)論，同時(shí)也驗(yàn)證了新改良方法的可行性。初步的實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)計(jì)方案：水泥比粘土為1：3，1：4，1：5,1:6四組（工程中常用的用量），及粘土比水泥為3：1，4：1，5：1，1：6四組不加膨脹巖的實(shí)驗(yàn)組下7天，28天改良膨脹巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如下圖，在不考慮壓實(shí)系數(shù)因素影響情況下，部分改良后膨脹土的28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.7MPa，完全符合高速公路路基填料的要求。
圖10 水泥黏土比與28天抗壓強(qiáng)度關(guān)系
5.由于從新的角度提出了膨脹巖的改良方法，相應(yīng)改良工藝與原理可申請關(guān)專利。
6.取樣自張桑高速，初研實(shí)驗(yàn)成果較好，進(jìn)一步的研究成果可用于相應(yīng)地段的處理，因此相應(yīng)研究具有較強(qiáng)實(shí)用性。
7.有數(shù)值模擬作為參照實(shí)驗(yàn)，目前較多學(xué)者使用ansys等對膨脹巖進(jìn)行模擬，但是結(jié)果不夠理想，出于巖體屬于離散元的考慮，我們采用兩種離散元程序來對顆粒進(jìn)行三軸無側(cè)限抗壓模擬，EDEM能給出初步而又規(guī)律的結(jié)論，而PFC程序由于軟件自身模型功能的可操作性較大適合精確模擬。
8.在已有的PFC、EDEM數(shù)值模擬基礎(chǔ)上基于離散元原理結(jié)合工程實(shí)際建立膨脹巖考慮濕度效應(yīng)下的軟化崩解模型，編寫滿足工程實(shí)際與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對照需求的復(fù)雜顆粒替換代碼，從新的角度模擬泥巖崩解宏微觀變化的破碎崩解情況。
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項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果:
項(xiàng)目的技術(shù)路線:
我們采用目前較為普遍的方法是朱訓(xùn)國提出的一種以膨脹巖中親水礦物成分的含量為基礎(chǔ)控制指標(biāo)，以巖塊的干燥飽和吸水率、極限膨脹量、極限膨脹力為主要控制指標(biāo)新的標(biāo)準(zhǔn)。我們先對原樣進(jìn)行初步的判斷（如表），再進(jìn)行相應(yīng)配合比下的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過初步判斷，取自張桑高速（如圖11）的膨脹巖是屬于弱膨脹巖再對膨脹巖進(jìn)行初研時(shí)進(jìn)行水泥粘土的改良。
表一 膨脹巖判斷依據(jù)指標(biāo)
圖11張桑高速
在工程中應(yīng)用較為廣泛的改良物料是水泥，石灰和其他化學(xué)改性劑，生石灰吸水后變成碳酸鈣，碳酸鈣暴露在空氣與土壤中會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸氫鈣，影響改性效果，同時(shí)易誘發(fā)災(zāi)害，而化學(xué)改性劑成本較高，綜合經(jīng)濟(jì)與施工的考慮，我們采用水泥與粘土做原材料來研究對膨脹巖的改良。但針對膨脹巖的研究大多停留在針對具體的工程而采取的措施上，缺乏系統(tǒng)的探究。因此我們提出一種新的改良膨脹巖方法：水泥粘土的化學(xué)改良，試探究不同配合比下對應(yīng)的石灰粘土改良膨脹巖無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
碎石類土和摻水泥的級配碎石直徑和高均為150mm，因此我們將試件制成如下模型（圖12），即直徑與高均為150mm的PVC管；
圖12 裝填后的PVC管試樣
張巍等[17]提出膨脹巖崩解物粒徑分布的差異性對其膨脹性具有一定的指示意義。由此在實(shí)驗(yàn)中我們：使膨脹巖破碎之后根據(jù)規(guī)范最大粒徑不能超過37.5mm。因此在破碎膨脹巖之后應(yīng)將膨脹巖過37.5mm篩孔。采用的振動(dòng)篩，如圖13、圖14
圖13 標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)篩
圖14振動(dòng)電機(jī)
振動(dòng)篩為ZBS-92A型，搖動(dòng)次數(shù)221次/min,擺動(dòng)行程25mm,搖擺次數(shù)147次/min,電機(jī)功率0.37KW.
對待不同的膨脹巖應(yīng)該換不同的配比，應(yīng)控制不同的水泥粘土比，在預(yù)研中我們結(jié)合王小軍等的研究成果考慮引入水泥的因素，弱膨脹巖的水泥摻入量可以定為1%，2%，3%，4%四組方案，中膨脹巖的水泥摻入量可以設(shè)為2%，3%，4%，5%四組，強(qiáng)膨脹巖的水泥摻入量可以設(shè)為2%，3%，4%，5%四組。
由于確定我們采集的張桑高速膨脹巖試樣為弱膨脹巖，我們調(diào)整水泥和粘土占總質(zhì)量的25%，30%，35%，40%，水泥比粘土為1：3，1：4，1：5,1:6四組，除此之外還增加了粘土比水泥為3：1，4：1，5：1，1：6四組不加膨脹巖的實(shí)驗(yàn)組，
膨脹巖破碎后應(yīng)該風(fēng)干，測試過風(fēng)干后膨脹巖的含水率在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。風(fēng)干后膨脹巖的含水率用來計(jì)算膨脹巖的真實(shí)使用量。加入水的劑量為膨脹巖的最優(yōu)含水率，將粘土加入拌合均勻浸潤12-24小時(shí)。浸潤后將水泥加入拌合均勻，并在一小時(shí)做成試件。按照膨脹巖干密度和試件體積算出試樣需要的拌合料質(zhì)量，據(jù)此給試件模子加料。模子內(nèi)壁先涂油，分2到3次加料，每次加料后用搗實(shí)棒搗實(shí)，之后用千斤頂壓實(shí)試件。壓實(shí)過程中要有兩個(gè)蓋子蓋在試件上下兩側(cè)，離試件2cm左右，將填料壓實(shí)至設(shè)計(jì)尺寸。每一個(gè)配比做成4個(gè)試樣，試件做完后稱量保證試件質(zhì)量在30g的范圍內(nèi)波動(dòng)。
試樣養(yǎng)護(hù)條件為每天中午與下午各灑一次水，用量以使試樣完全濕潤但不能漫出為宜。灑水7天養(yǎng)護(hù)測一次無側(cè)限壓強(qiáng)，灑水28天養(yǎng)護(hù)測一次無側(cè)限壓強(qiáng)。通過數(shù)據(jù)分析得到最佳膨脹巖、粘土、水泥配合比，同時(shí)評價(jià)各個(gè)配合比下試件的強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)7天后可用總體一半拿出來做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，試件放在實(shí)驗(yàn)機(jī)上，應(yīng)使試件變形等速增加，保持速率約為1mm/min。
下圖15-17為膨脹巖65%黏土,30%,水泥5%,水6.3%的改良膨脹巖與粘土和水泥做成的試件在三軸儀上破壞后的圖片。
粘土和水泥做成的試件破壞截面與試件底面成45度角，主要是剪切破壞，而膨脹巖、粘土、水泥做成的試件在無側(cè)限壓縮下先向側(cè)向膨脹最后沿著膨脹巖和粘土接觸界面破壞，膨脹巖自身完好。
圖15水泥粘土試樣破壞形式
圖16水泥粘土試樣破壞形式
圖17改良膨脹巖試樣破壞形式
三軸實(shí)驗(yàn)儀器如圖18：
圖18三軸實(shí)驗(yàn)儀
儀器參數(shù)為TSZ-1型：試樣直徑：39.1,61.8mm,軸向壓力：0-10KN;圍壓反壓：0-2MPa;孔隙壓力：0-2MPa;體積變化：0-50ml;剪切速率：0.001-2.4mm/min.
進(jìn)一步的研究中，而在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，在結(jié)合鄒開學(xué)等實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)定水泥四種配比，粘土七種配比，混合后有28種組合，每種組合做12個(gè)試件，每個(gè)級配試做6個(gè)模型，其中三個(gè)為7天，三個(gè)為28天。一半在水中養(yǎng)護(hù)，一半在低溫下養(yǎng)護(hù)，有兩種養(yǎng)護(hù)方式，每種要有三個(gè)用來做七天強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，三個(gè)用來做28天強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，總計(jì)336個(gè)試樣。
混合料采取5次加入，每一次填料后用擊實(shí)錘砸實(shí)25次，試件做完后稱量保證試件質(zhì)量在30g的范圍內(nèi)波動(dòng)。灑水7天養(yǎng)護(hù)測一次無側(cè)限壓強(qiáng)，灑水28天養(yǎng)護(hù)測一次無側(cè)限壓強(qiáng)。通過數(shù)據(jù)分析得到最佳膨脹巖、粘土、水泥配合比，同時(shí)評價(jià)各個(gè)配合比下試件的強(qiáng)度。
在數(shù)據(jù)處理時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于2mpa,計(jì)算至0.01mpa,大于2mpa,計(jì)算至0.1mpa.另一半試件在齡期28天后在進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。目前的實(shí)驗(yàn)只是實(shí)驗(yàn)性的對特定級配下的膨脹巖做了初步的探究，由于經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)儀器的限制，
尚待更進(jìn)一步開展對一定圍壓下的實(shí)驗(yàn)及膨脹巖的風(fēng)化，模擬軟件分析，應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系等進(jìn)一步的研究。
圖19 應(yīng)力應(yīng)變曲線
在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方面，由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，我們選取部分?jǐn)?shù)據(jù)來補(bǔ)充支撐我們的申請書，膨脹巖的改良基本步驟已在申請書中得到體現(xiàn)，而改良效果的鑒定則分為如下兩個(gè)方面：測試改良后試樣的7天無側(cè)限壓縮抗壓強(qiáng)度與28天無側(cè)限壓縮抗壓強(qiáng)度。調(diào)整膨脹巖水泥黏土三者的含量比后裝填試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)我們也給出了一部分經(jīng)Excel、origin數(shù)據(jù)處理后的配合比-強(qiáng)度圖，如圖20-22。
圖20 配合比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系綜合圖
圖21 水泥粘土配合比與28天抗壓強(qiáng)度關(guān)系
圖22水泥粘土配合比與7天抗壓強(qiáng)度關(guān)系
當(dāng)我們的實(shí)驗(yàn)有較為完整的結(jié)論后我們計(jì)劃將相應(yīng)水泥粘土配合比下的改性應(yīng)用于實(shí)際工程中。
在數(shù)值模擬方面，結(jié)合對離散元軟件的使用，從三個(gè)角度來探究水泥粘土改良膨脹巖的特性：1.利用PFC多個(gè)顆粒組合形成的clump來模擬顆粒的聚合，設(shè)置其接觸模型為粘性接觸模型。2.模擬顆粒聚合穩(wěn)定后遇水膨脹的現(xiàn)象。3.從顆粒三軸實(shí)驗(yàn)?zāi)M程序出發(fā)，嘗試對改良膨脹巖的聚合物進(jìn)行無側(cè)向抗壓測得相應(yīng)強(qiáng)度。目前我們學(xué)習(xí)開發(fā)了一些相應(yīng)的程序代碼來支撐我們的數(shù)值模擬研究，限于篇幅，我們在附件中給出了一部分代碼。
數(shù)據(jù)分析：
將膨脹巖作為一個(gè)變量，粘土和水泥作為一個(gè)變量，同時(shí)也可控制水的含量，用控制變量法的原理來研究膨脹巖在哪種配合比下有最大強(qiáng)度和膨脹巖的試件強(qiáng)度隨著配合比的變化是如何變化。
預(yù)期成果：
1.撰寫項(xiàng)目“膨脹巖的化學(xué)改良及其路用特性研究”的結(jié)題報(bào)告；
2.本項(xiàng)目相關(guān)研究成果擬發(fā)表核心及以上期刊學(xué)術(shù)論文2~3篇 。
3.借助PFC、EDEM基于離散元結(jié)合工程實(shí)際建立膨脹巖考慮濕度效應(yīng)下的軟化崩解模型，編寫滿足工程實(shí)際與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對照需求的復(fù)雜顆粒替換代碼，結(jié)合泥巖崩解宏微觀變化撰寫顆粒破碎崩解的運(yùn)行代碼，
4.確定綜合滿足張桑高速公路路基與邊坡填料工程與節(jié)約耗資要求下的最佳水泥黏土配合比，給出不同強(qiáng)度要求下最佳配合比。
5.刻畫不同水泥黏土比改良后膨脹巖7天、28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系，由此預(yù)測不同配合比的改良膨脹巖所對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度。
6.依托水泥粘土這一新型膨脹巖改良方法，對實(shí)驗(yàn)成果的應(yīng)用措施與關(guān)鍵技術(shù)申請相應(yīng)專利，針對構(gòu)建的巖石崩解等破壞形式撰寫代碼并申請專利。
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年度目標(biāo)和工作內(nèi)容
第一年度：
工作目標(biāo)：以實(shí)驗(yàn)探索和完善膨脹巖的化學(xué)改良方案，使膨脹巖的水泥粘土化學(xué)改良方案確實(shí)可行。
工作內(nèi)容：
2018年3月-4月
收集整理相關(guān)文獻(xiàn)、資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；
整理包括實(shí)驗(yàn)相關(guān)的文獻(xiàn)的本構(gòu)關(guān)系；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)；數(shù)值模擬；處理方法；工程實(shí)例；邊坡失穩(wěn)研究；巖石風(fēng)化程度；對膨脹巖的新認(rèn)識(shí)相關(guān)文獻(xiàn)
2018年5月
采購實(shí)驗(yàn)裝置及原料；在膨脹巖路段等購回一些相應(yīng)的粘土并運(yùn)回相應(yīng)膨脹巖，三軸實(shí)驗(yàn)儀可向?qū)W校申請，購買振動(dòng)篩以篩分不同粒徑的膨脹巖碎石。在網(wǎng)上商城或附近建材市場，購買PVC管，在附近的批發(fā)市場購置一定量的水泥，
2018年6月-9月
購回膨脹巖后開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)方面：
1.確定一定比例的膨脹巖的含量情況下針對不同配合比的水泥粘土比來開展膨脹巖的改良研究
2.確定一定配合比的水泥粘土比調(diào)整膨脹巖的含量，經(jīng)過水分養(yǎng)護(hù)后測量7天與28天的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度
2018年10月
分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；當(dāng)我們的實(shí)驗(yàn)有較為完整的結(jié)論后我們計(jì)劃將相應(yīng)水泥粘土配合比下的改性應(yīng)用于實(shí)際工程中。
3.撰寫一定強(qiáng)度下一定質(zhì)量比膨脹巖下最優(yōu)配合比的成果論文；撰寫初步探究數(shù)值模擬應(yīng)用于顆粒替換與三軸實(shí)驗(yàn)?zāi)M的成果論文。
2018年11-12月
1.對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析整理并進(jìn)行對比，得出相關(guān)結(jié)論；將膨脹巖碎塊，粘土，水泥，水按照一定比例配合制成試樣，每一個(gè)配比制作多個(gè)個(gè)試件，灑水7天養(yǎng)護(hù)測一次無側(cè)限壓強(qiáng)，灑水28天養(yǎng)護(hù)測一次無側(cè)限壓強(qiáng)。通過數(shù)據(jù)分析得到最佳膨脹巖、粘土、水泥配合比，同時(shí)評價(jià)各個(gè)配合比下試件的強(qiáng)度。
2.學(xué)習(xí)顆粒流數(shù)值模擬軟件，主要表現(xiàn)在對PFC與EDEM的復(fù)雜實(shí)際顆粒模型的導(dǎo)入與顆粒的破碎，崩解泥化的模擬機(jī)制與代碼學(xué)習(xí)上。
依托水泥粘土這一新型膨脹巖改良方法，對實(shí)驗(yàn)成果的應(yīng)用措施與關(guān)鍵技術(shù)申請相應(yīng)專利，針對構(gòu)建的巖石崩解等破壞形式撰寫代碼并申請專利。
第二年度：
工作目標(biāo)：采用控制變量法來對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出膨脹巖在不同的配比下強(qiáng)度之間的關(guān)系，給出張桑高速公路路基填料與路堤填料對應(yīng)的最佳配比方案。
工作內(nèi)容：
2019年1月
借助數(shù)值模擬軟件設(shè)計(jì)確定一定比例的膨脹巖的含量情況下針對不同配合比的水泥粘土比來開展膨脹巖的改良研究確定一定配合比的水泥粘土比調(diào)整膨脹巖的含量，經(jīng)過水分養(yǎng)護(hù)后測量7天與28天的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
撰寫滿足一定強(qiáng)度下不同質(zhì)量比膨脹巖下最優(yōu)配合比的論文；撰寫構(gòu)建膨脹土的數(shù)值模擬分析的成果撰寫論文；
2019年2月
撰寫膨脹巖的化學(xué)改良及其路用特性研究結(jié)題報(bào)告并提交相應(yīng)論文專利的成果；給出膨脹巖如何用clump來模擬實(shí)際顆粒變形受力的程序；給出膨脹巖如何三軸實(shí)驗(yàn)下顆粒受力破壞的程序與構(gòu)建膨脹巖三軸實(shí)驗(yàn)下應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬分析程序的代碼。
2019年3月-4月
結(jié)合項(xiàng)目申請的專利、論文及相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果，申報(bào)結(jié)題。
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指導(dǎo)教師意見
膨脹巖遇水膨脹失水收縮的特性常常誘發(fā)各種工程事故，甚至重大安全事故。本項(xiàng)目以張桑高速某膨脹巖邊坡為背景，研究膨脹巖碎石體的路用性能改良。本小組同學(xué)在前期查閱了大量文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)出了可行的研究方案并取得了部分研究成果，研究方案可行，建議優(yōu)先資助
簽字： 胡敏 日期：2018.4.25
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附件一：基于PFC利用clump生成復(fù)雜顆粒模擬實(shí)際顆粒力學(xué)特性
;新執(zhí)行
new
SET random ;reset random-number generator
set echo=off
;***************** 定 義 *****************
;*****************************************************
def setup
;**定義空間大小-------------------------------------
height= 0.200 ;
width= 0.100 ;
vel_rad_z = 0.14; 0.1-0.5; ratio of velocity of rad and z
;==========需要修改的參數(shù)==========
gradeN = 2 ; d>=16
ballN = 360; 顆粒個(gè)數(shù)
vol_expand = 30; 體積擴(kuò)大系數(shù)
;多面體類型
polyType= 'ELLIP'
;最小填充球的直徑
filledballd= '3'
;多面體最小包容盒三個(gè)邊長，按大到小編號為L，B，T
Ratiostr= '[1-0.5-0.25]'
Ratio12= 2/1 ; = L/B
Ratio23= 2/1 ; = B/T
;壓縮參數(shù)
_Wzvel = -5.0 ; 5#墻體速度
Target_press = -1e5 ; 壓縮停止條件：圍壓大小
b_acc = 2000 ; 球體加速度
;==================================
s_stiff=1e8 ;initial stiffnesses
n_stiff=1e8
w_stiff=1e100
R_critical = 0.0095/2 ;需要替換的球體的最小半徑(臨界半徑)
;徑向與軸向的擴(kuò)大系數(shù)
yy= 4*vol_expand*vel_rad_z*height/width
nw= exp(ln(abs(yy))/3) ;=yy^(1/3)
nh= vol_expand/nw^2
height_cy= height*nh
width_cy = width *nw
cmpstage =1 ;1-第一階段，2-第二階段
;-----------------------------------------------------
;**定義級配信息
rMult = 1.1
;alph = sqrt(Ratio12*Ratio12+1+(1/Ratio23/Ratio23)); for polyhedron
alph = Ratio12 * rMult ; for ellipsoid
array p(10) R(10) v(10) Rs(7)
Rs(1) = '19'
Rs(2) = '16'
Rs(3) = '13.2'
Rs(4) = '9.5'
Rs(5) = '4.75'
Rs(6) = '2.36'
Rs(7) = '1.18'
R(1) = 0.019/2
R(2) = 0.016/2
R(3) = 0.0132/2
R(4) = 0.0095/2
R(5) = 0.00475/2
R(6) = 0.00236/2
R(7) = 0.00118/2
loop k (1,7)
if R(k)>= R_critical
R(k)= alph * R(k) ;粒徑擴(kuò)大
end_if
end_loop
p(1) = 0 ;19
p(2) = 5 ;16
p(3) = 11 ;13.2
p(4) = 14 ;9.5
p(5) = 22 ;4.75
p(6) = 14 ;2.36
p(7) = 9.5 ;1.18
v(1) = 0 ; v=1/(r^3) r=(R1+R2)/2
v(2) = 0.0015
v(3) = 0.0026
v(4) = 0.0055
v(5) = 0.0221
v(6) = 0.1781
v(7) = 1.4427
pvsum=0 ;p(1)*v(1)+p(2)*v(2)+p(3)*v(3)+p(4)*v(4)+p(5)*v(5)+p(6)*v(6)+p(7)*v(7)
loop k (1, gradeN)
pvsum = pvsum+ p(k)*v(k)
end_loop
;-----------------------------------------------------
; **孔隙率參數(shù)
vpoly = 0 ;total volume of polyhedrons or ellipsoids
;-----------------------------------------------------
; **定義存取參數(shù)
a_size = ballN+1
IO_READ = 0
IO_WRITE= 1
IO_FISH = 0
IO_ASCII= 1
;讀取數(shù)據(jù)參數(shù)
a_size = 200
array ab(200) x_(200) y_(200) z_(200) r_(200) ;
array asz(5000) asr(5000)
nsz = 5000 ; 應(yīng)力數(shù)據(jù)平滑長度 建議1000~5000
avsz= 0
avsr= 0
idx = 0
;保存文件名頭
filehead= 'R16D100H200'
saveFile= filehead+polyType+Ratiostr+'.SAV'
;-----------------------------------------------------
end
;----------------------------------------------------
;生成墻面
def make_walls ; create walls: a cylinder and two plates
extend=1.0 ;0.2
rad_cy=0.5* width_cy
;圓柱面
_z0=-extend*height
_z1=height_cy*(1.0+extend)
command
wall type cylinder id=1 kn=w_stiff end1 0.0 0.0 _z0 end2 0.0 0.0 _z1 &
rad rad_cy rad_cy
end_command
;底面
_x0=-rad_cy*(1.0+extend)
_y0=-rad_cy*(1.0+extend)
_z0= 0.0
_x1= rad_cy*(1.0+extend)
_y1=-rad_cy*(1.0+extend)
_z1= 0.0
_x2= rad_cy*(1.0+extend)
_y2= rad_cy*(1.0+extend)
_z2= 0.0
_x3=-rad_cy*(1.0+extend)
_y3= rad_cy*(1.0+extend)
_z3= 0.0
command
wall id=5 kn=w_stiff face (_x0,_y0,_z0) (_x1,_y1,_z1) (_x2,_y2,_z2) &
(_x3,_y3,_z3)
end_command
;頂面
_x0=-rad_cy*(1.0+extend)
_y0=-rad_cy*(1.0+extend)
_z0= height_cy
_x1=-rad_cy*(1.0+extend)
_y1= rad_cy*(1.0+extend)
_z1= height_cy
_x2= rad_cy*(1.0+extend)
_y2= rad_cy*(1.0+extend)
_z2= height_cy
_x3= rad_cy*(1.0+extend)
_y3=-rad_cy*(1.0+extend)
_z3= height_cy
command
wall id=6 kn=w_stiff face (_x0,_y0,_z0) (_x1,_y1,_z1) (_x2,_y2,_z2) &
(_x3,_y3,_z3)
end_command
end
;----------------------------------------------------
;生成顆粒
def create_ball
n1 = 0
n2 = 0
w1 = -rad_cy
w2 = rad_cy
h1 = 0.0
h2 = height_cy
loop k (2, gradeN)
n1 = n2+1
n2 = n2+round(ballN*p(k)*v(k)/pvsum)
if n2>n1 then
r1 = R(k)
r2 = R(k-1)
clr=k-2
command
gen id=n1,n2 rad=r1,r2 x=w1,w2 y=w1,w2 z=h1,h2 filter ff_cylinder
prop dens=2700 ks=s_stiff kn=n_stiff color=clr range id=n1,n2
end_command
end_if
end_loop
ballmax = n2
ii=out(string(ballmax)+'particles were created')
end
;----------------------------------------------------
;修改墻體剛度 change lateral wall stiffnesses
def cws
command
wall type cylinder id 1 kn=w_stiff
end_command
end
;----------------------------------------------------
;過濾函數(shù)
def ff_cylinder
ff_cylinder=0
_brad= fc_arg(0)
_bx= fc_arg(1)
_by= fc_arg(2)
_bz= fc_arg(3)
_rad= sqrt(_bx^2+_by^2)
if _rad+_brad > rad_cy then
ff_cylinder= 1
end_if
end
;----------------------------------------------------
def read_balls
status = open(txtfn, IO_READ, IO_ASCII)
status = read(ab, a_size)
status = close
nball= parse(ab(1), 1)
loop n (1, nball)
x_(n)= parse(ab(n+1), 1)
y_(n)= parse(ab(n+1), 2)
z_(n)= parse(ab(n+1), 3)
r_(n)= parse(ab(n+1), 4)
end_loop
vpoly = vpoly+ parse(ab(nball+4), 4)
;ii=out(' nball='+string(nball)+' vpoly='+string(vpoly))
end
;-----------------------------------------------------
def clump_make
bp= ball_head
clmp_id= 10000
n3a= ballmax+1
n3b= ballmax+1
loop while bp # null
if b_id(bp)<=ballmax ;get rid of all new balls
r_base = b_rad(bp)
x_base = b_x(bp)
y_base = b_y(bp)
z_base = b_z(bp)
section
loop k (1,7)
if r_base>= R(k)
if r_base>= R_critical
txtfn= polyType+Rs(k)+'M'+filledballd+'R'+Ratiostr+'T1.txt' ;+string(int(1+20*urand))+'.txt'
ii=out(' Read from... '+ txtfn)
read_balls ;讀取數(shù)據(jù)（x，y，z，r）
ii=b_delete(bp)
; gen all the balls
n3a= n3b+1
scl= r_base/R(k)
cal_transpara
loop i (1,nball)
x1= x_base + scl*(axx*x_(i)+axy*y_(i)+axz*z_(i))
y1= y_base + scl*(ayx*x_(i)+ayy*y_(i)+ayz*z_(i))
z1= z_base + scl*(azx*x_(i)+azy*y_(i)+azz*z_(i))
r1= scl*r_(i)
n3b=n3b+1
command
;pause
ball id=n3b rad=r1 x=x1 y=y1 z=z1
end_command
end_loop
; make into a clump
clmp_id= clmp_id+1
command
clump id=clmp_id perm range id=n3a,n3b ;not broken
end_command
else
vpoly = vpoly+(4.0/3.0)*pi*b_rad(bp)^3
endif
exit section
endif
end_loop
end_section
endif
bp=b_next(bp)
end_loop
command
property density=2650 ks=s_stiff kn=n_stiff fric=0
end_command
cmpstage = 2
end
;----------------------------------------------------
def cal_transpara
;繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)角度
ax= urand *2.0*pi
ay= urand *2.0*pi
az= urand *2.0*pi
axx= cos(ay)*cos(az)-sin(ax)*sin(ay)*sin(az)
axy=-cos(ax)*sin(az)
axz= sin(ay)*cos(az)+sin(ax)*cos(ay)*sin(az)
ayx= cos(ay)*sin(az)+sin(ax)*sin(ay)*cos(az)
ayy= cos(ax)*cos(az)
ayz= sin(ay)*sin(az)-sin(ax)*cos(ay)*cos(az)
azx=-cos(ax)*sin(ay)
azy= sin(ax)
azz= cos(ax)*cos(ay)
end
;----------------------------------------------------
; 墻體索引
def wall_addr
wadd1=find_wall(1)
wadd5=find_wall(5)
wadd6=find_wall(6)
end
;----------------------------------------------------
; 應(yīng)力數(shù)組清零
def aszero
idx = 0
avsz= 0
avsr= 0
loop i (1,nsz)
asz(i)= 0
asr(i)= 0
end_loop
end
;----------------------------------------------------
; 試件壓縮
def compress
Wrvel= vel_rad_z*_Wzvel
Wzvel= _Wzvel
loopk= 0
cmpbefore = 0 ; rad=1, z=-1, unknown=0
lpkn= 8
if cmpstage =1
lpkn= 4
end_if
loop k (1,lpkn)
;消除原有應(yīng)力
;aszero
zeroall
command
wall id 6 zvel= 0
cycle 5000 ; to release the old stress
end_command
;aszero
cycn = 0
;新壓縮循環(huán)
section ;+++++++++
loop while 1 # 0
;調(diào)整速度
if new_rad > 0.5*width
w_radvel(wadd1)= Wrvel
Wzvel0 =0
if cmpbefore<= 0
bar_apply ;only rad-acc
end_if
cmpbefore= 1
else
w_radvel(wadd1)= 0
Wzvel0 = Wzvel
if cmpbefore>= 0
baz_apply ;only z-acc
end_if
cmpbefore=-1
end_if
;循環(huán)計(jì)算
command
wall id 6 zvel= Wzvel0
cycle 50
end_command
cycn = cycn+1
;顯示結(jié)果
statereq
;退出
if abs(avsr) >= abs(0.9*Target_press)
if cycn <= 5
loopk= loopk+1
if loopk >= 2 ;change the velocity
if new_rad > 0.5*width
Wrvel = Wrvel*0.5
else
Wzvel = Wzvel*0.5
end_if
end_if
if loopk >= 4 ;change the velocity
w_radvel(wadd1)= 0
ba_release
exit
end_if
else
loopk= 0
end_if
exit section
end_if
end_loop
end_section ;+++++++++
w_radvel(wadd1)= 0
end_loop
;清除加速度
ba_release
end
;----------------------------------------------------
; 球體加載卸載
def bar_apply
bp = ball_head
loop while bp # null
bforce = b_acc * 11100.29404 * b_rad(bp)^3 ;(4.0/3.0) * pi * b_rad(bp)^3 * 2650
brad = sqrt( b_x(bp)^2 + b_y(bp)^2 )
;if brad >= width/3 ;width/2 * (2/3)
b_xfap(bp) = -1.0 * bforce * b_x(bp) / brad
b_yfap(bp) = -1.0 * bforce * b_y(bp) / brad
b_zfap(bp) = 0
;else
; b_xfap(bp) = 0
; b_yfap(bp) = 0
; b_zfap(bp) = 0
;end_if
bp = b_next(bp)
end_loop
end
def baz_apply
bp = ball_head
loop while bp # null
bforce = b_acc * 11100.29404 * b_rad(bp)^3 ;(4.0/3.0) * pi * b_rad(bp)^3 * 2650
b_xfap(bp) = 0
b_yfap(bp) = 0
b_zfap(bp) = -1.0 * bforce
bp = b_next(bp)
end_loop
end
def ba_release
bp = ball_head
loop while bp # null
b_xfap(bp) = 0
b_yfap(bp) = 0
b_zfap(bp) = 0
bp = b_next(bp)
end_loop
end
;----------------------------------------------------
; 求取平均應(yīng)力和應(yīng)變
def get_ss
get_stress
get_strain
end
def get_ass
;計(jì)算瞬間應(yīng)力應(yīng)變
get_stress
get_strain
;平均化處理
idx = idx+1
idx0= idx+1
if idx > nsz
idx = idx -nsz
end_if
if idx0 > nsz
idx0 = idx0 -nsz
end_if
asz(idx)= wszz
asr(idx)= wsrr
avsz = avsz + (asz(idx)-asz(idx0))/nsz
avsr = avsr + (asr(idx)-asr(idx0))/nsz
;ii=out(' avsz='+string(avsz)+' avsr='+string(avsr))
end
def get_stress
new_rad=w_radend1(wadd1)
zdif=w_z(wadd6)-w_z(wadd5) ;注意：w_z( )函數(shù)返回值不是wall的z坐標(biāo)。
new_height= height_cy+zdif ; 為墻體的*累積位移*，包括以前所有cycle的位移量
wsrr=-w_radfob(wadd1)/(new_height*2.0*pi*new_rad) ;徑向應(yīng)力
wszz=0.5*(w_zfob(wadd5)-w_zfob(wadd6))/(pi*new_rad^2.0) ;軸向應(yīng)力
;ii=out(' wradfob='+string(w_radfob(wadd1)))
end
def get_strain
rdif=new_rad-rad_real
werr=2.0*rdif/(rad_real+new_rad) ;徑向應(yīng)變
wezz=(new_height-height_real)/height_real ;2.0*zdif/(height+new_height) ;軸向應(yīng)變
wevol=wezz+2.0*werr ;體積應(yīng)變 = x應(yīng)變+y應(yīng)變+z應(yīng)變
end
;----------------------------------------------------
; 將height_real重置為當(dāng)前高度
def reset_real
height_real= abs(height_cy+w_z(wadd6)-w_z(wadd5))
rad_real = w_radend1(wadd1)
end
;----------------------------------------------------
;統(tǒng)計(jì)空隙率 (height_real may be modified)
def poroscal
reset_real ;reset the height and rad
tot_vol= height_real*pi*rad_real^2.0
sum=0.0 ;get actual porosity
bp=ball_head
loop while bp # null
sum= sum+4.0/3.0*pi*b_rad(bp)^3
bp = b_next(bp)
end_loop
pballs= (1.0-sum/tot_vol)*100
ppolys= (1.0-vpoly/tot_vol)*100
ii=out(' The last height is '+string(height_real)+',radius is '+string(rad_real))
ii=out(' ball-porosity is '+string(pballs)+'%'+',poly-porosity is '+string(ppolys)+'%')
end
;----------------------------------------------------
; 查詢當(dāng)前高度/直徑
def statereq
height_cur=abs(height_cy+w_z(wadd6)-w_z(wadd5))
diam_cur= w_radend1(wadd1)*2
ii=out(' Nows height is '+string(height_cur)+',Diameter is '+string(diam_cur))
ii=out(' avsz ='+string(avsz)+', avsr ='+string(avsr))
ii=out(' Wzvel='+string(Wzvel)+', Wrvel='+string(Wrvel))
end
;----------------------------------------------------
; 清零
def zeroall
;zero all balls
bp = ball_head
loop while bp # null
loop k (1,3)
b_vvel(bp,k) =0
b_vrvel(bp,k)=0
end_loop
bp = b_next(bp)
end_loop
ii= out(' ok to zero all balls!')
;zero all clumps
clp = clump_head
loop while clp # null
loop k (1,3)
cl_vvel(clp,k) =0
cl_vrvel(clp,k)=0
end_loop
clp = cl_next(clp)
end_loop
ii= out(' ok to zero all clumps!')
end
;----------------------------------------------------
;***************** 運(yùn) 行 *****************
;*****************************************************
plot create model ; view 1
plot set cap size 25
plot set mag 1.5
plot set rot 0 0 0 ;30 0 40
plot add ball blue green cyan orange red lblue lgreen lred
;plot add wall lgray
;plot set plane normal 1 0 0 origin 0 0 0
;plot close
setup
;生成墻體
make_walls
wall_addr
;生成顆粒
create_ball
;設(shè)置height/rad_real為初始值
reset_real ;為方便get_ss中wezz變量計(jì)算
history id=1 avsz ;wszz
history id=2 avsr ;wsrr
plot create StressStation ; view 2
plot hist 1 2
;history id=3 Wzvel
;history id=4 Wrvel
;plot create VelocityStation ; view 3
;plot hist -3 -4
;開啟應(yīng)力跟蹤
set fishcall 0 get_ass
;壓縮球體顆粒
compress
wall id 6 zvel=0
cyc 5000 ;20000
zeroall
;生成多面體顆粒
clump_make
;壓縮多面體顆粒
aszero
compress
wall id 6 zvel=0
cyc 20000
zeroall
;關(guān)閉應(yīng)力跟蹤
set fishcall 0 remove get_ass
SET w_stiff=1e7 ;make lateral wall stiffness=1/10 of ball stiffness
cws
poroscal
save saveFile
return
;*****************************************************
附件二：基于PFC利用clump生成復(fù)雜顆粒模擬實(shí)際顆粒受力變形
;新執(zhí)行
new
SET random ;reset random-number generator
set echo=off
;***************** 定 義 *****************
;*****************************************************
def setup
;**定義空間大小-------------------------------------
height= 0.100 ;
width= 0.0750 ;
vel_rad_z = 0.4 ; 0.1-0.5; ratio of velocity of rad and z
;==========需要修改的參數(shù)==========
gradeN = 6 ; d>=1.18
MaterialV = 0.0002 ; 顆?？傮w積 m3
vol_expand = 10 ; 體積擴(kuò)大系數(shù)
;壓縮參數(shù)
_Wzvel = -5.0 ; 5#墻體速度
Target_press = -1e6 ; 壓縮停止條件：圍壓大小
b_acc = 2000 ; 球體加速度
Name = 'ZhouChanghong'
;==================================
s_stiff=1e8 ;initial stiffnesses
n_stiff=1e8
w_stiff=1e10
;徑向與軸向的擴(kuò)大系數(shù)
yy= 4*vol_expand*vel_rad_z*height/width
nw= exp(ln(abs(yy))/3) ;=yy^(1/3)
nh= vol_expand/nw^2
height_cy= height*nh
width_cy = width *nw
;ii=out('height_cy='+string(height_cy)+'height='+string(height)+'nh'+string(nh))
;command
; pause;
;end_command
cmpstage = 1 ;1-第一階段（壓縮基球），2-第二階段（壓縮多面體）
;-----------------------------------------------------
;**定義級配信息
rMult = 1.0
array p(10) R(10)
R(1) = 0.016/2
R(2) = 0.0132/2
R(3) = 0.0095/2
R(4) = 0.00475/2
R(5) = 0.00236/2
R(6) = 0.00118/2
R(7) = 0.0006/2
;各粒徑分計(jì)篩余：
p(1) = 0 ;16
p(2) = 5 ;13.2
p(3) = 22 ;9.5
p(4) = 55 ;4.75
p(5) = 0 ;2.36
p(6) = 8 ;1.18
p(7) = 10 ;0.6
psum=0.0
loop k (1, gradeN)
psum = psum+ p(k)/0.1*0.1
end_loop
;-----------------------------------------------------
; **孔隙率參數(shù)
vpoly = 0 ;total volume of polyhedrons or ellipsoids
;-----------------------------------------------------
; **定義存取參數(shù)
IO_READ = 0
IO_WRITE= 1
IO_FISH = 0
IO_ASCII= 1
;讀取數(shù)據(jù)參數(shù)
array asz(5000) asr(5000)
nsz = 5000 ; 應(yīng)力數(shù)據(jù)平滑長度 建議1000~5000
avsz= 0
avsr= 0
idx = 0
;統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
array angles(1000)
;保存文件名頭
filehead= 'VMA'
saveFile= filehead+'-'+Name+'.SAV'
;-----------------------------------------------------
end
;----------------------------------------------------
;生成墻面
def make_walls ; create walls: a cylinder and two plates
extend= 0.5 ;0.2
rad_cy=0.5* width_cy
;圓柱面
_z0=-extend*height
_z1=height_cy*(1.0+extend)
command
wall type cylinder id=1 kn=w_stiff end1 0.0 0.0 _z0 end2 0.0 0.0 _z1 &
rad rad_cy rad_cy
end_command
;底面
_x0=-rad_cy*(1.0+extend)
_y0=-rad_cy*(1.0+extend)
_z0= 0.0
_x1= rad_cy*(1.0+extend)
_y1=-rad_cy*(1.0+extend)
_z1= 0.0
_x2= rad_cy*(1.0+extend)
_y2= rad_cy*(1.0+extend)
_z2= 0.0
_x3=-rad_cy*(1.0+extend)
_y3= rad_cy*(1.0+extend)
_z3= 0.0
command
wall id=5 kn=w_stiff face (_x0,_y0,_z0) (_x1,_y1,_z1) (_x2,_y2,_z2) &
(_x3,_y3,_z3)
end_command
;頂面
_x0=-rad_cy*(1.0+extend)
_y0=-rad_cy*(1.0+extend)
_z0= height_cy
_x1=-rad_cy*(1.0+extend)
_y1= rad_cy*(1.0+extend)
_z1= height_cy
_x2= rad_cy*(1.0+extend)
_y2= rad_cy*(1.0+extend)
_z2= height_cy
_x3= rad_cy*(1.0+extend)
_y3=-rad_cy*(1.0+extend)
_z3= height_cy
command
wall id=6 kn=w_stiff face (_x0,_y0,_z0) (_x1,_y1,_z1) (_x2,_y2,_z2) &
(_x3,_y3,_z3)
end_command
end
;----------------------------------------------------
;生成顆粒
def create_ball
n1 = 0
n2 = 0
w1 = -rad_cy
w2 = rad_cy
h1 = 0.0
h2 = height_cy
loop k (2, gradeN)
v= 4.0/3.0*pi*(0.5*(R(k-1)+R(k)))^3
n1 = n2+1
n2 = n2+round(MaterialV*p(k)/psum/v)
if n2>n1 then
r1 = R(k)
r2 = R(k-1)
clr=k-2
command
gen id=n1,n2 rad=r1,r2 x=w1,w2 y=w1,w2 z=h1,h2 filter ff_cylinder
prop dens=2700 ks=s_stiff kn=n_stiff color=clr range id=n1,n2
end_command
end_if
end_loop
ballmax = n2
ii=out(string(ballmax)+' particles were created')
command
pause 3
end_command
end
;----------------------------------------------------
;修改墻體剛度 change lateral wall stiffnesses
def cws
command
wall type cylinder id 1 kn=w_stiff
end_command
end
;----------------------------------------------------
;過濾函數(shù)
def ff_cylinder
ff_cylinder=0
_brad= fc_arg(0)
_bx= fc_arg(1)
_by= fc_arg(2)
_bz= fc_arg(3)
_rad= sqrt(_bx^2+_by^2)
if _rad+_brad > rad_cy then
ff_cylinder= 1
end_if
end
;----------------------------------------------------
; 墻體索引
def wall_addr
wadd1=find_wall(1)
wadd5=find_wall(5)
wadd6=find_wall(6)
end
;----------------------------------------------------
; 應(yīng)力數(shù)組清零
def aszero
idx = 0
avsz= 0
avsr= 0
loop i (1,nsz)
asz(i)= 0
asr(i)= 0
end_loop
end
;----------------------------------------------------
; 試件壓縮
def compress
Wrvel= vel_rad_z*_Wzvel
Wzvel= _Wzvel
nlpk= 8
if cmpstage=1
nlpk= 4
end_if
loopk= 0
cmpbefore = 0 ; rad=1, z=-1, unknown=0
loop mlpk (1,nlpk)
;消除原有應(yīng)力
;aszero
zeroall
command
wall id 6 zvel= 0
wall id 5 zvel= 0
cycle 5000 ; to release the old stress
end_command
;aszero
cycn = 0
;新壓縮循環(huán)
section ;+++++++++
loop while 1 # 0
;調(diào)整速度
if new_rad > 0.5*width
Wzvel0 = 0
w_radvel(wadd1)= 0.5*Wrvel
bar_apply ;only rad-acc
else
w_radvel(wadd1)= 0
Wzvel0 = Wzvel
baz_apply ;only z-acc
end_if
;循環(huán)計(jì)算
Wzvel0_= Wzvel0/2.0
_Wzvel0= -Wzvel0/2.0
command
wall id 6 zvel= Wzvel0_
wall id 5 zvel= _Wzvel0
cycle 50
end_command
cycn = cycn+1
;顯示結(jié)果
statereq
;退出
if abs(avsr) >= abs(0.9*Target_press)
if cycn <= 5
loopk= loopk+1
if loopk >= 2 ;change the velocity
if new_rad > 0.5*width
Wrvel = Wrvel*0.5
else
Wzvel = Wzvel*0.5
end_if
end_if
if loopk >= 4 ;change the velocity
w_radvel(wadd1)= 0
;ba_release
exit
end_if
else
loopk= 0
end_if
exit section
end_if
end_loop
end_section ;+++++++++
w_radvel(wadd1)= 0
ii=out('The '+string(mlpk)+'-th loop is over!')
statereq
command
pause 2
end_command
end_loop
;清除加速度
ba_release
end
;----------------------------------------------------
; 球體加載卸載
def bvr_apply
bp = ball_head
loop while bp # null
brad = sqrt( b_x(bp)^2 + b_y(bp)^2 )
if brad >= width/2
b_xvel(bp) = Wrvel * b_x(bp) / brad
b_yvel(bp) = Wrvel * b_y(bp) / brad
b_zvel(bp) = 0
else
b_xvel(bp) = 0
b_yvel(bp) = 0
b_zvel(bp) = 0
end_if
bp = b_next(bp)
end_loop
end
def bar_apply
bp = ball_head
loop while bp # null
bforce = b_acc * 11100.29404 * b_rad(bp)^3 ;(4.0/3.0) * pi * b_rad(bp)^3 * 2650
brad = sqrt( b_x(bp)^2 + b_y(bp)^2 )
if brad >= width/3 ;width/2 * (2/3)
b_xfap(bp) = -1.0 * bforce * b_x(bp) / brad
b_yfap(bp) = -1.0 * bforce * b_y(bp) / brad
b_zfap(bp) = 0
else
b_xfap(bp) = 0
b_yfap(bp) = 0
b_zfap(bp) = 0
end_if
bp = b_next(bp)
end_loop
end
def baz_apply
bp = ball_head
loop while bp # null
bforce = b_acc * 11100.29404 * b_rad(bp)^3 ;(4.0/3.0) * pi * b_rad(bp)^3 * 2650
b_xfap(bp) = 0
b_yfap(bp) = 0
if b_z(bp)> height_cy/2.0
b_zfap(bp) = -1.0 * bforce
else
b_zfap(bp) = 1.0 * bforce
end_if
bp = b_next(bp)
end_loop
end
def ba_release
bp = ball_head
loop while bp # null
b_xfap(bp) = 0
b_yfap(bp) = 0
b_zfap(bp) = 0
bp = b_next(bp)
end_loop
end
;----------------------------------------------------
; 求取平均應(yīng)力和應(yīng)變
def get_ss
get_stress
get_strain
end
def get_ass
;計(jì)算瞬間應(yīng)力應(yīng)變
get_stress
get_strain
;平均化處理
idx = idx+1
idx0= idx+1
if idx > nsz
idx = idx -nsz
end_if
if idx0 > nsz
idx0 = idx0 -nsz
end_if
asz(idx)= wszz
asr(idx)= wsrr
avsz = avsz + (asz(idx)-asz(idx0))/nsz
avsr = avsr + (asr(idx)-asr(idx0))/nsz
;ii=out(' avsz='+string(avsz)+' avsr='+string(avsr))
end
def get_stress
new_rad=w_radend1(wadd1)
zdif=w_z(wadd6)-w_z(wadd5) ;注意：w_z( )函數(shù)返回值不是wall的z坐標(biāo)。
new_height= height_cy+zdif ; 為墻體的*累積位移*，包括以前所有cycle的位移量
wsrr=-w_radfob(wadd1)/(new_height*2.0*pi*new_rad) ;徑向應(yīng)力
wszz=0.5*(w_zfob(wadd5)-w_zfob(wadd6))/(pi*new_rad^2.0) ;軸向應(yīng)力
;ii=out(' wradfob='+string(w_radfob(wadd1)))
end
def get_strain
rdif=new_rad-rad_real
werr=2.0*rdif/(rad_real+new_rad) ;徑向應(yīng)變
wezz=(new_height-height_real)/height_real ;2.0*zdif/(height+new_height) ;軸向應(yīng)變
wevol=wezz+2.0*werr ;體積應(yīng)變 = x應(yīng)變+y應(yīng)變+z應(yīng)變
end
;----------------------------------------------------
; 將height_real重置為當(dāng)前高度
def reset_real
height_real= abs(height_cy+w_z(wadd6)-w_z(wadd5))
rad_real = w_radend1(wadd1)
end
;----------------------------------------------------
;統(tǒng)計(jì)空隙率 (height_real may be modified)
def poroscal
reset_real ;reset the height and rad
tot_vol= height_real*pi*rad_real^2.0
sum=0.0 ;get actual porosity
bp=ball_head
loop while bp # null
sum= sum+4.0/3.0*pi*b_rad(bp)^3
bp = b_next(bp)
end_loop
pballs= (1.0-sum/tot_vol)*100
ii=out(' The last height is '+string(height_real)+',radius is '+string(rad_real))
ii=out(' porosity is '+string(pballs)+'%')
end
;----------------------------------------------------
; 查詢當(dāng)前高度/直徑
def statereq
height_cur=abs(height_cy+w_z(wadd6)-w_z(wadd5))
diam_cur= w_radend1(wadd1)*2
ii=out(' Nows height is '+string(height_cur)+',Diameter is '+string(diam_cur))
ii=out(' avsz ='+string(avsz)+', avsr ='+string(avsr))
ii=out(' Wzvel='+string(Wzvel)+', Wrvel='+string(Wrvel))
end
;----------------------------------------------------
; 清零
def zeroall
;zero all balls
bp = ball_head
loop while bp # null
loop k (1,3)
b_vvel(bp,k) =0
b_vrvel(bp,k)=0
end_loop
bp = b_next(bp)
end_loop
ii= out(' ok to zero all balls!')
;zero all clumps
clp = clump_head
loop while clp # null
loop k (1,3)
cl_vvel(clp,k) =0
cl_vrvel(clp,k)=0
end_loop
clp = cl_next(clp)
end_loop
ii= out(' ok to zero all clumps!')
ba_release
end
;----------------------------------------------------
;***************** 運(yùn) 行 *****************
;*****************************************************
plot create model ; view 1
plot set cap size 25
plot set mag 1.5
plot set rot 0 0 0 ;30 0 40
plot add ball blue green cyan orange red lblue lgreen lred
;plot add wall lgray
;plot set plane normal 1 0 0 origin 0 0 0
;plot close
setup
;生成墻體
make_walls
wall_addr
;生成顆粒
create_ball
;設(shè)置height/rad_real為初始值
reset_real ;為方便get_ss中wezz變量計(jì)算
history id=1 avsz ;wszz
history id=2 avsr ;wsrr
plot create StressStation ; view 2
plot hist 1 2
;history id=3 Wzvel
;history id=4 Wrvel
;plot create VelocityStation ; view 3
;plot hist -3 -4
;開啟應(yīng)力跟蹤
set fishcall 0 get_ass
;壓縮球體顆粒
compress
wall id 6 zvel=0
wall id 5 zvel=0
cyc 20000
statereq
zeroall
;關(guān)閉應(yīng)力跟蹤
set fishcall 0 remove get_ass
SET w_stiff=1e7 ;make lateral wall stiffness=1/10 of ball stiffness
cws
poroscal
save saveFile
return
;*****************************************************
附件三：PFC三軸實(shí)驗(yàn)程序
new
SET random ; 隨機(jī)生成
plo wall
plo add ball
caLL 消除浮點(diǎn).txt ;
def make_walls ;生成墻
wextend =0.1
hextend =0.1
w_stiff= 1.6e10 ;墻的剛度，取球的1.1倍
_width=-width
_x0 = _width*(1.0 + wextend) ;width是長方體的寬度的一半
_y0 = _width*(1.0 + wextend)
_z0 = 0
_x1 = width*(1.0 + wextend)
_y1 = _width*(1.0 + wextend)
_z1 = 0
_x2 = width*(1.0 + wextend)
_y2 = width*(1.0 +wextend)
_z2 = 0
_x3 = _width*(1.0 + wextend)
_y3 = width*(1.0 + wextend)
_z3 = 0
command
wall id=1 kn=w_stiff face (_x0,_y0,_z0) (_x1,_y1,_z1) (_x2,_y2,_z2) &
(_x3,_y3,_z3)
end_command
_x0 = _width*(1.0 + wextend)
_y0 = _width*(1.0 + wextend)
_z0 = height ;height是長方體的高度
_x1 = _width*(1.0 + wextend)
_y1 = width*(1.0 + wextend)
_z1 = height
_x2 = width*(1.0 + wextend)
_y2 = width*(1.0 + wextend)
_z2 = height
_x3 = width*(1.0 + wextend)
_y3 = _width*(1.0 + wextend)
_z3 = height
command
wall id=2 kn=w_stiff face (_x0,_y0,_z0) (_x1,_y1,_z1) (_x2,_y2,_z2) &
(_x3,_y3,_z3)
end_command
_x0 = width
_y0 = _width*(1.0 + wextend)
_z0 = height*(1.0 + hextend)
_x1 = width
_y1 = width*(1.0 + wextend)
_z1 = height*(1.0 + hextend)
_x2 = width
_y2 = width*(1.0 + wextend)
_z2 = -hextend*height
_x3 = width
_y3 = _width*(1.0 + wextend)
_z3 = -hextend*height
command
wall id=3 kn=w_stiff face (_x0,_y0,_z0) (_x1,_y1,_z1) (_x2,_y2,_z2) &
(_x3,_y3,_z3)
end_command
_x0 = _width
_y0 = _width*(1.0 + wextend)
_z0 = height*(1.0 + hextend)
_x1 = _width
_y1 = _width*(1.0 + wextend)
_z1 = -hextend*height
_x2 = _width
_y2 = width*(1.0 + wextend)
_z2 = -hextend*height
_x3 = _width
_y3 = width*(1.0 + wextend)
_z3 = height*(1.0 + hextend)
command
wall id=4 kn=w_stiff face (_x0,_y0,_z0) (_x1,_y1,_z1) (_x2,_y2,_z2) &
(_x3,_y3,_z3)
end_command
_x0 = _width*(1.0 + wextend)
_y0 = width
_z0 = -hextend*height
_x1 = width*(1.0 + wextend)
_y1 = width
_z1 = -hextend*height
_x2 = width*(1.0 + wextend)
_y2 = width
_z2 = height*(1.0 + hextend)
_x3 = _width*(1.0 + wextend)
_y3 = width
_z3 = height*(1.0 + hextend)
command
wall id=5 kn=w_stiff face (_x0,_y0,_z0) (_x1,_y1,_z1) (_x2,_y2,_z2) &
(_x3,_y3,_z3)
end_command
_x0 = _width*(1.0 + wextend)
_y0 = _width
_z0 = height*(1.0 + hextend)
_x1 = width*(1.0 + wextend)
_y1 = _width
_z1 = height*(1.0 + hextend)
_x2 = width*(1.0 + wextend)
_y2 = _width
_z2 = -hextend*height
_x3 = _width*(1.0 + wextend)
_y3 = _width
_z3 = -hextend*height
command
wall id=6 kn=w_stiff face (_x0,_y0,_z0) (_x1,_y1,_z1) (_x2,_y2,_z2) &
(_x3,_y3,_z3)
end_command
end
; ----------------------------------------------------
def assemble ; 顆粒生成
s_stiff=0.0 ; 初始切向剛度
n_stiff=1.4e10 ;初始法向剛度
tot_vol = 4 * height * width^2.0 ;長方體的體積
rbar = 0.5 * (rlo + rhi) ;rlo最小球半徑、rhi最大球半徑
num = int((1.0 - poros) * tot_vol / (4.0 / 3.0 * pi * rbar^3))
mult = 1.6
rlo_0 = rlo / mult
rhi_0 = rhi / mult
command
gen id=1,num rad=rlo_0,rhi_0 x=_width,width y=_width,width z=0,height tries 10000000;方形的話就不用過濾器了
;上面球的半徑是縮小了mult倍的
prop dens=2700 ks=s_stiff kn=n_stiff ;dens即是巖石顆粒的密度
end_command
ii = out(string(num)+' particles were created')
sum = 0.0 ;獲得有效孔隙度
bp = ball_head
loop while bp # null
sum = sum + 4.0 / 3.0 * pi * b_rad(bp)^3
bp = b_next(bp)
end_loop
pmeas = 1.0 - sum / tot_vol
mult = ((1.0 - poros) / (1.0 - pmeas))^(1.0/3.0)
command
ini rad mul mult ;將球的半徑放大mult倍
cycle 30000
prop ks=1.4e10 fric 0.5
cycle 3100
end_commandend
; ----------------------------------------------------
; ----------------------------------------------------
macro zero 'ini xvel 0 yvel 0 zvel 0 xspin 0 yspin 0 zspin 0' ;宏，現(xiàn)在定義了后面就可以直接引用了xspin可能是x方向的角速度
SET height=0.1 width=0.025 rlo=0.001 rhi=0.002 poros=0.40
make_walls
assemble
SET flt_def=3 flt_remain=0.0 ;上面把球生成完了以后就消除浮點(diǎn)，其中 flt_def=3表示球的連接小于3的就是浮點(diǎn)，需要?jiǎng)h除的
flt_eliminate ;浮點(diǎn)的命令之前有的
zero
save tt_ass.SAV
;fname: triax_2.DAT Servo-control and initial stress state - triax sample
res tt_ass.SAV ; restore compacted assembly
; ----------------------------------------------------
def get_ss
zdif = w_z(wadd2) - w_z(wadd1)
ydif = w_y(wadd5) - w_y(wadd6)
xdif = w_x(wadd3) - w_x(wadd4)
new_width1 = 2*width+xdif
new_width2 = 2*width+ydif
new_height = height + zdif
wsxx = 0.5*(w_xfob(wadd4) - w_xfob(wadd3))/(new_width2*new_height) ;
wsyy = 0.5*(w_yfob(wadd6) - w_yfob(wadd5))/(new_width1*new_height) ;y
wszz = 0.5*(w_zfob(wadd1) - w_zfob(wadd2))/(new_width1*new_width2) ;z
wexx = 2.0 * xdif / (2*width + new_width1) ;x向應(yīng)變參看手冊186頁3.16
weyy = 2.0 * ydif / (2*width + new_width2) ;y向應(yīng)變
wezz = 2.0 * zdif / (height + new_height) ;z向應(yīng)變
wevol = wexx + weyy + wezz ;體積應(yīng)變
end
; ----------------------------------------------------
def get_gain ; 選取軸向和徑向獲得的伺服參數(shù)
alpha = 0.5 ; 松弛參數(shù)
count = 0
avg_stiff = 0
cp = contact_head ; 找到上、下墻上接觸的平均數(shù)量
loop while cp # null
if c_gobj2(cp) = wadd1
count = count + 1
avg_stiff = avg_stiff + c_kn(cp)
end_if
if c_gobj2(cp) = wadd2
count = count + 1
avg_stiff = avg_stiff + c_kn(cp)
end_if
cp = c_next(cp)
end_loop
ncount = count / 2.0
avg_stiff = avg_stiff / count
gz = 4 * alpha * width^2.0/ (avg_stiff * ncount * tdel) ;可以參看187頁公式3.22，是增益參數(shù)
count = 0
avg_stiff = 0
cp = contact_head ; 找到左、右墻上接觸的平均數(shù)量
loop while cp # null
if c_gobj2(cp) = wadd3
count = count + 1
avg_stiff = avg_stiff + c_kn(cp)
end_if
if c_gobj2(cp) = wadd4
count = count + 1
avg_stiff = avg_stiff + c_kn(cp)
end_if
cp = c_next(cp)
end_loop
ncount = count / 2.0
avg_stiff = avg_stiff / count
gx = 2 * alpha * width * height/ (avg_stiff * ncount * tdel) ;可以參看187頁公式3.22，是增益參數(shù)
count = 0
avg_stiff = 0
cp = contact_head ; 找到前、后墻上接觸的平均數(shù)量
loop while cp # null
if c_gobj2(cp) = wadd5
count = count + 1
avg_stiff = avg_stiff + c_kn(cp)
end_if
if c_gobj2(cp) = wadd6
count = count + 1
avg_stiff = avg_stiff + c_kn(cp)
end_if
cp = c_next(cp)
end_loop
ncount = count / 2.0
avg_stiff = avg_stiff / count
gy = 2 * alpha * width * height/ (avg_stiff * ncount * tdel) ;可以參看187頁公式3.22，是增益參數(shù)
end
; ----------------------------------------------------
def servo ;伺服控制
while_stepping
get_ss ;計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變
udx = gx * (wsxx - sxxreq) ;參看187頁3.17udx是墻的速度wsxx是x向?qū)嶋H壓力，sxxreq是我們需要的x向壓力
udy = gy * (wsyy - syyreq)
w_xvel(wadd4) = udx
w_xvel(wadd3) = -udx
w_yvel(wadd6) = udy
w_yvel(wadd5) = -udy
if z_servo = 1 ;選擇軸壓伺服的開關(guān)，是1的時(shí)候就開，否則就關(guān)
udz = gz * (wszz - szzreq)
w_zvel(wadd1) = udz
w_zvel(wadd2) = -udz
end_if
end
; ----------------------------------------------------
def iterate
loop while 1 # 0
get_gain
if abs((wsxx - sxxreq)/sxxreq) < sig_tol then ;實(shí)際的x圍壓和需要的圍壓達(dá)到一致就不加載了
if abs((wsyy - syyreq)/syyreq) < sig_tol then ;實(shí)際的y圍壓
if abs((wszz - szzreq)/szzreq) < sig_tol then ;實(shí)際的軸壓和需要的軸壓達(dá)到一致就不加載了
exit
end_if
end_if
end_if
command
cycle 100
end_command
end_loop
end
; ----------------------------------------------------
def wall_addr
wadd1 = find_wall(1)
wadd2 = find_wall(2)
wadd3 = find_wall(3)
wadd4 = find_wall(4)
wadd5 = find_wall(5)
wadd6 = find_wall(6)
end
wall_addr
zero
prop fric=1.3 ;球表面的摩擦系數(shù)，不是摩擦角
prop pb_kn=1.4e10 pb_ks=1.4e10 pb_rad=1 ;法向剛度系數(shù)、切向剛度系數(shù)、半徑乘數(shù)
prop pb_nstren=7e10 pb_sstren=7e10 ;法向平行粘結(jié)力、切向平行粘結(jié)力
SET sxxreq=-1e3 syyreq=-1e3 szzreq=-1e3 sig_tol=1 z_servo=1 ;單軸壓縮，圍壓數(shù)量級很低
iterate ; 使所有方向的壓力都達(dá)到靜水壓力狀態(tài)，上面達(dá)到的是所有的方向都是達(dá)到1MPa
sav 第一靜水壓力.sav
res 第一靜水壓力.sav ; restore initial stressed assembly
; ----------------------------------------------------
def set_ini ; 設(shè)置初始應(yīng)變
wezz_0 = wezz ;軸向應(yīng)變，前面計(jì)算了的
wevol_0 = wevol ;軸向速度
end
; ----------------------------------------------------
def conf ; 記錄的變量
devi = wszz - wsxx ; 偏應(yīng)力，最大主應(yīng)力減最小主應(yīng)力，也就是說這里x方向取的是最小值
deax = wezz - wezz_0 ; 軸向應(yīng)變
devol = wevol - wevol_0 ; 體積應(yīng)變
confx = wsxx ; x壓應(yīng)力
confy = wsyy ; y壓應(yīng)力
confz = wszz ; z壓應(yīng)力
end
; ----------------------------------------------------
def accel_platens
; -----在一定的時(shí)步內(nèi)室加載板達(dá)到相應(yīng)的速度 Accelerates the platens to achieve vel of _vfinal in _nsteps,
; using _nchunks
_niter = _nsteps / _nchunks
loop _chnk (1,_nchunks)
if _close = 1 then
_vel = _chnk*(_vfinal/_nchunks)
else
_vel = -_chnk*(_vfinal/_nchunks)
end_if
_mvel = -_vel
command
wall id 1 zvel= _vel
wall id 2 zvel= _mvel
cycle _niter
end_command
end_loop
end
; ----------------------------------------------------
set_ini
history id=5 conf ;監(jiān)測
history id=6 devi ;監(jiān)測偏應(yīng)力
history id=7 deax ;監(jiān)測軸向應(yīng)變
history id=8 devol ;監(jiān)測體積應(yīng)變
history id=9 wexx ;監(jiān)測x方向應(yīng)變
history id=10 deax ;監(jiān)測z方向應(yīng)變
history id=11 confz ;z壓應(yīng)力
history id=12 confx ;z壓應(yīng)力
history id=13 confy ;z壓應(yīng)力
SET hist_rep=50 ;每50步監(jiān)測一次
SET z_servo=0 ;圍壓都還保持伺服狀態(tài)，取消軸向加壓的伺服控制
zero ;設(shè)定x、y、z方向所有的速度都等于0
sav tt_init.SAV ; ready for modulus and failure tests
;fname: triax_9.DAT (friction and parallel bonds)
res tt_init.sav
set _vfinal= 0.1 _nsteps= 4000 _nchunks= 80 ;_vfinal最終的加載速率，
set _close= 1 ; 加載 _close=1時(shí)候是加載
accel_platens
plo his -11 vs -10
cyc 25000000
