基于颗粒流离散元的高炉渣粉煤灰混合料细观力学特性研究

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1、基于颗粒流离散元的高炉渣粉煤灰混合料细观力学特性研究-->1绪论1.1研究背景在内蒙古自治区相关产业政策的大力支持下，某钢铁（集团）有限公司开始了新体系炼钢项目的建设。其中，2250mm轧机组的建设工程难度非常之大，主要是因为轧机等关键设备的基础工后沉降变形精度要求非常高，必须进行严格控制。该地基基础原设计方案主要采用桩基础，但是该区域填方量大、原杂填土层桩基施工困难，并且适合填方的素土又特别紧缺。因此，经过多次专家会议论证，综合考虑工程地质条件、工期、造价、环保及社会经济效益等因素，该项目最终采用了强夯加固、分层回填碾压高炉渣粉煤灰的地基处理方案。

2、这不仅为企业节省了大量的资金且缩短了工期，而且还解决了高炉矿渣的堆放及环境污染等一系列问题。虽然通过相关的理论计算和试验分析得出了高炉矿渣作为地基回填料的可行性及实用性，但这仅是从宏观上对高炉矿渣的物理性质及力学特性进行了研究，况且试验条件局限，所得结论不够全面。为了对高炉矿渣这种物美价廉的填料进行更深入的研究，本课题从细观力学角度出发，在已有试验数据的基础上借助颗粒流离散元软件－－PFC3D，通过数值试验的方法对已进行的室内大型直剪试验进行数值分析，从本质上揭示高炉矿渣粉煤灰混合料的力学特性和破坏机理。........1.2离散元的创立及发展Cun

3、dall[1]在二十世纪七十年代提出离散单元法（DEM），最早用于岩石裂隙节理问题的分析。在1979年，Cundall和Strack[2~4]利用离散元法对土体材料进行了研究，后来研究出二维圆盘程序（DISC）和三维圆球程序（TRUBAL），即后来的PFC2D（particlefloensions）和PFC3D（particlefloensions），使离散元法形成了较为系统的建模方法－－软颗粒模型，这为研究离散介质开辟了新的思维方法，也为离散元法的发展奠定了坚实的基础；在1980年，odel入手对TRUBAL程序进行了全面升级，使之形成TRUBAL

4、-Aston版，即后来的GRANULE。Thornton教授研究的GRANULE能够与弹塑性圆球接触力学理论完全吻合，并且可以对干湿、弹塑性及颗粒两相流等问题进行模拟分析。后来，Leeds大学、Sa大学的Oda教授，东京农工大学的Hoda教授以及大阪大学的Tsuji教授和Tanaka教授[12,13]。.......2工程概况及室内大型直剪试验2.1工程概况某钢铁集团新体系厂区占地面积约为350万m2。其中拟建的2250mm轧机场地北高南低且起伏较大，场地标高在1032m～1053m之间，最大回填深度达在10m以上，填方量约为600多万平方米。根据各

5、区设计标高及原地面标高等综合规划平衡计算，若采用素土回填则总填方量将达到约1400万平方米，而整个新体系厂区内适合填方的素土又特别紧缺无法满足这一要求。加之，施工场地的地质条件复杂，主要是建筑垃圾、废钢渣及杂填土等，其承载力不能满足设计要求，而且如果采用桩基将对施工造成严重阻碍，因此需对其进行换填处理。经勘查得知，第5层为粉质粘土，该层厚度较大为可塑-软塑状态且50m范围内未见良好的持力层。因此，即使采用桩基础也会因为深厚填土的沉降变形而产生较大的负摩阻力，进而消弱了桩基的承载能力。此外，原方案中仅桩基工程造价即达5亿元。......2.2工程地质、

6、水文地质概况根据2250mm热轧车间区域的地质勘查报告，依据其工程性质不同共划分为五个单元层，其典型地层剖面见图2.1，各地层参数汇总见表2.1。地下水补给主要受某钢铁公司尾矿坝、灰渣坝及大气降水影响，勘察期间，场地地下水埋藏于自然地表下1.0～9.6m之间，标高为1034.88～1036.62m，属潜水，具微承压性。年变化幅度为0.5～1.0m；地下水化学类型属“HCO3－SO4－Cl－K－Na”型水，地下水对混凝土结构具弱腐蚀性，对混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。新体系2250mm热轧机组设计标高为1048.3m，场地内清除表层杂填土后需回填，根据某

7、工程技术有限公司的地基处理设计方案，采用钢渣及粉煤灰分层回填碾压，高炉渣与粉煤灰按照5:1的体积混合回填，每层填筑厚度为：虚铺高炉渣厚度0.5m、粉煤灰0.1m（压实后基本控制为2层压实厚度为1m），并在分层碾压厚度达到约5m时进行强夯处理，以提高地基承载力。根据各个区域的要求不同，强夯后钢渣垫层承载力特征幅值为220～350kPa。详细内容见文献[24~26]。.........3混合料颗粒离散元模拟过程及细观参数研究..........163.1PFC3D的基本假定及应用范围.........163.2PFC3D的计算原理.....173.3粘结

8、模型....223.4混合料的三维颗粒流数值试验模型........233.5混合料细观参数对其宏观力学性能