不同含石量下泥岩土石混合体剪切特性及细观破坏机制

为探究含石量对泥岩土石混合体剪切特性及细观破坏机制的影响,设计了含石量20%~80%共4组试样,分别在0.2、0.4、0.6、0.8 MPa这4种不同围压下进行室内大型三轴剪切试验,研究不同含石量试样的偏应力、体积应变及抗剪强度参数的变化规律;基于数字图像处理技术生成PFC^2D颗粒流数值模型进行一系列数值分析。结果表明：试样抗剪强度随含石量增大而不断增大。与其他类型的土石混合体不同的是,泥岩土石混合体在低围压下呈先剪缩后剪胀的变化规律,且含石量越高,最终剪胀效果越明显;在高围压下始终表现为剪缩,且含石量越低,剪缩效果越强。内摩擦角随含石量增大呈慢快慢的“S”型增长趋势,且在20%~80%含石量内增长较快;黏聚力随含石量增大不断降低,但下降速率逐渐减小。数值试验表明：土石混合体在剪切过程中存在拉剪混合破坏;随含石量增加,土石混合体骨架结构效应越来越显著,剪切带绕过块石,形成多个形状不规则的小剪切带。     

土石混合体细观力学参数对宏观力学特性影响研究

为了系统地研究土石混合体细观力学参数对其宏观力学特性的影响,首先在不规则块石体三维离散元模型的基础上,建立了符合宏观统计规律的含石量为50%的土石混合体三维离散元模型;然后进行了不同石-土颗粒法向刚度的比值、不同石-土颗粒法切向刚度比的比值、不同石-土颗粒摩擦系数的比值和不同石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值等情形下的土石混合体大三轴试验三维颗粒流数值模拟,分析了各种情形下土石混合体的宏观力学响应;最后从微裂纹演化、摩擦功、块石颗粒转动特征等多个角度对各细观力学参数影响的细观机理进行了揭示.结果表明:随着石-土颗粒法向刚度比值的增大,试样初始模量增大,破坏应变和峰值强度均减小;石-土颗粒法切向刚度比的比值和石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值对土石混合体的宏观力学行为影响不显著;石-土颗粒摩擦系数的比值越大,峰值强度和残余强度越大.     

不同含石量下土石混合体重型击实试验研究

为研究含石量对于土石混合体击实效果的影响,对不同含石量的土石混合体进行室内重型击实试验.首先根据客运铁路路基碎石土级配,配置35%、45%、55%、65%含石量的土石混合体试样,进行室内击实试验,得出土石混合体含石量与最优含水量或最大干密度的关系曲线.结果表明:不同含石量的土石混合体最优含水量在(5.5±1.0)%之间,最大干密度在(2.40±0.05) g/cm~3范围内,含石量对土石混合体最大干密度影响较小.最大干密度相似的两组土石混合体,其颗粒级配、含石量会相差很大,因此对于土石混合体这类级配多变的岩土复合材料不能单独根据干密度来判断其工程压实效果.研究结果可为土石混合体材料的工程应用提供借鉴和依据.     

基于离散元理论的土石混合料剪切特性研究

为研究土石混合料的剪切特征,采用离散元理论建立土石混合料的双轴模型,对土石混合料在不同含石率、不同荷载条件下的剪切特性进行研究,引入傅里叶级数近似法,探讨混合料内部强力链和弱力链的细观组成的分布规律。结果表明:随着含石量增加,土石混合料的抗剪强度增大,剪胀性增强;混合料内部起主要承载作用的是强力链;同时,确定不同含石量下土石混合料的内摩擦角的宏观对应曲线。     

冻融循环作用下不同含石量土石混合料剪切特性分析

为了探究冻融过程对土石混合料剪切特性的影响，采用室内冻融循环试验和大型直剪试验分析了含石量为10%、30%、50%、70%土石混合料试样(均处于最优含水率)和不同循环次数条件下抗剪强度变化规律。结果表明：冻融循环作用对土石混合料试样剪应力-剪切位移关系曲线变化有一定的影响，在高法向应力下随循环次数的增加剪应力峰值显著降低。     

软岩土石混合体的击实特性与细观机理研究

以富宁换流站地基工程为背景,采用室内大型击实试验与数值模拟相结合的方法,探讨不同块石质量分数及不同块石形状的软岩土石混合体的击实特性及其细观机理.结果表明,软岩土石混合体的击实过程可以分为初始压密阶段、快速压密阶段和稳定阶段,且块石的破碎主要发生在初始压密阶段;随着块石质量分数的增加,软岩土石混合体的最大干密度先增大后减小,当块石质量分数为60%时达到最大值;击实后软岩土石混合体内部接触力分布服从接触力分布概率密度函数,且随着块石质量分数的增加,高于平均值的接触力的概率密度增大.块石的形状因子越大,块石的破碎率越高,击实后软岩土石混合体的最大干密度随块石的形状因子的增大先增大后减小.     

土石分形检测中的数字图像处理方法研究

土木工程人员经常用粗料颗粒分布分维、粗料轮廓分维这些结构指标作为土石混合体定量化研究的依据,用以解释土石混合体的力学特性,并以这些参数作为土石混合体工程分类的依据。目前技术人员以手工筛分实验来计算粒度分维数。展开对土石混合体微结构研究,劳动强度大,操作不便,极大地制约了对土石混合体微结构的研究。提出了利用数字图像处理技术来测量土石混合体分形维数的方法。实验验证结果表明,该方法减轻了工程技术人员手工检测的劳动强度,实用有效。     

路用坡积体填料剪切性能试验研究

为了研究路用坡积体填料的剪切特性,以陕西略阳山区典型坡积体为研究对象,开展室内大型直剪试验,研究不同含石率和不同法向应力下坡积体填料的剪切特性,重点对剪应力-剪切位移曲线、剪胀剪缩特性、抗剪强度及其参数进行分析。结果表明:剪应力-剪切位移曲线分为线性变形阶段、初始屈服阶段和硬化阶段,剪切过程中由于块石存在出现了轻微抖动现象;高含石率的坡积体填料比低含石率的坡积体填料的剪胀剪缩现象更为明显;相同含石率条件下,剪缩段的法向应力越大,剪缩越明显,剪胀段则相反;含石率在45%～65%时,路基填料的抗剪强度较高;内摩擦角随含石率增大而增大,而黏聚力呈先增大后减小再增大继而减小的趋势。     

土石混合介质堆积体力学特性试验研究

由于堆积体边坡物质组成和结构的复杂多变性,其变形和稳定性成为工程建设中极为关注和亟待解决的问题之一。以三峡库区一典型堆积体边坡为例,根据现场调查和取样结果,通过室内大型直剪试验,研究不同含水率、含石量以及密实度情况下堆积体抗剪强度的变化规律。试验结果表明:细粒土含量越多,含水率对土石混合堆积体强度的影响越明显;当含石量在70%以上时,抗剪强度有急剧增大的趋势,堆积体试样的强度随密实度的增大而增大。研究结果不仅为堆积体变形和稳定分析提供基础资料,也为类似工程建设中遇到的堆积体边坡问题提供一定的参考。     

土石混填料压实度室内检测新方法研究

为了研究含石率对土石混填料压实度的影响,通过自制试验箱设计了一种室内检测方法。首先,通过分析试验箱中土石混填料在不同压实功下沉降量的变化曲线,确定现有试验条件下土石混填料的标准夯击次数;然后,对标准夯击次数下不同含石率的土石混填料密度进行统计,分析土石混填料压实度随含石率的变化曲线,建立线性回归模型;最后,利用土压力盒验证夯击试验下土石混填料内部应力分布的均匀性,确保试验方法可靠。结果表明,此方法不仅适用于土石混填料的室内压实度检测,而且可以通过含石率修正表减小因土石混填料中石料分布离散性而导致的压实度产生偏差的影响。该方法对于工程施工具有一定的指导意义。     

Mechanical properties of material in a mine dump at the Shengli #1 Surface Coal Mine,China

In-situ experiments were conducted to investigate the mechanical properties of the soil-rock mixture in the internal dump of the Shengli #1 Surface Coal Mine, China. Based on the experimental results, this study used comparative analysis and found that the shear strength of the soil-rock mixture in the dump was greater than the residual shear strength of the original rock. The results showed that the material presented in the dump as large blocks was the main factor affecting the strength of the soil-rock mixture.Numerical simulation was carried out for the analyses of three factors: different combinations of shear failure, rolling failure along with different large-block radius ratios, and mixture densities. The results illustrated that the cohesion and angle of internal friction of the soil-rock mixture are 12 kPa and 32.26°. However, in some cases the bench angle in the dump was controlled by a coupling relationship of rocks in the material. Finally, the stability of a soil slope showed a linear relationship with the large-block radius ratio and the bulk density.     

空间与颗粒参数对块石土边坡稳定性影响数值模拟研究

块石土边坡具有物理力学性质复杂,非线性强等特性,受块石-土体空间分布、块石粒径等几何因素影响较大。为研究几何参数对块石土边坡稳定性影响,本文基于研究团队提出的块石形状数据库随机生成方法,采用ABAQUS软件非线性分析方法,考虑含石量、最大粒径、空间分布等多种几何因素,建立大量有限元模型进行计算分析,得到以下结果：含石量增大,边坡安全系数上升,且含石量在50%-60%这个区间是上升速率最快。含石量增大,同粒径组边坡安全系数标准差增大,模型安全系数差异变大;最大粒径增大,块石分布对于边坡安全系数的影响增大,边坡稳定性先减小后增强,同粒径组边坡安全系数标准差增大。含石量和最大粒径增大,块石空间分布对于边坡稳定性影响增大。粒径大小不同,块石空间分布对于块石土边坡稳定性影响方式也不同,大粒径块石存在令滑动面向边坡内部发展,而密集小粒径块石大多是令滑面呈折线形,二者皆可增大边坡稳定性;当块石长轴与坡面夹角为90°、135°时,边坡塑性区呈发散分布,滑面更靠内部,稳定性更好,而当块石长轴与坡面夹角为0°、45°,则与上述情况相反;在通常沉积条件下,边坡稳定性随长短轴比增加而降低,滑动面越发平滑,塑性区范围与更加集中。可以看出,含石量、块石粒径、空间分布等因素对于块石土边坡有很大影响。几何参数不同,边坡稳定性差异较大,且具有一定规律性,在实际工程中有一定参考价值。     

不同含石率及基覆岩层倾角下土石混合体边坡稳定性分析

为准确地分析土石混合体边坡的稳定性，提出了一种可考虑不同块石含量、块石随机分布及基覆岩层倾角的边坡稳定性分析方法。该方法根据土石混合体边坡中的块石含量、级配以及基覆岩层倾角，随机生成了含石率从10%～60%、基覆岩层倾角从0°～20°的边坡模型，每种含石率及基覆岩层倾角均考虑8个不同的块石分布位置，最后将生成的模型导入到Optum G2中建立土石混合体边坡模型，采用有限元极限分析法对该类型边坡的稳定性进行了分析，并将计算结果与采用Kalender等效强度参数模型所得的结果进行了对比验证。研究结果表明，由于块石空间分布位置的不同，相同含石率及基覆岩层倾角下土石混合体边坡的最大、最小下、上限安全系数变化较大；相同含石率下，随着基覆岩层倾角的增加，边坡的下、上限安全系数的平均值变化相对较小；土石混合体边坡坡体中的剪切带呈现出“绕石”、“分流”以及“包含”这3种典型的扩展模式；通过将本文方法与Kalender等效强度参数模型所得的安全系数进行的对比分析，验证了作者所提方法的可行性。研究结果可为土石混合体边坡的设计及施工提供参考依据。     

Numerical analysis of soil-rock mixture's meso-mechanics based on biaxial test

Soil-rock mixture(S-RM)is a widely distributed geotechnical medium composed of "soil" and "rock block" different both in size and strength. Internal rock blocks form special and variable meso-structural characteristics of S-RM. The objective of this work was to study the control mechanism of meso-structural characteristics on mechanical properties of S-RM. For S-RM containing randomly generated polygonal rock blocks, a series of biaxial tests based on DEM were conducted. On the basis of research on the effects of rock blocks' breakability and sample lateral boundary type(rigid, flexible) on macroscopic mechanical behavior of S-RM, an expanded Mohr-Coulomb criterion in power function form was proposed to represent the strength envelop. At the mesoscopic level, the variations of meso-structure such as rotation of rock block, and the formation mechanism and evolution process of the shear band during tests were investigated. The results show that for S-RM with a high content of rock block, translation, rotating and breakage of rock blocks have crucial effects on mechanical behavior of S-RM. The formation and location of the shear band inside S-RM sample are also controlled by breakability and arrangement of rock blocks.     

橡胶砂力学性能的三维离散元数值模拟

为揭示橡胶砂混合料强度特性、偏应力-轴向应变曲线及体应变-轴向应变曲线的变化规律,利用颗粒流软件,对三轴压缩状态下橡胶砂混合料的力学特性进行了三维离散元数值模拟,从宏观、微观两方面分析质量配比、粒径比和围压对橡胶砂力学及变形特性等方面的影响。分析结果表明：当ω(橡胶)<10%时,橡胶砂表现出类砂力学特性,即先剪缩后剪胀,应力-应变曲线呈软化型,当ω(橡胶)≥20%时,橡胶砂表现出类橡胶力学特性,试样单调剪缩,应力-应变曲线呈硬化型。随着橡胶含量的增加,橡胶砂应力-应变曲线峰值降低。胶砂粒径比对橡胶砂应力-应变关系存在一定的影响,主要表现为随着平均粒径比的增大,体应变增大,应力-应变曲线降低,抗剪强度减小。随着围压的增加,低橡胶含量的橡胶砂剪胀和应变软化特性得到抑制,而高橡胶含量橡胶砂剪缩和应变硬化特性增强。混合料抗剪强度的降低主要归因于软橡胶颗粒的加入所引起的橡胶砂试样刚度损失,而其膨胀反应受到抑制的原因是橡胶颗粒容易被挤压而产生体积收缩。     

砂砾石混合物抗剪强度特性试验研究

为分析砾石含量及砾石形状对砂砾石混合物抗剪强度的影响,对砂砾石混合物进行了不同应力（σ=50、100、150、200kPa）条件下的大型直剪试验。试验中砂砾石混合物为相同砂与圆砾石及角砾石2种不同形状砾石的混合物,砾石含量分别为20％、40％、60％及80％。结果表明砂砾石混合物的剪胀量和抗剪强度随砾石含量以及砾石形状不规则程度的增加而增加,砾石含量对砂砾石混合物抗剪强度的影响大于砾石形状的影响。砂砾石混合物的最小孔隙比可以作为衡量砾石含量和砾石形状与其抗剪强度关系的特征参数。     

基于UDEC节理岩体抗压强度的数值研究

通过对江西某矿区岩样进行岩石力学试验,得到岩石试件的力学参数,利用Hoek-Brown法估算岩体力学参数。基于分形理论,结合Monte Carlo方法生成节理岩体平面网络图,以岩体网络图中心为基点,选取节理岩体模拟试件,采用离散元软件UDEC开展节理岩体抗压强度的数值实验。结果表明：选取角度、围压相同时,随着岩体尺寸的增大,节理岩体各向异性减弱,抗压强度呈非线性减小趋势,并趋向于某一定值,可拟合为负指数变化关系;围压、尺寸相同时,随着选取角度的增大,节理岩体抗压强度呈微幅波动趋势,这应与节理分布的分形特性有关。取样角度（所截取的岩体试件与水平方向的夹角）为60°时,抗压强度值略高,节理岩体尺寸效应与围压效应也较为明显;选取角度、尺寸相同时,随着围压的增大,岩体各向异性减弱,抗压强度呈线性增大趋势。     

Influence of water content and shear rate on the mechanical behavior of soil-rock mixtures

Soil-rock mixtures (S-RMs) are widely distributed in the nature. The mesoscopic deformation and failure mechanisms as well as the macro-mechanical behaviors of the S-RMs depend largely upon the rate of deformation, water content and particle sizes. In this research, a series of large-scale direct shear tests with different water contents and different grain-size distributions were conducted to study the influence of the aforementioned factors on the mechanical properties of the S-RMs. Due to the effect of the rock blocks’ breakage in the S-RMs, the relationship between the shear strength and the vertical stress of S-RM follows a power law instead of a linear one. It is found that there exists a threshold value for the vertical stress during the shearing process, below which the soil strength is mainly determined by the inter-locking of particles and the re-arrangement of meso-structure, and otherwise large-sized rock blocks are gradually broken into smaller fragments, resulting in a decrease in the soil strength. The shear rate can also significantly influence the degree of particle breakage and the meso-structural rearrangement of the S-RMs, namely, under low shear rate, the particles of the samples are fully broken resulting in enhanced macro-strength. As a result, the lower the shear rate, the higher the macroscopic strength. So under unsaturated conditions, the water content will affect the strength of the S-RMs by reducing the strength of rock blocks. As the water content increases, the soil strength decreases gradually, and assumes a moderate value when the water content reaches 8%. At the same water content, the soil strength increases with the sizes of large rock blocks. For the occlusion, breakage and structure re-arrangement of the oversized rock blocks inside S-RM, which have a huge influence on the mechanical characteristics of the samples.     

基于三维裂隙网络的岩体剪切特性尺寸效应分析

为研究复杂裂隙岩体剪切特性的尺寸效应,以西藏怒江松塔水电站PDC3平硐为例,在现场采集裂隙信息的基础上,基于颗粒流PFC^3D软件通过统计学方法及蒙特卡洛原理生成三维裂隙网络,构建等效岩体,进行大尺度直剪模拟试验得到裂隙岩体的抗剪强度、内摩擦系数及内聚力,分别研究其尺寸效应并确定不同参数下的REV尺寸,继而对相关参数和试样尺寸分别进行非线性回归拟合,探究其函数关系。结果表明：抗剪强度、内聚力及内摩擦系数随着试样尺寸的变化而趋于稳定,且不同参数得到的REV大小不同;综合分析不同参数的REV尺寸,得出研究区裂隙岩体的剪切特性REV尺寸为11 m×11 m×11 m;通过函数关系拟合,抗剪强度、内聚力和内摩擦系数与试样尺寸之间均存在指数函数关系。该成果为研究复杂裂隙岩体的力学REV以及合理确定力学参数提供了依据。