土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制的三维离散元精细模拟

为了更加精细的模拟土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制,针对已有三轴试验侧向柔性薄膜边界模拟方法进行改进,提出三维组合墙法实现了柔性薄膜边界的三维离散元模拟。结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体大型三轴数值试样,开展数值试验标定土石混合体数值模型的细观力学参数并与室内试验结果进行了对比验证。深入分析不同含石量下土石混合体的宏细观力学特性和变形破坏机制。结果表明:三维组合墙法原理简单、参数较少、易于实现且应用效果较好;大型三轴试验数值模拟能够较好地再现土石混合体宏观的应力–应变特征、强度特性和破坏模式;随含石量增加,土石混合体的骨架结构效应越来越显著;剪切带内土颗粒旋转量较大而块石颗粒旋转量较小,表明剪切面绕过了较大的块石颗粒。     

土石混合体三维细观结构随机重构及其力学特性颗粒流数值模拟研究

土石混合体是一种非连续、非均质、各向异性的土石混合多相介质,其力学性质极为复杂,与内部土石细观结构密切相关。从细观结构层次出发,运用计算机随机模拟技术,建立了一种基于不规则块石的土石混合体三维细观结构重构方法,并基于FORTRAN语言开发了相应的三维细观结构随机模拟系统(RMS3D),在此基础上,考虑块石的不规则形状,建立了土石混合体的离散元模型,并采用颗粒流程序对其开展了不同法向应力下三维直剪试验模拟,探究了块石空间分布对其力学特性的影响。研究结果表明:土石混合体的力学性质受内部块石空间分布影响显著,在相同级配和含石量下,不同块石空间分布的土石混合体试样的剪应力–剪切位移曲线和法向位移–剪切位移曲线均不相同,尤其是在峰后呈现出了明显的差异,且后者开始出现差异时相对于前者滞后;另外,受剪切面上块石阻碍的影响,由于试样内部块石空间石分布的不同,导致不同试样剪切破坏后所形成的剪切带的形态和厚度也存在一定的差异。     

土-石混合体随机细观结构生成系统的研发及其细观结构力学数值试验研究

土-石混合体的细观结构特征在很大程度上影响了其在外力作用下的细观损伤演变机制及所表现的宏观力学行为.从土-石混合体的细观结构特征出发,开展一系列相关细观力学特征研究工作,将对于深化土-石混合体力学理论研究体系具有重要的意义.运用统计学、几何学、随机模拟等多学科交叉技术,开发基于任意凸多边形及椭圆形块石的土-石混合体细观结构随机生成系统--R-SRM2D.基于R-SRM2D,从土-石混合体的含石量、粒度组成、块体空间分布及土-石界面类型等特征的差异性出发,运用数值试验的方法研究土-石混合体细观结构的差异与其细观损伤机制及宏观力学行为的关系.在理论上取得一些有意义的研究成果:随着含石量的增加,土-石混合体弹性模量及单轴抗压强度呈上升趋势;在含石量一定的条件下,试样的宏观强度随着块石粒度维数的增加而略有降低;当块石长轴与主压力轴近于正交或平行时,其抗压强度最大;当块石长轴与主压力轴成(45°-(s/2)时,其抗压强度最小;土-石界面的胶结使得土-石混合体的宏观强度发生明显的改善,其单轴抗压强度增加约1倍.     

土–石混合体随机细观结构生成系统的研发及其细观结构力学数值试验研究

 土–石混合体的细观结构特征在很大程度上影响了其在外力作用下的细观损伤演变机制及所表现的宏观力学行为。从土–石混合体的细观结构特征出发,开展一系列相关细观力学特征研究工作,将对于深化土–石混合体力学理论研究体系具有重要的意义。运用统计学、几何学、随机模拟等多学科交叉技术,开发基于任意凸多边形及椭圆形块石的土–石混合体细观结构随机生成系统——R-SRM2D。基于R-SRM2D,从土–石混合体的含石量、粒度组成、块体空间分布及土–石界面类型等特征的差异性出发,运用数值试验的方法研究土–石混合体细观结构的差异与其细观损伤机制及宏观力学行为的关系。在理论上取得一些有意义的研究成果：随着含石量的增加,土–石混合体弹性模量及单轴抗压强度呈上升趋势;在含石量一定的条件下,试样的宏观强度随着块石粒度维数的增加而略有降低;当块石长轴与主压力轴近于正交或平行时,其抗压强度最大;当块石长轴与主压力轴成(45°－js/2)时,其抗压强度最小;土–石界面的胶结使得土–石混合体的宏观强度发生明显的改善,其单轴抗压强度增加约1倍。     

基于围压柔性加载的土石混合体大型三轴试验离散元模拟研究

综合运用计算机三维扫描与随机模拟技术,建立了不同块石含量和空间分布的土石混合体三维随机细观结构模型和离散元模型,考虑围压柔性加载,基于柔性黏结颗粒膜方法,采用颗粒流程序对不同土石混合体试样进行了不同围压下的大型离散元三轴试验模拟,研究了块石含量和空间分布对土石混合体力学特性和变形破坏规律的影响。数值模拟结果表明:土石混合体的强度和抵抗变形的能力随含量和围压的增大而增强,且在相同含石量下,受内部块石空间分布的影响,试样的内摩擦角和黏聚力虽会表现出一定的离散性,但总体上,内摩擦角随着含石量增加基本呈线性增加,而黏聚力却随着含石量增加逐渐减小;在围压柔性加载下,土石混合体试样表现为鼓胀变形破坏,破坏后形成的剪切带为一个曲折条带,形态上呈非对称的X形分布,厚度约为试样高度的1/3～1/2倍,且试样的破坏形态及内部剪切带大小和分布形态不仅受块石含量和空间分布影响,而且也取决于围压大小;土石混合体试样在破坏过程中内部剪切带的形成是伴随局部颗粒的转动开始的,在应变到达峰值应变时,局部发生转动的颗粒相互连接贯通,此时剪切带已基本形成,此后随着应变继续增加,受峰后鼓胀变形的影响,试样内部颗粒的转动仍会发生一定的变化,同时伴随着剪切带大小和分布形态也发生相应的变化。     

土石混合体力学特性的颗粒离散元双轴试验模拟研究

土石混合体作为土体和碎石的混合体,其宏观力学特性与碎石特性密切相关。采用试验研究和数值模拟相结合的方法,对土石混合体的力学特性进行研究。基于FISH语言开发颗粒流的多边形碎石生成模块,通过室内试验校核颗粒流模型的细观参数,建立土石混合体双轴试验模型。提出以形状因子m作为衡量碎石磨圆度的指标,对碎石形状进行了量化。研究了碎石含量、强度、形状对土石混合体力学特性影响,探讨碎石对土体强度提高的细观原因,揭示土石混合料的强度指标随各主要影响因素的变化趋势。结果表明:碎石含量和强度越高,混合体的强度也越高,当含石量小于40%时,土石混合体的力学特性受土体主导;内摩擦角随着碎石含量增加而增大,而黏聚力却在减小;随着形状因子的增大,强度降低,黏聚力和内摩擦角均减小;土石混合体中应力分布不均,在碎石含量较高时,碎石形成骨架效应,承担了主要荷载。     

基于大型直剪试验的土石混合体剪切带变形特征试验研究

土石混合体介质具有高度非均质性、显著的结构效应与尺寸效应等特点,这使其物理力学特性及其复杂。本文针对土石混合体在剪切过程中剪切带的变形性状与影响因素,采用自主研发的RSM–1000型电机伺服控制大型土工抗剪强度试验系统,考虑不同含石量(0,30%,50%,70%)、上覆压力(50,200,300,400 k Pa)、块石尺寸(L1,L2,L3)3个主要结构控制因素,进行土石混合体剪切变形试验,通过在试样内部钻孔设置铝丝与干灰的方法,监测剪切带特征变化规律。研究结果表明:当含石量小于30%时,块石对试样的变形影响较小,强度主要依赖于砂土强度;当含石量达到50%时,试样内已形成骨架结构,变形受块石的影响突显,强度由块石和砂土共同作用;当含石量达到70%时,试样内已形成块石架空结构。在高含石量与大粒径块石条件下,含贯穿剪切面的块石试样随剪切变形发展,块石发生挤压、翻转现象;剪切面附近分布块石的试样,随剪切变形发展,块石以剪胀作用为主,块石发生挤压、棱角剪断与错动重分布。试样的剪切变形现象可类比由后向前变形的推移式滑坡或由前后向中间变形的复合式滑坡的破坏特征,即后缘坡顶在主动土压力作用下产生裂隙,随之下沉挤密、失稳起滑;前缘坡脚蠕滑变形推移;坡中岩土体发生剪切错动至滑动面渐进扩展破坏,最终剪切面贯通,形成整体破坏。该研究成果对揭示土石混合体滑坡剪切带形成演化规律、破坏模式及土石混合体滑坡的防灾减灾具有重要意义。     

基于细观数值试验的非饱和土石混合体力学特性研究

 从土石混合体细观结构出发,融合细观结构模型生成技术、主–从接触面模型及非饱和土渗流与强度理论,建立非饱和土石混合体的细观数值模拟方法。通过与非饱和土石混合体室内试验结果进行对比,验证所建立的细观数值模拟方法的可行性和合理性。利用该细观模拟方法,分析土–石界面接触特性、含石量及饱和度等因素对非饱和土石混合体力学特性与破坏机制的影响。结果表明：(1) 非饱和土石混合体在低围压下表现出明显的剪胀性,且受含石量和饱和度影响显著;在较高围压下基本上表现为剪缩变形,随含石量的增大其剪缩变形减小,饱和度对剪缩性的影响较小。(2) 土石混合体的峰值强度和变形模量随土–石界面摩擦因数的增大呈非线性增长,在界面摩擦因数大于0.6以后,两者基本趋于稳定值。(3) 含石量越大,非饱和土石混合体的峰值强度和变形模量越大,应变硬化特征更为显著,在含石量增加到58%后峰值强度和变形模量趋于稳定值。在低围压下剪胀变形随含石量的增加而增大;在较高围压时,剪缩变形随含石量的增大而减小。(4) 饱和度越大,基质吸力越小,非饱和土石混合体的峰值强度越低,但变形模量变化不大。     

基于不规则颗粒离散元的土石混合体大三轴数值模拟

在基于CT扫描的不规则颗粒三维离散元精细建模技术的基础上,提出了一种不规则块石三维离散元模型随机生成技术,并建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维离散元模型。进行了含石量为0,10%,30%,50%,70%,90%的土石混合体大三轴试验数值模拟研究,对各种含石量下土石混合体的力学特性和变形破坏机理进行了深入地分析探讨。结果表明:随着含石量的增加,试样峰值强度、残余强度、弹性模量和破坏应变逐渐增大,剪缩性减小,剪胀性增强;加载初期,微裂纹主要在块石颗粒与土颗粒之间形成,发展速度很快,而后则主要在土颗粒间形成和扩展,含石量越大,块石周围微裂纹比例越高,局部剪切带越不规则,分布也越分散;高含石量(70%,90%)的土石混合体在加载初期即有比较明显的相互摩擦,随后块石相互接触、咬合与相对摩擦、滑移交替出现。     

基于真实块石形态的土石混合体细观力学三维数值直剪试验研究

 块石形态是影响土石混合体细观结构及宏细观力学特性的一个重要因素。提出一种基于真实块石形态的土石混合体细观力学研究方法,首先采用三维扫描技术建立块石三维形态数据库,然后根据粒度组成生成试样内部块石三维空间分布模型,从而构建土石混合体的数字模型。利用所提出的基于多球颗粒均匀接触的复杂块体表征算法,实现任意复杂形态块体的多球颗粒均匀、紧密接触填充。基于上述方法,建立土石混合体离散元数值计算分析模型,并协同现场试验结果开展三维数值直剪试验研究。根据土体的现场试验结果反演得到离散元数值试验中土颗粒的细观接触力学参数,将其应用于土石混合体数值试验得到了较好的效果。通过数值试验研究表明,土石混合体在剪切过程中的块石效应,使剪切带变得更加宽厚和曲折,在宏观上造成了试样的内摩擦角有增高趋势;而由于块石含量增加,使得其黏结作用的土体含量减小,从而在宏观上表现为试样黏聚力呈略有降低趋势。     

基于正交设计的复杂环境下土石混填体大型直剪试验研究

为了更加系统、全面的研究土石混填体处于复杂环境时的强度特性,综合考虑含水率、浸泡时间、干湿循环、含石量、岩性与土性等因素,采用美国Geotest公司生产的大型直剪仪,并基于正交设计方法开展了一系列土石混填体室内大型直剪试验研究,进而确定出了不同因素对土石混填体抗剪强度有何影响及影响程度,为此类受多因素、多水平影响的试验研究探讨出了一种新的思路。试验结果表明：土石混填体抗剪强度主要源于内部石料间的相互嵌入、咬合及摩擦等作用;含石量是影响土石混填体强度特性最主要的因素,随着试样中含石量的增加其内摩擦角近似呈线性增加;对于试验中所涉及的3种水作用环境,含水率对土石混填体抗剪强度的影响最为显著,且含水率对其剪应力-剪切位移关系曲线亦存在非常重要的影响,相比之下,浸泡时间与干湿循环对试样抗剪强度影响较弱,且试样在浸泡48 h或干湿循环4次后其抗剪强度基本不会再继续弱化;当试样中含石量≥55%时,其抗剪强度受岩性影响较为明显。     

主应力演化影响下的深部巷道围岩变形破坏特征试验研究

研究主应力变化对深部巷道围岩变形破坏特征的影响是巷道支护中非常必要的。以某矿处于深部高水平应力条件下的巷道围岩为工程背景,以大尺度三维相似材料模拟试验系统和制作的主方向应力传感器量测工具,采用"先加载后卸载"的开挖方式模拟主应力大小和方向演化影响下的有支护巷道围岩产生剪切滑移的变形破坏特征。研究表明,在高水平应力环境下巷道在掘进开挖过程中顶底板受挤压剪切作用产生变形破坏,破坏范围呈现"楔形"渐进发展;通过模型剖切面发现巷道围岩顶底板产生了不同数量的对称螺旋状剪切滑移裂缝,并向巷道两帮发展并交叉,将巷道围岩形成一定范围的剪切破坏区域;通过分析主应力大小及方向的演化可知,巷道围岩受高水平应力作用形成的剪切滑移裂缝破坏与主应力大小及方向演化存在必然联系,认为最小主应力的调整对剪切滑移裂缝的形成起到了重要作用。     

高填方土石混合料强度与变形特性及沉降预测研究

 为解决高填方土石混合料强度与变形计算难题,对不同初始含水量不同初始干密度的土石混合试样进行剪切试验和压缩试验,深入分析不同土石比试样的强度与变形特性随初始参数的变化规律。结果包括：(1) 初始压实度越小的试样侧限压缩应变越大,初始含水量越大的试样侧限压缩应变越大;压缩系数随竖向压力的增大整体先增大后减小,压缩模量随竖向压力的增大整体呈增大趋势;(2) 类似高填方工程中填筑体初始压实度宜控制在0.93以上,初始含水量控制在最优含水量±(2%～3%),土石比控制为2∶8～4∶6;(3) 粉质黏土和砂质泥岩混合料压实土的干密度与竖向压力之间呈幂函数关系,建立由填土层的初始状态和所受荷载预测填筑土层强度和沉降量的算法;(4) 考虑初始状态的填方沉降预测方法是合理的,采用其略微偏大的变形计算结果进行高填方设计或施工,可使得高填方地基质量控制偏于安全;(5) 最优含水量范围内不同压实系数引起的沉降差异较小;随着压实系数的增大,地基沉降变形明显减小;土石比为2∶8时压实度增大对地基沉降的影响程度大于土石比为4∶6的高填方地基。研究成果可用于土石混合料高填方地基变形分析与计算。     

Mine-by试验洞开挖过程中围岩应力路径与破坏模式分析

 地下洞室开挖过程中,围岩经历了复杂的应力路径,正确刻画围岩的应力路径及其影响是岩石地下工程中亟待解决的关键科学问题。基于起裂判据(CIC)、扰动应力比( )和Lode参数等力学表征指标,采用FLAC3D对Mine-by试验洞掌子面掘进过程中围岩的复杂应力路径和破坏模式进行探讨。研究表明：围岩应力场的扰动主要集中在掌子面前后一倍洞径范围内,围岩损伤受掌子面附近高度集中的偏应力和应力主轴旋转支配;随掌子面掘进,围岩顶部和底部偏应力集中程度加大,应力比n逐渐降低,逐步形成V型剥落,而隧洞边墙部位逐渐卸荷,损伤破裂转变为拉应力控制;原位岩体的应力路径涉及应力主轴旋转效应,远比实验室的单调加载路径复杂,Mine-by试验洞开挖过程中,在掌子面的顶部和底部,围岩大主应力方向几乎没有转动,而中主应力和小主应力旋转一定角度(35.2°)后回到初始方向,由于中主应力超过了岩体起裂强度(CIC＞1),其方向的旋转加剧了围岩的损伤程度。相关认识和结论具有一定的理论和工程意义。     

土石混合体的剪切面分形特征及强度产生机制

 基于考虑含石量、含水率、块石岩性、初始孔隙比、法向压力5个影响因素的土石混合体室内大型直剪试验,利用剪切面在分形几何学上的统计规律和颗粒流数值模拟方法得到的直剪试验中颗粒的相互作用规律,对土石混合体的抗剪强度产生机制进行研究。结果表明：(1) 土石混合体的剪切面呈不规则的起伏形态与块石的存在关系密切,且具有较好的分形特征,分形维数随着含石量和块石强度的增大、含水率和法向压力的减小均呈增大趋势;(2) 含石量高于40%时,黏聚力小于30 kPa;(3) 内摩擦角随着含石量的增大、块石强度的增大、含水率的降低、初始孔隙比的降低、法向压力的降低均呈增大规律,且与分形维数满足正相关函数关系;(4) 块石附近应力集中较明显,剪切过程中,颗粒间的接触力主要通过迎着剪切方向的接触面传递,而背着剪切方向的颗粒接触面基本不传递力;(5) 内摩擦角 等于剪切面上与颗粒本身接触性质有关的接触面内摩擦角 和与剪切面分形维数有关的接触面倾角 之和,利用此机制可解释直剪试验中强度参数的变化规律。     

固有和诱发各向异性对击实粘性土强度和变形特性的影响

应用内外室压力不等的空心园柱扭剪仪，对击实粘性土进行了固有和诱发各向异性的试验研究。结果表明，击实粘性土具有明显的固有各向异性，它对土的应力应变关系、强度和变形特性都有不可忽视的影响；不同主应力方向的破坏强度最大差别可达３０％。试样的初始含水量和应力水平会影响固有各向异性程度。诱发各向异性可由卸载和主应力方向旋转产生，它对排水剪强度影响不大，但对应力应变关系和变形特性有较大影响。     

固有和诱发各向异性对击实粘性土强度和变形特性的影响

应用内外室压力不等的空心园柱扭剪仪，对击实粘性土进行了固有和诱发各向异性的试验研究。结果表明，击实粘性土具有明显的固有各向异性，它对土的应力应变关系、强度和变形特性都有不可忽视的影响；不同主应力方向的破坏强度最大差别可达３０％。试样的初始含水量和应力水平会影响固有各向异性程度。诱发各向异性可由卸载和主应力方向旋转产生，它对排水剪强度影响不大，但对应力应变关系和变形特性有较大影响。     

土石混合体二维细观结构的模拟方法研究

 在二维情形,从细观角度,将土石混合体视作石料与土的两相结构,其中,石料为凸多边形,剩余空间为土体。为此,提出凸多边形随机摆放区域的数值模拟方法。该方法首先随机生成一个菱形并将该菱形随机变形得到一个具有参数方程的凸多边形;然后,在给定的区域中,按照一定的分布函数随机投放不同大小的凸多边形直至满足一定的终止条件;在此过程中,若新生成的凸多边形与其他凸多边形的距离不为0,可对其进行下降,以此模拟土石混合体的真实物理状态。使用该方法,在边长为30 cm的正方形区域内,取颗粒径1～8 cm,模拟了含量为72.01%(面积比)的土石混合体。最后,将所模拟的土石混合体进行有限元网格划分以及力学加载试算,从试算结果的应力云图可以观察到土与石的界面是土石混合体内应力集中的地方,与实际情况相符。