考虑块石长轴倾角和土石接触面的土石混合体边坡稳定性研究

为准确分析土石混合体边坡稳定性,提出了一种基于原始块石形状库的随机土石混合体边坡模型构建方法,该方法可以很好的考虑块石形状和分布特征。采用该方法和有限元极限分析软件Optum G2,结合土石混合体边坡物理模型试验,研究了块石掺量(0%~50%)、长轴倾角(0°~180°)和土石接触面强度(1.4~0.01)对土石混合体边坡稳定性的影响。结果表明,块石在边坡剪切带存在“绕行”、“分流”、“包含”三种塑性扩展模式,并通过改变边坡剪切带的曲折点、长度和发展方向影响边坡稳定;通过对不同块石掺量下边坡稳定性研究,发现当块石掺量大于20%时,块石分布对边坡稳定性的影响较大;在高块石掺量下,边坡容易出现“局部”或“崩解式”破坏;在相同块石掺量下,块石长轴倾角平行或垂直于边坡剪切带时,边坡分别获得最小或最大安全系数;当块石长轴垂直于边坡剪切带时,边坡容易出现“崩解式”破坏,这主要与块石长轴对于边坡剪切带发展的“诱导”效应有关;在相同块石分布模型下,边坡安全系数随土石接触面系数的减小而降低,甚至会低于均质土边坡;当土石接触面强度低于土体强度时,块石对边坡剪切带存在 “吸引”效应。研究结果可为土石混合体边坡稳定性的评估和治理提供参考。     

土石混合体边坡稳定性的三维颗粒离散元分析

为探究土石混合体边坡的稳定性和破坏机理,基于土工离心模型试验基本原理,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边坡细观结构的三维离散元模型.引入颗粒流强度折减法并提出基于能量演化的方法来判别边坡失稳破坏.利用提出的土石混合体边坡三维离散元建模方法和稳定性分析方法,分析不同块石含量、块石形状、空间结构、空间形态等因素对土石混合体边坡稳定性和破坏模式的影响,并揭示这些因素影响的细观机理.结果表明:随含石量增加,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;土石混合体边坡中呈现出多滑动面现象,且滑面较为曲折,具有明显的绕石特征,坡脚部位的部分大块石使得剪出口的位置发生明显的改变;随块石形状由球体、卵石到碎石,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;上覆堆积体相对较厚且坡度不是很大的二元结构边坡或一元结构边坡的破坏模式主要是堆积体内部发生的弧形滑动破坏,上覆堆积体厚度不大且基岩面相对平整的二元结构边坡的破坏模式主要是沿基-覆界面的整体平移滑动破坏;随土石混合体边坡空间形态由条带型、敞口型到锁口型,其安全系数逐渐提高,其中锁口型边坡具有显著的支撑拱效应,且含石量越大这种效应越明显.     

土石混合体边坡的稳定性与大变形破坏分析

土石混合体边坡在自然界中广泛存在,其变形、破坏会对人类的生命财产造成重大损失。忽略块石的作用将其视为均质土坡进行研究往往过于简化。编制二维土石混合体边坡几何模型生成程序,采用极限平衡法、光滑流体动力学方法进行稳定性、大变形破坏分析,以研究块石含量对稳定性和冲击力的影响。为预测稳定性系数并计算失效概率,构建了深度神经网络模型。研究结果表明：当块石含量低于10%时,块石对边坡稳定性的影响很小;构建的神经网络模型能预测稳定性系数且相对误差在11%以内,可用于计算失效概率;冲击力时程曲线取决于块石含量、滑坡体方量、建筑物位置等多种因素。研究成果可为土石混合体滑坡的防灾减灾工作提供理论支持。     

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。     

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。     

基于粗糙集赋权的山区公路土石边坡可拓稳定性评价模型

为了对山区公路沿线土石边坡稳定性进行评价分级,并采取相应的防护措施,在总结现有国内外边坡研究成果和实地调研的基础上,根据山区公路土石边坡的特点,选取了影响土石边坡稳定性的4个一级指标(水文气象、坡体状况、岩土体特征、植被状况)和12个二级指标(降雨量、渗流、地下水位;边坡坡度、边坡高度、边坡形态;基岩岩性、岩石占比、块石级配;植被类型、根系发育状态、植被覆盖率),建立了山区公路土石边坡稳定性评价体系,为对定量指标和定性指标进行处理,建立了评价指标量化标准,并将15处实际边坡数据进行了离散化处理,把边坡的评价指标和稳定性等级均分为4级,赋予相应的等级范围,应用粗糙集理论确定了各评价指标的权重值.最后基于可拓学理论,建立了山区土石边坡的可拓稳定性评价模型,对边坡稳定性进行了评价.并应用该模型,对山区省道S314段内边坡实例进行了验证,评价结果表明,该评价模型科学、合理,结果可靠,为工程的实际应用提供了参考.     

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。为研究空间与颗粒参数对块石土边坡稳定性影响,基于已有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。结果表明:含石量增大,边坡安全系数上升,且含石量在50%～60%区间内上升速率最快;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、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;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,塑性区范围也更加集中。研究结果表明,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的参考价值。     

高土石围堰施工-运行过程边坡稳定性分析

高土石围堰边坡稳定性与堰体材料的力学性质密切相关.在围堰施工及运行过程中,随着结构应力和渗流状态的变化,堰体材料力学参数也发生持续性变化.基于围堰施工过程中堰体应力及渗流状态变化规律分析和土石材料力学非线性理论,建立考虑施工过程的土石围堰边坡稳定分析模型;在此基础上,进行高土石围堰施工-运行过程边坡稳定特性分析,结果表明堰体边坡稳定的最不利工况出现在基坑开挖后的堰前水位下降期,最危险滑动面位置随着水位下降速率的增加由背水面转向迎水面;当水位下降速率一定时,堰坡稳定安全系数呈先减小后增加趋势,最小值及其出现时间与水位下降速率相关.     

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。     

土石混合体地层中基坑开挖对邻近既有隧道影响

为解决土石混合体地层中基坑开挖引起的隧道响应问题,基于离散单元法采用数值模拟手段进行研究。采用颗粒流数值计算软件PFC2D对土石混合体微观结构、隧道管片结构及基坑围护结构进行精细化建模及施工过程模拟,并针对隧道位于基坑开挖引起的主动土压力区及被动土压力区两类位置条件下,地层含石率w对基坑开挖引起的隧道结构响应影响规律进行系统性研究。结果表明:隧道位于基坑开挖主动土压力区时,量值大于60%前提下的含石率提升导致隧道周围逐渐形成具备较好抗剪性能的连续块石骨架体,从而抑制侧面开挖引起的隧道结构响应。隧道位于基坑开挖被动土压力区时,量值小于75%前提下的含石率的提升对上方开挖引起的隧道结构响应起到抑制作用;含石率大于75%时,含石率的提升无法为上方开挖引起的隧道结构响应提供抑制作用。     

移动车辆荷载下土石混填路基动力响应分析

为研究车辆荷载下土石混填路基的动力响应，利用ABAQUS有限元软件建立沥青路面系统三维数值模型。采用移动均布荷载模拟车辆荷载，分析不同的行车速度和车辆荷载作用下土石混填路基动应力、变形的响应规律，并确定路基工作区深度。结果表明：在路基横断面，车轮作用位置处竖向应力最大，远离作用点时应力减小；动应力和变形在路基深度1 m范围内衰减最快；车辆荷载对路基的影响程度要大于车速对路基的影响程度；随着车辆超载率的增加，路基的动应力响应也就越大，路基的工作区深度在2.33 m～4.15 m之间。     

基于3维离散元颗粒流的土石混合体大型直剪试验模拟分析

为能更好的揭示土石混合体的剪切特性与力学行为,以新疆博乐地区某土石坝心墙料为研究对象,选取了3种不同含石量的室内混合料试样,通过导入随机多面体模板建立真实块体颗粒模型,并进行了不同含石量在不同围压下的的三维颗粒流土石混合体室内大型直剪试验模拟,研究了含石量对试样抗剪强度的影响,分析了土石混合体在剪切过程中的体积变化以及不同含石量下土石混合体的力链网络分布。结果表明：模拟结果与室内试验的拟合度较好,二者具有良好的一致性;含石量对土石混合体的剪切特性有显著影响,含石量越高,土石混合体的抗剪强度越大;在相同法向应力下,试样的剪胀量随着含石量的增加而增大,低含石量试样表现出一定的“软化特性”,高含石量试样表现出“硬化特性”;不同含石量的土石混合体力链网络分布表现为各向异性,随着含石量的增加,强力链数目增多,分布更加集中,试样整体较为稳定,土石混合体在宏观上表现出更高的剪切强度。该研究可以更好的理解土石混合体的细观力学机理,可为相关岩土力学模拟提供参考依据。     

坝基岩体分类

本文根据岩体结构类型等因素对坝基岩体质量的影响,提出了坝基岩体分类的新方案,并结合工程建筑类型进行岩体质量评价的探讨。     

深井软岩表面变形随围岩性质变化分析

依据理论分析得出的圆形巷道围岩表面变形计算公式,分析了原岩性质对围岩表面变形影响。分析结果表明：随原岩应力增加,不同岩性围岩表面变形增长速率不同,深井软弱围岩表面变形显著;通过注浆法改变围岩性质,提高围岩粘结力和内摩擦角是减少围岩表面变形,保持围岩稳定较为有效的手段。     

Generation of 3D random meso-structure of soil-rock mixture and its meso-structural mechanics based on numerical tests

The mesoscopic failure mechanism and the macro-mechanical characteristics of soil-rock mixture(S-RM) under external load are largely controlled by S-RM’s meso-structural features. The objective of this work is to improve the three-dimensional technology for the generation of the random meso-structural models of S-RM, for randomly generating irregular rock blocks in S-RM with different shapes, sizes, and distributions according to the characteristics of the rock blocks’ size distribution. Based on the new improved technology, a software system named as R-SRM3 D for generation and visualization of S-RM is developed. Using R-SRM3 D, a three-dimensional meso-structural model of S-RM is generated and used to study the meso-mechanical behavior through a series of true-triaxial numerical tests. From the numerical tests, the following conclusions are obtained. The meso-stress field of S-RM is influenced by the distribution of the internal rock blocks, and the macro-mechanical characteristics of S-RM are anisotropic in 3D; the intermediate principal stress and the soil-rock interface properties have significant influence on the macro strength of S-RM.     

某电站调压井围岩稳定分析

本文根据某电站调压井围岩稳定模型试验研究成果,分析了调压井开挖后围岩应变重分布、上室开挖对调压井应变分布的影响、调压井采用不同支护方式的效果和围岩失稳时的破坏机制。研究结果表明:调压井围岩应变重分布主要取决于地应力特征;上室开挖只扰动调压井与上室衔接部分应变分布;支护方式不同导致围岩破坏荷载、过程、形态不同,但是破坏机制不变。     

有机复合客土基材接触面剪切力学特性试验

为研究高分子材料和接触面粗糙度对土-岩接触面剪切力学性能的影响，设计预制混凝土模块作为岩面相似材料，开展一系列改进型直剪试验，分析高分子材料和接触面粗糙度的影响规律，并结合扫描电镜试验深入揭示高分子材料的改良机制。结果表明，高分子材料主要通过提高黏聚力极大地改善基材土和接触面的剪切力学性能，掺量2%的基材试样黏聚力达41.76 kPa,提高了约3倍。掺量2%的不同接触面试样黏聚力提高了2～7倍；增大接触面粗糙度主要通过提高黏聚力增强接触面剪切力学性能，粗糙度为6.5 mm的不同接触面间黏聚力提升幅度为12.27～23.77 kPa,提高了0.4～3.9倍；对于平坦接触面和粗糙接触面，高分子材料对剪切性能的强化表现为两种不同模式；高分子材料与接触面粗糙度对接触面的剪切性能具有协同强化效应。