块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响研究

作为一种非均质材料,土石混合体的宏观力学性能与其内部块石细观结构密切相关。在外荷载作用下,土石混合体中存在块石骨架结构和非结构性土体两种荷载传递体系。该文从荷载传递路径和剪切路径发展两个角度,对块石的结构效应进行了分析,明确了块石长轴倾角这一细观因素对土石混合体抗剪强度的影响机理。将土石混合体视为由块石和土体基质组成的两相复合材料,采用椭圆形描述块石,建立土石混合体细观分析模型,并开展了300组双轴压缩试验。进而从主应力差值、内摩擦角及黏聚力三个角度,针对块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响规律进行了分析。结果表明:当块石长轴倾角在0°~90°变化时,土石混合体的主应力差值及强度参数均呈现出先减小后增大的趋势;当块石长轴倾角为45°+φ_s/2时,主应力差值及强度参数均取得最小值;主应力差值及强度参数随块石长轴倾角的变化规律均可采用抛物线方程描述。     

基于三维扫描技术的土石混合体离散元模型参数反演及直剪模拟

利用三维扫描技术构建不同粒径的真实块石形状数据库,并建立不同含石量的土石混合体离散元随机模型.采用正交试验设计原理,分析试样宏细观参数间力学敏感性并建立两者的线性方程,结合物理试验对模型进行参数标定.对不同法向应力、不同含石量的土石混合体进行直剪模拟,结果表明:岩土体在剪切过程中,剪应力逐渐增大,变形先剪缩后剪胀;增加法向应力,试样抗剪强度提高,剪缩程度增大,但初始模量变化微弱;低含石量下剪力无明显峰值,应变硬化现象显著,变形以剪缩为主,随着含石量增加,初始模量及抗剪强度升高,高含石量下出现应力峰值,之后表现为应变软化,剪胀性突出.土石混合体增加法向应力或含石量,均会提高其初始配位数和力链强度,其中增加法向应力,配位数整体水平上升;在剪切过程中,低含石量下配位数呈递增趋势,高含石量下配位数逐渐减小,配位数不会持续增或减,当达到临界值时与试样体积一同趋于稳定;含石量越大剪切带越宽厚,剪切面周围速度及位移变化梯度较大,剪切中后期试样内出现逆时针涡旋速度场;动剪切盒内配位数较大,静剪切盒内配位数较小,剪切带处配位数波动幅度最大;岩土体中弱力链散乱稀疏,强力链分布集中,剪切时力链强度先增大后减小,逐渐发散变粗并沿对角线延伸,最终贯穿剪切区域.     

一个基于细观物理机制的土石混合料抗剪强度理论模型

土石混合料是由多粒组矿物颗粒集成的多相天然地质材料,具有显著的跨尺度层次物质群体自然特征。为考虑不同粒组颗粒对土石混合料抗剪强度的影响,根据土石混合料变形时不同粒组颗粒的细观运动特征,将其划分为基体和块石两相复合材料。基于剪应力绕流效应和Eshelby-Mori-Tanaka等效夹杂平均应力原理建立考虑块石转动位移的土石混合料细观抗剪强度理论模型。制备不同块石含量的土石混合料工程原位试样进行3组现场大型直剪试验,分析块石含量对土石混合料抗剪强度的影响规律并确定模型参数。试验结果和理论研究均表明:块石显著影响土石混合料的变形特征且土石混合料的抗剪强度随块石含量的增加而增加。基体的剪应力绕流效应诱发块石产生转动抗力和基体出现应力集中而导致土石混合料在变形时比纯基体材料储存或释放更多的能量,是块石对土石混合料抗剪强度增益的细观物理机制。基于细观物理机制的土石混合料剪应力-剪切位移计算公式,初步验证了理论预测与试验结果的一致性。     

不同含石量条件下土石混合体击实特性试验研究

为探讨土石混合体填料的压实特性,对不同土石含量分布、不同含水量条件下的土石混合体进行了室内击实试验,对制备含石量为10%、30%、50%、70%和90%的土石混合体试样进行重型击实试验,得到土石混合体最大干密度、最佳含水量和含石量间的关系曲线。研究结果表明：不同含石量的土石混合体最佳含水量在4.3%～7.1%,最大干密度在2.211g/cm3～2.279g/cm3,与含石量相比,含水量对土石混合体最大干密度影响更大,在土石混合体的压实过程中,应严格控制最佳含水量。     

考虑含石量和坡度不同组分下颗粒流冲击刚性结构的力学模型研究

桥梁箱梁结构在土石混合体滑坡或者崩塌灾害冲击下受损破坏现象较为普遍,而含石量和坡度是影响箱梁结构冲击和破坏的重要因素。因此,采用离散元素法(DEM)模拟不同含石量和坡度作用下刚性结构的动力响应。结果表明:含石量越大,坡度越大,颗粒流的动能耗散率耗时越短,冲击力越大;含石量对冲击力的影响程度比坡度小;土石耦合作用要比细颗粒土或块石颗粒单独作用对法向力影响大;基于模拟结果构建土石混合体冲击刚性结构的力学模型,推导出冲击力及其作用距离方程。为验证构建的力学模型的可靠性,将模型冲击力计算结果与Jiang模型、Adel模型及模拟结果进行对比发现模型的冲击力计算结果与模拟结果基本吻合。研究结果可为该类灾害的防治提供参考。     

块石空间分布对土石混合体边坡稳定性的影响

土石混合体是自然界中分布广泛的一种地质材料, 受组分多样性, 块石粒径大小不一和块石空间分布位置随机等因素的影响, 其物理力学性质十分复杂。在土石混合体边坡的稳定性分析中, 以往大多将其简化为均匀地质体结构而不考虑块石的影响。该文采用有限元强度折减法, 对土体和四种不同类型块石分布的土石混合体边坡分别在自重状态(准静态)和打桩作用(动态)下的稳定性进行了分析, 探讨了块石空间分布对剪切带和边坡稳定性的影响。计算结果表明, 土石混合体边坡内的剪切带具有明显的绕石效应, 位于土石混合体边坡内部不同位置处的块石对边坡稳定性产生的影响不同。     

土石混合体宏观力学性能研究的细观等效分析方法

土石混合体在组成结构、力学性质和变形行为等方面显著区别于均质土体和岩石。结合土石混合体的细观结构特征,将其看作由块石和土体基质组成的两相复合材料,提出了土石混合体宏观力学特性分析的细观尺度多步等效化分析方法,继而对该分析方法中两个核心问题,即块石粒径阈值及复合材料等效化问题分别进行了研究。该方法的本质思想是:首先将较小粒径块石与土体基质进行均匀化处理,获得其各向同性的等效均匀介质;其次,将较大粒径的块石投放进等效均匀介质中,形成新的混合体,进而再次基于有限元数值方法对新混合体的力学特性及变形规律进行研究。基于该套分析方法对某土石混合体三轴加载排水试验进行了模拟与分析,发现该文方法获得的结果与试验结果吻合良好,验证了方法的有效性。     

基于离散元方法的沥青混合料力链演化及分布量化分析

为了研究沥青混合料内部颗粒间力链的演化及分布规律,以AC-13沥青混合料作为研究对象,利用离散元方法重构沥青混合料数字试件,模拟简单性能试验,提取试件内部颗粒间的力链信息进行力链演化、概率分布和角度分布分析。结果表明,通过比较预测结果和实测结果,基于离散元方法重构的AC-13沥青混合料细观模型用于模拟其细观力学特性是可行的。试件内部力链空间分布具有各向异性,以垂直方向的压力力链为主,承受大部分的半正弦荷载。法向力链概率分布随加载时间的变化规律基本一致,法向接触力与平均法向接触力比值f最小时,概率分布出现最大值,f=1.75时,概率分布再次达到峰值,然后逐渐减小并趋于稳定。法向力链角度分布主要位于90°和270°附近,第一、二象限的角度分布比例远大于第三、四象限,60~120°、30~150°中法向力链角度分布比例均大于70%,最小为72.733%。     

沥青混合料颗粒间接触力力链及位移场细观分析

为了从细观角度分析沥青混合料内部颗粒在荷载作用下所形成的接触力力链和位移场,利用离散元方法生成5种排列形式的沥青混合料细观模型,并对5种细观结构施加0.35kN荷载,追踪了颗粒间接触力力链的分布和大小,以及颗粒所产生的位移。结果表明,3种交叉排列的结构形成各向异性的拉、压力力链,以压力力链为主,最大接触力分别为5598N、17680N、9680N,产生的X向和Y向位移基本呈左右对称分布,随深度的增加位移减小;2种非交叉排列的结构仅产生压力力链,最大接触力分别为385.6N、334.5N,产生的X向和Y向位移变化趋势与交叉排列结构类似,但位移较小。     

颗粒流润滑剪切膨胀的力学机制研究

颗粒流润滑是可用于苛刻环境下的新型润滑方法,颗粒流的剪切膨胀特性是全面建立颗粒流润滑理论亟需解决的关键问题。该文基于离散单元法建立了颗粒流润滑的分析模型,研究了润滑启动阶段剪切膨胀现象的变化规律,剪切膨胀的速度适应机制和压力适应机制,并在总结剪切速度和压力载荷对剪切膨胀影响的基础上分析得出了剪切膨胀现象的力学机制。研究结果表明:润滑启动阶段,颗粒润滑系统的剪胀率随时步的变化服从二次多项式规律;颗粒润滑系统的剪切膨胀幅度随剪切速度,压力载荷的增大均呈现逐步递减的变化趋势;颗粒润滑系统的剪切膨胀特性与颗粒润滑介质间细观力链的波动密切相关,当细观力链的波动幅度变大时,颗粒润滑系统剪切膨胀的变化幅度亦增大,反之则减小。颗粒润滑介质间的接触力分布按幂函数规律变化,且颗粒润滑介质间力链的强度随着剪胀率绝对值的增大而变强。     

基于温度-应力耦合作用的岩石时效蠕变模型

基于岩石变形与热力学基本理论,建立了温度-应力耦合作用下脆性岩石时效蠕变损伤模型。根据此模型,在有限元数值软件COMSOL的基础上进行二次开发,考虑岩石介质的非均匀性,并以最大拉应力准则以及摩尔库仑准则为岩石单元的破坏准则,给出了温度-应力耦合作用下岩石时效蠕变损伤模型的数值求解方法。并结合室内实验结果验证了该模型方法的可行性和合理性。数值模拟结果表明该模型能准确描述不同温度条件下花岗岩典型蠕变全过程三个阶段,即初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。数值模拟也表明声发射累计数和岩石轴向应变的演化趋势整体上具有一致性,且在初始蠕变阶段和加速蠕变阶段出现较多的声发射现象。     

预加载下岩石的动态力学性能研究

动态和静态载荷共同作用下的岩石力学特性是深部地下岩石工程的关键问题。设计了用于测试静态预加载下岩石动态力学性能的分离式霍普金森压杆系统,并详细介绍了具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统的原理、数据分析和应力波的传播过程。通过具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统研究了岩石在不同预拉伸应力下的拉伸强度。结果表明:动态拉伸强度和总拉伸强度随着加载率的增加而增加,同时,在相同加载率下,动态拉伸强度随着预拉伸载荷的增加而减小,而总拉伸应力与预拉伸载荷的大小无关。此外,对不同预加载条件下岩石的动态断裂韧度也进行了研究,实验结果说明岩石的动态断裂韧度和总断裂韧度随着加载率的增加而增加。在相同加载率下,动态断裂韧度随着预加载荷的增加而减小,而总断裂韧度随着加载率的增加而增加。     

基于分形理论的人工挖孔嵌岩桩承载特性分析

嵌岩长桩的承载性能主要取决于桩-岩接触面的剪切强度。基于岩体结构面强度的研究方法,引入分形维数描述的两相接触介质粗糙表面的抗剪强度公式,建立了以分维数表示的嵌岩桩侧摩阻力传递模型,求得了弹性条件下的桩侧摩阻力及桩身轴力的解析式。基于所获得的解答,深入地探讨了分形维数D对桩侧摩阻力?、桩身轴力P及桩端荷载分担比Pb/Pd的影响规律。研究表明:同等条件下一定范围内粗糙分维值D越大,桩侧摩阻力在桩身上部分布越集中,荷载传递深度越小,桩端荷载分担比Pb/Pd也越小;长径比l/d越小,桩端荷载分担比越大,反之越小。工程算例对比分析表明:理论计算与实测结果吻合较好,对嵌岩桩设计有一定参考价值。     

全长粘结式锚杆与隧道围岩相互作用研究

提出了一种新的锚杆计算模型,建立了对应的物理、几何和平衡方程,在此基础之上分析了接触面产生滑移时锚杆的内力分布。该模型体现了锚杆与均质围岩之间的力学作用本质,将锚杆内力描述为围岩位移的函数,与有限元法结合,可以求得复杂情况下的锚杆内力分布,而锚杆对围岩的作用等效于一组节点荷载施加到围岩节点上。实例计算表明,锚杆可以减少围岩位移和塑性区范围,其内力分布和中性点位置受锚杆长度、埋设位置、围岩状况、粘结强度等因素的影响。该模型为确定合理的锚杆支护参数提供了一种新途径。     

磁流变液流变特性的数值模拟分析

建立了微观颗粒的动力学模型,提出了相应的算法,模拟了二维状态下颗粒成链及其剪切流动过程,表明剪切过程中存在旧链断裂和新链形成,得到了流动时磁流变液的剪切应力,并模拟了高剪切速率下微结构的演变过程,发现新链形成速度小于旧链断裂速度,出现了剪应力下降现象.     

考虑抗拉强度的岩石强度准则对比分析

岩石强度准则的研究一般着重于抗压强度而忽略抗拉强度,抗拉强度是岩石的一个重要力学性质,在工程设计中是一个重要的力学参数。该论文采用五种岩石的室内岩石力学试验数据对四种强度准则进行拟合,以对抗拉强度的描述精度、最小平均标准拟合差和拟合的主应力间关系曲线综合评价强度准则与试验值的吻合性,探究不同的强度准则对抗拉强度的预测效果。分析表明:指数强度准则拟合值与试验值最接近,描述精度最好,评价不同应力状态下岩石的强度特征优先考虑指数强度准则。     

岩石Holmquist-Johnson-Cook模型参数的确定方法

Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型在混凝土冲击爆炸数值模拟中应用广泛, 该文将其推广到岩石类材料中, 为合理确定岩石材料的HJC本构模型参数, 从塑性屈服面理论出发, 得到了特征化黏性强度系数与帽盖模型参数的关系。基于三轴围压实验、Hugoniot实验和Hopkinson压杆实验数据, 分别得到了Salem石灰岩极限面参数、压力参数和率效应参数的取值。基于上述模型参数利用有限元程序LS-DYNA对Salem石灰岩的弹体侵彻实验进行了数值模拟, 侵彻深度的计算结果与实验数据对比表明了本文所提出的HJC本构模型参数确定方法的合理性和有效性。以相对侵彻深度为目标函数, 对Salem石灰岩HJC模型所涉及的19个参数的敏感性进行了分析, 并对一般岩石材料的HJC模型参数的确定给出了建议方法, 并通过模拟高强花岗岩和Sidewinder凝灰岩弹体侵彻实验, 进一步验证了该文提出方法的合理性。