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。     

基于数字图像的土石混合体力学性质的颗粒流模拟

 介绍数字图像处理的基本过程,根据其技术原理编写程序,实现由实拍数字图像直接生成颗粒流模型,为土石混合体力学行为的颗粒流模拟提供新的建模方法。利用该方法,采用PFC2D程序对土石混合体(SRM)进行双轴压缩试验的数值模拟,并与均质土体的试验结果相比较。结果显示,一定碎石含量的土石混合体试样其应力–应变关系呈现出台阶状分布的特征,第一平台段所对应的主应力差基本反映土颗粒的屈服强度;之后强度的提高则与碎块石存在形成的应变硬化现象相关。数值模拟反映出的规律与现场试验结果一致。通过分析土石混合体试样的破坏形态,发现其破坏过程与形态要比均质土体复杂的多,由于碎块石的存在,破裂面往往不规则,不像均质土体那样呈明显的条带状破坏。     

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。     

不同围压加载方式下土石混合体变形破坏机制颗粒流模拟研究

土石混合体是一种非连续、非均质的混合多相介质材料,在轴向荷载作用下,由于内部变形的不均匀性,其变形破坏受围压加载方式影响显著。考虑刚性和柔性两种围压加载方式,采用颗粒流程序(PFC2D)开展了不同含石量和块石空间分布下土石混合体的双轴试验研究,从宏细观上探究了土石混合体在不同加载方式下的变形破坏规律。数值模拟研究表明:在不同围压加载方式下,受侧向变形约束不同的影响,土石混合体在峰后表现出了不同的力学特性,且在刚性加载下,其峰值偏应力较柔性加载下的高;同时,土石混合体在不同围压加载方式下局部化剪切带的形成演化过程也是不同的,其破坏型式不仅取决于围压加载方式,同时也决于块石含量和空间分布,在刚性加载下,多表现为复杂的多叉型破坏,在柔性加载下,多表现为非对称单叉型鼓胀破坏,而且随着含石量增加,破坏型式由简单的单叉型向复杂的多叉型转变,即使在相同含石量下,块石空间分布不同,破坏型式也不一样;土石混合体在不同加载方式下表现出了不同峰后力学行为的根本原因是由于内部土石颗粒间接触力的传递演化规律的不同所致,而且其应力应变关系是内部颗粒间切向接触力的外在宏观表现。     

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。     

土石混合体物理指标及强度特性研究进展

为了将土石混合体从传统土的分类体系中分离出来和建立相应物理指标体系和强度特性研究方法,基于文献调研,通过土石强度比、土石阈值和含石量等几个关键物理特性指标的定义将土石混合体划分为一类新的岩土介质体系;然后从地质历史和地质构造等方面将土石混合体的成因划分为重力堆积型、水流堆积型、冰川堆积型、风化残积型、构造作用型、人工堆积型及混合堆积型七类;并采用文献搜集和工程调研的方法,分析了土石混合体的地质灾害及面临的工程问题;再次,总结了土石混合体强度特性的影响因素、影响规律及国内外采用的研究方法;最后,对土石混合体研究中存在的困难与挑战、未来的研究方向和新的思路进行了探讨。     

基于黏结颗粒模型某滑坡土石混合体直剪试验数值模拟

 介绍基于数字图像处理建立数值模型的基本过程,实现由现场数字照片直接生成土石混合体的颗粒流模型。以溪洛渡水电站坝址附近某滑坡土石混合体为例,基于实拍照片建立其细观数值模型,利用PFC2D程序分析碎石和土体数值模型中微观力学参数的反算问题,分别为滑坡体中的碎石和土体选定与其宏观力学特征相一致的微观力学参数,进行直剪试验的数值模拟,并与均质土体的模拟结果相比较。结果显示：利用双轴试验反算的土体微观参数运用于直剪试验获得的宏观力学参数与实际一致;一定含量的碎石使土石混合体的初始剪切刚度较均质土有所增大,达到峰值抗剪强度所需的剪切位移减少;假定土石界面的黏结强度为土体内部的1/10时,土石混合体的内摩擦角明显增大,而黏聚力则稍有减少;与均质土体直剪形成的破裂面相比,土石混合体模型中的裂隙部分集中于剪切面呈宽带状,部分存在碎石与土体分界面,基于此可定性探讨一定碎石含量的土石混合体抗剪性能优于均质土体的原因。     

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。     

基于分形理论的土石混合体强度特征研究

 从土石混合体的非线性特性出发,应用分形几何理论研究土石混合体的强度特征。通过大型三轴试验,对不同粒度分维不同围压下土石混合体的应力–应变特性、强度参数特征及峰值强度特征进行分析;并讨论强度参数、峰值应力差与粒度分维值的关系。结果表明：土石混合体的应力–应变特性相似于岩石典型应力–应变曲线;不同粒度分维的土石混合体强度包线总体呈线性性质,粒度分维值对强度影响很大,其与抗剪强度的关系近似一抛物线;对于只具一维分形的土石混合体具有最大的密实度和抗剪强度,属最优级配土石混合体,并分析产生这一现象的原因。     

采用波动方法探测土石混合体结构特性的可行性研究

 将土石混合体概化为由土体和块石随机分布构成的宏观致密和等效均匀介质,将深部爆源的爆炸效果用等效冲击载荷代替,以基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)的计算程序为平台,以模型均匀随机技术为条件,通过研究土石混合体内部结构特性对应力波传播过程的影响,建立波动响应与内部结构特性(包括含石率、块石特征尺寸和土石分布规律)之间的对应关系。研究结果表明：在一定载荷条件及材料性质下,加速度波的最大振幅和主频受含石率和块石特征尺寸的影响有着规律性的变化;均匀分布情况下,不同分布规律对于波动响应的影响很小,可以忽略;分别给出随含石率和块石特征尺寸变化的波动响应规律(最大振幅、主频)拟合曲面,且最大振幅和主频的值满足实际工程的可测性;以给定波动响应情况为例,通过已知最大振幅和主频易在拟合影响曲面上查出含石率和块石特征尺寸。从规律性、可测性和易操作性3个方面说明采用波动方法探测土石混合体结构特性的可行性。     

水下土石混合体的原位大型水平推剪试验研究

以虎跳峡龙蟠右岸地区分布的土石混合体为依托,对土石混合体在浸水条件下的力学响应进行了大型原位水平推剪试验,取得一些成果。通过现场试验,提出在采用水平推剪试验获得土石混合体的强度参数时,为了结果的可靠性计算滑面应采用平均滑面。同时,将试验区天然状态下和浸水条件下的土石混合体强度参数进行对比,得出了土石混合体的各强度参数在浸水前后的变化规律。最后,对试验区土石混合体在浸水下的强度参数提出了合理的参考值。     

基于格子Boltzmann方法的土石混合体的渗流特性研究

为了探究土石混合体的渗流特性,基于颗粒离散元法和三维离散元模型虚拟切片技术建立了土石混合体的三维随机孔隙结构模型并将其体素化,引入三维格子Boltzmann方法从孔隙尺度对其渗流开展了模拟,并据此分析了块石含量、相对密实度和块石粒径对土石混合体渗透率的影响,最后探讨了不同条件下块石含量对土石混合体渗透率存在不同影响的内在机制。研究结果表明：当相对密实度和块石粒径不变时,随块石含量增加,土石混合体的渗透率总体上是逐渐增大的,且增大的速率越来越大;相对密实度越高,土石混合体的渗透率越低;块石粒径对土石混合体的渗透率存在一定程度的影响,当块石含量小于临界值时,块石粒径越大则渗透率越小,而当块石含量高于临界值时,块石粒径越大则渗透率越大;当土石混合体中土体的密度保持不变时,其渗透率随块石含量增加先减小后增大。     

基于离散单元法的沥青混合料研究

为了研究和改善沥青混合料的路用性能,将沥青混合料看作由粗集料和沥青胶浆组成的两相复合体,采用离散单元的方法,对沥青混合料进行了研究,分析了沥青混合料在外力作用下其内部的应力变化,为沥青混合料路面设计提供指导。     

三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质

基于三维离散单元颗粒流理论,引入了在极限剪力状态下颗粒间可以发生滑动的接触本构模型,建立颗粒体试样,并赋予颗粒相应的细观结构参数进行无黏结摩擦材料的三维应力应变数值模拟。通过大量的颗粒流数值试验,从细观力学角度对砂土的工程力学特性进行了初步的模拟研究。对砂土的室内常规三轴试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下三维颗粒体试样与室内三轴的应力应变关系曲线,基本再现了试样的加载曲线。通过进一步分析颗粒细观结构参数变化对组成材料的宏观力学的影响及其剪切位移场的形成和发展规律,结果表明颗粒介质之间的摩擦系数、颗粒组成材料的孔隙率对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。研究的意义在于理想的颗粒流数值模拟试验能够突破常规的室内土工试验能力及其局限性,对于砂土的细观结构的影响研究成为可能,并且揭示了微观的一些规律,对今后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考。     

基于弹性波理论的土石混填地基压实质量评价研究

为了准确、高效地评价土石混填地基的压实质量,提出了一种基于弹性波理论的压实质量评价新方法。通过理论与试验分析,建立了土石混合料的剪切波速模型,实现了由土石混合料宏观剪切波速推定出其中石料间细粒土的压实度,并以此来表征混合料整体压实质量。通过室内大型振动压实试验,得到在不同含石量与含水率时,混合料中细粒土所能达到的最大干密度(或压实度),以此作为土石混合料表征压实度评价的参考标准。研究了土石混合料剪切波速与瑞雷面波波速的关系,使得利用现场瞬态面波测试所得到的频散曲线来反演计算剪切波速成为可能。最后通过对某机场跑道填筑工程土石混填地基压实质量的评价,验证了评价方法的可行性。     

水泥稳定碎石混合料强度发展规律研究

对不同级配、水泥剂量为2.5%~5%的水泥稳定碎石混合料进行室内强度试验,分析水泥剂量、级配及养生时间对强度的影响,得到强度发展规律,对试验数据进行回归分析,建立了抗压强度与劈裂强度两者之间的相关方程。