土石混合体细观结构及力学特性数值模拟研究

土石混合体是一种非常复杂的不连续介质。随着数字图像处理理论的飞速发展,数字图像处理技术已经成功地应用于多种学科领域。通过利用数字图像处理技术建立土石混合体细观结构“概念模型”,并对其内部块体分布的结构特征进行统计分析研究,研究结果表明土石混合体的“混乱”状态只是其外在表现,其内部块体的分布具有良好的统计自相似性特点。利用几何矢量转换技术,将二元数字图像下土石混合体的概念模型转换为有限元软件可以接受的矢量格式,从而为土石混合体细观结构数值模拟提供基础。土石混合体大尺度直接剪切试验的数值模拟结果表明,土石混合体中的块石对其内部应力场具有明显的影响,从而影响了其相应的变形破坏形式。提出了内部塑性区扩展可能存在的3种模式。     

三峡库区滑坡土石混合体与桩的接触面力学特性试验研究

 以库区典型堆积层滑坡为工程背景,开展一系列不同的含水率、含石量及剪切速率的室内大型直剪试验,探讨不同试验条件下抗滑桩与土石混合体接触面力学特性的变化特征和规律,建立抗剪强度参数与含水率、含石量之间的函数关系。试验结果表明,接触面的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角随着含水率的升高而减小,而黏聚力减小趋势在土体饱和时趋于平稳。随着含石量的增大,桩土接触面抗剪强度及内摩擦角则呈现出先减小后增大的抛物线型变化趋势,而黏聚力则逐渐减小。此外,剪切速率增大,接触面的抗剪强度参数则显著增大。研究成果可为土石混合体滑坡抗滑桩设计、接触本构和加固工程的长期稳定性分析提供重要依据。     

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。     

虎跳峡龙蟠右岸土石混合体野外试验研究

土石混合体是一种力学性质极其复杂的特殊的工程地质体，它的存在会对工程带来极大的危害。由于其物理力学性质较为复杂且试样难以采集，目前对它的研究还不够深入。为进一步研究土石混合体的变形破坏特征，对虎跳峡龙蟠右岸地区分布的土石混合体选取6个试验点分别进行了天然状态下（3个）和浸水条件下（3个）的原位大型水平推剪试验，取得一些有意义的研究成果。通过现场试验，得出了该区土石混合体在不同条件下的强度特征和应力-应变曲线，在此基础上归纳出土石混合体在天然状态下的全应力-应变曲线。同时对各试样的粒径级配关系辅以三维滑动面分析对士石混合体的变形破坏机制进行了探讨，解释这种特殊的地质体的内摩擦角偏高的内涵所在。提出在计算强度参数时应采用平均滑动面和对上石混合体的黏聚力起重要作用的关键粒径的概念。最后，对研究区分布的土石混合体的强度参数提出合理的参考值，为变形体的三维稳定分析奠定基础。     

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。     

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。     

土石混合体野外水平推剪试验研究

根据白衣庵滑坡地区的滑带附近三级阶地的上部和残坡积层的3个野外大面积水平推剪试验，得出了土石混合体的变形特点和相关的抗剪强度参数，为白衣庵滑坡的稳定性分析提供必要的依据，同时也为其他滑坡类似材料的力学性质研究提供了一个可能的途径，具有很大的参考价值。     

土石混合体的渗透特性试验研究

土石混合体的物质组成以砾石与砂土、粘土等为主,受宏观构造和微观结构复杂性的影响,其渗透性极为不均匀。采用自制大直径常水头渗透仪,针对5种不同级配的土石混合体,通过渗透试验探讨了粗粒含量、细粒含量、不均匀系数、平均粒径等对其渗透特性的影响规律,并分析了管涌破坏的影响因素。     

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。     

土石混合体实测结构模型的自动生成技术

土石混合体是一种非均质、不连续体，本文在土石混合体实测剖面的基础上，利用图像处理技术和有限差分网格的自动生成技术建立了土石混合体的实测结构模型，并给出了相应的例子。     

露天坑回填土石混合体的渗流特性及颗粒元数值分析

 针对土石混合体的渗透性,结合唐钢司家营铁矿III采场露天转井下的回填土石混合体工程,采用室内试验、现场试验和数值模拟的方法对其进行系统地研究,得出土石混合体的渗透系数与其非均匀度近似存在线性关系,渗透系数与混合土的孔隙比成正比;合理控制回填废石的粒径级配,降低平均粒径与非均匀度,可有效降低回填土石混合体的渗透性。通过颗粒元数值正交试验确定对土石混合体的渗流量影响顺序,并二次逐步回归出回填层厚度,水头压力,孔隙率,平均粒径对渗流量的关系式,为土石混合体防渗抗渗提供计算工具。     

土石混合体直剪试验的破坏特征及抗剪强度取值方法研究

在土石混合体直剪试验中,抗剪强度值的确定往往采用经验方法,较少考虑试验过程中剪应力-剪切位移关系曲线变化特征和剪切面破坏特征。基于此,特选取三峡库区典型土石混合体库岸边坡,现场采集试样,进行不同含水率的土石混合体大试样室内直剪试验,重点对剪应力-剪切位移关系曲线变化特征、剪切面破坏特征以及直剪试验中的剪切“跳跃”进行详细分析,并提出用临塑抗剪强度和极限抗剪强度来分析土石混合体的抗剪强度的方法。该方法具有较好的物理意义,比常规的取值方法更能反映土石混合体特殊的结构特征,值得工程设计计算参考借鉴。     

基于数码图像土石混合体结构建模及其力学结构效应的数值分析

 基于数码成像原理分析,利用土石混合体中块石与土体颜色属性的巨大差异,提出基于数码图像的土石混合体结构模型自动生成方法,并开发相应程序,以最直接、快捷、准确地反映土石混合体的空间结构。在此基础上,利用有限元数值模拟技术分析土石混合体的力学结构效应,也即在单轴压缩条件下土石混合体的高非均匀与非均质引起其应力场的结构效应非常显著,试样内应力的分布基本受块石的分布与形状控制。研究结果可为工程提供一定的参考。     

基于直剪试验的金坛盐岩力学特性研究

 采用RMT–150C试验机对江苏金坛拟建储气库埋深段盐岩试样进行一系列直剪试验研究。将盐岩作为多晶聚合体考虑,深入分析试验过程中的剪切应力、剪切变形、剪胀以及破坏特性。试验结果表明：盐岩剪切破坏是一种延性破坏,盐岩剪切峰值对应的剪切位移一般为4～6 mm,个别试样可达7～8 mm,且整个剪切应力–剪切位移曲线都较平缓,剪切峰值不明显,这主要是由于局部位错交替导致的;得到盐岩抗剪强度参数c,? 值分别为3.16 MPa,44.7°;发现残余强度基本上与法向应力呈正比例关系,且残余应力较大,约为峰值应力的50%～80%,表明盐岩摩擦承载能力较强;盐岩剪胀终止发生在峰值应力之后、残余应力之前,且在较大法向应力作用下剪胀起始应力与剪胀终止应力接近;盐岩的剪切破坏位置不是一个面,而是一个破碎带,破碎带上下一定范围内有不同程度损伤;表面局部有明显擦痕,类似于摩擦学的“犁沟效应”,有利于提高其抗剪能力。试验研究成果对深入理解金坛盐岩破坏机制及地下盐岩储气库稳定性研究具有一定的参考价值。     

土石混合体变形破坏结构效应的CT试验研究

利用计算机X射线断层扫描技术,实时监测单轴加载作用下土石混合体试样内部结构的变化规律,分析土石混合体变形破坏的结构效应。基于 CT 的定位扫描原理,研究试样内部块石的运移规律,并建立内部结构变形与宏观变形的联系。研究结果表明：土石混合体宏观变形破坏主要受控于其内部块石位置的不断调整;等效结构变形量能很好地表征土石混合体的结构性变形。采用阈值分割处理方法分析 CT 图像,获得加载过程中试样的内部剖面图,并对试样变形破坏的结构效应进行分析。结果表明：试样内部损伤和裂纹扩展起始于块石周边应力集中区,沿块石与土的接触面扩展,直至形成贯通破裂面。通过采用 CT 技术对土石混合体变形破坏过程进行分级加载实时扫描的研究,为此类介质边坡工程的监测预警提供理论基础。     

大型堆积体岩土力学特性研究

堆积体是一种非均质的岩土材料,与岩(土)体相比,构成堆积体的物质成分变异性很大,且空间结构较为复杂,目前对其力学参数试验研究尚缺乏成熟的理论与技术。以梨园水电站工程区大型堆积体为例,在现场大型试验的基础上,对该堆积体的强度特征及岩土力学特性进行研究和探讨,并经工程地质分析确定堆积体岩土物理力学参数。研究表明,堆积体在天然状态下表现出完整的剪应力-剪切位移曲线,具有较高的抗剪强度。研究成果为堆积体稳定分析打下基础,也为类似工程建设提供相关经验。     

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。