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。     

含超径颗粒土石混合体的大型三轴剪切试验研究

 为研究土石混合体在含超径颗粒情况下的力学响应,利用大型三轴剪切试验仪,分别对体积含石量为25%,35%的非常规土石混合体试样在3种不同围压条件下进行固结不排水剪切试验。试验结果显示：含超径颗粒土石混合体在不排水剪切条件下仍然存在体积变化;含石量35%的土石混合体在围压较高情况下,体应变表现为加载初期剪缩,随后剪胀,二次剪缩,再次剪胀的特征;含石量25%的土石混合体的应力–应变曲线较为平滑,但含石量在35%的情况下,应力–应变曲线则呈现锯齿状特征,且伴随着间接性的应力跳跃现象,相应的体应变、孔隙水压力也出现跳跃现象,且与试样的应力变化具有很好的对应关系。     

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。     

土石混合体力学特性的原位试验研究

土石混合体是由土体与不规则岩块混合形成的一种特殊地质介质,在我国山区广泛分布,但人们对其力学特性了解甚少。野外大尺度原位试验是揭示这类高度非均质和非均匀性复杂地质介质力学特性的一种有效办法。参照土体与岩体现场原位试验方法,首先提出并规范针对土石混合体的原位推剪与压剪试验仪器、方法、步骤及其关键问题等。结合三峡库区白衣庵滑坡典型的土石混合体,共进行23个大尺度的土石混合体原位推剪和压剪试验,获得不同含石量、不同尺寸大小和不同应力状态下土石混合体的剪应力与剪切位移曲线、剪切强度曲线、破坏模式以及相应的抗剪强度参数。试验结果表明,土石混合体具有典型的全应力–应变曲线、应变软化、高内摩擦角等特有特征,这也是其特殊的物质组成结构特征的体现。试验结果还表明,含石量是影响土石混合体强度与破坏形式的重要因素;而尺寸效应也是土石混合体的一个重要力学特性。该研究从试验方法与科学数据积累等角度为进一步研究这种非岩非土复杂介质的力学特性奠定了基础。     

基于三维柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试验颗粒离散元模拟

为了有效模拟土石混合体室内大型三轴试验侧向柔性乳胶膜的力学行为,提出了一种可行的三轴试验侧向柔性薄膜边界的三维离散元模拟方法,即三维组合墙法。结合已开发的不规则块石及土石混合体三维离散元建模方法,建立了可考虑柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试样三维离散元模型。引入平行黏结模型以更好地模拟胶结土石混合体中颗粒间的胶结作用,通过开展大型三轴数值试验逐一全面地标定了无胶结土石混合体和胶结土石混合体数值模型的细观力学参数。分析了无胶结土石混合体和胶结土石混合体数值试样的变形破坏过程及特征,并与室内试验结果进行了对比。结果表明:所提出的三维柔性薄膜边界建模方法原理简单,参数较少,易于实现,且能节省计算资源;基于三维柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试验颗粒离散元模拟能较好地再现土石混合体的应力–应变特征、无胶结土石混合体的鼓肚变形破坏特征、胶结土石混合体变形局部化的过程及其剪切带的细观结构特征。     

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。     

土石混合体细观结构渗流数值试验研究

由于构成土石混合体的"土体"及"块石"在物理力学性质上具有极端的差异性,其物理力学性质要较一般的土体或岩体更为复杂。在实际工程中常常因对土石混合体物理力学性质的认识不足,而给工程建设带来不同程度的问题。尤其是在我国西南地区大型水电工程建设中,土石混合体通常是构成库区边坡、滑坡及坝基的主要岩土体。渗透性特征是岩土体物理性质研究的一个重要内容,然而土石混合体的渗透性特征与其内部细观结构具有密切的联系,如果能建立这两者之间的关系将对于土石混合体的研究具有重要的价值。综合运用统计学、几何学、随机模拟技术等多学科交叉,开发了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系统,分别从土石混合体的含石量、空间分布、粒度组成等细观结构特征出发,运用数值试验的方法研究了土石混合体的细观渗流场特征、渗透破坏机理及宏观渗透系数与细观结构的定量关系,从理论上取得了一些有意义的成果。     

单轴压缩条件下土石混合体开裂特征研究

土石混合体作为一种物质成分和内部结构特征极为复杂的多相多组分散粒材料,其破坏是一个复杂的结构变化过程。应用CT试验和数值模拟方法研究土石混合体的变形破坏特征,指出开裂是土石混合体区别于其他地质体变形破坏的一个显著特征。土石混合体破坏的根本原因是块石与土体的弹性不匹配和土–石界面的差异滑动,破坏的实质是内部裂纹产生、扩展、互锁和贯通的过程。通过对土石混合体开裂机制的研究得出以下结论:(1)基于CT试验的变形特征分析表明试样、块石包裹体及其邻近土体三个感兴趣区域的CT数随应力水平的增加而不断减小,且块石包裹体的CT数变化较土体更为敏感。(2)数值模拟结果表明试样破坏过程经历了土石结合裂纹的萌生、慢裂、快裂致贯通破坏的过程。土石接触面是最薄弱的部位,荷载作用下界面差异滑动引起裂纹的产生,随后裂纹沿块石边界缓慢扩展直至扩展到土体中,受块石形状及分布的影响,裂纹会出现局部化发展和互锁现象。大量裂纹在土体中快速扩展聚集引起试样的破坏。(3)土石混合体的破坏具有渐进性的过程,破坏可分为三级:一是土–石界面的开裂,二是土体中裂纹的扩展、聚集和贯通并且最终导致试样的破坏,三是针对软弱的片岩块石的穿石破坏。     

冻土石混合体、冰石混合物和冻土在压、拉作用下的破坏特征对比

在寒区工程建设中了解冻混杂岩土材料,如冻土石混合体的力学性质是保证工程建设安全的前提条件。采用单轴压缩和巴西劈裂试验探讨纯冰、冰石混合物、冻土和冻土石混合体在不同冻结温度(-10℃,-20℃,-30℃)下的变形以及强度性质,同时借助显微成像技术观察试样内部的冰石、土石、冰土界面形态和受力开裂特征。试验得到以下结论:(1)在单轴压应力或劈裂拉应力作用下纯冰和冻土的破裂面相对平直;而冰石混合物和冻土石混合体的破裂面相对弯曲。(2)受块石形状的影响(外凸和内凹、锯齿边界),冰石混合物中可见对应的沿准确的冰石界面开裂和在界面附近冰体一侧开裂的2种裂缝类型;冻土石混合体中裂缝主要在冻土中和土石界面间发育。(3)试样的抗压和抗拉强度随冻结温度的降低呈现线性增加的趋势。随温度的降低冻土和冻土石混合体的压、拉强度增长速率要大于纯冰和冰石混合物的强度增长速率;各试样的压、拉强度比约为5。(4)在冻结温度为-10℃时,各试样的抗压、抗拉强度大小依次为冰石混合物冻土石混合体冻土纯冰;然而在冻结温度为-30℃时,抗压强度大小依次为冻土冻土石混合体冰石混合物纯冰,抗拉强度大小依次为:冻土石混合体冻土冰石混合物纯冰。(5)冻土石混合体内部土石界面间除胶结冰的冻黏作用之外,还存在胶结冰的嵌入和互锁强化作用。在高含水量的冻土内部,土颗粒易溶于水中,在冰土界面土层一侧形成冰土混合交融层,该层强度大于纯冰强度,有效提高了冻土的强度。     

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。     

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。     

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。     

基于数字图像处理的土石体粗料分形特性研究

考虑到土石混合体各要素之间的作用与重要性,选取粒度分维、粗料颗粒分布分维、粗料轮廓分维以及孔隙分布分维作为土石混合体分形特性研究结构参数指标,作为土石混合体结构定量化研究的依据。基于数字图像处理技术,分别对25%、30%、35%、50%及70%五组不同含石量的土石混合体试样进行了拍照、数字图形处理及分析计算,研究了土石混合体粗料分布分维及粗料轮廓分形特性以及粗料分布分维与含石量的关系。结果表明:土石混合体的粗料分布具有很好的分形特性,其分维值在1.0～2.0之间;粗料分布分维值与图像大小和图像划分的等分数有关,图形的处理效果受光线、拍照距离、灰度值的影响;对于级配良好的土石混合体,粗料的分布分维与含石量呈抛物线关系,含石量越大,粗料分布值越接近2.0;土石混合体粗料轮廓线具有分形特性,定量反应了粗料颗粒形状和起伏程度,其物理意义与通常所说的圆形度相对应。     

基于理想二维模型的土石混合体强度特性研究

本文以陕南某边坡的土石混合体为研究对象,在调查现场的基础上,得到土石混合体的空间分布特征,运用PLAXIS 2D软件建立相应的二维有限元数值模型,通过赋予石块和土体不同物理力学性质指标参数,深入研究土颗粒以及石块的物理力学特性,以及石块大小以及分布等对土石混合体强度的影响规律。通过分析得到,石块呈井字形排列时有效减小水平位移。在石块面积相同、排列方式相同的情况下,正方形石块、椭圆形石块能更好的发挥材料的强度与刚度。提高含石量可以有效地减小位移,尤其是对垂直位移影响较大。本文的研究成果有望加强对土石混合体物理力学性质的认识以及对土石混合体的防灾减灾工作起到一定的理论指导和技术支撑。     

基于分形理论的北京地区砂砾石地层细观建模

 土石混合体材料及相应地层中地下结构的力学行为及变形规律受到颗粒粒度组成与分布规律的影响。采用分形几何学对土石混合体的粒度分布进行描述,进一步明确了质量–粒径级配曲线与粒度分形维数之间的关系。在双对数坐标系 下对34组砂砾石土进行粒度分形,结果表明：北京地区砂砾石土粒度分布满足分形结构,其粒度分维区间值为2.4～2.6。根据统计的粒度分维区间,分析了颗粒级配随分形维数及最大粒径的变化规律,对土石混合体的力学性质及稳定性给出了新的认识。并将分形理论与室内试验颗粒级配分布结合,反演出土石混合体完整的颗粒级配分布。基于Monte-Carlo原理,结合分形理论,采用圆形或球体表征块石的形状,编写砂砾石地层模型生成程序,建立砂砾石地层模型,并针对隧道的开挖问题展开了数值分析。     

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.