土石混合体—基岩界面剪切力学特性试验研究

填方体–下伏基岩接触面间的剪切强度是控制高填方体或堆积体边坡稳定性的重要因素,界面强度参数取值是高填方工程设计的重要参数之一。通过较系统地室内大型直剪试验探讨了接触面粗糙度对土石混合料–基岩接触面剪切力学特性的影响。结果表明:在低法向应力作用下,剪应力–剪切位移曲线前期呈现出应变硬化现象,后期呈现出塑性应变现象,且接触面粗糙度越大接触面发生剪切破坏时变形越小;在高法向应力作用下,曲线呈现出应变硬化现象,无明显峰值;相同法向应力水平作用下,接触面粗糙度越大,土石混合体–基岩接触面剪切刚度越大。剪切界面上块石的破碎形态可分为完全破碎、部分破碎和表面磨损3种,随着接触面粗糙度的增加,剪切界面上块石的破碎总数也增加。接触面的抗剪强度、内摩擦角和表观黏聚力随着接触面粗糙度的增加而增大,相比于内摩擦角,接触面的表观黏聚力增大较为明显。接触面粗糙度对剪切带宽度有影响作用,表现为接触面粗糙度越大,剪切带越宽。     

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。     

基于大型直剪试验的土石混合体剪切带变形特征试验研究

土石混合体介质具有高度非均质性、显著的结构效应与尺寸效应等特点,这使其物理力学特性及其复杂。本文针对土石混合体在剪切过程中剪切带的变形性状与影响因素,采用自主研发的RSM–1000型电机伺服控制大型土工抗剪强度试验系统,考虑不同含石量(0,30%,50%,70%)、上覆压力(50,200,300,400 k Pa)、块石尺寸(L1,L2,L3)3个主要结构控制因素,进行土石混合体剪切变形试验,通过在试样内部钻孔设置铝丝与干灰的方法,监测剪切带特征变化规律。研究结果表明:当含石量小于30%时,块石对试样的变形影响较小,强度主要依赖于砂土强度;当含石量达到50%时,试样内已形成骨架结构,变形受块石的影响突显,强度由块石和砂土共同作用;当含石量达到70%时,试样内已形成块石架空结构。在高含石量与大粒径块石条件下,含贯穿剪切面的块石试样随剪切变形发展,块石发生挤压、翻转现象;剪切面附近分布块石的试样,随剪切变形发展,块石以剪胀作用为主,块石发生挤压、棱角剪断与错动重分布。试样的剪切变形现象可类比由后向前变形的推移式滑坡或由前后向中间变形的复合式滑坡的破坏特征,即后缘坡顶在主动土压力作用下产生裂隙,随之下沉挤密、失稳起滑;前缘坡脚蠕滑变形推移;坡中岩土体发生剪切错动至滑动面渐进扩展破坏,最终剪切面贯通,形成整体破坏。该研究成果对揭示土石混合体滑坡剪切带形成演化规律、破坏模式及土石混合体滑坡的防灾减灾具有重要意义。     

基于大型直剪试验的土石混合体颗粒破碎特征研究

土石混合体剪切时存在细观上的颗粒破碎现象,并对其宏观力学性质产生影响。基于此,以4种含水率的土石混合体为研究对象,通过室内大型直剪试验和筛分试验,分析土石混合体剪切后的颗粒破碎特征,并建立细观颗粒破碎与宏观力学性质的联系,从而加深对宏观力学性质的认识。研究结果表明:土石混合体剪切后的颗粒破碎较明显,可分为完全剪断型、表面破裂型和表面研磨型3类;颗粒破碎细观上表现为粗粒组含量降低、细粒组含量增加、中等粒组含量波动变化,统计上表现为级配曲线上移,宏观上表现为低含水率出现应变软化破坏、高含水率出现应变硬化破坏、中等含水率出现塑性应变破坏、剪应力–剪切位移曲线"跳跃"和强度非线性特征,本质上是颗粒间接触力作用产生应力集中的结果;颗粒相对破碎率随着含水率的降低或法向压力的增大而增大;黏聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而呈幂函数规律降低。     

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。     

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。     

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。     

基于数字图像分析及大型直剪试验的土石混合体块石含量与抗剪强度关系研究

随着现代岩土力学的发展及各类大规模工程建设的需要,土石混合体已经逐渐被作为一种有别于常规的土体及岩石的特殊岩土材料受到国内外研究者的高度关注.土石混合体内部的块石含量及粒度组成很大程度上控制了其相应的物理力学性质.基于现代数字图像处理技术,通过对土石混合体内部块石的形态分析,获取其相应的粒度组成及块石含量,并将其作为土石混合体大尺度直剪试验的制备试样的基础,为这类岩土体的试验研究开辟了新的思路.通过大尺度直剪试验的研究结果表明,土石混合体的内部块石含量特征在很大程度上控制了其变形破坏机制,其剪应力-水平位移曲线及垂直位移-水平位移曲线均较常规的土体及岩石有很大的差别.土石混合体的剪切带将随着块石含量的增加而变宽,其内摩擦角增量与块石含量(25%～70%)近似成线性增长的关系,黏聚力较相应土体有很大程度的降低,但当块石含量大于30%时,其黏聚力随着块石含量的增加而缓慢降低.     

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。     

土石混合体的剪切面分形特征及强度产生机制

 基于考虑含石量、含水率、块石岩性、初始孔隙比、法向压力5个影响因素的土石混合体室内大型直剪试验,利用剪切面在分形几何学上的统计规律和颗粒流数值模拟方法得到的直剪试验中颗粒的相互作用规律,对土石混合体的抗剪强度产生机制进行研究。结果表明：(1) 土石混合体的剪切面呈不规则的起伏形态与块石的存在关系密切,且具有较好的分形特征,分形维数随着含石量和块石强度的增大、含水率和法向压力的减小均呈增大趋势;(2) 含石量高于40%时,黏聚力小于30 kPa;(3) 内摩擦角随着含石量的增大、块石强度的增大、含水率的降低、初始孔隙比的降低、法向压力的降低均呈增大规律,且与分形维数满足正相关函数关系;(4) 块石附近应力集中较明显,剪切过程中,颗粒间的接触力主要通过迎着剪切方向的接触面传递,而背着剪切方向的颗粒接触面基本不传递力;(5) 内摩擦角 等于剪切面上与颗粒本身接触性质有关的接触面内摩擦角 和与剪切面分形维数有关的接触面倾角 之和,利用此机制可解释直剪试验中强度参数的变化规律。     

循环剪切作用下砾石–格栅界面颗粒破碎特性研究

为了研究循环剪切条件下砾石–格栅界面剪切破碎特性,分别在不同循环剪切位移幅值、竖向应力、剪切频率和循环次数等条件下进行筋土界面循环直剪试验。通过分析循环剪切前后颗粒级配变化,并采用相对破碎率量化颗粒破碎程度。试验结果表明:各剪切位移幅值下滞回圈峰值剪切应力随着循环次数增加逐渐增大,剪应力会受到颗粒破碎影响产生波动;颗粒破碎主要是由于循环剪切作用,剪切位移幅值的增大促进颗粒相对破碎率的增加,并且两者符合双曲线函数关系;竖向应力、剪切频率与相对破碎率之间的关系均可用对数函数描述,最大相对破碎率分别为13.54%和11.22%;循环次数对颗粒相对破碎率影响较大,循环次数越多,颗粒破碎率越大;在不同试验条件下,通过双曲线函数拟合颗粒相对破碎率与输入塑性功之间相互关系效果良好,两者呈非线性正相关关系。     

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。     

土石混合料–基岩接触面剪切力学特性及剪切带变形特征研究

土石混合料–基岩接触面剪切力学特性因受多种因素影响而极其复杂，其中，界面细观形态是影响剪切力学特性及剪切带变形特征的重要因素之一。基于大型叠环单剪试验以及PFC^2D数值模拟，揭示基岩界面细观形态对土石混合料–基岩界面剪切力学特性和剪切带特征以及演化规律的影响。结果表明：接触面抗剪强度随粗糙度增大而增大；粗糙度为表观黏聚力主要控制因素，当粗糙度由8.9增至11.5时，表观黏聚力提高95.3%；粗糙度对界面摩擦角的影响作用较小，界面摩擦角在27°上下波动。界面细观形态凹槽结构在一定倾斜角度内可发生“自锁”效应，凹槽内土石形成锁固体，锁固体可增大接触面抗剪强度，控制剪切带沿其外轮廓发展，出现“绕石”现象。平缓界面处块石具有“滞后效应”，易与周边土石形成强度远小于锁固体的“类锁固体”，控制剪切带绕其外轮廓与基岩界面分岔发展，使剪切带出现“包石”现象。基于能量变化，将剪切过程分为3个阶段：剪密阶段：应变能与摩擦能快速增长；线性增加阶段：应变能与摩擦能增长速率比例近似保持9∶1；应变硬化阶段：应变能占比持续下降，但仍占据主导地位。     

含石量和压实度对格栅-土石混合体界面剪切特性的影响

为了探究含石量和压实度对格栅-土石混合体界面抗剪特性的影响，采用大型直剪仪对不同含石量的格栅-土石混合体界面进行了单调剪切试验。试验研究了5种含石量（0%,25%,50%,75%,100%）和3种压实度（88%,92%,96%）对格栅-土石混合体界面的抗剪强度和体变特性的影响，并基于室内直剪试验建立了离散元分析模型，对界面的作用机理进行了分析。结果表明，含石量由0%增加至100%，筋土界面的抗剪强度、内摩擦角及似黏聚力均表现出先增大后减小的趋势，含石量为75%时达到最高；试样在高含石量下表现为较明显的应变软化和剪胀现象。此外，试样的压实度越高，筋土界面的剪切应力在前期增长越快，抗剪强度也越高。数值研究结果表明，低含石量模型的力链细而密，高含石量试样的力链较粗，分布较稀疏，且两组模型在剪切破坏后均形成贯通的强力链；高含石量试样在剪切过程中会形成一个孔隙率较大的带状区域，剪切面上的孔隙自两端向中间发展直至贯通。     

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。     

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。     

粗糙度对接触面处土石混合体剪切特性的影响

对于土与结构接触面相互作用的研究基本上是对于一般粘土或者砂土,而对于土石混合体结构接触面的相互作用研究较少。利用德国研制的ADS-500/HL-200大型直剪试验仪探究接触面粗糙度对土石混合体与结构接触面力学特性的影响以及在特定粗糙度下,通过下移结构面法探究剪切带的特性。试验结果表明:随着接触面粗糙度的增大,接触面的内摩擦角略有增大,粘聚力不断增大;在不同的粗糙度下,法向压力从200 kPa增加到600 kPa,剪切过程中的竖向位移逐渐减小,但当法向压力从600 kPa增大到800 kPa时,土石混合体在剪切过程中的竖向位移增大;在法向压力为200 kPa、400 kPa、600 kPa时,土石混合体的剪切带厚度为L₁cm(6 cm≤L₁≤8 cm),在法向压力为800 kPa下,土石混合体的剪切带厚度为L₂ cm(4 cm≤L₂≤6 cm)。     

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。     

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。