土石混合体直剪离散元数值试验研究

工程中普遍存在的土石混合体以其复杂的工程地质力学性质越来越受研究者的关注。由于"块石"的存在使得土石混合体在细观层次上呈现明显的结构性特征,这种结构性将影响甚至控制着其变形破坏机制及宏观力学特征。本文借助三维颗粒离散元分析软件YADE分别从含石量、试样尺寸、强度特性等角度对土石混合体的力学性质开展了一系列的数值直剪试验研究工作,并取得了一些有意义的研究成果:在含石量及粒度组成相同的情况下土石混合体的宏观抗剪强度及剪胀性随着试样尺寸的增加而呈现降低趋势,而在相同试样尺寸下将随着含石量的增加而增加;内部块石的存在影响着其细观应力状态,从而影响其宏观力学特性。     

基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析

土石混合体是由高强度块石和低强度土体组成的一类特殊工程地质材料,其力学性质可通过直剪试验进行确定。本文针对土石混合体的细观材料特性,分别采用球形颗粒单元和非规则组合颗粒单元模拟土体和块石材料,对其在不同含石量和颗粒粘结强度下的直剪试验过程进行离散元分析。计算结果表明,土石混合体的抗剪强度随着含石量和粘结强度的增加而增加;通过不同法向应力下直剪试验的离散元分析,确定了不同含石量下土石混合体材料的内摩擦角和粘聚力。本文研究结果有助于进一步揭示土石混合体的抗剪强度特性。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大,研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析,阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术,可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法CDEM（Continuum Discontinuum Element Method）,探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律,并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明,随着含石量的增加,脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小,含石量超过15%之后,单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下,随着交界面比强度的增大,宏观单轴抗压强度逐渐增大;当交界面比强度大于20时,单轴抗压强度基本不变;当交界面比强度小于1时,主要出现贯穿整个试样的裂缝;当交界面比强度大于1时,主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大,研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析,阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术,可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法 CDEM(Continuum Discontinuum Element Method),探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律,并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明,随着含石量的增加,脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小,含石量超过15%之后,单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下,随着交界面比强度的增大,宏观单轴抗压强度逐渐增大;当交界面比强度大于20时,单轴抗压强度基本不变;当交界面比强度小于1时,主要出现贯穿整个试样的裂缝;当交界面比强度大于1时,主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

块石形状对土石混合体力学行为影响的颗粒流模拟

考虑块石形状为球体、正方体和长方体三种情况,通过正方体与球体相比较来探究块石棱角度不同对土石混合体力学特性的影响,通过长方体与正方体相比较来探究块石球度不同对土石混合体力学特性的影响。首先,提出特定形状块石三维离散元精细建模的方法;接着建立含石量为30%和80%的块石形状分别为球体、正方体和长方体的土石混合体三维颗粒流数值模型;然后,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流模拟,获得了不同含石量及不同块石形状的土石混合体试样的宏观力学特征;最后,详细分析了块石形状对土石混合体力学行为影响的细观机理。结果表明,块石形状会影响土石混合体的力学行为,其影响的程度与含石量密切相关;配位数、块石颗粒平均旋转量和摩擦功的演化规律能够很好地从细观水平上反映块石形状的作用机理。     

胶结土石混合体力学特性的块石形状效应细观机理分析

考虑块石形状为球体、正方体和长方体三种情况,通过正方体与球体相比较来探究块石不同棱角度对胶结土石混合体力学特性的影响,通过长方体与正方体相比较来探究块石不同球度对胶结土石混合体力学特性的影响。首先,基于不规则颗粒三维离散元精细模拟技术实现了正方体和长方体块石数值模型的建立;然后建立含石量为30%和80%的块石形状分别为球体、正方体和长方体的胶结土石混合体三维离散元随机结构模型;最后,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流数值模拟,获得了不同含石量、不同块石形状下胶结土石混合体的强度特征和变形特征,并分别就低、高两种含石量下块石形状对土石混合体力学特性影响的细观机理进行了深入地分析。结果表明：块石含量和形状均会显著影响胶结土石混合体的力学特性,并且两者间具有复杂的交互作用;微裂纹、块石颗粒平均旋转量、应变能和摩擦功等的演化规律能够很好地从细观水平上反映块石形状影响的作用机理。     

含石量对土石混合体压桩承载力影响的离散元分析

土石混合体是介于土体和岩体之间的一种非均质、非连续和非线性的特殊工程地质材料,其在压桩贯入过程中的承载力受含石量的影响非常显著。本文分别采用球形颗粒和非规则镶嵌组合颗粒模拟土体颗粒和块石,对不同含石量下压桩贯入过程进行离散元数值分析。计算结果表明,桩柱阻力及其波动规律在不同含石量下有很大的差别。高含石量下的阻力要明显大于低含石量下的阻力,且其波动性也更加明显。通过对土石混合体内部力链结构的细观分析,揭示了压桩贯入过程中承载力随含石量变化的内在机理。以上研究有助于分析土石混合体材料的宏观力学行为,深入研究其在复杂工程条件下的力学特性。     

土石混合体重塑样制备及其压密特征与力学特性分析

基于土力学与岩石力学的实验室力学试验原理与方法,本文首先探索了土石混合体重塑样的制备、压密特性等问题,初步给出土石混合体重塑样制备的一个标准流程,并揭示了土石混合体的压密特性与机制,即土石混合体压密主要是土体的压密,但块石直接影响其压密效果,并指出本次试验土石混合体50锤次可达到的最佳压密效果,而压密机制随含石量增加而有所变化。运用高精度岩石试验机,首次进行了土石混合体的单轴压缩试验。试验表明,在无侧限条件下块石与土体无胶结,导致了试样实际承载面积减小,使其抗压强度与弹模反而低于土体; 而土石混合体中块石形成骨架结构的力学响应是土石混合体的一个重要的力学特性。     

循环荷载下土石混合体力学特性野外试验研究

土石混合体是一种物理、力学性质非常复杂的不连续介质。以云南某高速公路土石混合体边坡为例,分别对选取的3个试验点进行了单调加载、循环加载一次及多次循环加载试验,获取了其相应的剪切位移-剪切应力关系曲线,并对其曲线特征进行分析研究。通过对试样三维滑动面的形态分析,指出由于土石混合体三维滑动面的不规则性,利用传统的二维计算方法难以得到较为准确的强度参数。基于三维极限平衡理论,提出了土石混合体水平推剪试样强度参数的三维数据计算方法。并利用该方法得到了研究区土石混合体的相应的强度参数及残余强度参数。     

浅表风化混杂土石体特定比对物的力学特性试验研究

在土石混合体力学特性研究中,试验样本通常取自实际工程,所含物质成分复杂多样,使得试验结果离散程度较高、可验证性较差,所得结论尤其是其结构性与宏观力学行为间的关联对工程实际的指导意义体现不足。为此,从物质组成的角度设计一种特定土石混合体材料:块石均为未风化的同种岩石,基质土为矿物组成相同的同种土。该材料物质成分均一、稳定,具有可验证性。本文以此为比对物试样,基于室内大型三轴试验,在验证试验结果可重现性的基础上,重点分析块石级配、制样干密度、块石分布三种宏观尺度结构性指标对特定土石混合体应力-应变特性、强度特征参数、初始弹性模量的影响规律;将试验结论与已有研究成果进行了比对;对昭山残坡积堆积体力学特性进行了推定与验证。结果表明:特定土石混合体在同一工况下的试验具有较好的可重现性;粗粒含量较高时,应力-应变曲线存在锯齿状波动,并呈现"台阶状"走势;试验得出两类典型应力-应变曲线;不同块石空间分布下试样出现不同的变形破坏特征;细粒含量与10～40mm粗粒粒组含量对强度指标影响较大;试验得出已有研究共性成果之外的结论,有利于区分试验结果中的现象与规律,能够为类似工程实践提供更可靠的理论指导。     

不排水条件下土石混合料双轴压缩离散元模拟

基于离散单元法构建了考虑碎石形状的柔性边界不排水双轴压缩模型,研究了11组不同含石量土石混合料在不排水条件下的宏细观力学特性。研究发现,(1)土石混合料强度随含石量增加先增后减,含石量超过约60%时形成碎石骨架,强度快速增长;含石量约80%时强度和内摩擦角最大;含石量增加,混合料黏聚力逐渐减小。(2)不排水受载下,土石混合料孔隙水压力先正后负、先增后减。含石量较小时,含石量增加,混合料孔隙水压力变化较小,混合料在碎石骨架形成初期孔隙水压力增加;碎石骨架完全形成后最大孔隙水压力减小。(3)含石量小于约30%时,混合料应变局部化呈规则剪切带,随后含石量增加破坏规则剪切带,当含石量约为80%时,混合料再次形成规则剪切带。含石量增加,配位数逐渐减小,颗粒间接触力在含石量小于60%时随含石量增加缓慢增长,超过70%时则快速增长。     

不同细料含量土石混合料塑性行为离散元模拟

土石混合料是指由大粒径的块石和作为填充成分的细粒土组成的二元混合料, 其塑性行为与细料含量密切相关. 目前对细粒含量如何影响土石混合料塑性行为及其细观机制的研究尚不充分, 为此本文开展了不同细料含量土石混合料的二维离散元数值模拟, 基于二阶功失稳准则与细观力学理论, 探究了细料含量对石料骨架土石混合料失稳特性与非关联流动特性的影响, 并揭示了细料含量影响土石混合料塑性力学行为的细观机制. 研究结果表明, 细颗粒可通过限制集合体塑性变形从而起到促进集合体整体稳定的作用; 细颗粒控制颗粒集合体塑性变形的方向(即塑性势面法方向), 随着细料含量增大, 土石混合料的塑性势面法方向和屈服面法方向之间的夹角减小, 非关联流动性减弱, 材料分岔失稳区域变窄; 尽管加入到石颗粒中的部分细颗粒与石颗粒共同承担骨架作用, 但是细颗粒的加入不影响颗粒集合体的力学状态, 不改变材料屈服面法方向. 相关研究结果可为建立考虑细料含量的土石混合料弹塑性本构模型提供理论依据.      

近源堆沉积土石体细观结构与抗剪强度指标关联分析

细观结构是认知土石体力学行为本质的关键科学问题。本文通过引入物理学和数学等方法，借助颗粒物质力学理论，从几何排列与接触力的空间分布来定量刻画水平固结与山前坡地堆积两种典型环境下土石体的细观结构特征，并建立其与抗剪强度指标的关联。研究表明，（1）两种环境的土石体在细观结构上存在较大差异。在几何排列上，水平固结环境下的土石体具有长程无序和短程有序的特点，坡地堆沉积环境下的土石体表现出了无序的无定形结构；在接触力与单位接触向量的空间分布上，两者较为相似，绝大多数接触力以小于均值接触力的形式存在，其概率密度曲线P（f）呈幂函数衰减；90%以上接触方位角集中在40°~160°和220°~340°范围内。（2）基于径向分布函数、接触力概率密度和单位接触向量分别定义细观结构的特征量K_a，K_s和K_o，发现三个特征量的增大对内摩擦角呈线性促进作用，对黏聚力呈非线性削弱作用。     

甘肃北山地质处置库围岩节理抗剪强度经验估算

节理抗剪强度参数是地质处置库预选地段工程地质对比和围岩稳定性分析的重要指标。本文在旧井地段英云闪长岩节理分组的基础上,运用定向统计测量方法估测节理粗糙度系数,通过评价节理粗糙度系数的尺寸效应,确定节理抗剪强度经验估算有效长度,由JRC-JCS模型求得各组节理4个方向的抗剪强度参数,并评价了地质处置库围岩节理抗剪强度的各向异性特征。     

坝前淤泥土与新填坝体接触面抗剪强度试验研究及工程应用

坝前淤泥面与新填筑坝体接触面是"坝前淤泥面加坝"技术的薄弱环节。为了探究不同工况下淤泥坝基、新填筑坝体,以及淤泥土-新填土接触面的剪切强度特性,以宁夏南部山区西吉县南川水库坝前淤泥面加坝工程为研究对象,通过常规应变式直剪仪、改进常规应变式直剪仪分别进行剪切试验,分析了淤泥土含水率和压实度变化时,淤泥土、新填土、淤泥土-新填土接触界面的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的变化规律。试验结果表明:新填土抗剪强度最大,不同工况下淤泥土-新填土接触界面的抗剪强度介于淤泥土和新填土的抗剪强度之间;淤泥土含水率在12%~16%之间存在最优含水率,超过该含水率后,淤泥土及淤泥土-新填土接触界面之间的抗剪强度均显著降低;当淤泥土含水率从8%增加至12%、16%时,黏聚力减小8%左右后迅速减小至22%,具有明显的阶段性,而淤泥土-新填土接触界面的黏聚力呈现先增加后减小的趋势;当含水率相同时,随着压实度的增加,淤泥土、淤泥土-新填土接触面的黏聚力、内摩擦角总体呈增大趋势。最后根据试验结果对"坝前淤泥面加坝"工法的工程应用提出了相关建议。     

虎跳峡龙蟠右岸土石混合体粒度分形特征研究

应用分维理论对虎跳峡龙蟠右岸分布的土石混合体粒度分布的分维规律进行了研究分析,建立了平均粒径与相应的分维数之间的定量关系模型。通过研究表明,土石混合体具有良好的统计自相似性,由于其本身为级配不良土,在分维曲线上表现为双重分形分布,这种特殊的分维分布与土石混合体的成因及形成过程有关。     

直剪实验剪切面积的修正及误差分析

针对现行直剪实验没有考虑剪切面积不断减小对实验结果的影响,本文从理论上推导了计算有效剪切面积的公式,然后通过实验并采用最小二乘法对数据进行处理.结果表明,土体的抗剪强度误差随着环刀面积的增大而减小,当环刀面积为30 cm~2时,随着剪切位移的增大,土体的抗剪强度误差增大;当剪切位移达到4 mm和6 mm时,抗剪强度误差可达8.2%和12.38%.现行方法测得的黏聚力和内摩擦角均比真实值小,低估了土体的抗剪强度,因而需要修正.     

卸荷条件下粉质粘土变形性状研究

通过室内应力控制的三轴试验研究卸荷条件下土体的应力-应变关系和孔隙水压力变化特征,得到变形模量的确定方法。研究表明:在初始偏压应力固结条件下,无论是轴向压力保持不变而侧向压力不断卸荷,还是轴向压力和侧向压力同时卸荷,其应力-应变关系均表现为较好的双曲线函数关系。而且,侧向固结压力愈大,强度值愈大。在卸荷过程中,随剪切应力的增大和剪切应变的发展,土样呈现剪胀趋势并在后期产生较大的负孔隙水压力。不排水条件下由于负孔隙水压力的存在,土样的表观强度略有增大。     

带剪刀撑木框架墙体抗剪性能试验研究

彩图制作了5组10片木框架剪力墙分别进行单向和反复荷载试验,研究了剪刀撑及不同覆面板对剪力墙的抗剪强度、弹性抗侧刚度、极限位移、耗能的影响。试验数据说明:增加剪刀撑的墙体最大墙骨柱上拔量仅为未加剪刀撑的对照墙体墙的22.7%,剪刀撑对于抑制墙骨柱上拔的现象有显著作用,能控制墙体面板钉连接破坏先于墙骨柱连接破坏;而且剪刀撑还能增大墙体刚度,约束墙体位移。此外,试验各项参数表明:采用国产胶合板作为覆面板的墙体的抗剪性能良好,说明国产胶合板可以替代OSB板应用于剪力墙制作;而采用国产花旗龙板作为面板的墙体抗剪强度远远低于GB50005-2003《木结构设计规范》中采用木基结构板材的剪力墙抗剪强度设计值(fvd为4.7kN/m)的指标要求,建议在实践中仅作为强度储备。