基于机器学习算法的块石形状分类及土石混合体数值模拟

现有块石形状特征的数值模型或过于简化块石形状或未进行块石形状的频率统计,为此基于主成分分析算法(PCA)和K均值聚类算法,提出新的建模方法.利用Matlab对土石混合体断面照片进行数字图像处理,得到块石轮廓样本;对块石轮廓进行形心原点化、长轴水平化、最大极径归一化等标准化处理,得到标准化后的块石轮廓向量.分别采用PCA和K均值聚类算法对块石轮廓向量进行降维和聚类,对得到的分类块石形状进行频率统计.建立考虑块石形状分类及频率、颗粒级配、块石倾角的土石混合体随机模型,进行双轴压缩数值模拟,分析塑性应变和应力-应变曲线特征.在较高含石量和较大块石粒径情况下比较模型的变形和抗压强度,考虑块石形状的土石混合体模型与传统含多边形块石的土石混合体模型差异明显.

块石含量及形状对胶结土石混合体力学性能影响的大型三轴试验

胶结土石混合体在自然界中分布广泛,为了揭示块石含量和块石形状对其力学特性的影响,开展了一系列室内大三轴试验研究。首先,通过掺有一定量水泥的土石混合体试样与未掺水泥的试样进行对比,以论证土石混合体有必要进一步划分为胶结土石混合体和无胶结土石混合体。然后,针对胶结土石混合体设计并进行了不同块石含量和块石形状的对比试验。最后,对胶结土石混合体力学特性的块石含量和块石形状效应进行了分析探讨。结果表明:水泥掺入比为3%的土石混合体试样较未掺水泥的试样强度和模量均有大幅提高,有明显的应变软化和局部化剪切带;在给定条件下,胶结土石混合体的峰值强度和脆性指数均随含石量的增加而减小;当含石量为40%时,块石为碎石的胶结土石混合体试样与块石为卵石的试样相比峰值强度略低,而残余强度略高;而当含石量为70%时,无论是峰值强度还是残余强度,块石为碎石的试样均比块石为卵石的试样大,围压较大时尤为明显。

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。

块石形状对土石混合边坡稳定性的影响分析

为分析块石形状对土石混合边坡稳定性的影响,基于随机块石生成系统,随机生成了块石形状为圆形、六边形、四边形及三角形,含石率从10%~60%的边坡模型,不同块石形状下每种含石率均考虑8个不同的块石分布位置,最后将生成的模型导入极限分析程序中建立数值分析模型,采用有限元极限分析法对该类型边坡的稳定性进行了分析.研究表明,块石形状及含石率相同时,土石混合边坡的最大、最小下、上限安全系数的差值与块石空间分布位置关系较大;相同含石率下土石混合边坡下、上限安全系数平均值的大小关系依次为三角形、四边形、六边形及圆形,但是块石形状效应的影响程度与含石率密切相关;4种块石形状下土石混合边坡的剪切带均呈现出“绕石”、“分流”及“包含”模式.研究结果为土石混合边坡的设计及施工提供参考依据.

川藏铁路红层改良路基填料压缩试验与颗粒流模拟研究

红层在我国云贵川地区以及东南亚一带分布极为广泛,具有风化剥蚀严重、遇水易软化等工程特点,不宜直接作为路基填料。依托川藏铁路成雅(成都-雅安)段红层路基改良工程,将弱风化泥岩碎石按比例掺入红层黏土以改善其颗粒级配及密实程度。通过现场取样及室内试验获得了红层改良填料应力-应变曲线;改进了基于椭球表面形态的多面体构造法,提出了一种随机构造具有凹凸多面体形状的碎石几何模型,通过建立PFC3D压缩几何模型,研究红层改良填料不同类型的强接触力链在加载全过程时的占比情况及在峰值强度时概率密度分布规律,解释了影响红层改良填料强度的内在机制。研究表明:含石量为50%的红层改良填料力学及变形特性最好,无侧限抗压强度可达421.9 kPa,碎石与碎石的咬合接触最好,红层黏土相互黏结作为弱力链起辅助填充作用,体系内能形成有效的超强力链,支撑体系承受荷载作用;不同掺石量比例的红层改良填料力学特性优劣顺序为:50%>40%>60%;推荐在对川藏铁路红层黏土改良时掺入50%的弱风化泥岩级配碎石作为路基填料。

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。

碎屑流高风险区桩群防护结构优化布局研究

桩群是一种可有效耗散碎屑流运动能量,抑制碎屑流运动距离及速度的山地灾害防护结构。在碎屑流沟口与受灾体之间构建一组桩群减速带,可达到保护受灾体的目的。以物理模型试验为基础,开展弧型桩群、方型桩群和圆型桩群的沟槽型碎屑流冲击动力响应研究。讨论了3种不同类型的桩群对沟槽型碎屑流运动形态的影响,进一步开展弧型桩群的结构优化研究。结果表明:采用桩群结构可有效减小沟槽型碎屑流堆积距离并抑制其运动速度;3种不同形状桩群之间,弧型桩与方型桩的拦挡效果明显优于圆型桩;弧型桩由于凹槽式外型,对沟槽型碎屑流堆积面积、淤埋深度的抑制效果稍优于方型桩;在相同高度、直径等几何参数下,弧型桩体积比圆型桩小22.6%,比方型桩小39.2%,因此弧型桩的制作成本也相对较低;弧型桩排数从1排增加到3排,桩群拦挡率分别提升7.2%、4.5%;适量增加槽口与桩之间距离L_d可以有效提高弧型桩群防护结构的能量耗散效率。该研究可为桩群在沟槽型碎屑流防治工程中的应用提供理论及技术支持。

基于颗粒离散元的土石混合体强度影响研究

土石混合体是一种具有复杂结构的非连续介质,其细观结构对强度特性具有重要影响。基于随机生成多边形块体技术,生成土石混合体概念模型,引入形状系数衡量块石凹凸程度。通过东岭信滑坡堆积体室内试验标定颗粒流数值模拟的细观参数,开展双轴试验模拟,研究块石凹凸性、块石分布倾角、边界条件和含石量4种因素对土石混合体强度特性的影响,探讨块石形状的凹凸性对土石混合体强度产生影响的主要原因。结果显示:块石凹凸程度和含石量越大,块石之间容易相互接触咬合,形成稳定的受力骨架,导致强度提高;块石的分布倾角对强度特性亦有较大影响,在不考虑块石破损时,块石长轴与主应力方向平行或垂直时试样强度较大,块石长轴与主应力方向斜交时强度较小;边界效应随着试样尺寸的增大,对模拟结果的影响逐渐减弱。

土石混合体边坡稳定性的三维颗粒离散元分析

为探究土石混合体边坡的稳定性和破坏机理,基于土工离心模型试验基本原理,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边坡细观结构的三维离散元模型.引入颗粒流强度折减法并提出基于能量演化的方法来判别边坡失稳破坏.利用提出的土石混合体边坡三维离散元建模方法和稳定性分析方法,分析不同块石含量、块石形状、空间结构、空间形态等因素对土石混合体边坡稳定性和破坏模式的影响,并揭示这些因素影响的细观机理.结果表明:随含石量增加,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;土石混合体边坡中呈现出多滑动面现象,且滑面较为曲折,具有明显的绕石特征,坡脚部位的部分大块石使得剪出口的位置发生明显的改变;随块石形状由球体、卵石到碎石,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;上覆堆积体相对较厚且坡度不是很大的二元结构边坡或一元结构边坡的破坏模式主要是堆积体内部发生的弧形滑动破坏,上覆堆积体厚度不大且基岩面相对平整的二元结构边坡的破坏模式主要是沿基-覆界面的整体平移滑动破坏;随土石混合体边坡空间形态由条带型、敞口型到锁口型,其安全系数逐渐提高,其中锁口型边坡具有显著的支撑拱效应,且含石量越大这种效应越明显.

小湾工程水垫塘优化布置的试验研究

运用紊流射流理论、基岩冲刷平衡深度理论和放大岩块法 ,对“九五’科技攻关子题 :“小湾工程水垫塘优化布置动床模型试验研究”进行了详细、深入和系统的试验研究 ,认为小湾水电站水垫塘在现有泄洪布置和基岩抗冲流速 10 -12m/s的前提下 ,采用“护坡不护底”方案不仅是可行的 ,而且将产生显著的经济效益。通过基岩冲刷、改变二道坝高度和水垫塘边坡的系统试验研究 ,并结合水力计算和分析 ,提出了一种优化水垫塘体型———勺型水垫塘 ,采用“护坡不护底”

灌注型嵌岩桩施工中的卡锤问题及对策

以新会抢险打捞基地高桩码头灌注型嵌岩桩的施工工艺为对象,结合嵌岩桩施工中卡锤现象的典型案例,论述影响嵌岩桩冲孔成孔的因素,阐述嵌岩桩在施工过程中应注意的问题及对卡锤现象进行诊断和排除的对策。本工程结合嵌岩桩冲孔过程中所用两种桩机冲锤类型的优缺点,加工改良自制了圆筒米字型锤,有效降低了冲孔过程中成孔方向与管桩轴向的偏差,从而避免了冲锤在桩尖位置由于偏孔产生折角而出现卡锤现象,有效提高了施工进度并保证工程质量,可为类似工程提供参考。

略阳─石泉边界地质体特征

略阳─石泉构造带是一板块缝合带，经历了长期复杂的演化历史。现由不同时期、不同构造体制下的断裂构造系统，裹挟不同构造演化阶段的各类建造─蛇绿混杂岩、陆缘楔状体，岛孤岩浆岩及外来岩块等，共同组成了分隔秦岭、扬子地块的一个特殊边界地质体。

边坡开挖对楔型岩块稳定性的影响

南京秦淮东河铜家山段河道开挖后形成近70 m的高边坡,边坡岩体主要为黄马青组(T 2h)泥质粉砂岩,岩体内发育多组结构面。边坡开挖后其稳定性受结构面组合影响较大,采用离散元法模拟边坡开挖对楔型岩块变形和稳定性影响,模拟分两种情形:(1)结构体为刚体,结构体发生的变形或破坏主要位于结构面上,块体只发生位移或转动,不发生形状和体积的改变;(2)结构体为可变形块体,结构面和块体均可能发生变形或破坏。结果表明,不稳定结构体的滑动在坡面引起较大的变形,特别在结构面位置处有位移值突变现象,如不对坡面块体采取加固措施,则可能引起大范围的岩体破坏;岩块为可变形固体条件下边坡开挖后岩体侧向位移快速增加,岩体发生变形后岩块也可能发生破裂,加速岩体失稳。

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。

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.

块石含量及形状对胶结充填体力学性能影响研究

为研究块石含量及形状对胶结充填体力学性能的影响,针对胶结充填体进行了不同块石含量和块石形状的对比试验。实验发现:在给定条件下,胶结充填体的峰值强度随含石量的增加先增后减;当含石量小于30%时,块石为废石的胶结充填体试样与块石为卵石的试样相比峰值强度略低;而当含石量大于30%时,块石为废石的试样峰值强度比块石为卵石的试样大。废石充填体黏聚力随含石量增加而下降,内摩擦角有增大趋势;卵石充填体黏聚力与废石充填体类似,但内摩擦角随含石量表现出先增后减趋势。结果表明:块石含量及形状对充填体抗压强度有影响,且含量小于30%时,废石对充填体抗压强度敏感,超过30%,卵石对充填体抗压强度敏感;块石含量对充填体黏聚力有抑制作用;当块石为废石时,块石含量对内摩擦角有促进作用,当块石为卵石时,块石含量存在最优值使得块石充填体内摩擦角最大。

土石混合体细观力学参数对宏观力学特性影响研究

为了系统地研究土石混合体细观力学参数对其宏观力学特性的影响,首先在不规则块石体三维离散元模型的基础上,建立了符合宏观统计规律的含石量为50%的土石混合体三维离散元模型;然后进行了不同石-土颗粒法向刚度的比值、不同石-土颗粒法切向刚度比的比值、不同石-土颗粒摩擦系数的比值和不同石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值等情形下的土石混合体大三轴试验三维颗粒流数值模拟,分析了各种情形下土石混合体的宏观力学响应;最后从微裂纹演化、摩擦功、块石颗粒转动特征等多个角度对各细观力学参数影响的细观机理进行了揭示.结果表明：随着石-土颗粒法向刚度比值的增大,试样初始模量增大,破坏应变和峰值强度均减小;石-土颗粒法切向刚度比的比值和石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值对土石混合体的宏观力学行为影响不显著;石-土颗粒摩擦系数的比值越大,峰值强度和残余强度越大.