基于较大块石分布位置的土石混合边坡稳定性研究

为了准确分析土石混合边坡的稳定性,克服传统有限元和颗粒流程序在分析土石混合边坡稳定性上的不足,提出一种基于原始土石混合边坡的图像识别和块石随机生成技术,运用此技术生成土石混合边坡模型,模型中较大块石的尺寸范围为0.1~0.3倍坡高,并采用强度折减法对5种不同较大块石分布位置的土石混合边坡的稳定性进行了分析研究。结果表明:不同的较大块石分布位置对土石混合边坡稳定性的影响较大,影响的大小关系为:坡脚>坡面>坡顶>坡内>坡后>均质土坡;在同一较大块石分布类型下,不同的块石随机位置及排列方式对土石混合边坡的塑性扩展模式有着较大影响。研究结果可为土石混合边坡的设计及施工提供参考依据。

基于Delaunay三角网格的土石混合边坡块石空间分布评价与随机投放方法

已有的土石混合边坡块石几何形态分析评价体系大多只考虑块石含量、块石级配、块石排布方向角以及块石形状等几何因素,并未对块石空间分布的整体格局进行定量描述。在进行土石混合体边坡随机块石模型的构建时,现有学者均采用基于块石边界不相交为判定准则的随机投放方法,并未考虑所生成模型的块石空间分布特征是否与研究目标相符。针对现有评价体系的不足,提出采用基于Delaunay三角网格的块石空间分布格局评价与随机投放方法。以单个块石颗粒的几何中心为平面点构建Delaunay三角网格,采用基于Delaunay三角网格的集聚指数对块石之间的相对位置空间分布关系进行评价。在进行土石混合体的随机重构时,通过循环算法,采用Delaunay三角网格法对基于蒙特卡罗随机生成的空间散点进行同步处理,直至所生成散点试样的聚集指数与预期匹配则退出循环。并以所生成的Delaunay三角网格的顶点为基础进行颗粒投放,从而生成符合一定空间分布格局特征的随机块石分布模型。

考虑块石随机空间分布的土石混合体边坡稳定性研究

为准确定量评价块石随机空间分布对土石混合体边坡稳定性的影响,分别采用随机块石模型和等效强度参数可靠度两种方式对土石混合体边坡稳定进行评价。首先,利用随机块石模型生成块石随机空间分布的土石混合体边坡,然后采用有限元强度折减法分析评价块石的随机分布对边坡稳定性的影响。与之同时,将随机分布的土石混合体等效为一定取值范围区间的均匀材料,结合响应面法对土石混合体边坡进行不确定性分析评价。研究结果表明:随机块石模型能直观反映因随机块石而引起塑性剪切带的“绕石”“分流”现象,且空间分布的不同对其影响也不尽相同。而等效强度参数可靠度模型则有利于对土石混合体边坡的稳定性进行工程定量评价。

空间与颗粒参数对块石土边坡稳定性影响数值模拟研究

块石土边坡具有物理力学性质复杂、非线性强等特性,受块石–土体空间分布、块石粒径等几何因素影响较大。为研究空间与颗粒参数对块石土边坡稳定性影响,基于已有的块石形状数据库随机生成方法,采用ABAQUS软件非线性分析方法,考虑含石量、最大粒径、空间分布等多种几何因素,建立大量有限元模型进行计算分析。结果表明:含石量增大,边坡安全系数上升,且含石量在50%~60%区间内上升速率最快;含石量增大,同粒径组边坡安全系数标准差增大,模型安全系数差异变大。最大粒径增大,块石分布对于边坡安全系数的影响增大,边坡稳定性先减小后增强,同粒径组边坡安全系数标准差增大。含石量和最大粒径增大,块石空间分布对于边坡稳定性影响增大。粒径大小、块石空间分布对于块石土边坡稳定性影响方式也不同,大粒径块石存在令滑动面向边坡内部发展,而密集小粒径块石大多是令滑面呈折线形,二者皆可增大边坡稳定性。当块石长轴与坡面夹角为90°、135°时,边坡塑性区呈发散分布,滑面更靠内部,稳定性更好;当块石长轴与坡面夹角为0°、45°,则与上述情况相反。在通常沉积条件下,边坡稳定性随长短轴比增加而降低,滑动面越发平滑,塑性区范围也更加集中。研究结果表明,几何参数不同,边坡稳定性差异较大,且具有一定规律性,在实际工程中有一定的参考价值。

块石含量和空间分布对土石混合体抗剪强度影响的离散元分析

土石混合体的抗剪强度在很大程度上取决于其块石的含量、空间分布、形态等参数。该文采用球体单元模拟土颗粒,通过组合颗粒单元构造非规则形态的块石,对不同含石量和块石空间分布下土石混合体的直剪过程进行了离散元数值模拟。计算结果表明,在低含石量下,土石混合体的抗剪强度随含石量的增加而增加;在中含石量下,受块石空间分布的影响,其抗剪强度呈现很强的波动性;在高含石量下,其抗剪强度显著增强,波动性相对较小。抗剪强度在中高含石量下波动现象的细观机理是块石空间分布影响下的力链结构特性。当块石的空间分布使其形成较强力链结构时,抗剪强度较高;反之,块石间的力链结构不稳定,抗剪强度相对较低。以上研究有助于从细观尺度揭示土石混合体变形和剪切强度特性的内在机理。

基于微极连续体理论视角的Mohr-Coulomb基质土的土石混合体边坡稳定性及破坏模式分析

针对土石混合体边坡稳定性和破坏模式分析,提出了一种基于微极Mohr-Coulomb(MC)模型的二阶锥规划微极连续体有限元法(mpcFEM-SOCP)。以两个土石混合体边坡为例,验证了所提方法的有效性和优越性。数值分析表明,块石“侵入”潜在滑面会增加刚性基础的极限承载力以及边坡的稳定性。与二阶锥规划经典连续体有限元法(FEM-SOCP)相比,在某些情况下mpcFEM-SOCP可以揭示不同的土石混合体边坡破坏机制。通过FEM-SOCP和mpcFEM-SOCP可以观察到,对于方形簇块石土石混合体边坡,分散的块石会使土石混合体边坡破坏模式更为复杂;与Pybimstab程序包中(假设单滑移面)的广义极限平衡方法相比,FEM-SOCP和mpcFEM-SOCP会提供手指分叉式滑移面;通过关联基质土颗粒特性和宏观应变局部化行为的内部特征长度lc能够较好地模拟基质土滑移面的宽度。

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。

地质雷达探测回填土层的应用研究

回填土的质量检测是地基工程项目中重要的关键环节,通常采用灌砂法和环刀法检测压实度,钻芯法检测结构厚度等。这些检测方法主要以抽检为主,导致检测效率较低,检测的精度难以控制,同时受人为因素或施工过程的影响较大,抽样随机,结果以点带面,很难真实全面地反映回填土的施工质量。对回填场地均匀性评价不客观。因此,采用快速高效的无损检测技术成为近年来的技术研究和应用的热点。本文采用地质雷达对回填土层进行无损探测,检测过程减少了对已回填土层的开挖,利用电磁波对各类别回填料物性差异响应敏感,可以有效分辨出回填材料在地下空间的分布情况、准确的发现回填土的施工质量位置和深度范围、外业数据采集用时短、从地质雷达检测成果易发现薄弱部位、检测费用少等优点。