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.

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。

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.

基于三维模型构建新方法的块石形状效应下S-RM宏细观剪切力学行为

为研究块石形状效应下土石混合体(S-RM)剪切力学行为,基于CT技术与球谐级数提出三维块石几何形态构建新方法,生成具有不同形状(类球状、扁长状、扁平状与片状)但具有相同凸度与棱角度的块石,并根据改进的不重叠颗粒簇生成方法构建可提高计算效率的三维块石离散元模型,并开展不同块石形状及破碎性的S-RM直剪数值试验,深入分析S-RM宏细观剪切力学特性并揭示块石形状影响机制。研究表明:类球状与扁长状块石咬合程度、滑移摩擦程度及旋转量均大于扁平状与片状块石;块石破碎虽然增加了块石咬合与旋转程度,但减小了块石的滑移摩擦程度;在块石摩擦滑移与旋转运动联合作用影响下,类球状软岩块石破碎程度最大而片状块石最小,类球状与扁长状块石S-RM的抗剪强度与剪胀性均大于扁平状与片状块石;由于类球状与扁平状软岩块石破碎程度较大,其S-RM强度非线性较扁长状与片状块石S-RM更强;由于类球状与扁长状块石的咬合程度较大,其SRM峰值内摩擦角大于扁平状与片状块石S-RM。

块石颗粒形状对碎石土渗流特性影响研究

碎石土是由不同形状的块石颗粒组成,块石颗粒形状不仅会影响碎石土内部的细观结构,也会影响其渗流特性.基于碎石土细观结构模型,将不同形状的块石颗粒简化为圆形、正方形、正六边形和正八边形,分析块石形状对碎石土的渗流特性影响.发现不同形状块石组成的碎石土中水的渗流量不同,随着孔隙率增大,块石形状对其渗流特性的影响越明显.常水头渗流试验表明:不同形状块石,渗透系数差异明显,其中规则块石(近似正方体)渗透系数最大,泥岩颗粒(近似多面体)渗透系数最小.数值模拟试验结果与常水头试验结果二者的规律吻合,说明数值模拟试验结果可靠.

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。