Stochastic structural model of rock and soil aggregates by continuum-based discrete element method

This paper first presents a stochastic structural model to describe the random geometrical features of rock and soil aggregates. The stochastic structural model uses mixture ratio, rock size and rock shape to construct the microstructures of aggregates, and introduces two types of structural elements (block element and jointed element) and three types of material elements (rock element, soil element, and weaker jointed element) for this microstructure. Then, continuum-based discrete element method is used to study the deformation and failure mechanism of rock and soil aggregate through a series of loading tests. It is found that the stress-strain curve of rock and soil aggregates is nonlinear, and the failure is usually initialized from weaker jointed elements. Finally, some factors such as mixture ratio, rock size and rock shape are studied in detail. The numerical results are in good agreement with in situ test. Therefore, current model is effective for simulating the mechanical behaviors of rock and soil aggregates.

土石混合填料工程力学性能试验研究

土石混合填料力学性能是影响路堤设计和施工的重要参数,相关研究一直是热点问题。为分析不同含水率、土石混合比例、击实功、土料厚度条件下土石混合体工程力学性能,开展了不同组合下土石混合体击实试验和大型直剪试验,揭示了上述因素对混合料最优含水率和力学指标的影响,并建立了土石混合填料力学指标计算方法。研究表明:总击实功、含水率和含石量对试样干密度影响较大,且随着含石量的增大,土石混合料最大干密度逐渐增大但最优含水率逐渐降低;干密度随着每层击实次数的增加而增加;随着法向应力的增大,土石混合料应力-应变曲线由应变硬化型逐渐变为应变软化型;随着含石量的增大,其内摩擦角随之减小但黏聚力随之增大,但增大幅度较小。成果可为土石混合填料路堤施工和设计提供理论参考。

不同加载方式下土石混合体抗压强度的规律性研究

土石混合体的非均匀性决定了其在等应力(柔性)以及等位移(刚性)两种加载方式下的力学性能的不同。基于CDEM软件及块石随机生成算法,分别采用等应力和等位移两种加载方式,对土石混合体的单轴压缩进行了数值分析,得到了不同加载方式下土石混合体单轴抗压强度随含石率的变化曲线。结果表明:1)土石混合体等应力加载的抗压强度较等位移加载的抗压强度低,且随着含石率的增加,两者差异逐渐增大;2)两种加载方式下,土石混合体的单轴抗压强度随着含石率的增加而增加,且含石率超过30%后强度增加速率加快;3)随着含石率的增加,土石混合体的宏观应力应变曲线呈现强化趋势。

基于体积特性的钢渣沥青混合料最佳油石比等体积设计方法研究

为了建立一种将玄武岩沥青混合料最佳油石比转化为钢渣沥青混合料最佳油石比的设计方法,首先,采用等体积替换法得到钢渣的实际用量;随后,采用CT扫描技术研究了钢渣集料多孔特性对沥青的多余吸附量,从而确定了钢渣的吸附机理,并建立了一种钢渣集料的材料组成设计方法。研究结果表明:粒径为10~15 mm的钢渣集料表面孔内沥青体积占钢渣集料表面实际沥青体积的20.21%;粒径为5~10 mm的钢渣集料表面孔内沥青体积占钢渣集料表面实际沥青体积的6.70%。基于体积特性的材料组成设计方法计算的钢渣沥青混合料最佳油石比为5.79%,与马歇尔击实试验结果基本一致。现场检测结果表明,5.70%油石比摊铺的钢渣沥青路面具有优异的抗滑性能和路用价值,对保障路面行车安全具有突出意义。与玄武岩沥青路面相比,钢渣沥青路面的摆值和横向力系数多分布于数值较高的区域,其具有更加优异的抗滑性能。

土石混合体压缩性的三维颗粒力学研究

土石混合体是由作为骨料的砾石或卵石与作为填充料的黏土或砂土组成的特殊工程地质材料,无论天然形成或人工合成,其力学特性与均质土体或岩体相比均有较大差异。以昆明新机场高填方中大量采用土石混合体填料为工程背景,在三维颗粒流程序中对特定的土石混合体试样的侧限压缩试验进行数值模拟,比较了不同级配条件下土石混合体模型的微观结构及基本力学物理性能。通过比较侧限压缩模量和压缩后孔隙率,研究了含石率对土石混合体骨架效应等结构性的影响,并提出了工程中建议采用的土石比例区间,在颗粒流方法用于实际工程方面进行了有益的探索。

基于CT图像的土石混合体破裂-损伤的三维识别与分析

土石混合体是一种特殊的非连续非均匀地质材料,传统的岩土力学试验方法与分析理论难以直接用于分析其变形破坏行为。发展了一种基于CT扫描和图像处理技术的内部破裂与损伤的三维识别方法,利用自行开发的裂纹识别提取程序提取和分析了单轴压缩下不同含石率土石混合体变形破坏时的内部细观结构变化特征,建立了土石混合体破裂-损伤的三维重构模型,定量地分析了单轴压缩条件下土石混合体的内部损伤演化规律以及含石量的影响和作用。研究表明:该方法可以直观定量地表征土石混合体变形破坏的内部损伤特征与演化规律。石块对土石混合体损伤发展的影响与含石量密切相关,存在一个临界含石率。

土石混填路基压实度检测新方法探讨

土石混填路基变形模量和孔隙率随荷载增加而发生变化,土石颗粒受载前后体积不变,基于上述特点,建立了集中荷载作用下土石混填路基孔隙率和变形模量的变化模型,引进分级加载的思想和基于集中荷载作用于半无限空间的布辛奈斯克理论,建立了可考虑土石混填路基变形模量与孔隙率变化影响的路基表面竖向位移计算模型,利用土石混填路基表面静载试验曲线及曲线拟合方法确定了土石混填路基初始孔隙率,建立了土石混填路基压实度检测新方法.结合某工程实例进行测试结果对比分析,结果表明:新方法与传统方法测试结果吻合,能加快测试速度,降低对路基的破坏程度.

土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究

土石混合料作为一种特殊的岩土介质越来越受到国内外众多研究者的重视。基于3维颗粒离散元PFC3D,建立了土石混合料直剪试验模型,进行了不同含石量、不同岩性的土石混合料直剪试验模拟研究。颗粒离散元模拟结果表明,土石混合料的石料岩性和含石量在很大程度上控制了土石混合料的抗剪强度特性。硬岩混合料的摩擦角普遍比软岩混合料大6°～7°,含石量为60%～80%时达到最大。土石混合料的剪切面不再是一个平面,其起伏度随含石量增加而增大。剪切过程中软岩混合料在低正应力下表现为剪胀,高正应力下表现为剪缩,并产生软化现象,硬岩混合料表现为剪胀和塑性;软岩土石混合料剪切过程中能量以应变能和动能为主,而硬岩土石混合料的能量以摩擦能和动能为主。

土石混填体抗剪强度特性及影响因素的试验研究

土石混填体是一种由土体和块石混合形成的非均质散体材料,其抗剪强度特性主要受含水率、含石量、颗粒级配及压实度等因素的影响。基于室内大型直剪试验,在前人研究的基础上,考虑级配参数的影响,通过控制试样质量与体积达到试验所需的压实度水平,分析了各主要参数对土石混填体抗剪强度的影响规律。试验结果表明:在级配良好的情况下,随不均匀系数的增大,土石混填体抗剪强度先增加后减小,不均匀系数在22.99左右时取得峰值,而曲率系数对其影响较小;土石混填体的抗剪强度分别随着含石量、压实度的增加而不断增加,但当压实度超过92.5%后增加趋势变缓。随着含水率的增长,其抗剪强度先增加后减少,在最优含水率附近时达到峰值。基于Matlab多元线性回归分析,得出了各因素对土石混填体抗剪强度影响程度的主次顺序为:含石量>含水率>压实度>不均匀系数>曲率系数,通过非线性回归分析得到了其抗剪强度关于各因素的拟合公式,且相关指数R^2大于0.9。

土石混合料的工程综合分类法研究

随着土石混合料越来越广泛地被道路、堤坝、基础等工程采用,快速、准确地预测其抗剪强度指标不仅有利于设计、计算,也有利于施工方案的制定和压实方法的选择。土石混合料的物理力学性质本质上是由颗粒的性质和其内部结构决定的,而现有的土石混合料的分类多从颗粒粒径和含量进行分类,无法从分类上判断其物理力学性质指标。通过室内击实试验、颗粒分析试验、剪切试验,结合非线性的分形几何学原理,对土石混合料进行以工程应用为目的的分类研究,提出了以岩性、含石量和混合料的颗粒组成分形为分类指标的土石混合料工程综合分类法,将土石混合料按3个层次划分为24类,并由试验指出不同类别土石混合料物理力学性质的差异。该综合分类法分类指标简单,指标确定方便,易于实际应用,并可根据分类预测混合料的物理力学性质。

基于静载试验的土石混填路基压实度检测新方法

针对现有路基压实度检测方法的局限性与不足,首先,利用土石混填路基在受载前后岩土颗粒体积不变的特性,建立出土石混填路基孔隙率的变化模型,导出土石混填路基变形模量的变化关系;其次,将土石混填路基视为半无限弹性空间,并考虑路基在荷载作用下变形模量发生变化的特征,引进分级加载的思想,导出基于布辛奈斯克解的土石混填路基在竖向荷载作用下的变形或沉降计算方法;然后,将土石混填路基初始孔隙率与荷载位移曲线建立关系,从而提出基于静载试验的土石混填路基压实度检测新方法;最后,将现场试验数据与基于理论公式进行拟合分析,其结果与传统方法较为接近,新方法具有可行性与合理性。

土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究

为了进一步研究土石混填体的变形力学特性,全面考虑含水量、含石量、岩性及土性等因素的影响作用,采用YS30-3型应力路径三轴剪切试验机,基于正交试验方法进行了一系列土石混填体大型三轴压缩研究.试验结果表明,在三轴受力条件下,土石混填体在低围压下的应变软化特征不明显,试样的粘聚力普遍较低而内摩擦角则比较高,且内摩擦角更容易受其他因素的影响而发生显著变化.含石量对土石混填体的抗剪强度影响程度最大,随试样中的含石量从25%增加到70%,其内摩擦角从34.54°近似线性增长至46.39°.含石量和围压分别是影响土石混填体体变特性最主要的内因和外因,即在含水率、岩性、土性相同的情况下,含石量越低试样高压剪缩性越明显,含石量越高其低压剪胀性越明显.

基于正交设计的复杂环境下土石混填体大型直剪试验研究

为了更加系统、全面的研究土石混填体处于复杂环境时的强度特性,综合考虑含水率、浸泡时间、干湿循环、含石量、岩性与土性等因素,采用美国Geotest公司生产的大型直剪仪,并基于正交设计方法开展了一系列土石混填体室内大型直剪试验研究,进而确定出了不同因素对土石混填体抗剪强度有何影响及影响程度,为此类受多因素、多水平影响的试验研究探讨出了一种新的思路。试验结果表明:土石混填体抗剪强度主要源于内部石料间的相互嵌入、咬合及摩擦等作用;含石量是影响土石混填体强度特性最主要的因素,随着试样中含石量的增加其内摩擦角近似呈线性增加;对于试验中所涉及的3种水作用环境,含水率对土石混填体抗剪强度的影响最为显著,且含水率对其剪应力–剪切位移关系曲线亦存在非常重要的影响,相比之下,浸泡时间与干湿循环对试样抗剪强度影响较弱,且试样在浸泡48 h或干湿循环4次后其抗剪强度基本不会再继续弱化;当试样中含石量≥55%时,其抗剪强度受岩性影响较为明显。

不同水环境下土石混填地基水平推剪试验研究

为了研究土石混填地基的承载特性与变形机理尤其是不同水环境对其有何影响,在特制的地槽内分别开展正常条件、饱水浸泡、干湿循环作用下的土石混填地基水平推剪试验研究,得到试样在不同条件下更加完整的破裂面、抗剪强度及推剪变形曲线。研究结果表明:土石混填地基的抗剪强度主要源于其内部土石料之间的相互摩擦、咬合等作用;在正常条件下可表现出良好结构性,其破裂面会发展到底面之下一定深度;干湿循环对试样的黏聚力有较大影响,对其破裂面、内摩擦角及推剪变形过程影响有限;饱水浸泡对试样的破裂面、抗剪强度及推剪变形过程均有很大影响,尤其是试样抗剪强度会大幅度降低,故在相关工程实践中须予以足够重视。

土石混合料室内大型直剪试验的改进研究

随着土石混合料越来越广泛地被道路、堤坝、基础等工程采用,快速、准确地确定其抗剪强度指标显得越来越重要,室内大型直剪试验具有操作简单,可快速测定混合料的强度指标等特点,因而在工程中被广泛应用。但由于大型直剪仪自身结构及性能存在许多问题,使直剪试验及结果与其试验原理的应用条件及混合料的实际强度具有一定的偏差。本文对室内大型直剪试验进行了改进,研发了新型的土石混合料室内大型直剪试验系统,克服了常规直剪仪存在的主要问题,使得试验结果更精确、可靠,试验分析更完善。

压实度和基质吸力对土石混合填料强度变形特性的影响研究

针对土石混合料高填方工程分析计算参数和模型确定难题,采用非饱和土三轴仪进行了控制基质吸力和净围压的36个固结排水剪切试验,定量研究了压实度、基质吸力、配合比对非饱和重塑混合料强度变形特性的影响,建立了非饱和压实土抗剪强度、切线变形模量和切线体积模量修正算法表达式。试验结果表明:破坏应力、黏聚力随吸力的增加基本呈线性增长,吸力变化对有效内摩擦角影响不大;破坏应力与强度参数随压实系数的提高而增大;土石比为4:6的土样破坏应力和强度参数整体略高于2:8的土样,有效黏聚力随粉质黏土含量的增加而增大。配合比和压实系数相同的土样,净围压或吸力越大,试样强度越大,体变逐步由剪缩趋于剪胀;净围压和吸力相同的土样,在相同配合比时,压实系数越高,应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑型转变,低净围压下部分土样趋于应变软化型。修正后的非饱和土非线性增量本构关系符合大面积填方工程实际,可用于高填方地基变形计算和高填方边坡稳定性分析。

不同应力路径下土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究

为更加全面地掌握土石混填体的变形、力学特性,采用大型三轴剪切仪分别在常规路径、等应力比路径和等p路径下对不同含石量的土石混填体进行了一系列试验研究。试验结果表明,在低围压下土石混填体的应变软化特征并不明显,其黏聚力普遍较低,而内摩擦角则较高,随试样的含石量从25%增加到70%,其内摩擦角和变形模量亦会随之增加。土石混填体在常规路径和等p路径下的应力-应变关系曲线比较相似,其所求得的抗剪强度指标亦比较接近;而等应力比路径下的应力-应变关系曲线的形态和发展过程均与之存在明显差别。土石混填体在常规路径下具有低压剪胀和高压剪缩的特性,含石量越高,低压剪胀性越明显,反之,则高压剪缩性更为显著;等应力比路径下试样的体积应变与轴向应变之间近似呈线性关系,其斜率随应力比增加而减小;等p路径下试样则是以剪胀性为主,尤其在平均主应力较低时更为显著。

不同水环境下土石混填路基稳定性的模型试验研究

为了更加深入研究土石混填高填路基的沉降变形规律、土压力分布特征和承载破坏模式,以及降雨浸水对其有何影响,首先,基于相似比理论,在特制的地槽内按照相同的标准制作了2组土石混填路基模型,并在模型内部分层埋设土压力盒与位移标,以记录路基模型内不同位置的土压力和变形量;然后,分别在正常条件和洒水浸泡环境下对2组路基模型进行分级加载,直至发生破坏。试验结果表明:正常条件下土石混填路基模型可表现出较好的结构性,在达到极限荷载之前其p-s曲线近似呈线性发展,破坏具有突发性,且破坏面并非传统的圆弧滑动面;而水的存在对其沉降变形、承载力大小和破坏模式均有着非常显著的影响。同时,由于土石混填路基模型的坡面处于临空状态,当荷载比较大时加载板两侧会出现比较明显的应力扩散和影响深度不对称的情况。

土石混合料压实质量控制方法

从现行压实质量控制指标存在的问题出发,针对土石混合料颗粒组成和含水状态极不均匀的特点,为便于实际应用,引入密度干涉系数和最佳含水量系数对最大干容重的理论计算法进行了改进,探讨了用空隙率控制法和不同粗集料含量下改进的工地压实度控制方法,作为土石混合料压实质量控制标准的可行性。工程实例表明,两种方法能在一定程度上取得较好的控制效果,其中空隙率控制法不必进行室内大型击实试验,但仍需求出现场干密度。

土石混合料剪切面分形特征试验研究

土石混合料因具有良好的工程特性而被广泛应用于道路、堤坝等工程,填筑体受力后往往沿薄弱面发生剪切破坏,混合料的抗剪强度成为稳定和变形分析的重要力学指标。由于土石混合料物质组成的复杂性、结构分布的不规律性及采样的困难性,且受检测仪器的限制,确定其强度指标较为困难。应用改进的直剪试验仪进行了不同类别、不同最大粒径土石混合料的室内大型直剪试验,在获得强度指标同时,再现剪切面的实际情况,量测剪切面的起伏特征。根据分形几何学原理,剪切面具有良好的分形特征,应用三角形棱柱表面积覆盖法编程计算了剪切面的分形维数。初步建立了剪切面分形维数与混合料抗剪强度之间的关系,用来快速预测土石混合料的强度指标。