Meso-damage cracking characteristics analysis for rock and soil aggregate with CT test

The aim of this paper is to investigate the damage cracking characteristics of rock and soil aggregate(RSA)by X-ray computed tomography(CT)under uniaxial compressive loading.The mean CT value for the region of interest(ROI)is used to analyze the cracking characteristics.Also,the mathematical morphology method based on the image threshold segmentation is used to obtain characteristic parameters of cracks to describe the cracking evolution of RSA.Results show that the elastic mismatch between rock blocks and soil matrix is the primary reason for RSA cracking.The mean CT value for the RSA specimen,rock block inclusions,and their adjacent soil regions decreases with the increasing stress level.However,it is more sensitive for block inclusions than soil regions.Using the image segmentation method,length,area and mean width of cracks obey to power function distribution.Crack statistical characteristics are closely related to the rock block’s distribution and morphology.These results may be useful to reveal the mesoscopic cracking mechanism,establish meso-damage evolution equation,and constitutive relation for RSA.

土石混合体力学特性的原位试验研究

土石混合体是由土体与不规则岩块混合形成的一种特殊地质介质,在我国山区广泛分布,但人们对其力学特性了解甚少。野外大尺度原位试验是揭示这类高度非均质和非均匀性复杂地质介质力学特性的一种有效办法。参照土体与岩体现场原位试验方法,首先提出并规范针对土石混合体的原位推剪与压剪试验仪器、方法、步骤及其关键问题等。结合三峡库区白衣庵滑坡典型的土石混合体,共进行23个大尺度的土石混合体原位推剪和压剪试验,获得不同含石量、不同尺寸大小和不同应力状态下土石混合体的剪应力与剪切位移曲线、剪切强度曲线、破坏模式以及相应的抗剪强度参数。试验结果表明,土石混合体具有典型的全应力–应变曲线、应变软化、高内摩擦角等特有特征,这也是其特殊的物质组成结构特征的体现。试验结果还表明,含石量是影响土石混合体强度与破坏形式的重要因素;而尺寸效应也是土石混合体的一个重要力学特性。该研究从试验方法与科学数据积累等角度为进一步研究这种非岩非土复杂介质的力学特性奠定了基础。

虎跳峡龙蟠右岸土石混合体野外试验研究

土石混合体是一种力学性质极其复杂的特殊的工程地质体,它的存在会对工程带来极大的危害。由于其物理力学性质较为复杂且试样难以采集,目前对它的研究还不够深入。为进一步研究土石混合体的变形破坏特征,对虎跳峡龙蟠右岸地区分布的土石混合体选取6个试验点分别进行了天然状态下(3个)和浸水条件下(3个)的原位大型水平推剪试验,取得一些有意义的研究成果。通过现场试验,得出了该区土石混合体在不同条件下的强度特征和应力–应变曲线,在此基础上归纳出土石混合体在天然状态下的全应力–应变曲线。同时对各试样的粒径级配关系辅以三维滑动面分析对土石混合体的变形破坏机制进行了探讨,解释这种特殊的地质体的内摩擦角偏高的内涵所在。提出在计算强度参数时应采用平均滑动面和对土石混合体的黏聚力起重要作用的关键粒径的概念。最后,对研究区分布的土石混合体的强度参数提出合理的参考值,为变形体的三维稳定分析奠定基础。

土石混合体直剪试验的破坏特征及抗剪强度取值方法研究

在土石混合体直剪试验中,抗剪强度值的确定往往采用经验方法,较少考虑试验过程中剪应力–剪切位移关系曲线变化特征和剪切面破坏特征。基于此,特选取三峡库区典型土石混合体库岸边坡,现场采集试样,进行不同含水率的土石混合体大试样室内直剪试验,重点对剪应力–剪切位移关系曲线变化特征、剪切面破坏特征以及直剪试验中的剪切"跳跃"进行详细分析,并提出用临塑抗剪强度和极限抗剪强度来分析土石混合体的抗剪强度的方法。该方法具有较好的物理意义,比常规的取值方法更能反映土石混合体特殊的结构特征,值得工程设计计算参考借鉴。

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。

基于数码图像土石混合体结构建模及其力学结构效应的数值分析

基于数码成像原理分析,利用土石混合体中块石与土体颜色属性的巨大差异,提出基于数码图像的土石混合体结构模型自动生成方法,并开发相应程序,以最直接、快捷、准确地反映土石混合体的空间结构。在此基础上,利用有限元数值模拟技术分析土石混合体的力学结构效应,也即在单轴压缩条件下土石混合体的高非均匀与非均质引起其应力场的结构效应非常显著,试样内应力的分布基本受块石的分布与形状控制。研究结果可为工程提供一定的参考。

基于分形理论的土石混合体强度特征研究

从土石混合体的非线性特性出发,应用分形几何理论研究土石混合体的强度特征。通过大型三轴试验,对不同粒度分维不同围压下土石混合体的应力–应变特性、强度参数特征及峰值强度特征进行分析;并讨论强度参数、峰值应力差与粒度分维值的关系。结果表明:土石混合体的应力–应变特性相似于岩石典型应力–应变曲线;不同粒度分维的土石混合体强度包线总体呈线性性质,粒度分维值对强度影响很大,其与抗剪强度的关系近似一抛物线;对于只具一维分形的土石混合体具有最大的密实度和抗剪强度,属最优级配土石混合体,并分析产生这一现象的原因。

露天坑回填土石混合体的渗流特性及颗粒元数值分析

针对土石混合体的渗透性,结合唐钢司家营铁矿III采场露天转井下的回填土石混合体工程,采用室内试验、现场试验和数值模拟的方法对其进行系统地研究,得出土石混合体的渗透系数与其非均匀度近似存在线性关系,渗透系数与混合土的孔隙比成正比;合理控制回填废石的粒径级配,降低平均粒径与非均匀度,可有效降低回填土石混合体的渗透性。通过颗粒元数值正交试验确定对土石混合体的渗流量影响顺序,并二次逐步回归出回填层厚度,水头压力,孔隙率,平均粒径对渗流量的关系式,为土石混合体防渗抗渗提供计算工具。

土石混合体变形破坏结构效应的CT试验研究

利用计算机X射线断层扫描技术,实时监测单轴加载作用下土石混合体试样内部结构的变化规律,分析土石混合体变形破坏的结构效应。基于CT的定位扫描原理,研究试样内部块石的运移规律,并建立内部结构变形与宏观变形的联系。研究结果表明:土石混合体宏观变形破坏主要受控于其内部块石位置的不断调整;等效结构变形量能很好地表征土石混合体的结构性变形。采用阈值分割处理方法分析CT图像,获得加载过程中试样的内部剖面图,并对试样变形破坏的结构效应进行分析。结果表明:试样内部损伤和裂纹扩展起始于块石周边应力集中区,沿块石与土的接触面扩展,直至形成贯通破裂面。通过采用CT技术对土石混合体变形破坏过程进行分级加载实时扫描的研究,为此类介质边坡工程的监测预警提供理论基础。

冻融循环后轻骨料混凝土双轴拉(劈拉)压强度试验和破坏准则研究

进行海水中不同冻融循环次数后轻骨料混凝土双轴拉(劈拉)压状态下的强度试验,考察试件的破坏形态和表面裂缝的走向特征。根据试验结果分析双轴拉压状态下的极限抗压、劈拉强度随冻融循环次数和应力比的变化规律。并在此基础上,建立不同冻融循环次数后主应力空间的破坏准则和考虑冻融循环影响的八面体应力空间的统一破坏准则,为寒冷海洋环境条件下轻骨料混凝土结构在经受拉压组合荷载作用时的强度分析提供试验和理论依据。

块石空间定向性对土石混合体力学性质的影响

土石混合体作为一种土和石的特殊混合体,其宏观变形破坏及力学性质与块石的空间定向性密切相关。为了研究块石定向性对土石混合体变形破坏机理的影响,采用二维颗粒流软件中FISH语言编写算法生成不同角度的椭圆形块石,建立土石混合体二维颗粒流数值模型,分别进行了单块石和多块石条件下土石混合体双轴试验数值模拟,对其变形破坏机理进行了深入分析。结果表明:块石角度不同时,土体中裂纹萌生位置不同;随着块石短轴方向与最大主压力轴夹角增大,土石混合体黏聚力先减小后增加,内摩擦逐渐减小;在应力峰值前的应力平缓增长阶段,土体中裂纹迅速增长,在试样强度达到峰值后进入残余强度阶段,裂纹的增速也逐渐降低;块石角度不同时,土石混合体的剪切带破坏形式不同。

公路边坡风化土石混合料力学特性及缩尺效应试验研究

为了得到西部某公路滑坡边上的风化土石混合料的力学特性及其由于试样缩尺的和粒径缩尺造成的影响,对现场取样的3种不同级配风化土石混合料进行了大三轴试验和中三轴试验,系统分析了颗粒尺寸和试样尺寸的缩尺对土石混合料力学特性的影响。结果表明:试样的强度参数与最大颗粒尺寸dmax和试样尺寸D有密切的关联,存在着强烈的缩尺效应。试样的内摩擦角随着颗粒尺寸增大呈现先增大后减小的趋势,内聚力则表现出相反的规律,大尺寸试样较小试样的内摩擦角大,内聚力与小试样基本相同;试样的减缩作用随着最大颗粒尺寸d_(max)的增大而增强,随着试样尺寸D的增大而减弱。同时分析了造成这些差异的原因。

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。

单轴压缩条件下土石混合体开裂特征研究

土石混合体作为一种物质成分和内部结构特征极为复杂的多相多组分散粒材料,其破坏是一个复杂的结构变化过程。应用CT试验和数值模拟方法研究土石混合体的变形破坏特征,指出开裂是土石混合体区别于其他地质体变形破坏的一个显著特征。土石混合体破坏的根本原因是块石与土体的弹性不匹配和土–石界面的差异滑动,破坏的实质是内部裂纹产生、扩展、互锁和贯通的过程。通过对土石混合体开裂机制的研究得出以下结论:(1)基于CT试验的变形特征分析表明试样、块石包裹体及其邻近土体三个感兴趣区域的CT数随应力水平的增加而不断减小,且块石包裹体的CT数变化较土体更为敏感。(2)数值模拟结果表明试样破坏过程经历了土石结合裂纹的萌生、慢裂、快裂致贯通破坏的过程。土石接触面是最薄弱的部位,荷载作用下界面差异滑动引起裂纹的产生,随后裂纹沿块石边界缓慢扩展直至扩展到土体中,受块石形状及分布的影响,裂纹会出现局部化发展和互锁现象。大量裂纹在土体中快速扩展聚集引起试样的破坏。(3)土石混合体的破坏具有渐进性的过程,破坏可分为三级:一是土–石界面的开裂,二是土体中裂纹的扩展、聚集和贯通并且最终导致试样的破坏,三是针对软弱的片岩块石的穿石破坏。

土石混合体的剪切面分形特征及强度产生机制

基于考虑含石量、含水率、块石岩性、初始孔隙比、法向压力5个影响因素的土石混合体室内大型直剪试验,利用剪切面在分形几何学上的统计规律和颗粒流数值模拟方法得到的直剪试验中颗粒的相互作用规律,对土石混合体的抗剪强度产生机制进行研究。结果表明:(1)土石混合体的剪切面呈不规则的起伏形态与块石的存在关系密切,且具有较好的分形特征,分形维数随着含石量和块石强度的增大、含水率和法向压力的减小均呈增大趋势;(2)含石量高于40%时,黏聚力小于30 k Pa;(3)内摩擦角随着含石量的增大、块石强度的增大、含水率的降低、初始孔隙比的降低、法向压力的降低均呈增大规律,且与分形维数满足正相关函数关系;(4)块石附近应力集中较明显,剪切过程中,颗粒间的接触力主要通过迎着剪切方向的接触面传递,而背着剪切方向的颗粒接触面基本不传递力;(5)内摩擦角φ等于剪切面上与颗粒本身接触性质有关的接触面内摩擦角θ0和与剪切面分形维数有关的接触面倾角θi之和,利用此机制可解释直剪试验中强度参数的变化规律。

土石混合体损伤开裂计算细观力学探讨

根据土石混合体的地质成因和细观结构特性,将土石混合体视为由块石、土颗粒团块和土石界面组成的三相复合地质材料。提出土石混合体计算细观计算力学概念,指出土石混合体开裂破坏的计算要综合考虑内部粗颗相块石的形态、空间分布、颗粒级配及含石量等结构特性,同时还应考虑细粒相土颗粒集合体结构和强度特性以及土石界面的发育特征。土石混合体破坏的根本原因是由块石与土体的弹性不匹配,土石界面的差异滑动造成的,破坏的实质是内部裂纹的产生、扩展、聚焦和贯通的过程。土石混合体计算细观力学要解决的问题主要是探讨介质内部细观损伤的扩展过程,寻找用于描述裂纹扩展规律的方法手段。探讨土石混合体计算细观力学的研究内容,将连续介质力学、统计损伤力学和计算力学相结合去研究土石混合体的细观尺度的变形、损伤和破坏的过程,以发展较精细的细观本构关系和模拟土石混合体细观破坏的物理机制,可以更清楚地阐明土石混合的损伤开裂机制,对防灾减灾起到一定的指导作用。

土石混合体细观分形特征与力学性质研究

土石混合体具有强烈的非均质性、非均匀性、非连续性和环境依赖性,从土石混合体的非线性角度出发,采用分形几何理论对土石混合体的细观结构特性进行描述,明确土石混合体重塑样的备制工艺,重点探讨土石混合体单轴压缩条件下应力–应变特征以及与特征强度值之间的联系。得出以下几点结论:(1)含石量作为研究土石混合体力学特性的重要指标,与土石混合体的粒度分维数密切相关,二者满足幂函数关系;(2)根据试样的单轴压缩曲线结合数值计算结果,将土石混合体峰前应力–应变曲线分为接触压密阶段、弹性阶段、慢裂阶段、快裂阶段,峰后表现为应变软化特征;(3)随着试样含石量的增大,土石混合体的单轴抗压强度在含石量为50%时最大,轴向应变随含石量的增大而增加,土石混合体的径向变形更为敏感;(4)数值试验结合土石混合体的室内压缩试验,定义土石混合体土石结合裂缝开裂应力,并用LSR法计算开裂应力值,开裂应力、扩容应力和峰值应力呈线性函数关系。土石混合体具有细观结构的层次性和相似性,应用分形几何学的有关理论研究土石混合体的结构力学特征不失为一个好的思路,可以更好地了解土石混合体这类地质材料的细观结构和力学性质。

基于大型叠环剪切试验的松散土石体强度及变形特性试验研究

松散土石体广泛存在于自然界及实际工程中。以强风化板岩松散碎石料为研究对象,在对松散土石体制样方法成功尝试后,采用大型叠环式剪切试验机对不同相对密度(D_r)及不同干湿状态的松散土石体开展系统力学试验,得到以下主要结论:松散土石体颗粒组构间约束效应及机械咬合弱,其应力–应变曲线无显著峰值,大变形过程主要呈现为颗粒间的滑动摩擦与翻转;对于试验中所选取的3种D_r(0.30,0.35和0.40),干燥状态下松散土石体内摩擦角由D_r=0.30时的13.18°小幅升至D_r=0.40时的13.97°,黏聚力则由6.95 kPa略降至4.90 kPa,湿润和浸水状态下亦呈现此规律,表明相同干湿状态时该松散度区间内土石体强度基本保持稳定;干燥状态松散土石体剪应力峰值显著高于湿润及浸水状态,表现出显著的水敏感性;以D_r=0.40为例,经与常规三轴试验成果对比,凸显了采用叠环式剪切试验研究松散土石体工程特性的优势与适用性。研究初步揭示了松散状态土石体强度及变形特性,其显著的水敏感性可定量解释松散堆积体、松散滑坡等受水的影响而发生大变形或失稳的机制。