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。

土石混合料室内振动压实研究

采用上置式振动压实装置对不同含石量的土石混合料进行了压实研究 ,土石含量不同 ,材料的组成结构亦不同 ,而组成结构决定材料的工程性质。通过研究 ,可将其分为三种不同的结构类型 :多土类、中间类和多石类。根据不同结构类型土石混合料对振动响应的不同 ,总结出了三种结构类型土石混合料的最佳室内成型工艺 。

土石混合料的压实特性研究

基于某大型场平工程填筑质量抽检结果,探讨了粗料含量(粒径大于5mm颗粒含量)、填料最大粒径以及填料级配情况对土石混合料现场压实特性的影响。研究发现:当粗料含量逐渐增加时干密度呈逐渐增大趋势,但达到90%左右时,干密度离散性较大,建议粗料含量的合理值为60%～80%;同样,当填料最大粒径逐渐增大时干密度也随着最大粒径的增大而呈逐渐增大趋势,但当超过松铺厚度(800mm)的30%以后,干密度则逐渐减小,且离散性较大,建议最大粒径的合理值为松铺厚度的30%;填料级配良好与否和压实特性无明显的相关性,但级配应连续。该研究对类似工程有一定的借鉴意义。

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。

高填方土石混合料强夯振动响应及加固机理研究

基于土石混填料强夯加固的大型现场振动速度测试的试验成果,深入地分析了质点振速和波形在强夯过程中的传播及演化,以此研究了1000 kN·m夯击能作用下土石料填筑体的内部质点的振动响应及强夯加固机理。结果表明:土石料在强夯作用下土体内部仅有冲击波和振动波两种振动形态;提出了强夯起始加固临界振速的概念和确定方法,并给出相应的振速值;通过分析填筑体空间振速演化规律,阐述了粗粒土石混合料的强夯加固机理,将强夯过程分为加固发展阶段和加固退化阶段。为工程条件下强夯施工层厚给出指导性建议。

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。

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。

土石混合料固结湿化变形试验研究

堰塞坝料大多为土石混合料且级配分布范围较宽,其湿化变形影响坝体的长期稳定安全。选择典型的具有宽级配特征的三组试验材料,采用大型固结仪开展固结湿化试验。根据试验结果,分析了竖向应力对湿化应变的影响规律,发现湿化应变随竖向应力的增大呈对数趋势增大,且在高应力范围内应力增大时湿化变形增量更为显著;探讨了材料级配特征对湿化变形的影响,对于级配特征值均较小且细颗粒含量较高的材料,湿化变形更为显著;基于湿化变形试验时程规律,建立了四参数双曲线型的固结湿化变形模型,模拟结果较为准确,能较好地反映宽级配粗粒料固结湿化变形特征。

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。

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。

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.

土石混合料固结流变试验研究

堰塞坝料大多为土石混合料且具有级配分布范围较宽的特点,其流变变形将影响堰塞坝的长期运行安全。本文选择典型的反映宽级配特征的三组试验材料,采用大型固结仪开展固结流变试验。根据试验结果,分析了竖向应力对流变应变的影响规律,发现流变应变随竖向应力的增大呈对数趋势增大,且在高应力范围内应力增大时流变变形增量更为显著;探讨了级配特征对流变变形的影响,认为级配良好且不均匀系数较大的材料,流变量值相对较小,而对于级配特征值均较小且细颗粒含量较高的材料,流变量值更为显著;基于流变试验时程规律,建立了四参数双曲线型的固结流变模型。模型结果较为准确,能较好地反映宽级配粗粒料固结流变特征。

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。

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。

土石混合料强度特性的试验研究

开挖山体得到的土石混合料因强度高、施工方便而被广泛用作路基或基础的填料,但由于受地质条件、含石量、粒度分布范围及颗粒粒径等因素的影响,土石混合料的力学性质表现出明显的非线性,强度指标无法通过常规的试验设备检测,导致应用土石混合料填筑的路基或基础经常出现较大的差异沉降或滑塌,严重影响上部结构的使用。为了研究土石混合料的强度特性及其随各影响因素的变化规律,对室内大型直剪试验进行了改进,研制了新型的大型直剪试验系统,对不同类别土石混合料在不同影响因素下进行了击实试验和大型直剪试验。研究发现,在高应力条件下,土石混合料的剪切破坏不再完全符合库仑定律,抗剪强度应进行一定的折减;试验结果揭示了土石混合料的强度指标随各主要影响因素的变化趋势,初步建立了土石混合料指标随各影响因素的变化规律。结果还表明,母岩性质及含石量对混合料的强度指标影响较大,硬岩类混合料的内摩擦角普遍比软岩类高,混合料的强度随含石量变化规律为,当含石量小于30%时,含石量的变化对强度影响较小,随含石量的增加,混合料的强度也呈抛物线形增长,一般至含石量为70%左右达到峰值。

土石混合料振动击实试验的PFC^(2D)模拟研究

笔者在文中针对土石混合料振动击实过程中颗粒运动规律和密度形成机理问题,引入PFC2D颗粒离散元方法,模拟了一定级配条件下不同土石比的土石混合料的振动击实过程,探讨土石混合料振动击实中颗粒的微观运动和结构性能,得到了一些比较理想的结论.