基于傅里叶近似法的S-RM细观损伤过程研究

为了明确土石混合体(S-RM)的细观损伤演化过程,基于现场水平推剪试验,采用离散元数值模拟方法,开展S-RM水平推剪数值实验研究,分析S-RM的力学特性和细观损伤演化特征.基于傅里叶近似法,提出微裂纹各向异性定量评价方法.根据S-RM变形破坏过程中微裂纹各向异性演化特征,划分了S-RM水平推剪细观损伤阶段,通过分析各细观损伤阶段的裂纹扩展特征及发展规律,揭示了S-RM剪切滑动面形成机理.试验结果表明,微裂纹各向异性程度随着剪切位移的增加而增强,当主裂纹形成后不再有明显变化,微裂纹主要分布在0°~45°与135°~180°;微裂纹的产生主要由于颗粒间的拉应力导致,拉裂纹的各向异性程度明显大于剪切裂纹;土体中微裂纹的贯通导致多条宏观裂纹的形成,由于块石的翻转宏观裂纹逐渐扩展形成一条绕石宏观主裂纹,S-RM沿着主裂纹滑移形成绕石剪切滑动面;滑动面的倾角为34°,与主裂纹倾角和微裂纹在0°~90°的平均角度一致.

土石混合体细观结构及力学特性数值模拟研究

土石混合体是一种非常复杂的不连续介质。随着数字图像处理理论的飞速发展,数字图像处理技术已经成功地应用于多种学科领域。通过利用数字图像处理技术建立土石混合体细观结构“概念模型”,并对其内部块体分布的结构特征进行统计分析研究,研究结果表明土石混合体的“混乱”状态只是其外在表现,其内部块体的分布具有良好的统计自相似性特点。利用几何矢量转换技术,将二元数字图像下土石混合体的概念模型转换为有限元软件可以接受的矢量格式,从而为土石混合体细观结构数值模拟提供基础。土石混合体大尺度直接剪切试验的数值模拟结果表明,土石混合体中的块石对其内部应力场具有明显的影响,从而影响了其相应的变形破坏形式。提出了内部塑性区扩展可能存在的3种模式。

基于数字图像的非均质岩土材料细观结构PFC^(2D)模型

提出了一种基于数字图像处理的非均质岩土材料细观结构PFC2D数值计算模型自动生成方法,并采用VC++.NET编写了相应的接口程序.从而实现了非均质材料细观结构PFC2D软件建模的快速、真实及自动化等优点.通过对土石混合体这一典型非均质岩土材料的建模及分析实例,建立了土石混合体真实的细观结构PFC2D数值计算模型.分析计算表明,基于数字图像处理的PFC2D模型生成技术不但提高了建模和数值模拟分析的精度,而且对于进一步研究土石混合体等非均质材料的细观力学特征具有重要的意义.

土石混合体直剪离散元数值试验研究

工程中普遍存在的土石混合体以其复杂的工程地质力学性质越来越受研究者的关注。由于"块石"的存在使得土石混合体在细观层次上呈现明显的结构性特征,这种结构性将影响甚至控制着其变形破坏机制及宏观力学特征。本文借助三维颗粒离散元分析软件YADE分别从含石量、试样尺寸、强度特性等角度对土石混合体的力学性质开展了一系列的数值直剪试验研究工作,并取得了一些有意义的研究成果:在含石量及粒度组成相同的情况下土石混合体的宏观抗剪强度及剪胀性随着试样尺寸的增加而呈现降低趋势,而在相同试样尺寸下将随着含石量的增加而增加;内部块石的存在影响着其细观应力状态,从而影响其宏观力学特性。

含石量对土石混合体剪切特性影响的颗粒离散元数值研究

采用基于PFC^(2D)接触黏结模型的离散元数值模型,探讨含石量变化对土石混合体剪切特性的影响。利用室内大型直剪试验对表征土石混合体细观力学性质的模型参数进行标定,模拟分析了4种不同含石量土石混合体在4种不同围压作用下的剪切特性。试验结果表明:相同法向应力作用下,含石量越高,峰值剪应力越大,达到峰值剪应力时的剪应变越大,软化后强度越高,剪胀特性越强,剪切"跳跃"现象越明显。土石混合体摩擦角随含石量增高而增大;黏聚力随含石量增高而减小,含石量超过50%后基本不变。相同含石量的土石混合体,法向应力越高,峰值剪应力越大,应变软化特性越强。土石混合体剪切过程中以克服摩擦能和应变能为主,动能变化几乎为零。

基于数字图像处理的土石混合体细观结构

为了研究土石混合体这类复杂的岩土体的内部细观结构特征,利用现代数字图像处理技术对研究区选取的土石混合体断面图像进行了分析,获得了其中所包含的丰富信息,建立了其各自相应的细观结构的"概念模型"。并在此基础上对研究区分布的土石混合体的粒度、块体表面分维、块体定向性分维及形态特征等内部细观结构进行了相应的统计分析研究。其结果表明土石混合体的"混乱"状态只是其外在表现,其内部块体的分布具有良好的统计自相似性特点。

土石混合体概念、分类及意义

土石混合体的概念是随着当今各类大规模工程建设的开展而逐渐被提出来的,其物理力学性质的研究也是岩土力学及地质工程界共同面临的研究课题。由于目前对土石混合体的研究仍然处于初级阶段,在传统的岩土体分类体系中未将其独立出来,且未见有对土石混合体这一复杂岩土介质的概念及相应分类体系的系统论述。本文在总结目前国内外岩土体分类体系及以往研究成果的基础上,对土石混合体的概念及其关键问题进行了详细的论述,指出土石混合体是指第四纪以来形成的,由具有一定工程尺度、强度较高的块石、细粒土体及孔隙构成且具有一定含石量的极端不均匀松散岩土介质系统,其中可视粒径、土/石阈值、"土"与"石"的强度特征及含石量四个参数是土石混合体概念中的关键问题。

土石混合体研究现状及发展趋势

在总结国内外有关土石混合体方面的研究资料的基础上,分别从土石混合体的细观结构特征、抗剪强度特征、宏观弹性参数特征、渗透性特征、细观结构与强度关系及细观力学数值试验等6个方面,对土石混合体研究成果进行了综述。在此基础上,对目前有关土石混合体物理力学性质研究方面存在的不足进行了总结,分析了其未来的发展趋势,指出综合利用地质学、几何学、计算科学、图像处理技术、形态学等多学科交叉技术对土石混合体的细观结构进行三维重建和随机生成;开发适用于复杂岩土介质的数值结构模型和新型实验设备,从细观结构层面深入研究土石混合体宏观变形与破坏机制并建立其结构化本构模型是未来发展的方向。

土–石混合体随机细观结构生成系统的研发及其细观结构力学数值试验研究

土–石混合体的细观结构特征在很大程度上影响了其在外力作用下的细观损伤演变机制及所表现的宏观力学行为。从土–石混合体的细观结构特征出发,开展一系列相关细观力学特征研究工作,将对于深化土–石混合体力学理论研究体系具有重要的意义。运用统计学、几何学、随机模拟等多学科交叉技术,开发基于任意凸多边形及椭圆形块石的土–石混合体细观结构随机生成系统——R-SRM2D。基于R-SRM2D,从土–石混合体的含石量、粒度组成、块体空间分布及土–石界面类型等特征的差异性出发,运用数值试验的方法研究土–石混合体细观结构的差异与其细观损伤机制及宏观力学行为的关系。在理论上取得一些有意义的研究成果:随着含石量的增加,土–石混合体弹性模量及单轴抗压强度呈上升趋势;在含石量一定的条件下,试样的宏观强度随着块石粒度维数的增加而略有降低;当块石长轴与主压力轴近于正交或平行时,其抗压强度最大;当块石长轴与主压力轴成(45°-?s/2)时,其抗压强度最小;土–石界面的胶结使得土–石混合体的宏观强度发生明显的改善,其单轴抗压强度增加约1倍。

土石混合体细观结构渗流数值试验研究

由于构成土石混合体的"土体"及"块石"在物理力学性质上具有极端的差异性,其物理力学性质要较一般的土体或岩体更为复杂。在实际工程中常常因对土石混合体物理力学性质的认识不足,而给工程建设带来不同程度的问题。尤其是在我国西南地区大型水电工程建设中,土石混合体通常是构成库区边坡、滑坡及坝基的主要岩土体。渗透性特征是岩土体物理性质研究的一个重要内容,然而土石混合体的渗透性特征与其内部细观结构具有密切的联系,如果能建立这两者之间的关系将对于土石混合体的研究具有重要的价值。综合运用统计学、几何学、随机模拟技术等多学科交叉,开发了基于任意凸多边形及椭圆形块石的土石混合体细观结构随机生成系统—R-SRM2D。基于R-SRM2D系统,分别从土石混合体的含石量、空间分布、粒度组成等细观结构特征出发,运用数值试验的方法研究了土石混合体的细观渗流场特征、渗透破坏机理及宏观渗透系数与细观结构的定量关系,从理论上取得了一些有意义的成果。

土石混合体原位试验的颗粒流数值模拟分析

基于颗粒流理论和PFC程序,解决了不规则碎石(clump)的生成、恒定法向荷载施加、剪切面的含石量等问题后,建立了土石混合体原位试验的颗粒流数值模型,对不同含石量、法向应力下土石混合体的直剪试验进行模拟,并与原位直剪试验的结果进行比较.结果表明:随着含石量增加,剪切应力及其峰值增大,剪切应力峰值对应的剪切位移减小;在低法向应力条件下,土石混合体表现为剪胀;在高法向应力下,土石混合体表现为先剪缩而后剪胀,并呈现出压剪破坏特征;剪切面附近分布的不规则碎石在剪切过程中出现挤压滑动与滚动,使得剪切破坏面出现凹凸,而且剪应力、法向位移、应变能随剪切位移增加而出现波动和平缓段;数值试验所得剪切应力峰值略高于其试验值,减小模型颗粒半径,可以有效降低计算的剪切应力峰值.

库水位升降作用下大型土石混合体边坡流-固耦合特性及其稳定性分析

以金沙江中游梨园电站坝前大型土石混合体边坡为例,基于精细地质结构模型,研究其在蓄水及库水位骤降过程中的流-固耦合及相应的稳定性变化特征。结果表明:蓄水初期边坡地表变形较为缓慢,当库水位达到某一高程时,其地表变形呈现陡增趋势;在蓄水初期边坡的稳定性有所下降,当上升至某一临界水位后边坡稳定系数达到最低值,而后随着库水位的上升有所回弹;库水位骤降对边坡稳定性影响较大,且其稳定系数下降随着骤降幅度的增大而增大。这些对于指导实际工程及深化库区土石混合体边坡的研究具有一定的理论意义。

基于附加质量的土石混合体边坡地震响应研究

基于附加质量法,并利用ABAQUS强大的二次开发功能,对金沙江中游梨园水电站左岸一土石混合体边坡在蓄水后地震作用下的稳定性进行分析研究。结果表明:在整个地震历程中,边坡岩土体运动速度不但在数值上呈现波动,而且其运动方向也呈现急剧的变化,这种循环往复的变化将是导致岩土体失稳的重要原因;在地震波传播过程中,由其产生的巨大冲击波使边坡浅部岩土体整体朝向坡外运动,但由于库水压力的作用,库水位以下边坡体呈现向坡外水平运动,而库水位以上边坡岩土体呈现向上运动现象;在地震作用下该边坡虽然出现不同程度的塑性屈服,但是未形成贯通的塑性区,整体稳定性较好。

循环荷载下土石混合体力学特性野外试验研究

土石混合体是一种物理、力学性质非常复杂的不连续介质。以云南某高速公路土石混合体边坡为例,分别对选取的3个试验点进行了单调加载、循环加载一次及多次循环加载试验,获取了其相应的剪切位移-剪切应力关系曲线,并对其曲线特征进行分析研究。通过对试样三维滑动面的形态分析,指出由于土石混合体三维滑动面的不规则性,利用传统的二维计算方法难以得到较为准确的强度参数。基于三维极限平衡理论,提出了土石混合体水平推剪试样强度参数的三维数据计算方法。并利用该方法得到了研究区土石混合体的相应的强度参数及残余强度参数。

基质胶结对土石混合体强度变形特性影响

利用应变控制式静力三轴剪切仪,对具有不同胶结程度和含石量的土石混合体试样进行了固结不排水剪切试验;通过对制备的土石混合体试样的应力-应变关系、孔隙水压力变化、有效应力路径和抗剪强度指标等试验结果的对比分析,探讨了不同胶结程度土石混合体试样的差别及产生原因。试验结果表明:不同胶结程度土石混合体破坏方式可分为剪切带破坏和鼓肚变形破坏两种基本类型;胶结使得土石混合体应力应变关系和孔隙水压力变化与未胶结土石混合体差异明显,胶结作用对土石混合体的剪胀和软化特性影响显著。在块石软硬程度、形状及试样密实度相近的条件下,不论是否胶结或胶结程度如何,土石混合体有效内摩擦角φ’与无量纲粒度分布特征参数D50WBP/D60具有较好的线性相关性。试验结论为确定不同胶结程度土石混合体强度提供了参考。

含石量对软质岩土石混合料土力学特性影响研究

在中国西南地区边坡工程中大量存在含软岩的土石混合体(S-RM),其力学特性与软岩破碎特性有别于以往研究的块石强度较高的土石混合体。本文通过大型室内剪切仪开展了不同含石量(WBP)的剪切试验研究含石量对软岩土石混合体力学特性的影响,基于筛分试验研究软岩块石破碎特性,结果表明:当S-RM密度一定时,随着WBP的增加,SRM剪切强度增加,应变硬化现象增强; S-RM黏聚力随含石量的增加呈线性增长,内摩擦角在含石量为20%～60%时随含石量的增加呈线性增长; S-RM在剪切破坏过程中软岩块石出现破碎现象,当法向应力一定时,块石破碎率随土石混合体含石量增加而增长; S-RM块石破碎率随内摩擦角增加呈指数形式增长,表明块石之间咬合作用越大,块石的破碎程度越高。

细粒土体及加载速率对土石混合体力学行为的影响

土石混合体在工程中广泛应用于填筑和路基等领域,其力学行为对工程结构的稳定性和安全性具有重要影响。文章通过对含石量相似但细粒土为非黏性和黏性2种不同材料的试样,采用室内三轴试验开展相关研究,研究细粒土特性及试验加载速率对土石混合体力学行为的影响。结果表明:(1)在排水条件下,细粒土体为非黏性的试样展现出较高的强度特征,而在不排水条件下,细粒土体为黏性的试样则表现出更高的强度,这一发现凸显了细粒土特性在不同排水条件下对土石混合体强度的重要影响;(2)加载速率变化对土石混合体力学行为的显著影响,较快的加载速率导致内部块石颗粒更剧烈的运动、旋转和更频繁的破坏,从而影响了土石混合体的宏观力学特性。研究成果可为土石混合体工程的设计和施工提供参考。

基于真实块石形态的土石混合体细观力学三维数值直剪试验研究

块石形态是影响土石混合体细观结构及宏细观力学特性的一个重要因素。提出一种基于真实块石形态的土石混合体细观力学研究方法,首先采用三维扫描技术建立块石三维形态数据库,然后根据粒度组成生成试样内部块石三维空间分布模型,从而构建土石混合体的数字模型。利用所提出的基于多球颗粒均匀接触的复杂块体表征算法,实现任意复杂形态块体的多球颗粒均匀、紧密接触填充。基于上述方法,建立土石混合体离散元数值计算分析模型,并协同现场试验结果开展三维数值直剪试验研究。根据土体的现场试验结果反演得到离散元数值试验中土颗粒的细观接触力学参数,将其应用于土石混合体数值试验得到了较好的效果。通过数值试验研究表明,土石混合体在剪切过程中的块石效应,使剪切带变得更加宽厚和曲折,在宏观上造成了试样的内摩擦角有增高趋势;而由于块石含量增加,使得其黏结作用的土体含量减小,从而在宏观上表现为试样黏聚力呈略有降低趋势。