土石混合體的細(xì)觀力學(xué)特性研究.pdf

1、不同成因的土石混合體邊坡在我國(guó)分布廣泛。為了對(duì)這類(lèi)邊坡進(jìn)行有效防治，有必要對(duì)土石混合體的物理力學(xué)行為進(jìn)行系統(tǒng)研究。土石混合體是由塊石、細(xì)粒土以及分布其間的孔隙構(gòu)成的典型的非均質(zhì)顆粒混合系統(tǒng)，其力學(xué)行為受到含石量、塊石形狀和塊石的空間分布等諸多因素的影響?，F(xiàn)有的巖土力學(xué)理論不足以對(duì)這種特殊地質(zhì)材料的力學(xué)行為進(jìn)行準(zhǔn)確描述。為了加強(qiáng)對(duì)這類(lèi)特殊巖土材料力學(xué)行為的理解，有必要探究其宏觀力學(xué)行為和細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性間的聯(lián)系?；诖?，以細(xì)粒土為砂土的土石混

2、合體為工程背景，采用離散元數(shù)值試驗(yàn)對(duì)土石混合體的宏細(xì)觀力學(xué)行為展開(kāi)了研究。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)采用室內(nèi)靜力加載試驗(yàn)探究了含石量（0％、10％、30％、53％和70％）對(duì)土石混合體邊坡漸進(jìn)破壞過(guò)程及模式的影響，并引出下文其他章節(jié)的研究問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)含石量將影響邊坡的荷載-位移曲線(xiàn)形式:當(dāng)含石量小于30％時(shí)，邊坡荷載峰值受含石量的影響較小;當(dāng)含石量達(dá)到70％時(shí)，邊坡荷載隨加載位移持續(xù)增加，并當(dāng)位移達(dá)到較大值時(shí)仍未出現(xiàn)明顯

3、的軟化行為。含石量30％和70％與物理試驗(yàn)觀測(cè)到的含石量閾值基本一致。通過(guò)PIV(Particle Image Velocimetry)分析揭示了邊坡在靜力超載作用下漸進(jìn)貫通破壞的過(guò)程。對(duì)比不同含石量邊坡的PIV分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)剪切帶均呈“y”型，并探究了含石量對(duì)局部剪切帶發(fā)展過(guò)程的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)剪切帶發(fā)展過(guò)程中的“單邊”和“分叉”兩種繞石模式。當(dāng)含石量低于30％時(shí)，邊坡呈整體破壞形式，而當(dāng)含石量大于53％時(shí)，邊坡呈局部分級(jí)破壞形式。

4、r>　　(2)物理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土石混合體的峰值抗剪強(qiáng)度存在含石量閾值現(xiàn)象，尚未有研究揭示其細(xì)觀機(jī)制?；陔x散元數(shù)值雙軸試驗(yàn)，采用提出的不同接觸類(lèi)別賦予不同摩擦系數(shù)的新方法，重現(xiàn)了物理試驗(yàn)中觀測(cè)到的土石混合體峰值抗剪強(qiáng)度隨含石量的變化規(guī)律?；诮M構(gòu)各向異性分析，闡明了土石混合體峰值抗剪強(qiáng)度隨含石量變化規(guī)律的細(xì)觀組構(gòu)異性機(jī)制。定量評(píng)估了塊石-塊石接觸、塊石-土接觸和土-土接觸對(duì)峰值抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，提出了一種土石混合體分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)特定類(lèi)別間含石

5、量界限值即為閾值，且閾值受接觸摩擦系數(shù)的影響較小，從而揭示了閾值現(xiàn)象的細(xì)觀機(jī)制。最后研究了含石量達(dá)到閾值時(shí)的顆粒排列結(jié)構(gòu)，對(duì)于圓盤(pán)和球體二元混合體，當(dāng)粗顆粒的平均局部配位數(shù)分別達(dá)到2.0和3.4左右時(shí)，二元混合體的力學(xué)行為開(kāi)始由粗顆粒所控制。
　　(3)對(duì)多球體構(gòu)成的橢球試樣進(jìn)行了一系列數(shù)值三軸試驗(yàn)，探究了長(zhǎng)短軸之比(即AR)對(duì)顆粒材料宏細(xì)觀力學(xué)行為的影響。試樣的峰值抗剪強(qiáng)度隨AR先增加后減小，而殘余抗剪強(qiáng)度隨AR逐漸增加。應(yīng)力剪

6、脹關(guān)系分析發(fā)現(xiàn):不同AR試樣的峰值內(nèi)摩擦角φp，殘余內(nèi)摩擦角φc和峰值剪脹角Ψp滿(mǎn)足φp=φc+0.62Ψp。其他文獻(xiàn)探究AR對(duì)宏觀抗剪強(qiáng)度的影響結(jié)果與本文結(jié)果一致，驗(yàn)證了本文多球體構(gòu)成Clump模型的有效性。顆粒的平均接觸數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨AR逐漸增加，導(dǎo)致顆粒的平均旋轉(zhuǎn)角度隨AR逐漸降低。剪切過(guò)程中顆粒旋轉(zhuǎn)使橢球體定向排列:隨著AR增加，橢球體更趨于“平躺”排列。以組構(gòu)異性分析為基礎(chǔ)建立了宏細(xì)觀力學(xué)行為的聯(lián)系，并揭示了峰值和殘余抗剪強(qiáng)度

7、的組構(gòu)異性機(jī)制。
　　(4)采用CT掃描不同塊石顆粒建立顆粒形狀庫(kù)，基于此建立土石混合體三維數(shù)值模型并進(jìn)行了一系列三軸試驗(yàn)，探究了礫石形狀和含石量對(duì)土石混合體宏細(xì)觀剪切特性的影響規(guī)律。當(dāng)含石量達(dá)到60％-70％時(shí)，土石混合體內(nèi)逐漸形成了礫石的骨架結(jié)構(gòu)，此時(shí)峰值和殘余抗剪強(qiáng)度隨含石量迅速增加。應(yīng)力剪脹關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)剪脹作用對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)隨含石量先增加后減小。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)顆粒形狀影響石-石接觸、石-土接觸和土-土接觸對(duì)峰值抗剪強(qiáng)度的貢