块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响研究

作为一种非均质材料,土石混合体的宏观力学性能与其内部块石细观结构密切相关。在外荷载作用下,土石混合体中存在块石骨架结构和非结构性土体两种荷载传递体系。该文从荷载传递路径和剪切路径发展两个角度,对块石的结构效应进行了分析,明确了块石长轴倾角这一细观因素对土石混合体抗剪强度的影响机理。将土石混合体视为由块石和土体基质组成的两相复合材料,采用椭圆形描述块石,建立土石混合体细观分析模型,并开展了300组双轴压缩试验。进而从主应力差值、内摩擦角及黏聚力三个角度,针对块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响规律进行了分析。结果表明:当块石长轴倾角在0°~90°变化时,土石混合体的主应力差值及强度参数均呈现出先减小后增大的趋势;当块石长轴倾角为45°+φ_s/2时,主应力差值及强度参数均取得最小值;主应力差值及强度参数随块石长轴倾角的变化规律均可采用抛物线方程描述。     

块石含量和空间分布对土石混合体抗剪强度影响的离散元分析

土石混合体的抗剪强度在很大程度上取决于其块石的含量、空间分布、形态等参数。该文采用球体单元模拟土颗粒,通过组合颗粒单元构造非规则形态的块石,对不同含石量和块石空间分布下土石混合体的直剪过程进行了离散元数值模拟。计算结果表明,在低含石量下,土石混合体的抗剪强度随含石量的增加而增加;在中含石量下,受块石空间分布的影响,其抗剪强度呈现很强的波动性;在高含石量下,其抗剪强度显著增强,波动性相对较小。抗剪强度在中高含石量下波动现象的细观机理是块石空间分布影响下的力链结构特性。当块石的空间分布使其形成较强力链结构时,抗剪强度较高;反之,块石间的力链结构不稳定,抗剪强度相对较低。以上研究有助于从细观尺度揭示土石混合体变形和剪切强度特性的内在机理。     

土石混合体宏观力学性能研究的细观等效分析方法

土石混合体在组成结构、力学性质和变形行为等方面显著区别于均质土体和岩石。结合土石混合体的细观结构特征,将其看作由块石和土体基质组成的两相复合材料,提出了土石混合体宏观力学特性分析的细观尺度多步等效化分析方法,继而对该分析方法中两个核心问题,即块石粒径阈值及复合材料等效化问题分别进行了研究。该方法的本质思想是:首先将较小粒径块石与土体基质进行均匀化处理,获得其各向同性的等效均匀介质;其次,将较大粒径的块石投放进等效均匀介质中,形成新的混合体,进而再次基于有限元数值方法对新混合体的力学特性及变形规律进行研究。基于该套分析方法对某土石混合体三轴加载排水试验进行了模拟与分析,发现该文方法获得的结果与试验结果吻合良好,验证了方法的有效性。     

一个基于细观物理机制的土石混合料抗剪强度理论模型

土石混合料是由多粒组矿物颗粒集成的多相天然地质材料,具有显著的跨尺度层次物质群体自然特征。为考虑不同粒组颗粒对土石混合料抗剪强度的影响,根据土石混合料变形时不同粒组颗粒的细观运动特征,将其划分为基体和块石两相复合材料。基于剪应力绕流效应和Eshelby-Mori-Tanaka等效夹杂平均应力原理建立考虑块石转动位移的土石混合料细观抗剪强度理论模型。制备不同块石含量的土石混合料工程原位试样进行3组现场大型直剪试验,分析块石含量对土石混合料抗剪强度的影响规律并确定模型参数。试验结果和理论研究均表明:块石显著影响土石混合料的变形特征且土石混合料的抗剪强度随块石含量的增加而增加。基体的剪应力绕流效应诱发块石产生转动抗力和基体出现应力集中而导致土石混合料在变形时比纯基体材料储存或释放更多的能量,是块石对土石混合料抗剪强度增益的细观物理机制。基于细观物理机制的土石混合料剪应力-剪切位移计算公式,初步验证了理论预测与试验结果的一致性。     

基于三维扫描技术的土石混合体离散元模型参数反演及直剪模拟

利用三维扫描技术构建不同粒径的真实块石形状数据库,并建立不同含石量的土石混合体离散元随机模型.采用正交试验设计原理,分析试样宏细观参数间力学敏感性并建立两者的线性方程,结合物理试验对模型进行参数标定.对不同法向应力、不同含石量的土石混合体进行直剪模拟,结果表明:岩土体在剪切过程中,剪应力逐渐增大,变形先剪缩后剪胀;增加法向应力,试样抗剪强度提高,剪缩程度增大,但初始模量变化微弱;低含石量下剪力无明显峰值,应变硬化现象显著,变形以剪缩为主,随着含石量增加,初始模量及抗剪强度升高,高含石量下出现应力峰值,之后表现为应变软化,剪胀性突出.土石混合体增加法向应力或含石量,均会提高其初始配位数和力链强度,其中增加法向应力,配位数整体水平上升;在剪切过程中,低含石量下配位数呈递增趋势,高含石量下配位数逐渐减小,配位数不会持续增或减,当达到临界值时与试样体积一同趋于稳定;含石量越大剪切带越宽厚,剪切面周围速度及位移变化梯度较大,剪切中后期试样内出现逆时针涡旋速度场;动剪切盒内配位数较大,静剪切盒内配位数较小,剪切带处配位数波动幅度最大;岩土体中弱力链散乱稀疏,强力链分布集中,剪切时力链强度先增大后减小,逐渐发散变粗并沿对角线延伸,最终贯穿剪切区域.     

不同含石量条件下土石混合体击实特性试验研究

为探讨土石混合体填料的压实特性,对不同土石含量分布、不同含水量条件下的土石混合体进行了室内击实试验,对制备含石量为10%、30%、50%、70%和90%的土石混合体试样进行重型击实试验,得到土石混合体最大干密度、最佳含水量和含石量间的关系曲线。研究结果表明：不同含石量的土石混合体最佳含水量在4.3%～7.1%,最大干密度在2.211g/cm3～2.279g/cm3,与含石量相比,含水量对土石混合体最大干密度影响更大,在土石混合体的压实过程中,应严格控制最佳含水量。     

考虑含石量和坡度不同组分下颗粒流冲击刚性结构的力学模型研究

桥梁箱梁结构在土石混合体滑坡或者崩塌灾害冲击下受损破坏现象较为普遍,而含石量和坡度是影响箱梁结构冲击和破坏的重要因素。因此,采用离散元素法(DEM)模拟不同含石量和坡度作用下刚性结构的动力响应。结果表明:含石量越大,坡度越大,颗粒流的动能耗散率耗时越短,冲击力越大;含石量对冲击力的影响程度比坡度小;土石耦合作用要比细颗粒土或块石颗粒单独作用对法向力影响大;基于模拟结果构建土石混合体冲击刚性结构的力学模型,推导出冲击力及其作用距离方程。为验证构建的力学模型的可靠性,将模型冲击力计算结果与Jiang模型、Adel模型及模拟结果进行对比发现模型的冲击力计算结果与模拟结果基本吻合。研究结果可为该类灾害的防治提供参考。     

剪切带内部应变(率)分析及基于能量准则的失稳判据

应用应变梯度塑性理论对局部化剪切带内部(塑性)剪应变(率)规律进行了理论分析。研究了剪切降模量及岩石材料内部长度等参数对剪切带内部应变(率)的影响。推导了剪应力(率)与剪切带相对错距(速度)的本构关系。研究了剪切降模量和岩石材料内部长度对剪切带稳定性的影响。将岩石试件直剪试验试验机简化为钢块,采用能量准则对岩石试件(剪切带)及钢块系统的稳定性进行了理论研究,提出了系统失稳判据。研究表明:岩石材料的剪切降模量越大,岩石材料的内部长度越小,试验机的剪切刚度越小及试验机的等效高度越大剪切带--钢块系统越容易失稳。     

土石混合体斜坡地质结构精细探测方法及应用

为了深入挖掘土石混合体滑坡产生问题,该文对该类混合体的斜坡地质结构的探测方法展开探究,通过优化探测方法,获取更为精准的斜坡地质结构信息。采用高分辨地球物理勘探技术,获取土石结构中多项指标数据,通过开挖坑槽处理,补探目标岩性单元特征信息,采用图像技术加以处理,耦合宏观结构和细微结构探测信息,生成最终探测结果。通过观察探测结果可知,该文提出的精细探测方案能够改善斜坡地质结构探测水平。     

岩体空间变异性对边坡可靠性的影响研究

岩体特性研究是边坡稳定性研究的前提和基础,岩体力学参数取值合理与否,直接关系到工程的安全性和经济性。本文应用地质统计学的理论和方法,对现场实测的岩体强度参数进行了分析,求出了反映岩体性质的参数：相关距离和相关函数,并将其用于边坡的稳定性分析中。结果表明,考虑岩体强度的空间变异性可提高边坡的可靠性指标。     

渗流作用下边坡最危险圆弧滑面的优化解

分析地下水渗流对岩土边坡稳定性的影响,推导了透水边坡在地下水渗流条件下边坡稳定系数的解析表达式,采用非线性规划中的变尺度方法,求出最危险圆弧滑动面的位置。在高孔隙水压力条件下,采用简单条分法(W.Fellenius)和变尺度法首先确定最危险圆弧滑面的位置,然后,再利用严格解的Spencer方法或Morgenstern-Price方法,求最危险滑面的稳定系数。计算了某工程路堑边坡稳定系数和渗流对边坡稳定性的影响系数。     

影响岩质边坡稳定性的工程地质因素浅析

本文阐述了岩质边坡形成以后影响其稳定性的各种因素,说明了岩质边坡的变形破坏是各种内在和外在地质因素综合作用的结果,并细述各种地质因素对其稳定性的影响。在研究各种单一因素的基础上找出它们之间的彼此的内在联系,进而对岩质边坡的稳定做出评价。     

土坡中剪切带形成过程的数值模拟

为实现对土坡中剪切带扩展过程的模拟,该文将区域控制扩展分析方法嵌入改进的扩展有限元(XFEM)程序中构建了可追踪土中剪切带扩展过程的模拟系统,并利用此系统对两个土坡中剪切带形成过程的算例进行了模拟研究,验证了其合理性。结果表明,区域控制扩展分析方法可较好地描述剪切带尖端应力集中和重分布对剪切带扩展方向的影响,同时为土中剪切带扩展方向的判断提供了更合理的区域占优假定,从而使得基于区域控制扩展分析方法的XFEM程序能够合理地描述和追踪土坡中剪切带的扩展过程和路径。     

边坡稳定性分析与加固综述

边坡稳定分析一直是岩土工程中的重要研究内容,边坡按组成物质可分为土质边坡和岩质边坡。其物质构成并无本质的差别,但其在结构上完全不同。两种边坡稳定性分析为边坡预测预报及整治提供依据,边坡加固为边坡稳定提供了保障。目前,边坡稳定性分析采用的主要方法有定量分析方法、定量分析方法。而在加固过程中主要针对岩体边坡的破坏形式及影响因素这两个方面来进行。本文就是针对边坡的稳定性分析和加固方法,以及破坏形式及影响因素等问题进行地综述。     

土工合成材料加筋边坡剪切屈服区特性和破坏模式

用有限元分析方法模拟筋材与土的相互作用,分析加筋边坡的稳定性,研究边坡加筋后剪切屈服区特性和破坏模式的变化,以及加筋层数和筋材拉伸模量的影响。结果表明,加筋后边坡的剪切屈服区和破坏模式发生改变,筋材拉伸模量和加筋密度不同,加筋边坡的破坏形态也不相同。筋材拉伸模量过低时,加筋边坡的剪切屈服区与素土边坡接近,加筋的稳定效果不明显,即便增大加筋密度对边坡安全系数的提高也不大;随着筋材拉伸模量增大,加筋的稳定作用增强,且随加筋层数增加,边坡的剪切屈服区宽度增宽,并向边坡内部和基础发展;对于加筋密度相同的加筋边坡,随着筋材拉伸模量的增大,边坡将呈现三种典型的破坏模式。     

爆破作用下岩溶对边坡稳定性的数值模拟研究

露天矿山在爆破过程中势必会给边坡稳定性造成影响，特别是边坡处于岩溶发育区时更容易造成边坡失稳，为了研究在爆破作用下岩溶对边坡稳定性的影响，本文依托塘垭石灰岩矿山边坡工程，以该矿山+1014 m平台出露岩溶为研究对象，利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件进行数值模拟，考虑爆破振动效应影响，得到了围岩的应力分布，重点对比分析了有无溶洞条件下，爆破对边坡应力、爆破振速、边坡岩体损伤以及边坡有效应力产生影响的差异。研究结果表明：在台阶爆破时，由于溶洞的存在，使得台阶出现受力改变，出现多次应力集中现象，但台阶受力产生的应力值仅有7.6 MPa,仍无法达到破坏岩体的程度；不同空间位置的监测点，由于溶洞的存在，振动速度的差值变大，且垂直方向比水平方向的振动速度变化更大，尤其是空间位置靠近边坡坡面的监测点，对这种情况的反应更加明显，边坡坡面的监测点振动速度差值最大约1 cm/s,未超过安全允许振速；在爆破次数不断增加的过程中，岩体内部的损伤也在逐步加剧，且损伤在有溶洞的影响下更为明显，岩溶区半径越大，爆破次数越多，损伤就更为严重；对比前期开展的岩石单轴抗压强度实验得知，尽管溶洞的存在会造成应力...     

基于能量原理的岩样单轴压缩剪切破坏失稳判据

利用能量原理对倾斜的剪切带-带外弹性岩石构成的系统的稳定性进行了研究。单轴压缩岩样沿轴向的变形被分解为两部分,带外弹性岩石压缩引起的变形和剪切带错动引起的变形。后者与剪切带的相对剪切变形具有简单的几何关系。系统的总势能由剪切带的弹性及耗散势能和带外弹性岩石对剪切带所作的外力功构成。剪切带的弹性及耗散势能与剪切带的体积有关系。剪切带的尺寸由梯度塑性理论确定。将系统的总势能对相对剪切变形求一阶导数(等于零),得到了弹性岩石的平衡条件。将总势能对相对剪切变形求二阶导数(小于零),得到了系统的失稳判据。它综合反映了岩石材料弹性及应变软化阶段本构参数(弹性模量及软化模量)、剪切带之外弹性岩石的尺寸、剪切带的尺寸及系统的结构形式(剪切带倾角)对系统稳定性的影响。失稳判据比以往所得到的失稳判据更严格,更精确,更具有广泛意义。     

水利水电工程高边坡加固措施探讨

边坡稳定性问题是水利水电工程中经常出现的问题，而边坡的处理也就自然而然成为了工程作业人员不得不克服的一道难关。工程建设的安全运行与投资，甚至对工程建设的可行性都与边坡的稳定性息息相关。复杂的边坡地质结构使得其影响影响因素也有很多。对于水利水电工程的边坡问题，其应对加固措施可根据施工阶段的不同而采取各种加固方法，这样比采用单一的方法更加牢固，还可以有效的节约成本，进而提高效益。本文简要介绍了水利水电工程的高边坡加固技术的种类及应用。     

强震作用下反倾薄层岩质斜坡倾倒破坏机制及动力响应研究

反倾岩质边坡在三江并流地区具有广泛的发育和分布，其变形和破坏现象在该区域内所有边坡问题中，尤为突出，地震是诱发滑坡的重要动力因素，常常导致大规模的滑坡灾害。以金沙江左岸宗绒历史性堵江滑坡为例，设计并完成了缩尺相似材料振动台物理模型试验。通过加载不同类型的地震波以及不同频率、幅值，研究反倾薄层岩质斜坡的动力响应和变形破坏机制以及软弱破碎带的影响。试验结果表明，反倾岩质斜坡在强震作用下存在高程放大效应和趋表效应，幅值越大越明显。斜坡加速度放大系数增长速率受频率的影响要高于幅值的影响，在不同幅值下，加速度放大系数最大值出现在0.2g～0.3g。软弱破碎带的存在改变了斜坡动力响应特征，其厚度对地震波的放大效应存在明显的差异，为厚层段抑制，薄层段放大。幅值0.3g～0.4g为斜坡启裂的临界动力条件，0.7g～0.8g是斜坡失稳破坏的临界动力条件，其破坏过程大致可以分为3个阶段：(1)形成坡顶张拉裂缝和坡趾剪切裂缝；(2)裂缝的扩展和浅层块体的剪切破坏滑动-块状倾倒；(3)斜坡浅层的主滑面的形成，斜坡破坏。     

颗粒接触摩擦系数空间变异性对颗粒流双轴数值试验的影响

提出了考虑颗粒摩擦系数空间变异性的砂土双轴剪切响应分析方法。采用随机场模型表征颗粒摩擦系数空间变异性,通过Karhunen-Loève展开方法离散接触摩擦系数随机场,编写了基于颗粒流程序PFC2D和MATLAB的随机模拟耦合分析程序。研究了摩擦系数空间变异性对密砂试样的双轴剪切响应影响规律。结果表明:1） 提出方法可有效地考虑颗粒间接触摩擦系数变异性对土体材料双轴压缩宏观力学行为影响;2） 密砂试样在剪切过程中的应力-应变关系曲线、体积-应变关系曲线的变化规律与颗粒间接触摩擦系数不确定性密切相关,在初始加载阶段随机模拟的偏应力曲线、体积应变曲线基本重合,继续加载后曲线开始发散;3） 垂直相关距离对峰值偏应力均值与标准差影响明显大于水平相关距离。颗粒接触摩擦系数的均值对峰值偏应力的影响大于摩擦系数空间分布的影响。摩擦系数的空间分布会影响剪切带的形成位置。