土石混合体细观特性研究现状及展望

土石混合体作为一种介于土体与破碎岩体之间的特殊地质材料越来越多地受到工程界及学术界的关注。土石混合体细观结构特性及物理力学特性的深入研究是当今工程建设的需要,也是理论岩土力学、计算岩土力学、试验岩土力学及应用岩土力学发展的必然。在总结国内外有关土石混合体研究现状的基础上,分别从土石混合体的细观结构特征、细观结构模型和细观力学特性3个方面对当前的研究成果进行了概括。在此基础上,总结了土石混合体细观特性研究方面存在的不足,指出开展不同细观尺度的实时加载试验,从不同试验尺度上研究土石混合体的局部变形特征是未来的研究方向; 建立土石混合体细观损伤演化方程和本构方程,加强土石混合体环境依赖性方面的研究,通过细观试验建立土石混合体三维精细结构模型,开展土石混合体开裂方面的仿真计算,加强细宏观力学特征的关系性分析,揭示实时加载条件下内部微结构的演化过程是未来研究的趋势。     

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。     

土石混合体工程地质力学特性及其结构效应研究

土石混合体是一种土-石混杂、分布广泛、性质特殊的地质体,也是众多山区滑坡的重要载体.复杂的土-石结构组成是此类介质物理力学特性复杂、难以把控的关键.本文通过多尺度宏-微观室内和现场物理力学试验与模拟,对土石混合体的强度特性、变形特性和渗透特性及其结构控制机理展开了深入研究,系统阐明了含石量、块石形状、基质组分、土-石级配等关键结构因子的制约规律,进一步揭示了土石混合体强度和变形特征随机性的土石结构控制规律,提出了不同结构状态下强度参数的正确获取方法;研究了不同含石量土石混合体的非线性渗透特性,获得了非线性渗流计算模型及其抗渗变形优化设计方法,为全面建立基于真实土石结构和非线性本构关系的新一代土石混合体滑坡预测预警体系提供一定的理论支撑.     

土石混合体二维细观结构模型的建立与数值流形法模拟

作为常见的岩土工程材料,对土石混合体的数值模拟能为工程建设提供直接依据。土石混合体的数值模拟包含建模和仿真阶段。在建模阶段,提出了基于石氏接触理论的背景网格-EAB块石投放算法,新的算法避免了块石的反复投放与块石间重叠判定,提高了块石投放建模的效率。在数值仿真阶段,将数值流形法(NMM)应用到二维土石混合体的模拟中,对二维土石混合体的计算模型进行了适应性的简化,通过对每个块石生成单独的数学覆盖,为土体建立统一的数学覆盖,建立了适用于土石混合体的计算模型,该模型可用于模拟填石等散体系统和连续介质共同作用。最后,通过对二维土石混合体试件进行压缩试验的算例,展现了围压对于土石混合体峰值抗压强度的影响,以及土石错动对于土石混合体抗压强度演化的影响,验证了该计算模型在模拟散体系统与连续介质共同作用时的有效性和适用性。     

基于直接生成法的土石混合体三维随机模型构建与数值仿真研究

通过对土石粒径界限、块石分布规律与粒径分布频度的研究,基于直接生成法建立了土石混合体的三维随机模型,形成了一套较为完整的、操作性强的三维随机模型构建方法。在此基础上,将三维随机模型构建方法与FLAC~(3D)随机建模方法相结合,建立与真实土石混合体具有相同统计规律的有限差分模型,开展室内直剪数值仿真试验研究,获取了不同垂直压力下的剪应力-位移曲线和相应的剪切带分布,探讨了土石混合体的剪切破坏特性与土石相互作用机制。剪切过程中由于土体产生的不同程度的剪切变形以及块石在摩擦作用下发生的水平或旋转运动,导致土石混合体的剪切带表现出明显的不规则和不连续特点,其剪应力-位移曲线具有应变硬化特点。研究表明,三维随机模型能够反映土石混合体的宏观力学性质和细观破坏机制,可作为力学性质研究的有效载体。     

土石混合体的研究现状及研究展望

土石混合体是不同于岩体与土体的一种地质材料,其物理力学特性的研究越来越受到工程界关注。本文首先介绍了土石混合体概念的提出,并以土石混合体在我国的广泛分布特点与工程中的诸多实际问题阐述了其研究具有重要的工程价值与理论意义。另一方面,通过大量与土石混合体相关的文献检索与分析,本文从力学试验、几何结构研究和数值模拟等不同方面总结了近年来土石混合体研究的成果,指出结构效应是土石混合体重要而又特有的一个特征,其几何结构模型与数值模拟的研究也取得了许多重要而有价值的成果。最后,针对土石混合体研究中仍存在的不足,本文展望并探讨了土石混合体今后的研究方向,提出了地质成因与物质组成结构特征、水与土石混合体的耦合作用、土石混合体三维数值模拟研究、以及土石混合体力学参数快速确定方法等4个方面的研究内容与研究思路。     

土石混合体重塑样制备及其压密特征与力学特性分析

基于土力学与岩石力学的实验室力学试验原理与方法,本文首先探索了土石混合体重塑样的制备、压密特性等问题,初步给出土石混合体重塑样制备的一个标准流程,并揭示了土石混合体的压密特性与机制,即土石混合体压密主要是土体的压密,但块石直接影响其压密效果,并指出本次试验土石混合体50锤次可达到的最佳压密效果,而压密机制随含石量增加而有所变化。运用高精度岩石试验机,首次进行了土石混合体的单轴压缩试验。试验表明,在无侧限条件下块石与土体无胶结,导致了试样实际承载面积减小,使其抗压强度与弹模反而低于土体;而土石混合体中块石形成骨架结构的力学响应是土石混合体的一个重要的力学特性。     

基于软硬石模板库的土石混合体细观损伤与力学特性分析

为了探究含软、硬两种岩性碎块石土石混合体的变形破坏过程与力学性质,发展了一种基于软硬石模板库的土石混合体建模方法。通过在PFC2D中建立符合原位结构特征的软硬石模板库,利用此模板库生成了不同含石量土石混合体颗粒流模型,对土石混合体进行了单轴压缩颗粒流模拟。结果表明：土石混合体破坏始于土-石接触面,土石介质分离大多因剪切破坏导致,加载前期微裂纹迅速增长,中、后期微裂纹增长速率减缓,但宏观变形渐趋显著;随着含石量的增加,土石混合体单轴抗压强度逐渐降低,块石的转动与侧向移动会加剧土石混合体的整体破坏;相同含石量下,随着软石比例的增加,单轴抗压强度呈下降趋势,试验后试样破裂率与单个软石颗粒的破裂程度均保持在较高水平,软石颗粒破裂是引起土石混合体单轴抗压强度降低的重要原因。     

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。     

土石混合体渗透侵蚀特性数值模拟研究

土石混合体是由块石、砾石与砂土、黏土等固体颗粒组成,以块石镶嵌在细粒土体中为结构特征的松散介质。由于其颗粒松散特性,细颗粒在渗流作用下易于流失而形成渗流侵蚀。采用室内试验与数值模拟相结合的方法,扩展渗流侵蚀模型在土石混合体渗透侵蚀研究中的应用。选取云南某滑坡土石混合体为研究对象,采用自制的渗透侵蚀装置,模拟土体基质渗透侵蚀过程,获取土体基质侵蚀参数试验值。根据块石在土体基质中分布特征,建立不同块石含量特征的土石混合体计算模型。基于参数试验值及渗流侵蚀方程、耦合渗流控制方程及孔隙率控制方程,模拟土石混合体渗流侵蚀过程,分析块石含量对土石混合体渗透侵蚀特性的影响。模拟结果表明:在同等水力梯度及时间条件下,块石含量与土石混合体宏观平均流速初值、侵蚀颗粒密度值呈反比,与液化颗粒密度峰值呈正比;块石含量与渗流侵蚀方程中试验参数存在线性相关性。将块石含量作为土石混合体结构特征引入渗流侵蚀方程中,以构建适用于土石混合体的渗流侵蚀模型。     

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,S-RM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。     

土石混合体原位水平推剪试验

在长江三峡库区沿岸普遍存在着由于滑坡、崩塌、风化卸荷、残坡积和冲洪积等复杂成因而形成的第四纪松散堆积体,其力学特性介于土体与碎裂岩体之间,为了强调其组成及结构上的特点,称之为"土石混合体"。在大量现场调查的基础上,对三峡库区土石混合体的成因进行了总结。在滑坡现场对土石混合体进行了原位压剪以及推剪试验研究,揭示土石混合体在原位受剪情形下的变形与破坏规律。     

块石含量及形状对胶结土石混合体力学性能影响的大型三轴试验

胶结土石混合体在自然界中分布广泛,为了揭示块石含量和块石形状对其力学特性的影响,开展了一系列室内大三轴试验研究。首先,通过掺有一定量水泥的土石混合体试样与未掺水泥的试样进行对比,以论证土石混合体有必要进一步划分为胶结土石混合体和无胶结土石混合体。然后,针对胶结土石混合体设计并进行了不同块石含量和块石形状的对比试验。最后,对胶结土石混合体力学特性的块石含量和块石形状效应进行了分析探讨。结果表明:水泥掺入比为3%的土石混合体试样较未掺水泥的试样强度和模量均有大幅提高,有明显的应变软化和局部化剪切带;在给定条件下,胶结土石混合体的峰值强度和脆性指数均随含石量的增加而减小;当含石量为40%时,块石为碎石的胶结土石混合体试样与块石为卵石的试样相比峰值强度略低,而残余强度略高;而当含石量为70%时,无论是峰值强度还是残余强度,块石为碎石的试样均比块石为卵石的试样大,围压较大时尤为明显。     

岩土超声波测试研究进展及应用综述

超声波在岩土介质中传播时携带了许多与岩土物理力学性质有关的信息,这些信息可综合反映到声学参数如超声波速、衰减系数、波形、频率、频谱及振幅等的变化上,根据这些参数可反演得到岩土体的物理力学指标及细观结构特征,从而解决一系列的岩土工程问题。首先对超声波无损检测可以解决的岩土工程问题进行了概述。其次系统地阐述了土体和岩石(体)超声试验的研究进展:土体强度参数声学特性的试验研究、土体微结构参数的超声探测、岩石强度参数的超声测试研究、超声波速在岩石破裂方面的应用研究、超声波声波衰减在岩石材料中的应用、超声波速度和衰减各向异性的研究及超声波流体流动试验的研究。最后,笔者将超声波测试拓宽到土石混合体研究领域,探讨了不同含石量试样的波速和衰减规律,以及损伤声学参数对试样在单轴压缩作用下裂纹扩展的细观损伤特性的研究,更进一步说明了土石混合材料即不有别于土也不同于岩的特殊性。在以上研究基础上,基于超声波岩土试验国内外研究动态的总结,对其未来的发展趋势进行了展望。     

基于BP神经网络的岩土体细观力学参数研究

目前颗粒流计算方法中所采用的细观力学参数,均需根据岩土体宏观力学参数试验结果反复调试获取,调试效率很低且有较大的盲目性,因此,急需引入一种新方法,建立岩土体宏观力学参数与细观力学参数的关系。基于PFC3D程序,采用BP(back propagation)神经网络方法,建立宏观力学参数与细观力学参数的非线性模型,通过输入宏观力学参数,即可快速、准确地反演岩土体细观力学参数。研究结果表明：(1)根据BP神经网络模型反演确定的细观力学参数,输入数值模型计算其宏观力学参数,结果与试验值相比,精度一般高于90%;(2)当模型最小尺度上的颗粒数RES = 10、隐含层含6个神经元时,BP神经网络模型的反演性能最佳。实例计算表明,BP神经网络模型对于岩土体细观力学参数的确定具有良好的反演性能,该方法为颗粒流理论的推广应用提供了新的技术手段。     

基于数字图像技术的土石混合体边坡稳定性分析

土石混合体作为自然界中常见的一类岩土体,尤其在我国西南地区存在着不同成因及规模的土石混合体边坡,这些边坡的稳定性问题对于工程在施工及运营期间的安全性有着重要的意义。在传统的边坡稳定性分析中,通常将土石混合体边坡视为均质土坡,忽略其内部块石的存在,这给计算结果带来了很大的误差。运用数字图像处理技术,对西南地区一土石混合体边坡进行分析,建立其细观结构模型。在此基础上,运用有限元强度折减法开展相应的稳定性研究。结果表明,块石的存在使边坡内部应力场分布变得极其不均匀,计算搜索得到的滑动带具有明显的绕石特征,考虑块石时计算得到的稳定系数要较等效均质土坡的稳定系数高。     

含石量对土石混合体剪切特性的影响

为了探究不同含石量对土石混合体的抗剪强度及剪胀性的影响,利用先进的大型单剪试验仪进行了21组大型单剪试验。试验设计了从0%～80%含石量共7组试验样品,在100、200、300 kPa三种不同的法向压力下进行单剪试验。基于试验结果,分析了含石量对土石混合体的抗剪强度和剪胀、剪缩特性之间的关系。试验结果表明,在相同的法向压力下,随着含石量的增加,土石混合体的内摩擦角及黏聚力总体上有先增大后减小的趋势。当土石混合体在含石量为40%～50%之间时,其抗剪强度最大。研究表明：土石混合体抗剪强度受到土石混合体孔隙比的影响,同时随着含石量的增加,土石混合体中的结构形式及主导颗粒也相应的发生变化。当含石量在0%～20%之间时,细集料在土石混合体中占主导地位,土石混合体为悬浮密实结构,此时土石混合体的抗剪强度与基质颗粒的性质相近;当含石量在20%～50%时,土石混合体为骨架孔隙结构,随着含石量的增加,土石混合体的骨架逐渐形成,颗粒之间咬合力增加,使得黏聚力及内摩擦角都有明显提高;当含石量超过50%之后,土石混合体表现为骨架密实结构,孔隙率开始上升并且细粒料开始大幅减少,细集料不能充分填充块石之间的孔隙,于是土石混合体抗剪强度开始下降。     

冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用过程研究

冻融循环作用显著影响土石混合体的水-热-变形相互作用过程及力学特性。基于此,本文开展了单向冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用及无侧限抗压强度试验。通过单向冻融循环装置对30%砾石含量的土石混合体进行了4次单向冻融循环试验,每次循环根据设定的温度变化曲线持续168小时,模拟实际自然环境中冻结和融化的周期。同时,利用微机控制电液伺服万能试验机开展了未冻融和冻融循环后试样的力学特性测试,并探讨了冻融循环对土石混合体微观结构劣化机理的影响。研究结果表明:单向冻融循环对试样内温度、水分和变形有显著影响。冻融循环过程中土石混合体的融化速率大于冻结速率,试样在冻融循环过程中存在着体积未冻水的迁移和重分布。第一次冻融循环对土石混合体变形影响最为显著,试样的净变形随着冻融循环次数的增加先增大后趋于稳定。此外,反复的单向冻融循环改变了试样的孔隙结构。冻融循环后试样的抗压强度和变形模量分别减小了45.31%和60.92%,其衰减幅值随着冻融循环次数的增加而降低。     

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PFC2D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。     

伺服控制土石混合体压力渗透仪研究

土石混合体渗流特性的研究对于工程建设、土石混合体滑坡的防治有重要意义。总结了前人对于堆石料渗透试验仪的研究,其特点在于渗透筒的大尺寸、供水系统、供水压力的控制;透水板、制样方法、筒壁防渗对于试验的影响。周中等自制的常水头渗透仪,主要对土石混合体渗透系数及其影响因素进行研究。本文研制的伺服控制土石混合体压力渗透仪能够准确伺服控制供水压力和供水速度,提供不超过2MPa的高水压,调节试样渗流速度,操作方便,能够有针对性的研究土石混合体的渗流特性。