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。     

循环剪切对格栅-土石混合体界面特性的影响

为了研究不同含石量下土石混合体-格栅界面的循环剪切特性，采用循环直剪仪，在不同的竖向应力、剪切位移幅值和剪切频率下进行了单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验，探究了5种含石量（0%、25%、50%、75%、100%）、3种剪切位移幅值（1、3、6 mm）和3种剪切频率（0.2、1.0、2.0 Hz）对土石混合体-格栅界面的峰值剪切应力和体变规律的影响。试验结果表明，含石量在0%～75%之间时，随着含石量的增大，土石混合体-格栅界面的循环峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之提高，最终竖向位移绝对值和最大阻尼比随之减小；含石量继续增大至100%，土石混合体-格栅界面的最大峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之减小，最终竖向位移的绝对值和最大阻尼比随之增大。在同一含石量下，剪切位移幅值和剪切频率越大，界面最大峰值剪切应力和最终竖向位移绝对值也越大。与单调直剪试验相比，循环后单调直剪试验得到的内摩擦角和似黏聚力有所增加，含石量在0%～75%的范围内，内摩擦角和似黏聚力随含石量的增大而线性增加，含石量继续增加至100%，内摩擦角和似黏聚力随之减小。     

冻结土石混合体在单轴压缩下的变形和声发射特征研究

冻结土石混合体具有明显的各向异性和结构效应,相比于冻土,其物理力学行为更加复杂。为了研究冻结土石混合体受压条件下的破坏过程和声发射特征,本文对含石量分别为30%、40%、50%的人工冻结土石混合体试样和不同含水量青藏公路冻结路基砂土石混填物试样进行单轴压缩下的声发射试验。结果表明：（1）与常温土石混合体相比,冻结土石混合体试样受冰晶和冻土的蠕变作用,在单轴压缩过程中表现出轴向应力峰后裂纹发育的变形模式。（2）受冰晶体破裂的影响,冻结土石混合体在加载初始压密阶段就出现一定数量的声发射事件,轴向应力峰后阶段也存在明显的声发射活动,呈现声发射活动的多峰特征。含石量越大,峰后声发射活动越强,且基质土为黏质粉土的土石混合体峰后声发射活动要强于基质土为砂土的冻结土石混合体。（3）冻结黏质粉土的蠕变性质和含石量的大小共同影响试样内部的变形特征。冻结土含量越高,土体越易裹挟块石做整体运动,不利于裂隙的发育,试样多见鼓胀变形,声发射活动较少;当含石量较大时,土石界面数量多,土体与块石差异运动明显,试样以裂隙扩展为主,声发射事件增多,整体变形不明显。     

断层带不同含石率土石混合体渗流特性试验研究

将断层带现场取出的断层泥及断层角砾混合物制成含石率分别为20%、30%、40%、50%、60%和70%的土石混合体重塑试样,应用GDS饱和-非饱和三轴试验系统测试在不同围压加、卸载条件下土石混合体试样的渗透特性,研究不同含石率土石混合体试样在不同围压水平作用下渗透系数的变化规律。试验结果表明,(1)不同含石率土石混合体(SRM)试样的渗透系数均随围压的增加而减小,且在围压加载初期试样渗透系数的降低速度较快,在围压加载中后期试样渗透系数的降低速度相对减缓;(2)在围压加载和卸载阶段,不同围压水平下土石混合体试样的渗透系数随着含石率的升高,均呈现出先减小后增大的趋势,含石率40%试样的渗透系数最小,含石率70%试样的渗透系数最大;(3)在围压卸载阶段,土石混合体试样渗透系数的恢复程度随着含石率的升高而增大,含石率70%试样渗透系数的恢复率达到50.2%;(4)在围压加载和卸载阶段,随着含石率升高,土石混合体试样渗透系数对含石率变化的敏感系数均呈现出先减小后增大再减小的趋势,在含石率60%时,试样渗透系数对含石率变化的敏感性最强;(5)围压加载和卸载阶段土石混合体试样渗透系数与围压的关系均可用指数函数进行描述。     

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。     

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。     

土石混合体注浆扩散机理及影响因素试验研究

为了研究浆液在土石混合体中的扩散机理及其影响因素,以重庆地区土石混合体为研究对象,研制了一套可重复使用的室内注浆模型试验系统,开展了不同含石量、孔隙率、浆液粘度和注浆压力等条件下土石混合体注浆模型试验研究。研究结果表明:浆液在土石混合体中主要以渗透、劈裂的方式扩散,当含石量由低到高变化时,浆液主要扩散方式由劈裂扩散转化为渗透扩散;中等含石量时,劈裂扩散与渗透扩散相当。在试验的基础上,结合支持向量机理论建立了土石混合体注浆扩散半径预测模型,并基于该模型的计算结果,获得了渗透扩散半径和劈裂扩散半径的影响因素的影响次序分别为:含石量浆液粘度孔隙率注浆压力;含石量注浆压力浆液粘度孔隙率。含石量对扩散形式的影响最大,对扩散半径值的影响占主导地位,建议实际工程中应根据土体含石量分区段进行注浆技术参数设计。     

土石混合体注浆扩散机制及影响因素试验研究

为了研究浆液在土石混合体中的扩散机制及其影响因素,以重庆地区土石混合体为研究对象,研制了一套可重复使用的室内注浆模型试验系统,开展了不同含石量、孔隙比、浆液黏度和注浆压力等条件下土石混合体注浆模型试验研究。研究结果表明：浆液在土石混合体中主要以渗透、劈裂的方式扩散。当含石量由低到高变化时,浆液主要扩散方式由劈裂扩散转化为渗透扩散;中等含石量时,劈裂扩散与渗透扩散相当。在试验的基础上,结合支持向量机制论建立了土石混合体注浆扩散半径预测模型,并基于该模型的计算结果,获得了渗透扩散半径和劈裂扩散半径影响因素的影响次序分别为：含石量>浆液黏度>孔隙比>注浆压力、含石量>注浆压力>浆液黏度>孔隙比。含石量对扩散形式的影响最大,对扩散半径值的影响占主导地位,建议实际工程中应根据土体含石量分区段进行注浆技术参数设计。     

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。     

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。     

土石混合体分形几何特征与强度演化特征

针对土石混合体的结构性特点,以含石量为20%、30%、40%、50%、60%的土石混合体为研究对象,基于多重分形原理研究多重分形特征,研究分形维数与强度之间的关系。研究表明,土石混合体具有双重分形特征,不同尺度条件下具有不同分形指标,包括块石粒度、土体粒度以及平均粒度等分形维数,与含石量相关。单轴压缩试验表明,抗压强度随含石量增加呈现先增大后减小的趋势,根据单维分形特征,确定最优含石量约为40%。建立了含石量、不同分形维数指标与抗压强度之间的关系,分析了双重因素综合影响下抗压强度的变化特征,确定了含石量与分形维数之间存在最优区域。     

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.     

基于EDEM的碎屑流运动规律及冲击性能研究

泥石流运动规律及其冲击性能对于泥石流灾害的影响范围及严重程度具有重要决定意义。出于泥石流这类多相介质的复杂性,本文采用离散元仿真软件EDEM 2018对碎屑流冲击流槽试验进行了数值模拟研究,考虑流槽坡度、底部拦挡结构角度以及颗粒级配的影响,在已有研究成果的基础上对固体颗粒运动过程及冲击性能展开了系统研究。本文将数值模拟结果与现存试验数据进行了对比分析,验证了数值模拟方法的可靠性,在此基础上得出了以下结论:(1)在拦挡结构角度与颗粒级配相同的情况下,流槽坡度越大,对应的碎屑流运动速度与冲击力的峰值也越大;(2)在流槽坡度与级配相同的情况下,拦挡结构越陡,与其相互作用的固体颗粒数量越多,碎屑流越快达到速度和冲击力峰值,且对应的速度与冲击力峰值也越大;(3)在运动过程中,各颗粒级配的碎屑流均出现反序现象,且细颗粒含量的提升可提高碎屑流运动速度,但同时冲击力降低,而粗颗粒含量的提升可增大碎屑流对拦挡结构的冲击力,对于运动速度的影响较小。     

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.     

含水率对土石混合体力学特性影响的试验研究

土石混合体的变形和剪切强度参数主要受含石率、块石形状、土体性质和水等因素的影响,现阶段的研究主要集中在前3方面因素,少有考虑水对其力学性能的影响.本文通过采用卵石、粉质黏土和水的不同比例制备混合体重塑试样,开展室内大型直剪试验.研究结果表明:随着模型剪切位移增加,土石混合体应力-切向位移关系曲线表现出3个阶段:线性变形阶段、初始屈服阶段、硬化阶段.含石率和含水率共同作用影响土石混合体材料力学性质.其中土石混合体的抗剪强度随含水率的增加经历了缓慢减小-快速减小-缓慢减小3个过程; 当含石率相同时,内摩擦角随着含水率的增加,经历了两个阶段的下降过程:低含水率的缓慢下降和高含水率的快速下降.     

不同含石量条件下土石混合体剪切变形特征的试验研究

三峡库区库岸广泛分布宽级配的土石混合体,土石混合体的力学性状及在外部作用下的变形响应对库岸滑坡的启动或复活有重要的影响。基于此,选择典型土石混合体滑坡进行现场调查和取样,利用室内大型直剪仪,结合打孔-插丝-灌砂的方法监测剪切过程中的试样内部变形演化特征,开展了不同含石量条件下的土石混合体试样的剪切变形特性试验研究。研究结果表明:含石量对土石混合体的强度和变形特性具有明显的控制作用。当含石量小于20%时,块石对试样影响较小,细颗粒土占主导作用,剪切过程中表现为细颗粒间错动式的剪切变形,强度依赖于细颗粒的强度,试样呈应变硬化特性;随含石量增加(20% ~80%),块石开始接触并逐渐形成骨架结构,加之细颗粒土的嵌合作用,剪胀作用增强,剪切过程中表现为混合体间啃掘式的剪切变形,强度由块石和细颗粒共同作用,试样逐渐表现为应变软化特性;含石量大于80%后,试样内块石占主导作用,但由于细颗粒较少,块石间的骨架结构存在较多空隙,试样结构效应有所降低,强度和变形性能有所弱化。     

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。     

土石混合体边坡模型随机构建与稳定性分析

本文针对不同含石量的土石混合体边坡展开研究.首先,采用数字图像处理的方法,获取了自然界真实块石的数字化模型;然后,基于MATLAB编程,采用蒙特卡洛方法随机生成特定级配与含石量的土石混合体边坡模型;接着,将模型分别导入数值计算软件FLAC2D与OPTUM G2,并分别采用有限差分(FDM)与极限分析有限元(FELA)的...     

汶川地震崩塌滚石坡面运动特征

滚石坡面运动影响因素众多,分析预测困难,确定崩塌滚石危害范围,对崩塌灾害防治具有重要意义。在实测汶川地震399条崩塌滚石剖面基础上,通过统计分析研究了滚石运动特征和危害范围参数,得出如下结论：(1) 滚石坡面运动可划分为启动阶段、运动阶段和堆积阶段;56º为启动区滚石自由坠落模式和滑动、滚动模式界限,堆积区最大角度为39.6º,26º以下区域为减速带。(2) 滚石运动距离与高度的比值,随着地震烈度以及边坡岩石强度的增高而增大,并给出了统计公式。(3) 滚石最大运动距离与坡高之间以及陡坡段坡度与滚石运动扩散角之间有较好的线性关系,根据堆积区在边坡高度上所占比例,划分了两种坡面形态,给出了两种坡面形态边坡陡坡段坡度与滚石运动扩散角之间的统计关系图,可作为崩塌滚石危害范围判定的参考。     

颗粒粒径对滑坡碎屑流动力特征及能量转化的影响——以四川省三溪村滑坡为例

滑坡碎屑流的能量演化机制涉及复杂的碰撞、摩擦和能量转化,对滑坡灾害的防治具有重要意义。以四川省三溪村滑坡为例,采用离散元法建模,研究了不同土颗粒粒径下滑坡的运动堆积特征、能量演化过程及其对建筑物的影响。结果表明,在不同粒径条件下,滑坡的堆积特征变化不大,但它们对能量转换和建筑物的冲击力有显著的影响。粒径越大,滑坡启动速度越快,峰值动能速度越高,碰撞耗散能量越大,摩擦耗散能量越少。粗粒土中颗粒间距越大,颗粒间的碰撞效应越明显,有利于能量传递,因此,对房屋的冲击力越大。因此,在模拟过程中不能忽视颗粒粒径对滑坡碎屑流动力学特征的影响。这些研究结果揭示了不同粒径土粒在滑坡运动过程中的能量演化机制,为能量演化对建筑冲击的影响提供了初步的认识,可为滑坡碎屑流的防治提供指导依据。