崩积混合体直剪试验与PFC2D数值模拟分析

通过野外崩积混合体结构特征分析,考虑原样级配,开展对崩积混合体重塑样的室内大尺度直剪试验研究,结合PFC2D颗粒离散元仿真试验,分析了不同含石量情况下崩积混合体变形与强度变化规律及内在机理。将数值试验的成果与室内试验结果进行对比分析。结果表明,随着含石量的增加,崩积混合体的应变硬化效应显著。低法向应力下崩积混合体表现为剪胀,高法向应力下则表现为剪缩;当含石量低于40%时,崩积混合体的力学性质由土体控制,超过80%以后,其力学性质基本上完全由块石控制。     

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。     

冻土区土石混合体冻融交界面剪切性能研究

随着全球气候变暖,多年冻土加速退化,冻土区土石混合体边坡稳定性问题日益突出。为探究不同含水率和碎石含量对土石混合体冻融交界面剪切强度的影响。开展土石混合体冻融交界面直剪试验,得出含水率（21%、24%、27%、30%）和含石率（0%、10%、20%、30%、35%、40%）对土石混合体冻融交界面抗剪强度变化的影响规律。试验结果表明：含水率对土石混合体冻融交界面强度的影响可分为快速下降和缓慢下降两个阶段。当含水率从21%增加到27%的过程中,土石混合体冻融交界面强度下降迅速。当含水率从27%增加到30%的过程中,界面抗剪强度继续下降,但下降速率减慢,即含水率对界面强度影响的阈值在27%左右。随着碎石含量增加,界面抗剪强度一直处于增长趋势。当含石率为10%的交界面强度相比不含石的交界面强度有明显增加,最大增长幅度为33%。当含石率大于30%时,土体抗剪强度增长迅速,即含石率对界面强度影响的阈值在30%左右。当含石率一定时,交界面处摩擦角随着含水率增加逐渐减小,在含水率达到27%后变化缓慢,而交界面黏聚力在含水率达到27%前快速减小后趋于缓慢下降。当含水率一定时,随着含石率增加,交界面摩擦角一直处于增长,尤其在含石率超过30%后增长迅速。当含石率从0%增加到30%的过程中,黏聚力先有小幅度下降后处于平缓增长趋势,在含石率超过30%后迅速增加而后又趋于平缓。     

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.     

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。     

基于均匀化理论的土石混合体应力应变关系

将土石混合体等效为理想的二元介质混合材料,假定块石元为理想的脆弹性材料,土体元为典型的弹塑性材料。选取邓肯-张模型定义土体的本构关系,引入块石元局部应变系数建立土石混合体代表单元体积平均应变与其中块石元、土体元微应变的桥联关系。通过均匀化理论对土石混合体代表单元的一般应力应变关系进行了详细探讨。选取广东省云罗高速高填路基土石混填料中的残积粉质粘土,通过室内常规三轴压缩实验对土体邓肯-张模型的参数进行标定,描绘出不同围压及不同含石率条件下土石混合料一般应力应变关系曲线图。结果表明,均匀化理论得到的函数关系式能够较好地反映土石混合体在不同条件下的一般应力应变关系。随着土石混合体含石率的提高其抗剪能力显著增加,但当含石率小于0.3时,块石元的增强效应并不明显。     

土石混合体的剪应力波动和跌落行为机制

土石混合体在剪切过程中存在剪应力跌落的现象,基于该现象,本文采用大型直剪试验的方式,考虑不同含石量(0%、30%、50%、70%)、上覆垂直压力(50,200,300,400 kPa)、块石尺寸(9.5～19.0 mm、19.0～31.5 mm、31.5～53.0 mm) 3个主要控制因素,进行室内剪切变形试验,研究直剪过程中发生的剪应力跌落现象。同时,通过在试样内部钻孔、埋置细铝丝与干灰的方法获取剪切带变形厚度,结合其大小理解剪应力的脆性跌落特征和剪切带块石变形特征。基于试验分析表明,具备骨架结构且所含块石尺寸大于剪切带厚度的土石混合体试样在高垂直应力下的剪切过程中易出现块石应力集中,形成锁固体块石,该类块石往往控制着试样一定时空下的整体剪切强度,其受剪切作用翻滚、滑移甚至咬合棱角破碎是导致剪应力瞬间大幅度跌落的直接原因。高含石量、大尺寸块石、高垂直应力是形成块石应力锁固体的必要条件。低含石量状态(<50%),剪切带块石多顺剪切方向翻滚,越靠近剪切面边缘,变形越明显,块石相对空间位置变化较小。高含石量状态(>70%),剪切带块石可见相互滑移、攀爬,块石相对空间位置变化明显。块石尺寸小于剪切带厚度时,剪应力多呈现波动特征,而块石尺寸接近剪切带厚度时,剪应力波动加剧,出现明显的应力跌落,对应垂直位移出现突变。满足含石量高于70%、块石尺寸大于剪切带厚度的试样在相对较大的上覆垂直应力作用下易形成块石应力锁固体。     

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。     

土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究

土石混合料作为一种特殊的岩土介质越来越受到国内外众多研究者的重视。基于3维颗粒离散元PFC3D,建立了土石混合料直剪试验模型,进行了不同含石量、不同岩性的土石混合料直剪试验模拟研究。颗粒离散元模拟结果表明,土石混合料的石料岩性和含石量在很大程度上控制了土石混合料的抗剪强度特性。硬岩混合料的摩擦角普遍比软岩混合料大6°～ 7°,含石量为60%～80%时达到最大。土石混合料的剪切面不再是一个平面,其起伏度随含石量增加而增大。剪切过程中软岩混合料在低正应力下表现为剪胀,高正应力下表现为剪缩,并产生软化现象,硬岩混合料表现为剪胀和塑性;软岩土石混合料剪切过程中能量以应变能和动能为主,而硬岩土石混合料的能量以摩擦能和动能为主。     

基于应力集中系数的抗剪强度取值方法及其应用研究

通过对直剪试件剪切面内应力集中系数分布规律的研究,结合剪应力–剪切位移变化曲线的分析,提出一种采用应力集中系数进行土体抗剪强度取值的方法。以武汉地铁六号线某区间段角砾黏土地层为研究对象,进行室内大型直剪试验,得出角砾黏土的抗剪强度参数随含石量的变化规律,与规程方法进行对比分析,探讨文中方法的可行性。结果表明,应力集中系数K0一定程度上能够反映直剪时土体剪切承载力的强弱;角砾黏土的黏聚力随着含石量的增加呈近似线性关系,与现有研究成果一致;试验结果位于规程规定合理范围内,说明基于应力集中系数的抗剪强度取值方法可作为研究土体强度特性的有效途径。     

不同应力路径下土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究

为更加全面地掌握土石混填体的变形、力学特性,采用大型三轴剪切仪分别在常规路径、等应力比路径和等p路径下对不同含石量的土石混填体进行了一系列试验研究。试验结果表明,在低围压下土石混填体的应变软化特征并不明显,其黏聚力普遍较低,而内摩擦角则较高,随试样的含石量从25%增加到70%,其内摩擦角和变形模量亦会随之增加。土石混填体在常规路径和等p路径下的应力-应变关系曲线比较相似,其所求得的抗剪强度指标亦比较接近;而等应力比路径下的应力-应变关系曲线的形态和发展过程均与之存在明显差别。土石混填体在常规路径下具有低压剪胀和高压剪缩的特性,含石量越高,低压剪胀性越明显,反之,则高压剪缩性更为显著;等应力比路径下试样的体积应变与轴向应变之间近似呈线性关系,其斜率随应力比增加而减小;等p路径下试样则是以剪胀性为主,尤其在平均主应力较低时更为显著。     

土石混合料剪切特性及块石破碎特征

通过室内大型直剪试验和基于PFC2D的颗粒离散元数值模型,探讨考虑块石破碎的土石混合料的剪切特性及块石破碎特征。以土石混合料室内大型直剪试验和筛分试验为基础,提出了一种能真实描述块石形态特征并准确反映块石破碎效应的土石混合料颗粒离散元数值建模方法,模拟并分析了6种含石量土石混合料在4种不同法向应力作用下的剪切特性及块石破碎特征。结果表明：土石混合料抗剪强度随含石量的增大而增大,且基本符合摩尔-库仑（M-C）强度准则,随着含石量增大,内摩擦角呈现“慢-快-慢”增长趋势,黏聚力则呈现先增后减再增大的变化趋势。剪切后土石混合料块石破碎形式可归纳为表面研磨、局部破碎、完全破裂、完全破碎4种方式。提出了一种新的颗粒破碎指标,该指标能够准确描述粒径大于5 mm的块石的破碎程度,其随含石量和法向应力的增大而增大。通过对土石混合料颗粒离散元数值模型剪切面的分析发现,剪切面出现“剪斜”现象,其起伏程度随含石量增大愈加明显,且随着含石量增大剪切面附近剪裂隙数量增多,土石混合料在剪切过程中的破坏为拉-剪混合破坏。     

粗粒含量对散体岩土颗粒破碎及强度特性试验研究

明显的粒径分级和深部土的颗粒破碎是超高排土场的两个主要特征。基于改装后的大型两用直剪仪对不同粗粒含量的颗粒破碎和抗剪强度进行试验研究。颗粒破碎试验结果表明：垂直压力小于400 kPa的情况下破碎率极小,在垂直压力大于400 kPa时,随垂直压力的增大破碎率增加明显;粗粒含量小于46.0%时,相对破碎率较小,粗粒含量大于46%时,颗粒破碎率随粗粒含量的增加而明显增大;相对破碎率与垂直压力可用双曲线关系表示;长期浸泡于水中的土样颗粒破碎相当明显。剪切强度试验结果表明：在粗粒含量等于24%时,低垂直压力下的剪应力-应变曲线呈微软化或微硬化型,较高垂直压力下呈轻微软化型;在粗粒含量等于78%时,低垂直压力下其剪应力-应变曲线呈软化型,较高垂直压力下表现为轻微硬化型。较高垂直压力下的抗剪强度包线呈明显的非线性。当颗粒破碎率较小时,分别在垂直压力小于400 kPa和大于400 kPa时拟合的内摩擦角值变化不大;当颗粒破碎率明显增大时,垂直压力大于400 kPa时的内摩擦角值明显低于垂直压力小于400 kPa时拟合的内摩擦角值。     

橡胶砂级配对混合土体剪切特性影响研究

为了研究橡胶砂的剪切特性,采用室内大型直剪仪,研究了4种橡胶砂级配（1种间断级配、2种连续级配、1种开级配）、3种橡胶掺入量（10%、30%、60%）、3种竖向应力（30、60、90 kPa）对橡胶砂强度特性和体变特性的影响;并在室内直剪试验的基础上,按照相同级配和橡胶掺量建立纯砂和橡胶砂的离散元数值模型,从颗粒接触状态和颗粒位移角度探讨橡胶砂内在力学机制。研究结果表明：在低橡胶含量下,橡胶砂的剪应力曲线趋势和纯砂一致,但其抗剪强度均低于纯砂;橡胶砂剪切应力随竖向应力的增大而增大,4种级配的橡胶砂中连续级配SR2抗剪强度最高;橡胶颗粒的掺入能有效抑制砂土的剪胀,其中间断级配SR1橡胶砂抑制土体剪胀效果最好,剪胀量相较于纯砂减少了37.6%;橡胶砂的内摩擦角随着橡胶掺入量的增大而减小,同一橡胶掺量下连续级配SR2橡胶砂的内摩擦角最大;橡胶颗粒在橡胶砂力链网络中主要参与弱力链的形成,橡胶砂剪切带宽度小于纯砂的剪切带宽度。     

含石量和颗粒破碎对土石混合料强度的影响研究

The characteristics of particle breakage and shear strength of soil-rock aggregate with six rock contents under six normal pressures were studied from macro and mecro perspectives by large-scale direct shear test, particle observation test and particle sieving test. The relationship between macroscopic shear strength properties and mecroscopic particle breakage characteristics was established, thus further revealing the influence mechanism of rock content and particle breakage on the shear strength characteristics of soil-rock aggregate. The results showed that particle breakage mainly occurred near the shear plane. The breakage morphology can be divided into surface grinding, local fracture, complete fracture and complete breakage, resulting from the stress concentration caused by uneven contact forces between particles. Due to particle breakage, the content of fine particles increased, coarse grains decreased, and intermediate grains fluctuated. The relative particle breakage Br increased with the increase of normal pressure ?n or rock content P5, which accorded with the function of two variables. With the increase of normal pressure ?n, the shear strength τ increased nonlinearly and met the modified M-C strength criterion. When the rock content P5 increased, the cohesive force c0 of soil-rock aggregate decreased, the internal friction angle ?0 of soil-rock aggregate increased, and the non-linear parameter Δ? increased. Particle breakage was the direct cause of non-linear strength characteristics of soil-rock aggregate.     

非饱和紫色土三轴试验颗粒流宏细观参数关系研究

为确定非饱和紫色土颗粒流宏细观力学参数间关系,采用三维颗粒流软件(PFC3D)并结合控制变量法与莫尔-库仑破坏准则,对不同含水率(8%、10%、12%、14%、16%、18%)及围压(100kPa、200kPa、300kPa、400 kPa)条件下的非饱和紫色土三轴固结不排水试验进行了数值模拟,并与室内结果进行对比。结果表明:重塑紫色土黏聚力随含水率增加呈先增后减的趋势,且存在临界含水率12%;内摩擦角与含水率呈一阶线性负相关。紫色土的宏观强度参数黏聚力与细观参数切向黏结强度呈线性正相关,而内摩擦角值由颗粒切向黏结强度及摩擦系数共同决定。建立了紫色土含水率与颗粒切向黏结强度、摩擦系数之间的定量关系,通过细观参数切向黏结强度及摩擦系数的改变来模拟不同含水率下紫色土的黏聚力与内摩擦角的变化,将数值模拟的应力-应变曲线与室内试验曲线进行对比,验证了该关系的正确性。利用PFC3D内置的切片工具对含水率为12%,围压为200kPa的数值试件进行剖切,可以较好地观察到紫色土三轴微观颗粒的运动情况及颗粒间接触力的分布特征,为深入探究紫色土的抗剪强度特性及应力-应变性状提供参考。     

基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性（黏聚力、内摩擦角及剪切应力）动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力（对应岩石压缩强度）状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展（或应变）与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。     

钙质土颗粒咬合作用机制

形状不规则的钙质土在剪切应力作用下土颗粒之间存在咬合作用,从而使抗剪强度显著提高。为研究钙质土颗粒的咬合作用机制,针对不同粒径的钙质土开展三轴固结不排水和固结排水试验,并对颗粒形状进行了分析,揭示了钙质土咬合力的形成机制和表现形式。研究表明：①不规则的颗粒形状是钙质土产生咬合力的前提条件;②在不同粒径的钙质土中,因不同形状颗粒的含量存在差异导致咬合力大小也不同;③咬合力大小受应力水平影响较为明显,在低围压下咬合作用导致剪胀而提高内摩擦角;在高围压下咬合作用克服颗粒强度做功,造成颗粒破碎,提高黏聚力值而降低有效内摩擦角。钙质土颗粒之间的咬合对强度有明显增强作用,在工程设计中应充分考虑咬合力的影响。