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。     

土石混合体边坡的细观处理技术

土石混合体边坡是由滑坡堆积、残坡堆积、崩坡堆积、冲洪堆积等形成的一种非均质边坡。由于其物质组成的不均质性,带来与其它边坡显著不同的变形性质和破坏机理。针对其物质结构特点,对土石混合体边坡应该采用细观处理技术,将之分别看成均质连续体、等效的均质连续体、非均质不连续体和结构面控制的非连续体等4种情况来处理。     

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.     

温度和含冰量对冻结土石混合体力学特性的影响

冻结土石混合体是一种力学特性极为复杂的岩土材料,其力学特性对温度和含冰量等因素非常敏感。然而到目前为止,对于其力学行为随温度、含冰量及法向压力等的变化特征仍然缺乏足够的了解。本文开展了一系列的冻结土石混合体的直剪试验,研究了温度、含冰量及法向压力对冻结土石混合体剪切特性的影响。结果显示温度、含冰量及法向压力对冻结土石混合体的剪切行为都有重要影响。在其他条件相同时,冻结土石混合体的抗剪强度随着温度的下降呈指数形式增长。当温度高于-5℃时,抗剪强度增加很快,而当温度低于-5℃时,抗剪强度仅有微小增加。在-5℃时,冻结土石混合体的抗剪强度随着含冰量的增加先增加后减少。抗剪强度最大值出现在含冰量在11%左右。冻结土石混合体的粘聚力随着含冰量的增加先迅速增加,在含冰量大于11%以后,粘聚力又有微小下降,而内摩擦角随着含冰量的增加缓慢减小。冻结土石混合体的抗剪强度随着法向应力的增加而增加,但在高法向应力下,其塑性增强。     

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。     

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。     

土石混合体压缩性的三维颗粒力学研究

土石混合体是由作为骨料的砾石或卵石与作为填充料的黏土或砂土组成的特殊工程地质材料,无论天然形成或人工合成,其力学特性与均质土体或岩体相比均有较大差异。以昆明新机场高填方中大量采用土石混合体填料为工程背景,在三维颗粒流程序中对特定的土石混合体试样的侧限压缩试验进行数值模拟,比较了不同级配条件下土石混合体模型的微观结构及基本力学物理性能。通过比较侧限压缩模量和压缩后孔隙率,研究了含石率对土石混合体骨架效应等结构性的影响,并提出了工程中建议采用的土石比例区间,在颗粒流方法用于实际工程方面进行了有益的探索。     

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。     

土石混合体-基岩界面剪切力学特性块石尺寸效应

土石混合体-基岩界面的抗剪强度是控制坡体稳定性的重要参数之一,是工程设计的重要参数。为探究块石尺寸对土石混合体-基岩界面剪切力学特性的影响,开展了含不同块石尺寸的土石混合体-基岩界面室内大型剪切试验。结果表明：接触界面的破坏模式受块石尺寸和法向压力的影响不显著,均表现为应变硬化特征;法向压力会削弱块石尺寸效应的影响;随块石尺寸增加,抗剪强度和抗剪强度指标（φ、c）先增加后减少,既存在着正尺寸效应,又存在着负尺寸效应,尺寸效应对内摩擦角φ的影响有限,整体在29°波动,而对表观黏聚力c影响较大;不同块石尺寸试样在不同法向压力作用下均表现出了明显的剪缩行为,法向压力能够增强土石混合体的剪缩特性;土石混合体-基岩界面为薄弱的潜在滑移面,随着块石尺寸系数的增加,薄弱破坏面有向土石混合体内部转化的趋势。     

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。     

土石混合体边坡细观特征对滑面形成影响研究

土石混合体是由软弱的土颗粒与刚度较大、强度较高的块石混合而成,因此土石混合体边坡失稳时,其滑动面受块石-土形成的细观结构特征影响,导致边坡稳定性分析存在诸多困难。本文基于一典型的土石混合体边坡,建立颗粒离散元数值模型,通过室内试验标定土体细观参数,结合强度折减法分析土石混合体边坡与纯土体边坡破坏模式及滑面形态的差别。结果表明:块石的存在使得土石混合体边坡的接触力链分布极不均匀,块石的存在使接触力链形成闭环,增大了滑动面积,对边坡有加固作用;土石混合体边坡的滑面发展趋势总倾向于穿过块石间的缝隙,滑面的发展与块石分布状况相关联;当块石含量达到20%以上时,边坡稳定性显著提高;块石含量达到30%~50%时,滑坡以局部块体运动为主,无法形成连续的滑动面。研究成果可为土石混合体边坡的变形破坏机理分析提供依据与参考。     

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...     

土石混合体边坡细观特征对滑面形成影响研究

土石混合体作为一种典型的浅表层堆积体,常引发不同规模的滑坡灾害。本文通过对比土石混合体在室内大型直剪和离散元(PFC^2D)数值模拟直剪条件下剪切带厚度随含石量和上覆压力的变化特征,以期进一步揭示影响土石混合体剪切带厚度的主要控制因素。试验结果显示,室内试验中土石混合体的剪切带厚度主要受含石量的影响,其次为上覆压力,受块石尺寸的影响不明显。剪切带厚度随含石量从0增加到50%时表现为增大的趋势,随含石量的继续增大而表现为减小的趋势。但上覆应力小于200 kPa时,剪切带厚度随上覆应力的增大表现为增大的趋势,但上覆应力超过200 kPa时,其值表现为减小的趋势。然而,在数值模拟计算中,考虑块石不可破碎的情况下剪切带裂纹区域的宽度随含石量和上覆压力的增大表现为持续增大的趋势特征。分析认为,土石混合体剪切中大块石之间咬合后的齿轮带动效应是促使剪切带厚度增大的重要原因,而骨架结构含石量以及高垂直应力下块石咬合部位因高度的应力集中,随后导致的咬合棱角破碎,块石变形被限制在一定的区域内,却抑制了剪切带厚度的进一步增大。相反,在块石不可破碎的数值模拟计算中,高含石量试样内块石可持续的咬合滚动,促使周围的块石也发生变形,进而增大了剪切带的厚度。研究结果有利于揭示土石混合体的剪切变形破坏机制。

     

排土场土石混合体分形特征与抗剪强度特性研究

露天矿山剥离堆积的土石混合体颗粒尺度不一,且力学性质异常复杂。以西藏甲玛铜矿南坑排土场为研究对象,采用现场勘测的方法测定堆积体的粒度组成及其分布特征,开展室内重塑土样的固结排水三轴压缩试验,以分析土体屈服强度特性与剪胀性,以及抗剪强度参数的取值。研究结果表明,自排土台阶坡顶至坡底,土石混合体的土粒减少且块石增多,颗粒的平均粒径呈指数关系增大;土体的粒度分布具有显著的分形结构特征,随块石含量的增大,其粒度分形维数减小。块石含量不同的土样在偏差应力作用下均表征出压密、屈服、塑性流动破坏的剪切特性,且围压条件与块石含量是影响土体剪切变形的两个关键因素,低围压时增加块石含量,土体更易产生剪胀。摩尔库伦强度准则能客观反映土体屈服的现象及过程,随块石含量的增加,土体的黏聚力呈线性减小且内摩擦角呈指数增大。     

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.     

土石混合体边坡人工降雨模拟试验研究

降雨入渗是诱发土石混合体边坡失稳的主要因素之一,此类问题一直受到人们的关注,但对此问题的研究不够系统和深入。为了对降雨入渗诱发下土石混合体滑坡的失稳机理有较深的了解及研究边坡性状随时间变化的一些重要特性,在上瑞高速公路贵州段选取了一个典型的土石混合体边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明：降雨入渗影响下土石混合体边坡的滑动变形区为坡面以下0～4 m之间,变形量以坡面最大,从坡面到坡体深部逐渐减小;在实施降雨的前2 h,平均入渗百分率为86 %,之后,入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少,一段时间(6 h)之后,入渗率降到一个相对稳定值(50 %);降雨入渗造成土体中孔隙水压力增加,致使边坡土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水软化而降低,降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。     

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。     

土石混合体应力松弛试验研究

本文采用应变控制式三轴仪,在分级加载条件下,分别对含石量为20%和30%的土石混合体进行三轴应力松弛试验。根据试验结果,对土石混合体的应力松弛阶段进行了划分,通过对不同含石量试样的应力松弛特征的对比和分析发现：随着初始应力的增加,应力松弛量增大,应力松弛比减小。高含石量的应力松弛量和应力松弛比均较小,即增加含石量可以减小土石混合体的应力衰减。采用Wiechert模型能够较好的描述土石混合体的应力松弛特征,基于该模型的拟合曲线与试验结果较为吻合。     

不同边界条件下土石混合体破坏机制研究

土石混合体是非均匀、非连续的,在外力作用下,其内部应力分布是不均匀的,其真正的边界条件是等应力边界条件。现有的土力学实验机都是刚性边界加载,即按等位移边界条件加载,不适用于研究非均匀材料。基于此自行研制了等应力边界加载实验机,通过采用柔性压头和柔性底座施加等应力边界条件,研究两种边界条件下土石混合体抗剪强度参数的差异,同时采用课题组自行研发的CDEM(Continuum-based Discrete Element Method)计算软件,开展了相应的数值计算,结果表明,传统的等位移边界条件所得不均匀地质体参数明显大于同等条件下等应力边界条件所得参数(约20%),是偏不安全的。