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《同济大学》 2006年
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土体破坏细观机理及颗粒流数值模拟

曾远  
【摘要】:在土木工程中,土坡稳定分析是个十分重要的问题。其领域涉及公路、铁路、码头、水利工程、采矿、废渣堆场等设施的建设。由于实际土坡的受力特征和地质条件较为复杂,土坡的破坏过程和影响因素复杂多变,目前对土坡分析还不能用理论方法完全地计算其稳定性,大多数计算方法都是建立在一定的假设基础上提出和发展的,任何一种方法都是对复杂边坡工程性态的近似表征,其分析结果的可靠性取决于计算方法假设与实际情况的接近程度。 交通委员会把土坡破坏分为:倒塌、倾覆、滑动、扩展和流动五种基本类型。计算机模拟是一种重要的分析方法和手段,利用计算机模拟,可以对边坡的稳定情况作出较为准确的判断,并节省大量的人力和物力,但目前计算机模拟大多数只对边坡的滑动破坏分析的较多,而对其它几种破坏形式和机理研究相对较少。更为重要的是,边坡体作为一种复杂的地质体属于非连续介质,边坡体的不同部位其力学性质、应力状态、位移的规律等是不同的。用基于离散元理论的颗粒流(PFC~(2D))对边坡进行仿真模拟,无需假定材料的本构关系,无需假定滑裂面,直接从细观上定义颗粒之间的接触关系,其计算过程是边坡内部材料自身求得稳定状态的自然调整过程,不要求位移连续,变形协调,通过可视化直接描述边坡的倾倒、滑移、裂缝的开展过程,以及滑裂面的几何形状和位置。 土体的剪切破坏,土坡的滑动破坏均可视为局部化剪切带形成的现象,剪切带问题对研究地基承载力、边坡、挡土墙、打桩以及开挖等工程均有着重要的理论和实践意义。分析土体破坏机制要从其根本入手,即研究剪切带形成发展机制入手。本文通过引入颗粒流理论和开发颗粒流数值模拟技术,克服传统的连续介质力学模型的宏观连续性假设,对土体的应力应变关系和剪切带形成机理进行细观数值模拟,分析细观参数对宏观力学特性的影响,将土体的细观结构与宏观力学反应联系起来,建立材料细观与宏观参数的定量关系。并从细观上揭示了土体中剪切带形成的机制,使对土体工程力学特性和剪切带形成与发展等渐进破坏过程有更深入的了解和发现。 本文还采用数字摄影技术和数字图像变形量测无标点法,对土坡室内模型试验中土体的变形及破坏进行了量测,从细观上解释了土坡破坏过程中剪切带
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