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粗粒土颗粒破碎特性的离散元数值研究

杨梅晓  
【摘要】:随着现代理论研究的深入与施工技术水平的提高,土石坝坝高已超过200m并且逐渐向300m级发展。高土石坝的修建,对于改善我国电力结构、保障人民工农业生活用水、减轻河流中下游地区洪涝灾害起到了显著作用。然而,土石坝存在着明显的缺点:坝体后期沉降变形量大,且在不均匀沉降变形下心墙材料易被拉裂而发生渗漏,一旦形成难以彻底根治,严重者危及工程安全;散粒材料填筑的坝体整体性差,高应力状态下运行其安全性需要多方论证。土石坝特别是堆石坝填筑料级配范围广,用于超高土石坝的填筑料粒径已达到1m以上,在目前实验室仪器尺寸限制下,尚不能够对原型级配填筑料直接开展研究。无可避免的按照某种缩尺方法对原型级配进行缩尺,利用缩尺后的替代料在实验室允许的条件下进行试验,以期利用实验室研究结果评估实际工程的安全可靠度。多年来研究成果表明,替代级配料在密实度、强度、变形等工程特性方面均与原型级配料存在差异,研究者将原型料与替代料之间特性差异称之为缩尺效应。然而,基于室内缩尺三轴试验得到的替代料参数并不能较好的反映原型筑坝材料的对应特性,坝体的变形沉降即是一个明显的例证。引发坝体变形的一个重要来源是颗粒破碎,堆石料颗粒破碎对于坝体变形、渗透等特性具有重要影响,因此深入分析颗粒自身破碎特性显得愈发重要。有鉴于此,本文基于三维颗粒流程序(Particle Flow Code in 3-Dimensions,PFC~(3D))系统的研究单颗粒破碎强度的尺寸效应、形状效应,分析单颗粒破碎强度变化规律并且对此予以解释。在此基础上,对单一粒径组的粗颗粒进行系列真三轴数值试验,研究粒组的粒径d、剪切中主应力比b、最小主应力σ_3水平对其强度、变形、剪切颗粒破碎特性的影响规律。具体的研究内容如下:(1)对不同尺寸的纯圆形颗粒簇进行单轴压缩破碎试验,颗粒簇粒径分别为40mm、60mm、80mm、100mm等,组成颗粒簇的基本颗粒直径统一为4mm,从数值角度研究单颗粒破碎强度随颗粒粒径的变化规律;(2)对加载颗粒设置不同百分含量的初始缺陷,研究颗粒初始缺陷含量对颗粒破碎强度的影响,初始颗粒簇形状为纯圆形,直径均为60mm,小颗粒直径为4mm,初始缺陷含量为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%等;(3)在颗粒流程序中引入室内扫描得到的不同真实颗粒形状,生成不同形状的颗粒簇开展单颗粒单轴压缩数值试验,研究颗粒形状对单颗粒破碎强度的影响;(4)对不同粒径的纯圆形颗粒簇开展单粒组数值等中主应力比b(=0.5)真三轴试验,粒组粒径分别为40mm、60mm、80mm、100mm等,组成颗粒簇的基本颗粒直径统一为10mm,研究粒组强度、变形、破碎特性的尺寸效应;(5)对纯圆形颗粒簇进行不同中主应力比值b条件下的真三轴数值试验,在每个中主应力比b之下设置不同的最小主应力σ_3,研究应力路径对颗粒破碎、强度、变形的影响。


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