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土石混合体力学特性影响因素及破坏机制研究

王新  
【摘要】: 土石混合体是堆积层滑坡的主要组成部分,主要由各种不同粒径的土与碎块石等组成,在力学特性上表现出显著的独特性,导致堆积层滑坡与土质或岩质滑坡有不同的发育模式与变形破坏特征。现阶段关于土石混合体力学特性及其影响因素的试验与理论研究十分有限,作为含土石混合体滑坡的稳定性评价及其防治理论的基础,如何深入认识土石混合体的力学特性已成为一项亟待解决的重要课题。鉴于此,借助三维细观力学颗粒流理论,本文初步提出了土石混合体真三轴加载/卸载方法和控制流程以及细观参数的确定方法,实现了不同应力路径下土石混合体力学特性及破坏机制的研究,探讨了土石混合体的流固耦合特性,深入分析了碎石含量、渗压水平以及应力路径等多种因素的影响规律,深化拓展了对这一特殊地质材料力学特性及破坏机制的认识。 本文的主要工作和研究成果如下: 1.系统归纳总结了当前土石混合体的研究现状、研究方法以及主要结论,分析了其中存在的主要问题。在此基础上,提出了本文的主要研究内容和研究方法,确定了土石混合体试验的主要技术路线和实施方案。 2.分析了三维细观力学颗粒流的建模方法、常用模型参数以及研究步骤。对颗粒细观参数敏感性进行了探讨,研究了颗粒细观参数与材料宏观参数间的对应关系,结果表明颗粒接触刚度与材料初始模量具有线性关系,细观颗粒摩擦系数越大材料峰值强度越高,峰后软化现象越明显。 3.通过三维细观力学颗粒流数值试验,研究了碎石含量对土石混合体应力-应变曲线形态、强度特性和变形破坏特征的影响规律。结果表明土石混合体的强度特性和变形破坏特征具有明显的分区性,其中I区为碎石含量小于30%的土石混合体,其特征主要由土的性质决定;II区为碎石含量在30%~70%之间,其特征由土和碎块石共同决定;III区为碎石含量大于70%,其特征主要由碎块石决定。 4.对三维细观力学颗粒流流固耦合计算方法的实现及控制流程进行了研究,探讨了土石混合体的流固耦合特性。结果表明:碎石含量越大土石混合体的渗透性越强;土石混合体的渗透率随渗透压力的增大而增大,渗压与碎石含量呈对数关系;相对无渗压情况,渗压作用下试样的张拉破坏明显增多;渗压条件下的粘聚力约为无渗压条件下粘聚力的1/5,但渗压对材料内摩擦角的影响不显著。 5.基于三维细观力学颗粒流理论,提出了土石混合体真三轴加载/卸载方法和控制流程,初步解决了颗粒流数值试验过程中真三轴应力路径自动控制难题,实现了不同应力路径下土石混合体力学特性的研究。数值试验结果表明,加载应力路径下土石混合体呈现剪切为主的破坏模式,卸载应力路径下土石混合体以张剪破坏为主的;卸载应力路径下土石混合体粘聚力比加载应力路径下降低了20%左右,内摩擦角φ值比加载应力路径下升高了约30~40%。


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