基于颗粒离散元的土石混合体直剪试验模拟研究

土石混合体是一种由高强度块石和低强度土体组成的非连续非均质材料,力学性质受土体、块石及土石接触面三者共同控制.本文为研究块石含量及土体性质对混合体力学特征及变形破坏形态的影响,利用颗粒离散元理论和PFC~(2D)程序,生成了可描述块石非规则形态的团粒(clump)结构,建立了土石混合体直剪试验离散元模型,以室内直剪试验结果作为细观参数标定依据,对不同含石量、不同黏结强度的混合体进行直剪试验模拟.结果表明:直剪试验模拟结果与实际试验结果基本相符,证明了块石随机模型与细观参数的可靠性;随含石量增加,混合体抗剪强度增加,应力峰值强度对应剪切位移减小;高含石量条件下,黏聚力上升至峰值后骤降,在块石逐渐主导地位后重新上升;试样剪切面凹凸不平,剪胀现象更为明显;随黏结强度增加,剪切应力峰值及其对应位移增大,高黏结强度下应力曲线波动和剪胀性更为明显.     

土石混合边坡块石随机生成方法与稳定性分析

针对传统边坡稳定性分析方法未考虑土石混合体边坡内部块石的不足,采用MATLAB编制相应程序生成一定级配随机块石数据,再通过AutoCAD将数据文件转化为图形交互文件,导入Midas建立对应的块石边坡网格模型.最后,通过Midas_to_Flac3d接口程序,生成Flac3d模型,用Flac3d内嵌的有限差分强度折减法对块石边坡进行稳定性分析,并探讨土石界面强度等关键参数对土石混合边坡稳定性的影响.计算结果表明,忽略块石的存在将会给边坡稳定性计算结果引起较大的差异,坡体内塑性区并不像均质土坡那样为规则的类圆弧形态,而是在多种塑性区扩展路径的综合作用下呈现出多滑动带现象,滑动带在贯通过程中有明显的绕石效应,滑动带长度较等效均质土坡有明显延长;在所选定接触面参数变化范围内,接触面刚度参数(法向刚度、切向刚度)对边坡安全系数影响较小,而接触面强度参数(摩擦角、粘聚力)对边坡安全系数影响显著.     

土石混合体细观渗流场的格子Boltzmann模拟

基于土石混合体中块石的CT扫描图片、颗粒流PFC软件及数字图像处理技术构建了土石混合体的孔隙结构模型,在此基础上引入介观的格子Boltzmann方法从孔隙尺度对土石混合体的渗流场进行了数值模拟,并据此分析了土石混合体的渗流特性。研究结果表明:基于土石混合体的孔隙结构模型和介观的格子Boltzmann方法,通过设置相应的边界条件可以快速有效地模拟土石混合体的细观渗流机制;与均质土体模型相比,土石混合体模型由于较大块石的存在使得其渗流通道明显减少,且通道变窄,弯折度增加,流速减小,渗透率大幅降低;土石混合体模型中水压力分布很不均匀,在块石的上下游会发生显著的压力降;块石含量、块石粒径及块石空间分布等细观结构因素对土石混合体的渗流场与渗透性能有一定的影响。     

土石混合体粒度分形特性及其与含石量和强度的关系

利用分形理论论证土石混合体的层次性,建立土石混合体的二维分形结构模型,提出粗、细料无标度区间粒度分维值的概念;通过100组筛分析实验分析土石混合体的粒度分形特征并分析其与含石量的关系;通过大型三轴试验分析土石混合体的粒度分维值与抗剪强度的关系。研究结果表明:土石混合体具有统计意义上的自相似性,一般存在2个粒度无标度区间,具有2个粒度分维值,但对于最优级配土石混合体是一维分形;土石混合体粒度分维值与含石量及强度之间均呈抛物线性关系,对于只具一维分形的土石混合体具有最大的密实度和抗剪强度。     

考虑孔隙率和不均匀系数的土石混合体颗粒流分析

为研究低含石率情况下,由土体主导的土石混合体的力学特性,采用分层欠压和随机生成多边形相结合的建模方法,建立土石混合体颗粒流模型,提出不均匀系数作为衡量土石混合体非均质性的指标。通过室内试验校核了颗粒模型的细观参数,并开展双轴数值模拟试验,研究在低含石率情况下,含石率、土体孔隙率和不均匀系数3个因素对土石混合体力学特性的影响。结果表明:在低含石率情况下,土石混合体的强度受土体孔隙率影响较大,随着土体孔隙率的减小,土石混合体的强度有较大提高;块石的存在破坏了土体的均匀性和连续性,反而在低含石率情况下,随着含石率增大,土石混合体整体强度有微小减小的现象;土石混合体的不均匀系数对体应变影响较大,不均匀系数越大,体应变的膨胀现象越明显。     

砂卵石地层盾构隧道掌子面稳定性理论分析

盾构隧道穿越砂卵石地层掘进施工时,由于砂卵石的地层特性及施工扰动,隧道掌子面容易失稳而引发事故。为研究砂卵石地层盾构隧道掌子面稳定所需的最小支护力,结合砂卵石地层的掌子面失稳模式,在三维Murayama模型的基础上,将掌子面前方土体的滑动面形式假设为对数螺旋滑移线,结合上部松动区域的破坏机制,引入椭球体放矿理论,对传统的棱柱体筒仓模型进行改进,进一步通过极限平衡法推导出砂卵石地层的掌子面极限支护力求解公式;最后通过离散元数值模拟验证所推公式,两者的误差为3.1%。结果表明所得公式可对砂卵石地层的掌子面极限支护力进行较为精确的求解。研究成果以期为砂卵石地层掌子面极限支护力计算理论提供依据。     

考虑地层变异性的新建隧道下穿引起既有盾构隧道纵向变形的随机分析方法

沿盾构隧道纵向的地层变异不可避免,现有对于新建隧道引起既有盾构隧道纵向变形计算的解析模型大多将隧道下卧土体视为均质地基,忽略了地层变异性。本文针对新建隧道施工引发的既有盾构隧道纵向变形问题,构建考虑地层变异性的盾构隧道纵向力学解析模型,基于随机场理论,结合蒙特卡罗模拟策略提出隧道下穿引起既有盾构隧道纵向变形的随机分析方法。依托1个工程案例,基于所建立的盾构隧道纵向变形随机分析方法,开展新建隧道下穿施工影响下既有盾构隧道纵向变形随机分析,并与实测结果进行对比。最后,分析地层刚度变异系数和水平波动距离对既有盾构隧道纵向变形的影响规律。研究结果表明：地层变异性对盾构隧道纵向变形的影响不可忽略;地层刚度变异系数对既有隧道纵向位移均值和离散程度影响较敏感,地层刚度变异系数对可靠度指标的影响较显著。     

复合地层TBM隧道变形演化规律研究

以重庆轨道环线TBM(硬岩隧道掘进机)区间隧道为背景,利用有限差分数值分析与现场监控量测相结合的方法,对复合地层TBM隧道施工影响下地层变形进行了研究。对上软下硬复合地层、倾斜复合地层及均质地层3种工况下的数值计算结果表明:复合地层条件下隧道顶部及底部位移较大,而隧道周边收敛位移较小;隧道开挖时掌子面前方1倍直径处开始发生明显位移,并于掌子面后方3~5倍直径处趋于稳定,整个隧道纵向沉降曲线呈明显的"S"型。现场监测结果显示,受复合地层差异的影响,地表沉降呈偏态单凹槽状的数值计算结果与现场监控量测数据反映的规律基本相同。     

块石尺寸对土石混合体强度特性的影响研究

选择块石类型为卵砾石,土料为含砂低液限黏土,含石率为50%;通过室内中三轴试验研究了4种不同卵砾石尺寸下的土石混合体的强度及变形特征。试验结果表明:1不同卵砾石尺寸各围压下土石混合体的应力应变关系曲线为硬化型曲线;随着卵砾石尺寸的增大,试样的峰值强度减小,高围压下尤其显著;2不同卵砾石尺寸各围压下土石混合体的体积应变随着轴向应变的增加而增大,剪切过程中直至破坏试样一直处于剪缩状态;3土与卵砾石混合体的内摩擦角与卵砾石的分形维度近似符合抛物线函数关系变化。试验分析所得的研究结果,为深入研究土石混合体这类特殊的地质体提供一定的理论依据。     

特大跨度隧道双侧壁导坑法施工时塑性区研究

以某特大跨度隧道为背景,研究了双侧壁导坑法对隧道围岩稳定性的影响,通过有限元计算软件对隧道开挖后围岩弹塑性问题进行了模拟分析.在隧道左右导洞开挖和支护过程中,要及时对两导洞及掌子面进行临时支护,以防围岩塑性区范围过大,变形而导致失稳,影响隧道施工安全.