堆積碎石土流變力學表征的虛擬試驗研究.pdf

1、堆積碎石土是由風化卸荷、殘坡積和沖洪積等復雜成因形成的第四紀土與石塊的二重介質混合體，其變形機制不僅取決于土石之間的空隙壓密、接觸狀態(tài)及其相對運動，還與土和碎石塊之間的摩擦特性密切相關，土、石以各自相差懸殊的剛度、強度及接觸面形狀共同對其力學性質產(chǎn)生影響，由此必然導致該類介質在應力–應變關系、變形破壞機制等方面不同于一般的土體或巖石。由堆積碎石土組成的坡體和滑坡廣泛存在于我國各地，往往因降雨或工程活動致滑成災造成巨大的經(jīng)濟損失甚至人員傷

2、亡。然而，目前對堆積碎石土的研究仍局限于區(qū)域的個體階段。本文基于昭山地區(qū)的堆積碎石土室內(nèi)試驗，通過虛擬試驗對堆積碎石土進行數(shù)值模擬，主要得到以下幾個結論：
　　1.基于PFC2D離散元軟件，運用Fish語句編寫程序實現(xiàn)了任意形狀碎石塊體的生成。通過修改參數(shù)實現(xiàn)了堆積碎石土細觀參數(shù)的標定，與室內(nèi)試驗對比發(fā)現(xiàn)，所建模型能夠較精確的再現(xiàn)堆積碎石土的剪切破壞過程。
　　2.土石體虛擬仿真的細觀參數(shù)之一的摩擦系數(shù)每增加0.1峰值主應力

3、差平均增加118.85kPa，殘余強度平均增加90.44kPa。摩擦系數(shù)越大堆積碎石土的軟化特性和剪脹越明顯，殘余強度也隨之增大，破壞時的裂紋隨著摩擦系數(shù)的增加從單一的剪切面向剪切帶發(fā)展。碎石土模型體積減縮到最小時由于咬合力的作用，抗剪強度繼續(xù)隨著軸向應變的增加而增加。堆積碎石土的抗剪強度除了受土顆粒與碎石塊表面摩擦力的影響外，很大程度上受到碎石塊與土之間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力影響，且當軸向應變達到一定數(shù)值后顆粒間的咬合力起到主要

4、作用。
　　3.室內(nèi)試驗與虛擬試驗中圍壓越大，堆積碎石土的抗剪強度、內(nèi)摩擦角和殘余強度越大，初始切向模量也隨著增大，試驗后期出現(xiàn)的軟化現(xiàn)象也越明顯，土與塊石的力鏈也隨著圍壓的增加而變得不均勻；當圍壓較小時，試驗過程中體積應變很快從剪縮向剪脹轉變；隨著圍壓的增大，體積應變不段的增加，直到產(chǎn)生較大的軸向應變時才發(fā)生剪脹。
　　4.楊氏模量與土石材料的剛性成正比，楊氏模量越大，材料的峰值主應力差和初始切向應變越大，發(fā)生剪切破壞時的

5、軸向應變反而越小。不同楊氏模量對材料的殘余強度沒有顯著影響，當楊氏模量較小時，碎石土顆粒間的法向壓縮和重疊量增加，表現(xiàn)出明顯的減縮現(xiàn)象。另外，粘結力越大，軸向變形越小，粘結力極大時顆粒不發(fā)生切向滑移只向中間擠壓。
　　5.碎石土的虛擬流變仿真試驗表明，指數(shù)函數(shù)能極為精確的擬合堆積碎石土的軸向流變和體積流變；堆積碎石土軸向流變和體積流變均表現(xiàn)出明顯的流變非線性，且隨著偏應力水平的提高和流變時間的增長而增強；圍壓對堆積碎石土的軸向流變