堆積碎石土流變力學(xué)表征的虛擬試驗(yàn)研究.pdf

1、堆積碎石土是由風(fēng)化卸荷、殘坡積和沖洪積等復(fù)雜成因形成的第四紀(jì)土與石塊的二重介質(zhì)混合體，其變形機(jī)制不僅取決于土石之間的空隙壓密、接觸狀態(tài)及其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，還與土和碎石塊之間的摩擦特性密切相關(guān)，土、石以各自相差懸殊的剛度、強(qiáng)度及接觸面形狀共同對(duì)其力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，由此必然導(dǎo)致該類(lèi)介質(zhì)在應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系、變形破壞機(jī)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(guó)各地，往往因降雨或工程活動(dòng)致滑成災(zāi)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷

2、亡。然而，目前對(duì)堆積碎石土的研究仍局限于區(qū)域的個(gè)體階段。本文基于昭山地區(qū)的堆積碎石土室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)虛擬試驗(yàn)對(duì)堆積碎石土進(jìn)行數(shù)值模擬，主要得到以下幾個(gè)結(jié)論：
　　1.基于PFC2D離散元軟件，運(yùn)用Fish語(yǔ)句編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)了任意形狀碎石塊體的生成。通過(guò)修改參數(shù)實(shí)現(xiàn)了堆積碎石土細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定，與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)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(guò)程。
　　2.土石體虛擬仿真的細(xì)觀參數(shù)之一的摩擦系數(shù)每增加0.1峰值主應(yīng)力

3、差平均增加118.85kPa，殘余強(qiáng)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(qiáng)度也隨之增大，破壞時(shí)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(shí)由于咬合力的作用，抗剪強(qiáng)度繼續(xù)隨著軸向應(yīng)變的增加而增加。堆積碎石土的抗剪強(qiáng)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(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)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(yàn)與虛擬試驗(yàn)中圍壓越大，堆積碎石土的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和殘余強(qiáng)度越大，初始切向模量也隨著增大，試驗(yàn)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(dāng)圍壓較小時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中體積應(yīng)變很快從剪縮向剪脹轉(zhuǎn)變；隨著圍壓的增大，體積應(yīng)變不段的增加，直到產(chǎn)生較大的軸向應(yīng)變時(shí)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(yīng)力差和初始切向應(yīng)變?cè)酱?，發(fā)生剪切破壞時(shí)的

5、軸向應(yīng)變反而越小。不同楊氏模量對(duì)材料的殘余強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響，當(dāng)楊氏模量較小時(shí)，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(jié)力越大，軸向變形越小，粘結(jié)力極大時(shí)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(yàn)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(yīng)力水平的提高和流變時(shí)間的增長(zhǎng)而增強(qiáng)；圍壓對(duì)堆積碎石土的軸向流變