高應(yīng)力水平作用下飽和粘土力學(xué)特性研究

項目以深部地下工程建設(shè)中的深部土力學(xué)響應(yīng)為背景，以高壓下飽和黏土的固結(jié)剪切特性為研究目標(biāo)，以孔隙水-黏土顆粒骨架相互作用為研究基點，對重塑飽和黏土展開了高壓試驗、微觀測試、數(shù)值模擬以及理論分析。首先設(shè)計研制了適用于黏土高壓力學(xué)試驗的高壓固結(jié)試驗系統(tǒng)和三軸試驗系統(tǒng)，彌補了目前高壓固結(jié)儀精度不夠以及三軸試驗時間過長的不足；然后進行了不同固結(jié)壓力下的一維固結(jié)和三軸剪切試驗，獲得了高壓固結(jié)過程中靜止側(cè)壓力系數(shù)、孔隙水壓力系數(shù)、滲透系數(shù)、壓縮性等不同于常壓下的特性，以及高壓剪切過程中孔隙水壓、應(yīng)力路徑以及抗剪強度的演變特性；針對試驗揭示的高壓特性，進行了基于宏觀土力學(xué)理論的理論分析和數(shù)值模擬，提出可以獲得非線性靜止側(cè)壓力系數(shù)的臨界土力學(xué)分析方法，發(fā)展出可以考慮高壓長時固結(jié)導(dǎo)致的膠結(jié)作用的新的臨界土力學(xué)模型，并對三軸試驗進行了有限元模擬，建立了考慮材料幾何非線性的有限元分析模型，對高壓三軸剪切試驗中剪切速率、端部摩擦以及非線性滲透系數(shù)的影響進行了分析；然后分別從孔隙水-黏土顆粒間的微觀相互作用出發(fā)，對飽和黏土高壓壓縮特性和剪切過程中孔隙水壓變化及強度特性進行了機理分析，并由試樣的環(huán)境掃描電鏡圖像予以支持；采用分子動力學(xué)模擬和耗散粒子動力模擬技術(shù)，分別對孔隙水-黏土顆粒之間的微觀與介觀壓縮和剪切進行了計算分析，得到了孔隙水-黏土顆粒相互作用在高壓下飽和黏土固結(jié)和剪切過程中發(fā)揮的機理；為進一步認(rèn)識孔隙水-黏土顆粒響應(yīng)機制，利用有限元方法對黏土顆粒之間的電勢分布、斥力計算進行了研究，修正了現(xiàn)有計算公式的錯誤之處，定量揭示了不同尺寸孔隙在壓縮過程中具有不同變形順序的機理；最后構(gòu)建了基于Linux系統(tǒng)的二維黏土離散元模擬平臺，該模擬程序不同于現(xiàn)有商用離散元程序模擬顆粒為圓盤形或球形，可以模擬平板形狀的黏土顆粒之間的相互作用。 2100433B

隨著地下工程不斷向地層深處發(fā)展，對高應(yīng)力水平下土層力學(xué)性質(zhì)的研究需求日趨迫切，然而目前關(guān)于高應(yīng)力水平下粘土的力學(xué)特性研究十分缺乏。本項目基于結(jié)合水與土骨架相互作用是高應(yīng)力水平下飽和粘土力學(xué)響應(yīng)的決定性影響因素的研究思想，首先對飽和粘土進行高應(yīng)力水平下不同排水條件、固結(jié)路徑和剪切應(yīng)力路徑的室內(nèi)試驗研究；同時結(jié)合試驗結(jié)果并利用結(jié)合水與土骨架相互作用的微觀理論，分析獲得飽和粘土高應(yīng)力水平力學(xué)特性的微觀內(nèi)在機理；并將該機理引入到基于離散元理論的顆粒流數(shù)值模擬程序，進行試樣水平的數(shù)值試驗；然后綜合分析離散元數(shù)值試驗結(jié)果和室內(nèi)試驗結(jié)果，提出與現(xiàn)有土力學(xué)理論相銜接的粘土高應(yīng)力水平力學(xué)特性宏觀機理模型；最終建立可以合理描述飽和粘土高應(yīng)力水平力學(xué)特性的固結(jié)理論和本構(gòu)關(guān)系，并對其展開大變形有限元模擬實現(xiàn)研究。

近年我國超高壩建設(shè)發(fā)展較快，對在髙應(yīng)力下粗粒土力學(xué)和壩工特性的研究引起較多學(xué)者的關(guān)注。本項目在課題組前期研究的基礎(chǔ)上，利用自主研發(fā)的試驗裝置及可視化細(xì)觀測試分析系統(tǒng)，進行了室內(nèi)高應(yīng)力顆粒接觸試驗和離心機模型試驗，并結(jié)合離散元數(shù)值模擬，從細(xì)觀層面入手、細(xì)宏觀相結(jié)合系統(tǒng)研究了在髙應(yīng)力作用下粗粒土細(xì)觀力學(xué)及壩工特性。 通過粒間接觸和流變試驗，揭示了粗粒土顆粒接觸特性的力學(xué)機理，發(fā)現(xiàn)板巖和石膏的法向接觸剛度值相差4倍，球-面接觸試驗的法向接觸剛度是球-球接觸試驗的法向接觸剛度的1.7倍。建立了彈性核尺寸與球形顆粒材料力學(xué)性質(zhì)和顆粒尺寸相關(guān)的經(jīng)驗公式。建立了球形顆粒球-球法向接觸破碎準(zhǔn)則和石膏顆粒三點接觸下顆粒破碎強度準(zhǔn)則。建立了髙應(yīng)力下粒間接觸模型和流變模型，結(jié)合離散元數(shù)值模擬揭示了粒間接觸細(xì)宏觀力學(xué)之間的聯(lián)系，實現(xiàn)了對顆粒內(nèi)部破碎的細(xì)觀過程和彈性核發(fā)展過程的觀測。 通過可視大型直剪試驗，揭示了粗粒土的顆粒破碎演化規(guī)律和細(xì)觀力學(xué)機理。通過對大型直剪數(shù)值試驗中顆粒的細(xì)觀運動規(guī)律進行分析發(fā)現(xiàn)，在剪切過程中剪切帶的形成與發(fā)展并不是嚴(yán)格按照上下盒之間的剪切縫展開，而是沿著向上突起的拱形滑動面發(fā)展。 通過可視離心機試驗，驗證了粒間接觸模型和流變模型，揭示了接近實際應(yīng)力場條件下粗粒土破壞的細(xì)觀力學(xué)機理及與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過對不同粒徑大小的粗粒土壩體，在不同離心加速度下進行模型試驗，發(fā)現(xiàn)離心加速度對于粗粒土的粒徑具有明顯的放大作用。 本課題從粗粒土顆粒接觸角度研究顆粒破碎的力學(xué)機理，開辟了研究粗粒土顆粒破碎的新途徑，不僅為髙應(yīng)力下粗粒土的深入研究提供了細(xì)觀力學(xué)基礎(chǔ)，也為超高土石壩工程性能的分析提供理論依據(jù)。本項目組已獲得國家實用新型專利一項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文9篇，其中SCI、EI論文8篇。 2100433B

近年我國超高壩建設(shè)發(fā)展較快，對在髙應(yīng)力下粗粒土力學(xué)和壩工特性的研究引起較多學(xué)者的關(guān)注。本項目擬采用自主研發(fā)的試驗裝置及可視化細(xì)觀測試分析系統(tǒng)，利用多種試驗手段和數(shù)值模擬，從細(xì)觀層面入手、細(xì)宏觀相結(jié)合來研究在髙應(yīng)力作用下粗粒土細(xì)觀力學(xué)及壩工特性：(1)通過粒間接觸和流變試驗，建立髙應(yīng)力下粒間接觸模型和流變模型，結(jié)合離散元數(shù)值模擬揭示粒間接觸細(xì)宏觀力學(xué)之間的聯(lián)系；(2)通過可視大型直剪試驗，揭示粗粒土的顆粒破碎演化規(guī)律和細(xì)觀力學(xué)機理；(3)通過可視離心機試驗，驗證粒間接觸模型和流變模型，揭示接近實際應(yīng)力場條件下粗粒土破壞的細(xì)觀力學(xué)機理及與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系；(4)結(jié)合實際工程，采用離散-連續(xù)混合數(shù)值方法，分析超高土石壩結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的細(xì)觀演化規(guī)律，從細(xì)觀角度揭示超高土石壩破壞過程的力學(xué)機理。本研究可為髙應(yīng)力下粗粒土的深入研究提供細(xì)觀力學(xué)基礎(chǔ)，為超高土石壩工程性能的分析和評價提供理論依據(jù)。

本課題擬通過巖石在高圍壓下直到強度峰值后的不同應(yīng)力路徑的加卸載瞬時和流變力學(xué)性質(zhì)試驗，建立巖石在高應(yīng)力下的加卸和卸載時的瞬時和流變力學(xué)本構(gòu)模型和強度準(zhǔn)則。通過節(jié)理在高圍壓下三軸試驗，以及節(jié)理在高法向應(yīng)力水平下和常剛度下加載和卸載時的瞬時和流變力學(xué)性質(zhì)試驗，建立巖石節(jié)理在高應(yīng)力下的加卸和卸載時的瞬時和流變力學(xué)本構(gòu)模型和強度準(zhǔn)則。再結(jié)合節(jié)理巖體在三向高應(yīng)力下的卸荷模型試驗和現(xiàn)場實測資料的研究，建立針對 2100433B