土層錨固體應(yīng)力傳遞及滑脫過程的細(xì)觀力學(xué)研究

土層錨固技術(shù)是近代巖土工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要組成部分。雖然土層錨固技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，新的錨固方式不斷出現(xiàn)，但對(duì)其錨固機(jī)理的認(rèn)識(shí)與理論研究卻相對(duì)滯后，尚未形成一種被廣泛認(rèn)可的工程設(shè)計(jì)理論。根據(jù)項(xiàng)目原計(jì)劃，本項(xiàng)目采用自主研發(fā)的基于二維數(shù)字散斑的細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，揭示了錨固體周邊應(yīng)變局部化及剪切帶形成、演化和破壞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在錨固體位移初期，錨周土體的剪應(yīng)變是不均勻、局部和泛散的，隨著錨固體位移加大，剪應(yīng)變區(qū)域逐漸延伸并相互連通，最后貫通形成剪切滑移帶，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)軸對(duì)稱問題特點(diǎn)建立了錨固體周邊土體剪切帶的本構(gòu)關(guān)系。通過錨固體界面幾何特征測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究了土層錨固體界面的力學(xué)特性，認(rèn)為錨固體表面粗糙度是影響錨固體界面力學(xué)特性的主要因素；采用分形維數(shù)描述界面接觸特征，并構(gòu)造了能表征錨固體與土體接觸帶特性的界面單元。通過數(shù)值模擬結(jié)合宏觀拉拔實(shí)驗(yàn)的方法將土層錨固系統(tǒng)失效的全過程分為彈性變形階段、塑性滑移階段以及脫粘階段三個(gè)階段，認(rèn)為塑性滑移階段是承受外界荷載的主要階段，并得到全長粘結(jié)式錨固體在拉拔荷載作用下的應(yīng)力分布特征以及隨著荷載增加的演化規(guī)律，結(jié)果表明，當(dāng)荷載較小時(shí)剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在孔口位置且數(shù)值不大，隨著荷載的增大剪應(yīng)力向錨桿底部傳遞，達(dá)到極限荷載時(shí)錨桿上部界面層出現(xiàn)滑脫，剪切應(yīng)力沿錨桿趨于均勻分布；同時(shí)，宏觀拉拔實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也印證了界面單元構(gòu)造的合理性。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了拉力型、壓力型和擴(kuò)徑型錨固體應(yīng)力分布，并分析了不同因素對(duì)剪應(yīng)力分布和演化的影響。本項(xiàng)目的研究為錨固理論研究提供了實(shí)驗(yàn)分析和理論研究方法，對(duì)發(fā)展巖土工程錨固技術(shù)、完善滯后于應(yīng)用研究的錨固理論有著重要的意義，同時(shí)為錨固技術(shù)的研究、計(jì)算和設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

針對(duì)土層錨固體在拉拔荷載作用下錨固體周邊土體應(yīng)力分布與變形失效規(guī)律的研究，通過細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)，采用密柵云紋法獲得錨固體周邊土體隨荷載的加大應(yīng)變場(chǎng)的變化和流動(dòng)規(guī)律，以及剪切帶的形成演化過程，揭示其漸進(jìn)性破壞規(guī)律。根據(jù)軸對(duì)稱問題特點(diǎn)及應(yīng)變流動(dòng)規(guī)律，建立土層錨固體周邊剪切帶的硬化-軟化-滑脫的本構(gòu)關(guān)系，并由此導(dǎo)出拉力型、壓力型、擴(kuò)徑型等及其多元形式錨固體在拉拔荷載作用下應(yīng)力分布及位移特征。同時(shí)，采用分形維數(shù)描述錨固體與土體間的接觸特征，通過實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和細(xì)觀尺度上的有限元計(jì)算，構(gòu)造表征錨固體與土體接觸帶特性的界面單元，采用數(shù)值模擬分析各類錨固體應(yīng)力分布及隨著荷載增大的演化規(guī)律。提出各類土層錨固體極限荷載的確定方法，并研究它們的適用條件以及錨固參數(shù)的對(duì)極限荷載的影響。課題的研究為錨固理論研究提供了實(shí)驗(yàn)分析和理論研究方法，為土層錨固系統(tǒng)理論奠定基礎(chǔ)，為錨固工程的設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。

近年我國超高壩建設(shè)發(fā)展較快，對(duì)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(xiàng)目在課題組前期研究的基礎(chǔ)上，利用自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置及可視化細(xì)觀測(cè)試分析系統(tǒng)，進(jìn)行了室內(nèi)高應(yīng)力顆粒接觸試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)，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?cè)囼?yàn)，揭示了粗粒土顆粒接觸特性的力學(xué)機(jī)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(yàn)的法向接觸剛度是球-球接觸試驗(yàn)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(yàn)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(diǎn)接觸下顆粒破碎強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)。 通過可視大型直剪試驗(yàn)，揭示了粗粒土的顆粒破碎演化規(guī)律和細(xì)觀力學(xué)機(jī)理。通過對(duì)大型直剪數(shù)值試驗(yàn)中顆粒的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)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(dòng)面發(fā)展。 通過可視離心機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了粒間接觸模型和流變模型，揭示了接近實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)條件下粗粒土破壞的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理及與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過對(duì)不同粒徑大小的粗粒土壩體，在不同離心加速度下進(jìn)行模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)離心加速度對(duì)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(jī)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(xiàng)目組已獲得國家實(shí)用新型專利一項(xiàng)，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(duì)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(xiàng)目擬采用自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置及可視化細(xì)觀測(cè)試分析系統(tǒng)，利用多種試驗(yàn)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?cè)囼?yàn)，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(yàn)，揭示粗粒土的顆粒破碎演化規(guī)律和細(xì)觀力學(xué)機(jī)理；(3)通過可視離心機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證粒間接觸模型和流變模型，揭示接近實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)條件下粗粒土破壞的細(xì)觀力學(xué)機(jī)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(shí)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(jī)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(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

通過地下水滲流的室內(nèi)模型試驗(yàn)，利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像變形量測(cè)技術(shù)觀察和攝錄地下水位面變化過程中土顆粒的移動(dòng)軌跡，為地下水滲流引起無粘性土層沉降的細(xì)觀機(jī)理分析和顆粒流數(shù)值模擬提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)；并從土體內(nèi)部流固耦合機(jī)制的細(xì)觀層面上分析地下水滲流與土顆粒介質(zhì)之間的相互作用，深入研究地下水滲流引起無粘性土層沉降的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理?；陬w粒流理論，建立地下水位面變化過程中無粘性土層沉降發(fā)展變化規(guī)律的細(xì)觀理論模型，并在PFC計(jì)算軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)地下水滲流過程中土顆粒的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行細(xì)觀模擬，進(jìn)一步從細(xì)觀角度深入理解和認(rèn)識(shí)地下水滲流引起無粘性土層沉降的機(jī)理；結(jié)合上海等地區(qū)無粘性土層沉降的觀測(cè)資料，利用研究取得的滲流引起無粘性土層沉降機(jī)理的細(xì)觀力學(xué)分析理論和相應(yīng)方法，把理論預(yù)測(cè)的土層沉降結(jié)果與實(shí)際的觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，為地面沉降災(zāi)害的預(yù)測(cè)和治理提供參考意見。