土石混合體變形破壞機(jī)理的三維離散元精細(xì)模擬

本項(xiàng)目以土石混合體滑坡為工程背景,以土石混合體細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型的三維離散元建模方法為重點(diǎn),采用物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究手段對(duì)土石混合體的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。首先，開(kāi)發(fā)了一種不規(guī)則顆粒三維離散元精細(xì)模擬技術(shù)，并引入分子-機(jī)械摩擦理論開(kāi)發(fā)建立了適用于不規(guī)則顆粒接觸模擬的三維不規(guī)則顆粒離散元數(shù)值分析系統(tǒng)；其次，開(kāi)展了土石混合體室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)和大型直剪試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了無(wú)膠結(jié)土石混合體和膠結(jié)土石混合體的力學(xué)特性和破壞模式，并研究了塊石含量和形狀對(duì)膠結(jié)土石混合體宏觀力學(xué)特性的影響；然后，提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的不規(guī)則塊石三維幾何模型建模方法，基于不規(guī)則顆粒三維離散元精細(xì)建模方法建立了不規(guī)則塊石的三維離散元模型，引入擬振動(dòng)壓實(shí)法建立了土石混合體三維離散元模型，提出了用于三軸試驗(yàn)側(cè)向柔性薄膜模擬的改進(jìn)堆疊墻法，開(kāi)展了一系列土石混合體大型三軸試驗(yàn)三維離散元數(shù)值模擬研究，從細(xì)觀水平上揭示了土石混合體的變形破壞機(jī)理；最后，提出了基于土工離心模型試驗(yàn)基本原理和土石混合體細(xì)觀結(jié)構(gòu)相對(duì)性的土石混合體邊坡三維離散元建模方法，引入顆粒流強(qiáng)度折減法并進(jìn)行改進(jìn)，分析了不同含石量、不同空間結(jié)構(gòu)和不同空間形態(tài)等因素對(duì)土石混合體邊坡穩(wěn)定性和破壞機(jī)理的影響。另外，還進(jìn)行了土石混合體大型直剪試驗(yàn)有限元數(shù)值模擬以及土石混合體邊坡穩(wěn)定性有限元分析的平行研究。獲得的重要結(jié)果包括：(1) 提出的一整套三維離散元模擬方法能夠再現(xiàn)土石混合體的主要細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征和宏觀力學(xué)行為；(2) 膠結(jié)土石混合體和無(wú)膠結(jié)土石混合體的強(qiáng)度、變形及破壞模式等均有顯著的差別，應(yīng)分別進(jìn)行研究；(3) 土石混合體的抗剪強(qiáng)度取決于內(nèi)部塊石骨架機(jī)構(gòu)效應(yīng)和基質(zhì)膠結(jié)效應(yīng)兩個(gè)方面的綜合作用；(4) 塊石含量、塊石形狀、塊石定向性排列、應(yīng)力水平和應(yīng)力路徑等多種內(nèi)外因素都對(duì)土石混合體的力學(xué)特性有不同程度的影響，且具有一定的交互作用；(5) 一定含量較大塊石的存在使得土石混合體邊坡的應(yīng)力場(chǎng)和破壞模式均發(fā)生了明顯的改變，從而其穩(wěn)定性也發(fā)生變化，不同空間結(jié)構(gòu)和不同空間形態(tài)的土石混合體邊坡的破壞模式和穩(wěn)定性也有顯著差異。 研究成果顯著推動(dòng)土石混合體力學(xué)理論體系的發(fā)展，有利于更加深入掌握土石混合體的宏細(xì)觀力學(xué)特性和變形破壞機(jī)理，為土石混合體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的防治提供了科學(xué)依據(jù)，所提出的一整套不規(guī)則塊石和土石混合體三維離散元建模技術(shù)也可為其他巖土等顆粒材料研究提供借鑒。 2100433B

地球上絕大多數(shù)滑坡體都是由土石混合體構(gòu)成的，研究土石混合體變形破壞機(jī)理對(duì)于防治地質(zhì)災(zāi)害具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。土石混合體由土和塊石構(gòu)成，具有復(fù)雜的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，而目前對(duì)其研究大多沿用均質(zhì)土體的研究方法，不能從細(xì)觀層面揭示土石混合體變形破壞機(jī)理。本項(xiàng)目擬以土石混合體邊、滑坡為工程背景，開(kāi)展土石混合體變形破壞機(jī)理的三維離散元精細(xì)模擬研究。首先針對(duì)土石混合體中不規(guī)則塊石體，利用CT掃描技術(shù)，獲取典型不規(guī)則外形塊石體的三維幾何網(wǎng)格數(shù)據(jù)，并提出一種基于該網(wǎng)格數(shù)據(jù)的塊石體精細(xì)建模方法；其次根據(jù)土石混合體物性特征，生成不同的土石混合體模型，并在PFC3D數(shù)值平臺(tái)中引入分子-摩擦理論，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的顆粒離散元數(shù)值分析系統(tǒng)；再次結(jié)合室內(nèi)剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，開(kāi)展數(shù)值仿真，通過(guò)追蹤特定塊石體受力演化過(guò)程和運(yùn)動(dòng)軌跡，從細(xì)觀角度揭示土石混合體變形破壞機(jī)理；最后結(jié)合具體工程，初步實(shí)現(xiàn)土石混合體邊坡變形破壞機(jī)理的精細(xì)模擬。

前言

第1章緒論

第2章土石混合體分布、地質(zhì)成因及其結(jié)構(gòu)特征

第3章土石混合體結(jié)構(gòu)模型的建立

第4章土石混合體的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)研究

第5章土石混合體物理模擬試驗(yàn)及其力學(xué)結(jié)構(gòu)效應(yīng)

第6章土石混合體變形破壞機(jī)理的顆粒流離散元數(shù)值分析

第7章土石混合體單軸壓縮試驗(yàn)的數(shù)值模擬

第8章土石混合體變形強(qiáng)度特性的有限差分分析

第9章土石混合體原位試驗(yàn)的數(shù)值模擬研究

第10章土石混合體細(xì)觀變形破壞的CT試驗(yàn)研究

第11章土石混合體強(qiáng)度影響因素分析與質(zhì)量評(píng)價(jià)

第12章土石混合體邊坡的穩(wěn)定性研究

第13章固－流－熱耦合數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值求解研究

第14章土石混合體的滲流特性及其固流耦合特性

第15章大渡河雙江口土石混合體壩基的滲透穩(wěn)定性分析

《新世紀(jì)工程地質(zhì)學(xué)叢書(shū)》出版說(shuō)明 2100433B

離散元法是專門(mén)用來(lái)解決不連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的數(shù)值模擬方法。該方法把節(jié)理巖體視為由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面所組成,允許巖塊平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和變形,而節(jié)理面可被壓縮、分離或滑動(dòng)。因此,巖體被看作一種不連續(xù)的離散介質(zhì)。其內(nèi)部可存在大位移、旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)乃至塊體的分離,從而可以較真實(shí)地模擬節(jié)理巖體中的非線性大變形特征。離散元法的一般求解過(guò)程為:將求解空間離散為離散元單元陣,并根據(jù)實(shí)際問(wèn)題用合理的連接元件將相鄰兩單元連接起來(lái);單元間相對(duì)位移是基本變量,由力與相對(duì)位移的關(guān)系可得到兩單元間法向和切向的作用力;對(duì)單元在各個(gè)方向上與其它單元間的作用力以及其它物理場(chǎng)對(duì)單元作用所引起的外力求合力和合力矩,根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)第二定律可以求得單元的加速度;對(duì)其進(jìn)行時(shí)間積分,進(jìn)而得到單元的速度和位移。從而得到所有單元在任意時(shí)刻的速度、加速度、角速度、線位移和轉(zhuǎn)角等物理量。

離散元技術(shù)在巖土、礦冶、農(nóng)業(yè)、食品、化工、制藥和環(huán)境等領(lǐng)域有廣泛地應(yīng)用，可分為分選、凝聚、混合、裝填和壓制、推鏟、儲(chǔ)運(yùn)、粉碎、爆破、流態(tài)化等過(guò)程。顆粒離散元法在上述領(lǐng)域均有不少應(yīng)用：料倉(cāng)卸料過(guò)程的模擬；堆積、裝填和壓制；顆?；旌线^(guò)程的模擬。離散元法在巖土工程、地質(zhì)工程和能源開(kāi)采領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。