土石混合體變形破壞機理的三維離散元精細(xì)模擬項目摘要

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理對于防治地質(zhì)災(zāi)害具有重要的社會經(jīng)濟意義。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理。本項目擬以土石混合體邊、滑坡為工程背景，開展土石混合體變形破壞機理的三維離散元精細(xì)模擬研究。首先針對土石混合體中不規(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)值平臺中引入分子-摩擦理論，開發(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)剪切試驗和三軸壓縮試驗，開展數(shù)值仿真，通過追蹤特定塊石體受力演化過程和運動軌跡，從細(xì)觀角度揭示土石混合體變形破壞機理；最后結(jié)合具體工程，初步實現(xiàn)土石混合體邊坡變形破壞機理的精細(xì)模擬。

本項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,采用物理試驗和數(shù)值模擬等研究手段對土石混合體的變形破壞機理進(jìn)行了研究。首先，開發(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-機械摩擦理論開發(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，開展了土石混合體室內(nèi)大型三軸試驗和大型直剪試驗研究，對比分析了無膠結(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，提出了一種簡單實用的不規(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，引入擬振動壓實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側(cè)向柔性薄膜模擬的改進(jìn)堆疊墻法，開展了一系列土石混合體大型三軸試驗三維離散元數(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理；最后，提出了基于土工離心模型試驗基本原理和土石混合體細(xì)觀結(jié)構(gòu)相對性的土石混合體邊坡三維離散元建模方法，引入顆粒流強度折減法并進(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)等因素對土石混合體邊坡穩(wěn)定性和破壞機理的影響。另外，還進(jìn)行了土石混合體大型直剪試驗有限元數(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)土石混合體和無膠結(jié)土石混合體的強度、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度取決于內(nèi)部塊石骨架機構(gòu)效應(yīng)和基質(zhì)膠結(jié)效應(yīng)兩個方面的綜合作用；(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

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)場原位試驗研究

第5章土石混合體物理模擬試驗及其力學(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的數(shù)值模擬

第8章土石混合體變形強度特性的有限差分分析

第9章土石混合體原位試驗的數(shù)值模擬研究

第10章土石混合體細(xì)觀變形破壞的CT試驗研究

第11章土石混合體強度影響因素分析與質(zhì)量評價

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》出版說明 2100433B

離散元法是專門用來解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(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)動和變形,而節(jié)理面可被壓縮、分離或滑動。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)和滑動乃至塊體的分離,從而可以較真實地模擬節(jié)理巖體中的非線性大變形特征。離散元法的一般求解過程為:將求解空間離散為離散元單元陣,并根據(jù)實際問題用合理的連接元件將相鄰兩單元連接起來;單元間相對位移是基本變量,由力與相對位移的關(guān)系可得到兩單元間法向和切向的作用力;對單元在各個方向上與其它單元間的作用力以及其它物理場對單元作用所引起的外力求合力和合力矩,根據(jù)牛頓運動第二定律可以求得單元的加速度;對其進(jìn)行時間積分,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、儲運、粉碎、爆破、流態(tài)化等過程。顆粒離散元法在上述領(lǐng)域均有不少應(yīng)用：料倉卸料過程的模擬；堆積、裝填和壓制；顆?；旌线^程的模擬。離散元法在巖土工程、地質(zhì)工程和能源開采領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用價值。