土石混合體三維結(jié)構(gòu)重建及細(xì)觀力學(xué)特性研究

課題以土石混合體為研究對(duì)象，從結(jié)構(gòu)性特征入手，運(yùn)用力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值試驗(yàn)等技術(shù)手段，開(kāi)展其細(xì)觀力學(xué)及變形破裂機(jī)理研究，并取得了以下重要的研究成果： 1）提出了土石混合體結(jié)構(gòu)性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，揭示了其內(nèi)部塊石形態(tài)特征呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性及細(xì)觀結(jié)構(gòu)自組織性特征，填補(bǔ)了該項(xiàng)研究的空白。 2）開(kāi)展了土石混合體的多結(jié)構(gòu)及多尺度力學(xué)試驗(yàn)研究，成果表明土石混合體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性質(zhì)有明顯影響。由于塊石的咬合及骨架作用，試樣抗剪強(qiáng)度隨含石量增大而增大；含石量相等時(shí)，含有較多大粒徑塊石的試樣具有較高的偏應(yīng)力和較小的體縮量。同時(shí)也表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)，由于膜邊界約束及同等尺寸塊石在小尺度試樣的控制性作用，土石混合體軸向偏應(yīng)力隨試樣尺寸增大而減小。 3）豐富和發(fā)展了土石混合體三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模方法，自主研發(fā)了一系列土石混合體三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模系統(tǒng)，使得對(duì)土石混合體細(xì)觀力學(xué)研究由二維發(fā)展到三維、由隨機(jī)模擬發(fā)展到真實(shí)結(jié)構(gòu)模型生成，為細(xì)觀力學(xué)計(jì)算分析奠定了堅(jiān)實(shí)的模型基礎(chǔ)，到達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。 4）提出了基于球顆粒的三維非連續(xù)變形分析方法，推導(dǎo)了相應(yīng)的理論公式，研發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序3D-DDAS，將其應(yīng)用于顆粒集合體細(xì)觀力學(xué)及破壞機(jī)理研究，取得了較好的效果。 5）發(fā)展了土石混合體細(xì)觀力學(xué)及顆粒力學(xué)研究，深入揭示土石混合體的變形破裂機(jī)理、宏-細(xì)力學(xué)性質(zhì)。建立了系統(tǒng)的顆粒離散元細(xì)觀定量分析方法，并開(kāi)發(fā)了軟件分析系統(tǒng)；提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顆粒離散元細(xì)觀力學(xué)參數(shù)反演分析方法；基于原位及室內(nèi)試驗(yàn)成果，用顆粒離散元方法系統(tǒng)開(kāi)展了土石混合體細(xì)觀力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)研究，深入揭示了土石混合體試樣的宏觀力學(xué)行為與變形局部化有密切的聯(lián)系，及變形破裂細(xì)觀演化機(jī)理。 6）針對(duì)我國(guó)地震災(zāi)區(qū)發(fā)生的重大滑坡災(zāi)害、堵江形成堰塞體的機(jī)理及結(jié)構(gòu)特性開(kāi)展系統(tǒng)研究工作，提出了其失穩(wěn)堵江的四階段模式。提出了DDA強(qiáng)度折減法的基本思想，實(shí)現(xiàn)了滑坡穩(wěn)定系數(shù)的自動(dòng)計(jì)算分析，將其應(yīng)用于一大型土石混合體滑坡的二維穩(wěn)定性特征及破壞模式研究，為指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)提供了依據(jù)。 項(xiàng)目研究成果不但深化和發(fā)展了土石混合體細(xì)觀力學(xué)特性，而且其研究成果也適用于混凝土及其它非均質(zhì)材料的研究。 2100433B

本課題以土石混合體為研究對(duì)象，擬自行研發(fā)三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)重建系統(tǒng)，并用于土石混合體試樣的三維重建、三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)定量分析及數(shù)值試驗(yàn)；通過(guò)野外大尺度粒度分析、量測(cè)及數(shù)字圖像定量分析等方法，提出土石混合體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)在宏觀統(tǒng)計(jì)層次上的規(guī)律性；完善已研發(fā)的土石混合體三維隨機(jī)細(xì)觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)，用于土石混合體試樣的隨機(jī)生成及數(shù)值試驗(yàn)；運(yùn)用室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)、基于三維重建模型及隨機(jī)模型的細(xì)觀力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)方法，研究土石混合體的變形破壞機(jī)制、細(xì)觀及宏觀力學(xué)行為特征。本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)包括：揭示土石混合體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的規(guī)律性；研發(fā)土石混合體三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)；揭示土石混合體的細(xì)觀力學(xué)特征。本項(xiàng)目的研究成果對(duì)于揭示土石混合體的在外荷載作用下的細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)特征、損傷及變形破壞機(jī)制、細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)特征之間的關(guān)系，并為建立土石混合體的結(jié)構(gòu)化本構(gòu)模型具有理論意義；其研究成果對(duì)于其它非均質(zhì)材料的研究也具有借鑒意義和應(yīng)用價(jià)值。

本書(shū)主要研究土石混合體的非均質(zhì)性、非連續(xù)性和多界面效應(yīng)等，從宏觀和微觀兩個(gè)層面總結(jié)分析其力學(xué)行為。首先分析土石混合體分布、地質(zhì)成因及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立其結(jié)構(gòu)模型，研究其在典型受力狀態(tài)下的力學(xué)行為，驗(yàn)證并闡述其大尺度代表性試樣的宏觀力學(xué)行為特點(diǎn)。然后，研究土石混合體的壓縮、變形和破壞的漸進(jìn)性過(guò)程以及強(qiáng)度特征等力學(xué)特性，研究并總結(jié)考慮其復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的破壞準(zhǔn)則，基于固-流-熱模型實(shí)現(xiàn)其在多場(chǎng)耦合作用下的準(zhǔn)確求解，對(duì)其變形破壞過(guò)程中的細(xì)觀過(guò)程進(jìn)行研究，圍繞其結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的非線性力學(xué)行為進(jìn)行深入研究。最后基于上述研究成果，結(jié)合工程實(shí)際對(duì)土石混合體邊坡變形穩(wěn)定性以及壩基的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。

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

近年我國(guó)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(guò)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(guò)程和彈性核發(fā)展過(guò)程的觀測(cè)。 通過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)，而是沿著向上突起的拱形滑動(dòng)面發(fā)展。 通過(guò)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(guò)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(kāi)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(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利一項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文9篇，其中SCI、EI論文8篇。 2100433B