土石混合料剪切特性及块石破碎特征研究

发布时间：2020-11-08 21:37

　　 随着西部大开发战略的实施和丝绸之路经济带的建设,我国西南地区机场建设快速发展,规模不断扩大,形成了众多超高填方边坡,如重庆江北国际机场扩建工程最大填方高度达到130 m。填方过程中,土石混合料因其良好的工程特性被广泛作为填方材料。在土石混合料的强度特性中,剪切特性是控制高填方边坡变形和稳定性的重要物理力学参数,且在高填方边坡中,高应力作用下土石混合料颗粒破碎问题真实存在,并将对其剪切特性产生显著影响,对考虑颗粒破碎的土石混合料开展剪切特性研究将对西南地区机场建设过程中的高填方边坡稳定性及地基不均匀沉降问题具有重要的理论价值和工程实际意义。本文依托于重庆江北国际机场四期扩建工程,针对考虑颗粒破碎的土石混合料剪切特性开展研究。通过现场槽探及大型室内直剪试验,获取土石混合填料的基本物理力学特性;通过PFC2D内置FISH语言的二次开发,构建考虑颗粒破碎的随机多边形块石土石混合料颗粒离散元数值模型;探讨含石量对土石混合料剪切特性的影响,揭示直剪试验过程中的块石破碎特征;构建多尺度数值直剪试验模型,探讨块石尺寸、块石形状、颗粒级配及初始孔隙率对土石混合料剪切特性及颗粒破碎程度的影响规律。主要研究成果如下:(1)首先,通过室内大型直剪试验及筛分试验揭示了不同含石量、不同块石岩性的土石混合料剪切特性及破碎特征。结果表明,随含石量增大,土石混合料剪切曲线由应变硬化型发展为塑性应变型,最终发展为应变软化型;随块石单轴抗压强度增大,土石混合料剪切曲线由应变软化型发展为应变硬化型。随着法向应力增大,剪切后土石混合料细颗粒成分增加,粗颗粒成分减小,中间粒径颗粒成分波动变化。随着含石量增大,颗粒破碎现象越普遍,颗粒级配曲线变化也越大;块石的单轴抗压强度和弹性模量越大,越不易破碎,土石混合料颗粒破碎程度越小。(2)基于室内大型直剪试验,以土石混合填料粒度成分及块石形态统计规律为依据,通过对PFC2D中FISH语言的二次开发,构建了能够真实描述土石混合料形态特征并准确反映剪切过程中颗粒破碎特征的土石混合料颗粒离散元数值模型。利用Cluster颗粒簇实现了粒径大于5mm的随机多边形块石的随机破碎过程,能够较好地反映块石的破碎效应。利用单轴压缩试验和室内直剪试验对土石混合料颗粒流模型的微观参数进行试算标定,最终选定能够较好地体现土石混合料剪切特性及块石破碎特征的微观参数。(3)通过数值直剪试验,探讨考虑块石破碎的土石混合料剪切特性,重点揭示了含石量对抗剪强度指标及块石破碎率的影响规律,并从微观角度对土石混合料剪切过程中剪切面的演化规律进行分析。土石混合料剪切过程可明显划分为弹性变形阶段、局部剪切阶段、剪切破坏阶段、残余变形阶段4个阶段。含石量越高,土石混合料抗剪强度越高,在200kPa~800kPa法向应力范围内基本符合摩尔-库伦强度准则。剪切过程中块石的破碎形式按照破碎的严重程度可归纳为表面研磨、局部破碎、完全破裂、完全破碎4种方式。为定量分析粒径大于5mm的块石剪切后的破碎程度,以Hardin相对破碎率B_r为基础,提出块石相对破碎率B_(r-5)这一破碎指标,B_(r-5)随含石量和法向应力的增大而增大,拟合得到含石量为P_5的土石混合料在法向应力σ_n作用下的B_(r-5),可对实际工程中不同工况下的土石混合料破碎情况进行大致预测。土石混合料最终剪切面并非光滑平面,而是偏离预设剪切面出现“剪斜”现象,随含石量增大,剪切面起伏程度更大,剪斜现象更明显。(4)构建多尺度数值直剪试验模型,探讨块石尺寸、块石形状、颗粒级配及初始孔隙率四个内在因素对土石混合料剪切特性及颗粒破碎程度的影响。土石混合料抗剪强度随块石尺寸增大而增大,且此差异性随法向应力增加有增大趋势;随着块石粒径增大,B_(r-5)逐渐增大。块石形状对土石混合料抗剪强度无明显影响,但随着块石浑圆度增大,B_(r-5)将减小。颗粒级配越均匀,颗粒间接触越完全,咬合也越紧密,抗剪强度越高;随着试样颗粒级配趋于良好,B_(r-5)逐渐减小。初始孔隙率对土石混合料抗剪强度无明显影响;随着试样初始孔隙率增大,块石颗粒周围的接触点数相对越少,接触点处的应力将越大,B_(r-5)呈现增大趋势。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V351.1
【部分图文】：

因此将土石混合料划分为一类新的岩土介质体系，并建立相应的物理指标和强度特性体系是高填方工程建设的需要，也是土力学和岩石力学纵深发展的必然趋势。土石混合料高填方边坡存在的主要工程地质问题是填方边坡的稳定性及地基不均匀沉降问题，如图 1.2 四川攀枝花机场 12#滑坡使机场一度停航，而目前关于高填方边坡稳定性的理论研究和高填方地基差异沉降的控制研究多局限于室内小尺寸试验及对其他相似工程经验的借鉴，与实际工程的需要尚有一定距离。在土石混合料的强度特性中，剪切特性是控制高填方边坡变形和稳定性的重要物理力学参数[7, 8]。在高填方边坡中，由于土石混合料中土石比例对其抗剪性能影响较大，因此必须考虑填方时的颗粒破碎现象，尤其是高应力区域，颗粒破碎率较高时，填料的土石比例发生较大改变，其抗剪性能也会受到很大影响，重庆江北机场扩建填筑过程中块石破碎现象见图 1.3。因此，对土石混合料开展考虑颗粒破碎的剪切特性研究将对西南地区机场建设过程中的高填方边坡稳定性及地基不均匀沉降问题具有重要的理论价值和工程实际意义。

因此将土石混合料划分为一类新的岩土介质体系，并建立相应的物理指标和强度特性体系是高填方工程建设的需要，也是土力学和岩石力学纵深发展的必然趋势。土石混合料高填方边坡存在的主要工程地质问题是填方边坡的稳定性及地基不均匀沉降问题，如图 1.2 四川攀枝花机场 12#滑坡使机场一度停航，而目前关于高填方边坡稳定性的理论研究和高填方地基差异沉降的控制研究多局限于室内小尺寸试验及对其他相似工程经验的借鉴，与实际工程的需要尚有一定距离。在土石混合料的强度特性中，剪切特性是控制高填方边坡变形和稳定性的重要物理力学参数[7, 8]。在高填方边坡中，由于土石混合料中土石比例对其抗剪性能影响较大，因此必须考虑填方时的颗粒破碎现象，尤其是高应力区域，颗粒破碎率较高时，填料的土石比例发生较大改变，其抗剪性能也会受到很大影响，重庆江北机场扩建填筑过程中块石破碎现象见图 1.3。因此，对土石混合料开展考虑颗粒破碎的剪切特性研究将对西南地区机场建设过程中的高填方边坡稳定性及地基不均匀沉降问题具有重要的理论价值和工程实际意义。

图 2.2 库伦强度定律Figure 2.2 Coulomb’s law of strength设备种介于均质土体与裂隙岩体之间的特殊地质材》（JTG E40-2007），本文以 5mm 作为土石的量称为含石量 P5，这一土石阈值已被较多学者验规程[91]规定，对土石混合料进行室内直剪试径之比不应小于 5，本文中试件尺寸高度×直粒径应不大于 80mm，本次试验取最大粒径 6粘土、砂岩块石、泥岩块石和泥质砂岩块石四
【参考文献】

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本文编号：2875383