基于材料组分的非均质岩土体数值建模方法及试验研究

发布时间：2018-02-16 10:05

本文关键词： 岩土材料组分非均质建模方法数值模拟试验非均质度模型试验非均质岩土边坡　出处：《武汉大学》2013年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：岩土材料是自然界一切生物赖以生存、活动、发展的最基本的载体,也与人类的一切工程活动密切相关。非均质特性作为岩土材料的基本特性之一,影响着岩土材料的物理力学特性,并进而影响着人类的工程活动。岩土材料的非均质特性主要体现为岩土材料参数的非均匀性,而有效描述岩土材料这种非均质特性的建模方法应具备三个基本特征：第一能够简单地、合理地描述岩土材料参数的随机性和结构性；第二能够较好地与物理试验相结合,验证建模方法的有效性和准确性;第三能够便捷地运用于实际的岩土工程分析中,正确指导岩土工程实践。现有的描述岩土材料非均质特性的建模方法或多或少存在一定的局限,难以用于解决岩土工程实际问题。为更好地研究岩土材料非均质特性,进一步深入了解岩土材料的物理力学特性,本文以国家自然科学基金项目(No.41272342)“土石混合体变形破坏机理的三维离散元精细模拟”为依托,基于岩土材料的物质组成对其非均质特性开展了建模方法、力学特性数值模拟、模型试验及工程应用等方面的研究,主要内容和结论如下： (1)根据岩土材料力学参数的随机性和结构性特征,基于材料组分,提出了岩土材料组分非均质数值建模方法。该建模方法通过岩土材料真实组分的种类及其含量考虑岩土参数的结构性因素,并以此为基础建立岩土材料细胞元类别的判定法则,结合Monte Carlo方法考虑岩土参数的随机性特征,对所有细胞元进行类别判定,完成非均质岩土材料的建模过程。利用该建模方法进行岩土材料的非均质特性描述时,各材料组分的含量与岩土材料真实含量相等,且该关系不依赖于单元网格的形状和尺寸,所以该建模方法又具有较好的网格适应性。该建模方法对均质岩土材料和非均质岩土材料均是适用的。 (2)通过数值模拟试验方法研究了岩土材料组分非均质数值建模方法的随机性和结构性特征。数值模型内材料组分细胞元的随机分布对岩土材料的整体宏观力学参数影响很小,但组成岩土材料的组分种类(力学参数差异性)和含量对岩土材料整体宏观力学特性的影响较大。材料组分的力学参数不同时,整体宏观力学参数不同,材料组分的含量不同时,整体宏观力学参数也不相同。岩土材料模型的宏观弹性模量与材料组分细胞元的细观弹性模量和含量之间均具有显著的线性关系,模型的整体宏观弹性模量可以用所有材料组分细胞元弹性模量的数学期望值表示。 (3)利用岩土材料组分非均质数值建模方法建立了非均质岩石材料的巴西圆盘试件模型和单轴压缩试件模型,结合有限单元法对非均质岩石材料的受力特性进行数值模拟。由于岩土材料的非均质特性,荷载作用下,岩土材料内部发生了应力重分布,非均质特性对材料内部的应力分布具有重要的影响；非均质岩石材料的整体宏观力学特性由材料组分细胞元的变形特征和岩土材料非均质特性共同决定。 (4)根据岩土材料参数均具有随机性的特征,将材料参数的变异系数这一无量纲量定义为岩土材料的非均质度。通过研究随机概率非均质数值建模方法(Weibull分布)的变异系数与Weibull分布的形状参数的关系,证明了利用岩土参数的变异系数描述岩土材料非均质度是合理的。对于非均质岩土材料,其整体宏观弹性模量随非均质度的增大逐渐减小,在非均质度较小时,弹性模量随非均质度的变化较平缓,在非均质度较大时,随非均质度的变化较明显；岩土材料的整体宏观极限强度随非均质度的增大逐渐减小,极限强度与非均质度的关系表现为明显的线性关系。 (5)根据岩土材料组分非均质数值建模方法的基本思想,提出了一种实现非均质岩石材料的模型试验方案,制作了非均质岩石材料的模型试件,通过单轴压缩试验,研究了非均质岩石材料的变形破坏特征,探讨了岩石材料非均质特性对其物理力学特性的影响。试验结果表明,非均质岩石材料模型试件体现出与“均质”岩石材料模型试件类似的变形特征,但其弹性模量、极限强度等力学参数与均质模型试件不同；不同的材料组分类别、不同的材料组分含量均对非均质岩石材料的模型试件的力学特性具有影响,体现出材料组分的结构性影响特征；非均质岩石材料模型试件的弹性模量、极限强度均受材料非均质度的影响,模型试验得到的材料力学参数受非均质度的影响规律与数值模拟试验的规律是一致的。非均质岩石材料模型试件在单轴压缩状态下的破坏形式主要为拉伸破坏和剪切破坏,非均质岩石材料模型试件的破坏形式同样受到材料组分的影响。 (6)将岩土材料组分非均质数值建模方法初步运用于岩土边坡工程,建立了非均质边坡的随机细观结构模型。该模型具有岩土材料组分非均质数值建模方法的基本特点,同时,该建模方法可适用于建立三维非均质岩土边坡的数值分析模型。通过将非均质岩土边坡随机结构模型与有限元强度折减法结合,初步探讨了岩土材料的非均质特性对边坡稳定性的影响。结果表明,在其他参数不变的情况下,随着粘聚力非均质度的增大,边坡的稳定安全系数逐渐减小。因此,如果不考虑岩土边坡的非均质特性,可能使边坡工程存在安全隐患。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU43

【参考文献】