基于顆粒流的高含石量巨粒土填料剪切特性研究.pdf

1、西南地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程的蓬勃開展形成了眾多的填方工程，所用填料主要由挖方區(qū)爆破而來的碎石和土混合組成，往往具有含石量高（可達60％以上）、巨粒組土粒多（質(zhì)量百分比15%以上）、石塊粒徑大（最大可達1m）的特點，本文稱之為高含石量巨粒土填料。剪切特性作為評價填料工程性質(zhì)最為重要的依據(jù)之一，相關(guān)的抗剪強度指標及剪切變形特征受到工程技術(shù)人員的高度重視。為探究高含石量巨粒土填料的剪切特性，本文依托重慶江北國際機場四期擴建工程，以蒙特卡洛方法為

2、理論基礎(chǔ)，利用PFC內(nèi)置的FISH語言進行二次開發(fā)，構(gòu)建了基于粒度成分及隨機多邊形石塊的顆粒流填料模型，研究了尺寸效應(yīng)、巨粒組土粒的粒徑及含石量對填料剪切特征的影響，研究成果對山區(qū)丘陵地帶的工程建設(shè)具有重要的參考價值。本文主要的研究內(nèi)容及成果如下：
　?、偻ㄟ^現(xiàn)場槽探、室內(nèi)篩分與數(shù)字圖像處理獲得了高含石量巨粒土填料的粒度成分及表觀特征；石塊形態(tài)分析為構(gòu)建隨機多邊形石塊模型提供了統(tǒng)計依據(jù)；對采集的試樣進行室內(nèi)直剪試驗，試驗結(jié)果為后續(xù)

3、顆粒流數(shù)值模擬提供了微觀參數(shù)與宏觀參數(shù)標定的關(guān)鍵資料。
　　②以蒙特卡洛方法為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建了描述石塊形態(tài)的隨機抽樣模型；利用PFC2D內(nèi)置的FISH語言進行二次開發(fā)，構(gòu)建了基于粒度成分及隨機多邊形石塊的顆粒流填料模型，實現(xiàn)了對填料的粒度成分及不規(guī)則多邊形石塊較為準確的模擬。
　?、蹣?gòu)建直剪試驗顆粒流數(shù)值模型，模擬了填料室內(nèi)直剪試驗的全過程，顆粒流數(shù)值模擬結(jié)果基本反映了填料的剪切特性。通過持續(xù)監(jiān)測并記錄模型中裂隙的位置，獲得

4、了直剪試驗過程中隨著剪切位移的增加剪切面的發(fā)展歷程，并分析了剪切面的形態(tài)特征。
　?、転閿U大研究尺度，重新劃分了土石界限粒徑，并相應(yīng)改變模型最小顆粒粒徑，研究了高含石量巨粒土填料的尺寸效應(yīng)。結(jié)果表明，在試樣級配、加載條件均保持不變的情況下，模型尺寸增大，剪應(yīng)力峰值呈減小趨勢，剪應(yīng)力峰值對應(yīng)的剪切應(yīng)變有所減小，剪脹性逐漸減弱，粘聚力及內(nèi)摩擦角亦呈減小趨勢。這種變化在模型尺寸相對較大時趨于平緩。
　?、葸\用等質(zhì)量代換法，保持粗細

5、料的含量不變，設(shè)計了不同巨粒組土粒分布的數(shù)值模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明：隨著模型中粒徑較大的石塊逐漸被粒徑小、數(shù)量多的石塊所取代，粘聚力逐漸降低，但內(nèi)摩擦角呈增大趨勢。以此指導(dǎo)工程實踐，填筑施工中應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范控制石塊的粒徑，對于粒徑超出規(guī)范規(guī)定的石塊應(yīng)對其進行分解。
　?、薇３旨虞d條件及各石塊粒組的相對比例不變，設(shè)計了含石量分別為10%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%的數(shù)值模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明：含石量越高，

6、則剪應(yīng)力峰值越大，模型表現(xiàn)出更大的剛度，剪應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線近彈性段的斜率越大，剪應(yīng)力峰值對應(yīng)的剪切應(yīng)變越小，剪脹性逐漸增強。粘聚力及內(nèi)摩擦角隨不同含石量的變化曲線可分為三個部分：1）含石量10%~40%時，隨著含石量增大，內(nèi)摩擦角逐漸增大，粘聚力逐漸降低；2）含石量40%~70%時，隨著含石量增大，粘聚力增加到一定程度后逐漸穩(wěn)定，內(nèi)摩擦角變化較小；3）含石量70%~90%時，粘聚力隨含石量的增大顯著降低，而內(nèi)摩擦角明顯增大。根據(jù)以上結(jié)