高應(yīng)力水平作用下飽和粘土力學(xué)特性研究

項(xiàng)目以深部地下工程建設(shè)中的深部土力學(xué)響應(yīng)為背景，以高壓下飽和黏土的固結(jié)剪切特性為研究目標(biāo)，以孔隙水-黏土顆粒骨架相互作用為研究基點(diǎn)，對(duì)重塑飽和黏土展開了高壓試驗(yàn)、微觀測(cè)試、數(shù)值模擬以及理論分析。首先設(shè)計(jì)研制了適用于黏土高壓力學(xué)試驗(yàn)的高壓固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)和三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了目前高壓固結(jié)儀精度不夠以及三軸試驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)的不足；然后進(jìn)行了不同固結(jié)壓力下的一維固結(jié)和三軸剪切試驗(yàn)，獲得了高壓固結(jié)過程中靜止側(cè)壓力系數(shù)、孔隙水壓力系數(shù)、滲透系數(shù)、壓縮性等不同于常壓下的特性，以及高壓剪切過程中孔隙水壓、應(yīng)力路徑以及抗剪強(qiáng)度的演變特性；針對(duì)試驗(yàn)揭示的高壓特性，進(jìn)行了基于宏觀土力學(xué)理論的理論分析和數(shù)值模擬，提出可以獲得非線性靜止側(cè)壓力系數(shù)的臨界土力學(xué)分析方法，發(fā)展出可以考慮高壓長(zhǎng)時(shí)固結(jié)導(dǎo)致的膠結(jié)作用的新的臨界土力學(xué)模型，并對(duì)三軸試驗(yàn)進(jìn)行了有限元模擬，建立了考慮材料幾何非線性的有限元分析模型，對(duì)高壓三軸剪切試驗(yàn)中剪切速率、端部摩擦以及非線性滲透系數(shù)的影響進(jìn)行了分析；然后分別從孔隙水-黏土顆粒間的微觀相互作用出發(fā)，對(duì)飽和黏土高壓壓縮特性和剪切過程中孔隙水壓變化及強(qiáng)度特性進(jìn)行了機(jī)理分析，并由試樣的環(huán)境掃描電鏡圖像予以支持；采用分子動(dòng)力學(xué)模擬和耗散粒子動(dòng)力模擬技術(shù)，分別對(duì)孔隙水-黏土顆粒之間的微觀與介觀壓縮和剪切進(jìn)行了計(jì)算分析，得到了孔隙水-黏土顆粒相互作用在高壓下飽和黏土固結(jié)和剪切過程中發(fā)揮的機(jī)理；為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)孔隙水-黏土顆粒響應(yīng)機(jī)制，利用有限元方法對(duì)黏土顆粒之間的電勢(shì)分布、斥力計(jì)算進(jìn)行了研究，修正了現(xiàn)有計(jì)算公式的錯(cuò)誤之處，定量揭示了不同尺寸孔隙在壓縮過程中具有不同變形順序的機(jī)理；最后構(gòu)建了基于Linux系統(tǒng)的二維黏土離散元模擬平臺(tái)，該模擬程序不同于現(xiàn)有商用離散元程序模擬顆粒為圓盤形或球形，可以模擬平板形狀的黏土顆粒之間的相互作用。 2100433B

隨著地下工程不斷向地層深處發(fā)展，對(duì)高應(yīng)力水平下土層力學(xué)性質(zhì)的研究需求日趨迫切，然而目前關(guān)于高應(yīng)力水平下粘土的力學(xué)特性研究十分缺乏。本項(xiàng)目基于結(jié)合水與土骨架相互作用是高應(yīng)力水平下飽和粘土力學(xué)響應(yīng)的決定性影響因素的研究思想，首先對(duì)飽和粘土進(jìn)行高應(yīng)力水平下不同排水條件、固結(jié)路徑和剪切應(yīng)力路徑的室內(nèi)試驗(yàn)研究；同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果并利用結(jié)合水與土骨架相互作用的微觀理論，分析獲得飽和粘土高應(yīng)力水平力學(xué)特性的微觀內(nèi)在機(jī)理；并將該機(jī)理引入到基于離散元理論的顆粒流數(shù)值模擬程序，進(jìn)行試樣水平的數(shù)值試驗(yàn)；然后綜合分析離散元數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，提出與現(xiàn)有土力學(xué)理論相銜接的粘土高應(yīng)力水平力學(xué)特性宏觀機(jī)理模型；最終建立可以合理描述飽和粘土高應(yīng)力水平力學(xué)特性的固結(jié)理論和本構(gòu)關(guān)系，并對(duì)其展開大變形有限元模擬實(shí)現(xiàn)研究。

近年我國超高壩建設(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)觀過程和彈性核發(fā)展過程的觀測(cè)。 通過可視大型直剪試驗(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，而是沿著向上突起的拱形滑動(dòng)面發(fā)展。 通過可視離心機(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)目組已獲得國家實(shí)用新型專利一項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文9篇，其中SCI、EI論文8篇。 2100433B

近年我國超高壩建設(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)目擬采用自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置及可視化細(xì)觀測(cè)試分析系統(tǒng)，利用多種試驗(yàn)手段和數(shù)值模擬，從細(xì)觀層面入手、細(xì)宏觀相結(jié)合來研究在髙應(yīng)力作用下粗粒土細(xì)觀力學(xué)及壩工特性：(1)通過粒間接觸和流變?cè)囼?yàn)，建立髙應(yīng)力下粒間接觸模型和流變模型，結(jié)合離散元數(shù)值模擬揭示粒間接觸細(xì)宏觀力學(xué)之間的聯(lián)系；(2)通過可視大型直剪試驗(yàn)，揭示粗粒土的顆粒破碎演化規(guī)律和細(xì)觀力學(xué)機(jī)理；(3)通過可視離心機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證粒間接觸模型和流變模型，揭示接近實(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；(4)結(jié)合實(shí)際工程，采用離散-連續(xù)混合數(shù)值方法，分析超高土石壩結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的細(xì)觀演化規(guī)律，從細(xì)觀角度揭示超高土石壩破壞過程的力學(xué)機(jī)理。本研究可為髙應(yīng)力下粗粒土的深入研究提供細(xì)觀力學(xué)基礎(chǔ)，為超高土石壩工程性能的分析和評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

本課題擬通過巖石在高圍壓下直到強(qiáng)度峰值后的不同應(yīng)力路徑的加卸載瞬時(shí)和流變力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，建立巖石在高應(yīng)力下的加卸和卸載時(shí)的瞬時(shí)和流變力學(xué)本構(gòu)模型和強(qiáng)度準(zhǔn)則。通過節(jié)理在高圍壓下三軸試驗(yàn)，以及節(jié)理在高法向應(yīng)力水平下和常剛度下加載和卸載時(shí)的瞬時(shí)和流變力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，建立巖石節(jié)理在高應(yīng)力下的加卸和卸載時(shí)的瞬時(shí)和流變力學(xué)本構(gòu)模型和強(qiáng)度準(zhǔn)則。再結(jié)合節(jié)理巖體在三向高應(yīng)力下的卸荷模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料的研究，建立針對(duì) 2100433B