基于真实块石形态的土石混合体细观力学三维数值直剪试验研究

第 35 卷 第 X 期 2016 年 X 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.35 No.X XXX， 2016
基于真实块石形态的土石混合体细观力学 三维数值直剪试验研究
徐文杰 1 2，王
，
识2
(1. 南京水利科学研究院 水利部土石坝破坏机制与防控技术重点实验室，南京 210024； 2. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)
摘要：块石形态是影响土石混合体细观结构及宏细观力学特性的一个重要因素。提出一种基于真实块石形态的土 石混合体细观力学研究方法，首先采用三维扫描技术建立块石三维形态数据库，然后根据粒度组成生成试样内部 块石三维空间分布模型，从而构建土石混合体的数字模型。利用所提出的基于多球颗粒均匀接触的复杂块体表征 算法，实现任意复杂形态块体的多球颗粒均匀、紧密接触填充。基于上述方法，建立土石混合体离散元数值计算 分析模型，并协同现场试验结果开展三维数值直剪试验研究。根据土体的现场试验结果反演得到离散元数值试验 中土颗粒的细观接触力学参数，将其应用于土石混合体数值试验得到了较好的效果。通过数值试验研究表明，土 石混合体在剪切过程中的块石效应，使剪切带变得更加宽厚和曲折，在宏观上造成了试样的内摩擦角有增高趋势； 而由于块石含量增加，使得其黏结作用的土体含量减小，从而在宏观上表现为试样黏聚力呈略有降低趋势。 关键词：土力学；土石混合体；细观结构；真实形态；离散元；细观力学 中图分类号：TU 443 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2016)00–0000–00
Meso-mechanics of soil-rock mixture with real shape of rock blocks based on 3D numerical direct shear test
XU WenJie1 2，Wang Shi2
，
(1. Key Laboratory of Failure Mechanism and Safety Control Techniques of Earth-rock Dam of the Ministry of Water Resurces， NHRI，Nanjing 210024，China；2. State Key Laboratory of Hydroscience and Hydraulic Engineering，Tsinghua University， Beijing 100084，China)
Abstract： The shape of the rock block influence greatly the meso-structure and macro-meso mechanical behaviour of soil-rock mixture (S-RM). In this paper，a method for the study of meso-mechanics of S-RM based on the real shape of rock blocks is presented. Firstly，the database of 3D geometric model of rock blocks was built based on 3D scanning technology. Then， with the database and the block size distribution， a special 3D model of S-RM with rock blocks was generated. A numerical model of S-RM sample was also generated. Furthermore，using the proposed multi-sphere modelling method of complex block ， arbitrary particles can be modelled with the multi-spheres contacted uniformly and closely. As a result， a 3D DEM meso-structural model of S-RM sample was generated. In accordance with the field test，a series of 3D numerical direct shear tests were carried out. The meso-mechanical parameters of the soil particles used in the DEM numerical test were obtained from the field tests.
收稿日期：2015–07–10；修回日期：2016–01–05 基金项目：南京水利科学研究院水利部土石坝破坏机制与防控技术重点实验室开放基金(YK914016)；国家自然科学基金项目(51479095) Supported by the 作者简介：徐文杰(1978-)，男，博士，2001 年毕业于华东地质学院(现东华理工大学)水文地质与工程地质专业，主要从事地质工程、地质灾害等方面 的教学和研究工作。 E-mail： wenjiexu@ DOI：10.13722/ki.jrme.2015.0927

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岩石力学与工程学报
2016 年
The results of numerical tests indicated that the rock blocks made the shear zone of the S-RM sample wider and more zigzag than that of the soil sample， which induced the higher friction angle of the former. However， with the increase of the rock block content，the content of the fine soil particles with binding function decreased. As a result，the cohesion of S-RM was smaller than that of the soil sample. Key words：soil mechanics；Soil-rock mixture(S-RM)；meso-structure；real shape；discrete element method (DEM)；meso-mechanics 机并行技术对砂土内部含有坚硬块石及软黏土两种
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引
言
情况时内部剪切带的发育特征进行了细观力学数值 试验研究，表明这 2 类混合岩土介质(Sand-Gravel， Sand-Clay)内部应变局部化发育特征有很大的差异 性影响。油新华等[9-10]分别采用规则几何体生成了 土石混合体的二维随机结构模型，并对其力学性质 及变形破坏机制进行了相关研究； W. J. Xu 等[1
， 11-12]
土石混合体是自然界中广泛存在的一类复杂岩 土介质，据统计国内外发生的滑坡中有相当大的部 分都是由土石混合体构成；另一方面又构成了滑坡 堆积体的主要物质成分，尤其是地震灾区广泛分布 着这类由滑坡失稳形成的土石混合体，其稳定性直 接影响着灾后重建工作。因此，自然界中的土石混 合体不但是一种自然界中广泛存在的潜在灾害体， 同时也是一种地质灾害的产物。 土石混合体也是常见的工程材料，被广泛运用 在多种建设项目中，如大坝、堤岸、公路地基、机 场填方等等。在大坝建设方面，在我国西南在建的 土石坝中(如糯扎渡心墙堆石坝)，心墙逐渐采用掺 砾料。掺砾料也可看作是一类特殊的土石混合体， 它是在当地土料或砾石含量不高的土料中掺入粒径 较大的砾石，以改善其力学性能。 较一般的岩土介质而言，土石混合体内部含有 一定比例的粒径较大的块石(0.05～0.75 的特征工程 尺度[1])。这些较大粒径块石颗粒的粒度组成、含量 等将影响着土石混合体在外荷载作用下的内部细观 应力场状态、变形破坏及宏观力学强度特性，因此 可称为“超径块石” 。受现有试验技术手段的限制， 在土石混合体的室内试验方面通常采用粒径平移、 超径剔除、等量替代等方式，这种粒径处理方式将 影响试验结果的合理性。现场试验在一定程度会克 服室内试验的不足，国内外众多学者开展了不同方 面的研究工作
[2-7]
采用数字图像处理及随机生成技术分别生成了土石 混合体真实及随机细观结构模型，通过数值试验表 明其剪切带的形成很大程度上取决于内部块石空间 分布特征，并在细观层次上呈 3 种损伤模式。 与基于连续介质的数值计算方法不同的是离散 元计算方法在解决岩土颗粒材料大变形及破裂过程 方面具有天生的优势，也为土石混合体这类复杂岩土 介质的细观力学研究提供了技术支持。徐文杰等[13-14] 基于数字图像处理技术土石混合体二维离散元建模 方法，并将其应用于土石混合体的细观变形破坏机 制研究。在三维离散元计算方面，李世海等[15-18]分 别基于球形块石对随机生成的土石混合体三维结构 模型进行了数值试验研究。金 磊等[19]则基于随机 生成的多面体来模拟块石，并在此基础上采用离散 元三轴试验的方法，对不同含石量下土石混合体的 力学特性和变形破坏机制进行了分析探讨。 纵观国内外对土石混合体的力学性质研究方 面，数值计算已成为一个重要的手段。在二维方面 已经开展了基于真实块石形态的相关研究。而三维 方面大都将块石形态简化为简单几何形体开展研 究，这在一定程度上降低了分析的难度，但忽略了 颗粒形态对试样宏细观力学特性的影响。 为研究土石混合体的力学特性及变形破坏机 制，论文在研究过程中提出了基于真实块石的土石 混合体三维建模方法，并在此基础上以糯扎渡大坝 心墙掺砾料为研究对象，生成了试样的三维细观结 构模型，基于现场大型直剪试验成果，运用三维离 散元分析方法系统开展了土石混合体的细观力学数 值试验研究。
。 但就目前现场试验方法而言主要
采用的是直剪试验和水平推剪试验，难以进行复杂 的力学试验研究；另一方面，由于土石混合体本身 的复杂性 ( 如块石最大尺寸等 ) 难以满足试验的需 要。 与此同时，逐渐发展起来的数值试验技术则为 土石混合体的力学特性研究提供了强大的技术支 持。在连续介质方面，K. Ola 和 A. Aylin 基于计算
 
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