三峡库区土石混合体的变形与破坏机理研究(赫建明)

3.2 试验装置及现场布置
推剪试验装置示意图
压剪试验装置示意图
3.3 推剪试验结果
Pmax
Pmin
n
c
b l i
i 1
Pmax tan G
g
i 1
n
i
cos i g i sin i cb l i
i 1 i 1 n
n
n
Pmax G
g
i 1
i
100
σ =105KPa σ =75KPa σ =35KPa
σ =105KPa
50 0 0 5 10 15 20 25
σ =75KPa σ =35KPa
30
剪应力-位移关系曲线（1号地点）
剪应力-位移关系曲线（2号地点）
σ
τ
剪切面 剪切面
压剪试验剪切面以及主要裂隙分布
4 土石混合体随机结构模型的数值 试验研究
滑坡堆积形成 崩塌堆积形成 残坡堆积形成
各种情况所形成的这 些堆积物是混杂在一 起的，现场有时很难 区分开来
4. 冲洪堆积形成
2.2 土石混合体的现场统计
试验地点描述
试验地点 1号筛分试 验地点 地点描述 滑坡中部地带 岩性描述 较多的钙质结核，含有极少量的砂岩碎 石块以及灰岩，分布杂乱无章。 试验编号 S1、S2、 S3、S4
（含石率：30%）
4.5 压剪试验计算结果
压剪试验模型1在不同法向荷载作用下的剪应力-位移曲线
模型（含石率30％）的最终变形破坏图
法向荷载105KPa
法向荷载70KPa
法向荷载35KPa
5 主要结论
主要结论
土石混合体在三峡库区广泛分布，是一种介于土体和岩体之间的一种 特殊工程地质材料，主要表现出非均质性，非连续性以及尺寸效应，在受 力状态下表现出自身所独有变形与破坏特点。研究得出如下结论：
各个剖面中砾石的中心位置示意图
2.2 土石混合体的主要结构特点
1 非均质性
具体包括了物质成分的非均质性 以及岩土体结构分布上的非均质性 。
2 非连续性
土石混合体的不连续主要体现在两种不同物质的交界面上，砾石块体和土体之间 可以产生拉裂和滑移。
3 尺寸效应
土石混合体由于是由大量的块石与土体混合组成，这就造成了试验时试件的尺寸 越大，在试件中所包含的裂隙或受不连续性的影响就越多，因此材料的强度也就会越 小。实际研究中，必须保证其最大粒径不能大于试样尺寸的1/5，对于特殊的大颗粒应 该单独进行分析，对于异常小的颗粒则不予考虑。
1 2 3 4 5 粒径组别 6 7 8 9
6 4 2 0
1
2
3
4
5 粒径组别
6
7
8
9
S1试验结果
10
百 分 含 量 (%)
百 分 含 量 (%)
S2试验结果
10 8 6 4 2 0
8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 粒径组别 6 7 8 9
1
2
3
4
5 粒径组别
6
7
8
9
S3试验结果
S4试验结果
1号试验地点的筛分结果图
最小推力 Pmin（KN）
7.51 7.952 7.775 11.928 11.486 19.880 13.430 4.418 10.603
g
i
cos i
g
i
sin i
l
i
（m）
C KPa 33.468 33.438 32.247 41.687 37.879 48.325 44.826 32.361 43.265
接触连接 3 连接模型 并行连接
拉应力或者剪应力超出的强度值则连接就会被断开
球体连接起来抵抗力以及力矩，在单元接触点有圆柱形的粘结材料。
接触模型描述图
连接模型描述图
4.2 模型的建立流程
砾石中心位置确定 砾石形状尺寸确定 砾石方位确定
生成土石混合体线框模型
压剪试验颗粒流模型
压剪模型颗粒单元编号处理
试验 编号
L4 L5 L7 L8 L11 B1 B2 B3 B4
滑动体 重力G（KN ）
1.558 2.332 1.637 2.067 2.272 5.546 4.041 1.096 2.372
最大推力 Pmax（KN）
9.719 10.161 10.161 15.021 14.137 27.391 19.880 6.008 13.916
0.661 0.942 0.624 0.742 0.700 1.288 0.995 0.491 0.766
80 70 60
推剪应力(KPa)
50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80
B3试件，含石率30% L5试件，含石率40% L11试件，含石率48% B4试件，含石率50%
剖 面 纵 向 距 离 (cm)
30
30
20
20
10
10
0 0 10 20 30 40 剖 面 横 向 距 离 (cm) 50 60 70 80
0 0 10 20 30 40 剖 面 横 向 距 离 (cm) 50 60 70 80
50
40
剖 面 纵 向 距 离 (cm)
30
20
10
0 0 10 20 30 40 剖 面 横 向 距 离 (cm) 50 60 70 80
8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 粒径组别 6 7 8 9
1
2
3
4
5 粒径组别
6
7
8
9
S11试验结果
S12试验结果
3号试验地点的筛分结果图
12
10
百 分 含 量 (％)
8 6 4
2
0 100 50 20 5
粒径(mm)
土石混合体砾石粒径组成曲线
50
50
40
40
剖 面 纵 向 距 离 (cm)
推剪方向
推剪方向
40
30
高度方向
20
10
B1试样破裂线 B2试样破裂线
0 0 20 40 60 80 100 120
推剪方向
推剪试验的滑动实测断面图
3.4 压剪试验结果
160 140 120 100
350 300 250 200
80
150
60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
2号筛分试 验地点
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
接近滑坡后壁位置
黄色粘土夹碎石块，石块主要以砂岩为 主，另有少量灰岩，砂岩体积较大。
S5、S6 S7、S8 S9、S10 S11、S12
3号筛分试 验地点
滑坡前沿地带
黄色粘土夹泥岩、灰岩块，粘土呈砂性 易碎，粘性较差。
8
百分含量(%)
百 分含 量( % )
10 8 6 4 2 0
sin i g i cos i
i 1
n
上式中：Pmax —最大水平推力（KN）； Pmin —最小水平推力(KN)； gi —第n条块的重力（KN） G —滑动体的重力（KN） αi —第n条块滑动面与水平面夹角（°）； li —第n条块滑动线长度（m）； b—条块的宽度（m）。
推剪试验的计算结果
三种破坏的方式
1.3 技术路线
土石混合体现场调查研究
地质调查
现场统计
原位试验
土石混合体随机结构模型
数值模拟计算
PFC计算程序的开发应用
土石混合体颗粒流随机结构模型的数值试验研究
土石混合体的变形与破坏机理研究
研究的技术路线
2.土石混合体的地质成因及其
主要结构特点
2.1 土石混合体的主要地质成因
1. 库区土石混 合体的主要 地质成因 2. 3.
推剪位移(mm)
推剪试验在含石率不同情况下的应力-应变曲线比较
25
25
20
20
高度方向
15
高度方向
L1试样破裂线 L2试样破裂线
15
10
10
5
5
L7 试样破裂线 L8 试样破裂线 L11试样破裂线
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 0 10 20 30 40 50 60 70
15
15
百分含量(%)
百 分 含 量 (%)
10
10 5 0
5
0 1 2 3 4 5 粒径组别 6 7 8 9
1
2
3
4
5 粒径组别
6
7
8
9
S5试验结果
15
百分含量(%)
S6试验结果
15
百 分 含 量 (%)
10 5 0 1 2 3 4 5 粒径组别 6 7 8 9
10
5 0 1 2 3 4 5 粒径组别 6 7 8 9
S7试验结果
S8试验结果
2号试验地点的筛分结果图
15
百 分 含 量 (%)
10
百 分含 量( % )
8 6 4 2 0
10 5 0 1 2 3 4 5 粒径组别 6 7 8 9
1
2
3
4
5 粒径组别
6
7
8
9
S9试验结果
10
百 分 含 量 (%)
S10试验结果
10 8 6 4 2 0
百 分 含 量 (%)
颗粒单元相对位置判断
单元识别并进行分组处理 赋予材料各自物理力学参数
土石混合体材料模型
边界及受力条件 土石混合体的压剪试验模型
土石混合体颗粒流随机机构模型的建立流程图
砾石单元的识别
颗粒单元识别
4.3 压剪模型的建立
土石混合体压剪试验力学分析模型
4.4 颗粒流随机结构模型的生成
单元识别并分组
压剪试验模型建立过程示意图
1.在三峡库区存在着大量由于各种成因形成的土石混合体堆积，这些 堆积主要是由于滑坡、崩塌、残积以及冲洪积等作用形成的。现场原位试 验对于土石混合体材料的研究有着重要的意义，特别是由于土石混合体取 样的困难性，更使之成为一种不可替代的手段。
2.自然界所存在的土石混合体在一定范围内由于其成因以及块石的岩 性比较接近，所以其强度以及力学性质也就相当接近。但是随着范围的扩 大，其整体差别加大，现场试验发现影响土石混合体强度及变形破坏的因 素很多。 3.含石率作为土石混合体的一个重要指标，其变化对其的整体力学特 性影响较大。推剪试验中发现土石混合体在高含石率的条件下其抗剪强度 显著提高，通过压剪试验亦发现高含石率的土石混合体在剪切破坏时自身 结构效应明显。
4.1 颗粒流（PFC3D）计算方法阐述
1 基本假设
颗粒流方法在模拟过程中作了如下假设： ⑴ 颗粒单元为刚性体； ⑵ 接触发生在很小的范围内，即点接触； ⑶ 接触特性为柔性接触，接触处允许有一定的“重叠”量； ⑷ “重叠”量的大小与接触力有关，与颗粒大小相比，“重叠”量很小 ；
⑸ 接触处有特殊的连接强度； ⑹ 颗粒单元为圆形（球）。
3.土石混合体的原位试验研究
3.1 试验地点及岩性描述
推剪以及压剪试验地点以及试样描述
试验 地点 推剪试 验编号 压剪试 验编号 地点描述 岩性描述 试件尺寸
1号 试验 地点
2号试 验地 点
L4、L5
L1、L2 侧陡壁上，靠近 有极少量的砂岩碎石 、L3 滑坡中部。 块以及灰岩，分布杂
奉节老龙洞沟西 较多的钙质结核，含
1.2 研究概况
早期就已经发现了土石混合体的特殊力学性质
早在1956年就认识到 试样必须满足尺寸以 及级配两方面的要求
1969年就有记录土体 中含有砾石或块石造 成的取样及试验的困
难性
1973年提出了含有异 常大砾石试样的强度 值就会大幅度提高
C、φ值随粒径的变化
抗剪强度与砾石含量的关系 渗透系数与砾石含量的关系
老龙洞沟西支沟崩塌堆积形成的土石林
钟家沟沟底的洪积形成的土石混合体
在三峡库区移民安置中，不少城镇新址都遇到了由重力卸荷、滑坡、崩塌等复杂成因 的土石混合体堆积，这些松散堆积体的发育深度有时可达40m至60m，据统计沿库区沿岸有 80％-90％的斜坡属于这种类型。其物质组成以砾石、块石、砂土以及粘土等为主，在力 学属性上既不同于一般的均质土体，又不同于一般的碎裂岩体。 土石混合体这种特殊的工程地质材料不仅在三峡库区，而且在全国乃至世界都有着广 泛的分布，在水利水电、交通土建等基础建设中占据着非常重要的地位。

度 42.78 46.41 42.71 49.80 50.20 54.51 44.69 36.53 50.27
1.447 2.243 1.526 1.972 2.156 5.268 3.741 0.955 2.263
0.533 0.554 0.555 0.582 0.488 1.403 1.407 0.517 0.552
推剪
80cm×80cm×25cm
压剪
80cm×80cm×50cm
L7、L8 、L11
L6、L9 、L10
3号试 验地 点
B1、B2 、B3、 B4
乱无章。含石率约为 35%~40%。 奉节老龙洞后部 黄色粘土夹碎石块， 推剪 接近白衣庵滑坡 石块主要以砂岩为主， 80cm×80cm×25cm 压剪 后壁的位置。 另有少量灰岩，砂岩 80cm×80cm×50cm 体积较大。含石率约 为45%~50%。 黄色粘土夹泥岩、灰 推剪 奉节白衣庵滑坡 岩块，粘土呈砂性易 120cm×120cm×40cm 前沿靠近东部位 碎，粘性较差。各个 推剪 置。 位置含石率差别较大， 80cm×80cm×25cm 范围约为30%~50%。
三峡库区土石混合体的变形与破坏机理研究
赫建明 李晓
中国科学院地质与地球物理研究所
主要内容



1. 2. 3. 4. 5.
题目背景及研究概况 土石混合体的地质成因及其主要结构特点 土石混合体的现场原位试验研究 土石混合体随机结构模型的数值试验研究 结论及展望
1.题目背景及研究概况
1.1 题目背景
2 基本理论
更新颗粒以及墙的位置，构成新接触
运动定律（应用于每个颗粒 ）合力和合力矩
力－位移定律（应用于接触 ）相对运动和本构关系
接触力
计算过程循环图
3 接触模型描述
1 接触-刚度模型 基础模型 2 滑移模型
定义球体与球体之间的接触力和相对位移之间的弹性关系
作用在单元上的合力沿剪切向的分力达到最大允许剪切接触力