【摘 要】
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闽东南地区广泛分布着花岗岩球状风化体边坡与花岗岩残积土二元结构边坡,现场调研表明,花岗岩残积土在土岩接触界面容易发生滑动,进而导致边坡的失稳。如何描述花岗岩球状风化体边坡及花岗岩残积土二元结构边坡的破坏机制以及稳定性评价,是目前亟待解决的关键问题。针对这些问题,本文以室内试验、理论分析以及数值模拟相结合的手段,对花岗岩残积土土岩接触面的力学特性展开研究,提出了可描述土岩接触面力学特性的接触面本构模
【基金项目】
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国家自然科学基金(NO.42007235);
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闽东南地区广泛分布着花岗岩球状风化体边坡与花岗岩残积土二元结构边坡,现场调研表明,花岗岩残积土在土岩接触界面容易发生滑动,进而导致边坡的失稳。如何描述花岗岩球状风化体边坡及花岗岩残积土二元结构边坡的破坏机制以及稳定性评价,是目前亟待解决的关键问题。针对这些问题,本文以室内试验、理论分析以及数值模拟相结合的手段,对花岗岩残积土土岩接触面的力学特性展开研究,提出了可描述土岩接触面力学特性的接触面本构模型,并进一步借助该模型研究了二元结构边坡与球状风化体边坡失稳演化规律,取得了如下的结论。(1)利用数理统计方法对接触面影响因子进行敏感性分析;确定接触面粗糙度以及含水率为影响接触面剪应力的主要因素,干密度与剪切速率为次要因素。进一步试验结果表明,增大粗糙度能够提高接触面剪应力及接触面内摩擦角,但两者均存在临界值。接触面峰值黏聚力的总体趋势随着粗糙度的增加而增大,接触面的残余黏聚力则相反。在各个粗糙度下,接触面剪应力比都随着法向应力的增加而降低;另外,在低法向应力下,接触面剪应力-位移曲线更快进入残余变形阶段;在接触面粗糙度“光滑”情况,接触面剪应力-位移曲线更快达到峰值点。(2)对于两种水环境,即含水率以及干湿循环,接触面剪应力随着含水率的上升呈现先增大后减小的趋势,最大的接触面剪应力出现在土体最优含水率附近。在含水率变化情况,接触面内摩擦角是影响接触面剪应力的决定性因素。另外,随着含水率的增加,接触面剪应力-位移曲线的变化特点从硬化阶段、软化阶段、残余阶段转变为硬化阶段和残余阶段。接触面剪应力随着干湿循环次数的增加,呈现减小的趋势;在第一次干湿循环后,接触面剪应力下降的幅度最大,随后减小的幅度较小。接触面内摩擦角以及接触面峰值黏聚力随着干湿循环次数的增加而下降,接触面残余黏聚力受到的影响不大。(3)基于环剪试验结果提出了可描述花岗岩残积土土-岩接触界面剪切特性的接触面本构模型,明确模型中各参数的取值方法。通过FRIC子程序对ABAQUS进行二次开发,将接触面本构模型导入ABAQUS接触算法,建立算例进行验证;结果表明,本文所提出的接触面本构模型可以很好地反映应变硬化以及应变软化过程,与环剪试验结果的拟合度高。(4)将接触面本构模型应用至二元结构边坡与球状风化体边坡;分别在顺坡、平坡、逆坡三种类型二元结构边坡中模拟。结果表明,采用本文所提出的接触面本构模型的二元结构边坡更容易在土岩接触面产生滑动,边坡的安全系数更低,塑性区均在坡体内部的土岩接触面开始发展。使用球状风化体随机生成程序生成球状风化体边坡,结果表明,有接触面定义的球状风化体边坡安全系数低于无接触面定义的球状风化体边坡,在边坡失稳演化过程中,土岩界面会发生脱开现象。
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