土石混合体与结构界面剪切特性试验与模拟研究

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土石混合体是一种介于土体和岩体之间的特殊地质体,由强度较高的块石、强度低的细粒土以及孔隙组成,因其粒径尺寸、强度特性差距大的物理力学特性而区别于传统的土力学和岩土力学,且力学特性更加复杂。土石混合体压实性能好、填筑密度高、天然的孔隙利于排水,沉陷变形小,以及较高的承载力,让其成为高填方边坡良好的填方材料,进而普遍运用到工程中。随着西部山区机场的大量建设,土石混合体作为填方材料建设机场越来越普遍,但在机场建设当中,因边坡失稳导致生命、财产安全受到威胁的示例也被凸显出来。所以研究土石混合体填方材料与原基础之间的相互作用是预防边坡变形、失稳的重要课题。本文采用某工程土石混合体作为研究对象,针对土石混合体与原地基这一影响边坡稳定性的重要接触面,通过室内试验与PFC模拟两种手段,对土石混合体颗粒形状、接触面粗糙度与法向压力这三种重要因素研究其对接触面及接触面附近土石混合体的力学特性的影响。在室内试验中通过下移结构面的方法获得接触面附近土石混合体的抗剪强度,进而探究薄弱面与接触面的位置关系;通过PFC模拟生成规则的土颗粒形状,采用下移结构面法与位移法进行对比,研究其对界面层厚度的影响。根据试验与模拟结果分析,取得以下主要成果:(1)接触面处土石混合体的抗剪强度随着法向应力的增大而增大,应力-应变曲线几乎成线性增长趋势;当接触面粗糙度一定,法向压力从200kPa增加到600kPa时,土石混合体的剪缩性逐渐减小,但当法向压力增大到800kPa时,土石混合体的剪缩性增大。(2)接触面粗糙度对于土石混合体的抗剪强度影响为非线性,当接触面粗糙度由光滑变为粗糙时,接触面处土石混合体的抗剪强度逐渐增加;当粗糙度增加到一定值时,其对土石混合体的抗剪强度影响减小;当法向应力一定,接触面粗糙度增大时,土石混合体的剪缩性增大,但当接触面粗糙度增大到对土石混合体的抗剪强度影响很小时,剪缩性会减小。(3)接触面峰谷距与土石混合体颗粒粒径存在一定的尺寸关系:当土颗粒中值粒径大于或者等于接触面峰谷距时,粗糙度对于接触面附近土石混合体的抗剪强度具有强化效应,薄弱面发生在距离接触面一定位置处;当土颗粒中值粒径小于接触面峰谷距时,粗糙度对于接触面附近土石混合体的抗剪强度强化效应减弱,薄弱面可能发生在接触面位置处。(4)土颗粒的形状是影响界面层厚度的重要原因。随着形状系数的增大,土颗粒的圆形度、凹凸度的增大,土颗粒在破化时发生滚动、攀爬现象,使其在实验模拟中咬合力减小,破坏时会牵引到更大范围内的土颗粒发生位置移动,从而使得其界面层厚度增大。(5)下移结构面法与位移法这两种方法是获得界面层厚度的有效途径。该论文有图34幅,表11个,参考文93篇。
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