土石混合料宏细观力学特性及非线性弹塑性本构模型研究

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1、土石混合料宏细观力学特性及非线性弹塑性本构模型研究重庆大学博士学位论文学生姓名：涂义亮指导教师：刘新荣教授专业：土木工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二O一七年十月TheMacroandMesoMechanicalCharacteristicsandNonlinearElastoplasticConstitutiveModelofSoil-rockAggregateAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEn

2、gineeringByTuYiliangSupervisedbyProf.LiuXinrongSpecialty:CivilEngineeringCollegeofCivilEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober,2017中文摘要摘要近年来，随着我国基础设施建设规模的不断扩大，在地质条件复杂的西南地区新（扩）建山区机场催生出大量超高填方工程，所用填料广泛采用地质成因复杂、组成成分多样和结构极端不均匀的土石混合料，如何正确评价土石混合料高填方边坡的稳定性成为亟待解决的重难点工程问题之一。基于

3、此，本文结合中铁股份有限公司科技开发计划项目“山地城市轨道交通暗挖隧道长距离穿越深回填土区施工关键技术研究”，以西南山区某高填方边坡工程为依托，通过室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，对土石混合料的宏细观剪切强度特征及强度产生机制、土石混合料的剪切变形特性及本构模型、土石混合料高填方边坡的稳定性进行了较为系统和深入的研究。主要研究内容和成果如下：①通过室内大型直剪试验、筛分试验、声发射试验、剪切面三维激光扫描试验，对重庆地区不同含石量P5、不同含水率w、不同块石岩性Rc、不同初始孔隙比e0和不同应力条件σn的土石混合料的宏观剪切力学性质进行了研究，获得了

4、土石混合料剪切完成后的颗粒破碎形态类型和相对破碎率变化规律、剪切过程的颗粒破碎演化规律、剪切面的三维形貌特征及分形规律。②根据室内大型直剪试验结果对土石混合料的抗剪强度和强度参数展开了研究，结果发现抗剪强度不能严格满足M-C线性强度准则，而较好地满足修正的M-C非线性强度准则，这种非线性特性与颗粒破碎有关。通过整理获得了粘聚力、初始内摩擦角、非线性内摩擦角随含石量、含水率、块石岩性、初始孔隙比等因素的变化规律。③基于直剪试验颗粒流数值模拟对不同含石量土石混合料的细观剪切特性和强度产生机制进行了研究。对比了Ball、Clump和Cluster三种块石生成法的优劣

5、；获得了剪切过程中颗粒的运动和破碎规律、接触键的断裂演化规律、裂隙的发展和演化规律、能量转换和演化规律、剪切面的形态及演化规律、接触力链分布及演化规律，试验结果可与室内直剪试验结果相互印证和相互补充；结合剪切面分形规律和剪切面力链分布规律，推导了强度的产生机制公式，基于此，对室内直剪试验的强度参数变化规律进行了合理解释。④利用室内大型三轴试验对不同含石量土石混合料的固结回弹变形性质和三轴剪切应力应变特性展开了研究。获得了不同含石量土石混合料的体应变-体应力压缩回弹规律、偏应力-剪应变关系、体应变-剪应变关系；基于土石混合料的剪切能量方程、弹塑性增量理论和非线性

6、强度准则，获得了一种适用于不同含石量的土石混合料的非线性弹塑性本构模型，通过试验结果验证发现该模型能够较好地I重庆大学博士学位论文模拟土石混合料的应力-应变关系。3D⑤基于有限差分理论，推导了非线性弹塑性本构模型的表达式，利用FLAC软件良好的二次开发平台和VC++6.0程序实现了非线性弹塑性本构模型的二次开发，获得了该模型的动态链接计算程序，并通过试验结果验证了程序的正确性。⑥采用强度折减法理论，提出了土石混合料高填方边坡应用非线性弹塑性本构模型时的安全系数定义方法；将热力学理论中材料破坏的能量机制引入边坡工3D程中，利用FLAC二次开发了一种适用于复杂三维

7、高填方边坡的能量突变失稳判3D据；通过FLAC建立了某高填方边坡工程的三维数值模型，基于强度折减法，采用非线性弹塑性本构模型和能量突变失稳判据的二次开发程序对该边坡的稳定性3D进行了分析；通过FLAC建立了该边坡工程的二维数值模型，分析了含石量、含水率、块石岩性、初始孔隙比等因素对边坡稳定性的影响。关键词：土石混合料，宏观力学特性，细观力学特性，变形特性，高填方边坡II英文摘要ABSTRACTInrecentyears,withthecontinuousexpansionofChineseinfrastructureconstruction,alotofult

8、ra-highfillprojects