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三峡库区中常见滑坡的坡体组分为粗粒土,其中大部分为碎石土。该土体具有显著的离散性和流变特性。对于滑坡粗粒土而言,其流变性质直接影响到其长期强度,进而影响到滑坡的长期稳定性。因此了解滑坡粗粒土的流变特性就变得尤为重要。但目前国内外鲜有学者对滑坡粗粒土的流变性质进行深入研究,所以本文对此展开研究是很有必要的。
本文首先通过进行马家沟滑坡粗粒体的常规土工试验、三轴常规剪切试验、三轴流变试验,建立该滑坡粗粒土的常规和流变本构模型。使用邓肯—张模型对滑坡粗粒土的常规本构模型进行拟合,并根据摩尔库仑准则确定其常规强度。使用Burgers模型对滑坡粗粒土的流变本构模型进行拟合;得出不同应力状态下的拟合方程,并根据等时曲线图得出不同应力状态下的长期强度值。为评价滑坡粗粒土的流变性质对马家沟滑坡长期稳定性的影响提供理论依据。
由于滑坡粗粒土具有显著的颗粒性和离散性,所以其力学特性很适合从颗粒离散元的角度来分析。本文尝试使用颗粒流数值软件PFC2D来模拟粗粒土的常规和流变特性;探讨其微观参数与力学宏观参数之间的关系;并评价该数值模拟方法的可行性。
本文在室内试验的基础上,首先建立了二维强度数值试验和二维流变数值试验的颗粒力学模型,并介绍了微观参数的选取方法及其标定标准等在使用PFC软件过程中所遇到的重难点问题。其中二维流变数值试验颗粒力学模型在国内尚未有人提出,这些颗粒力学模型为后续的研究提供了基础性的工具。其次对二维强度数值试验颗粒模型进行了微观参数标定,标定效果较理想。并对二维流变模型中接触参数与宏观力学参数之间的相关性进行了研究,得出了参数相关性影响表。
本文的主要研究内容和成果如下所述:
(1)粗粒土应力—应变曲线在低围压情况下,表现出弱应变软化型,随着围压的增加逐渐转化为应变硬化型;随着围压增加,粗粒土的强度也随之逐渐增加,围压越高,达到峰值强度所产生的应变也越大。
(2)马家沟滑坡粗粒土具有一定的流变性质,通过轴向应变—时间曲线可以看出其在足够长的时间里从衰减流变状态过度到稳定流变状态。在相同的围压下,应力水平越大,衰减流变的过程越长,粗粒土的蠕变量也越大。
(3)对比分析了滑坡粗粒土的长期强度和常规强度值,发现这两者都随着试验围压的增加而增加,两者基本满足线性变化关系。其中长期强度约为常规强度的60%。
(4)使用邓肯—张模型拟合粗粒土的常规本构关系,使用Burgers模型拟合粗粒土的流变本构关系。通过分析拟合参数可以得出:粗粒体试样的变形能力随着围压的增大而减小,随着应力水平的增加而增大。较高的应力水平能够引起较大的蠕变变形。观察结果表明,使用Burgers方程能够较好的反应粗粒土的流变特性,为使用数值模拟方法分析粗粒土的流变性质提供了理论依据。
(5)本文通过进行二维强度数值试验,得出滑坡粗粒土的相关参数(颗粒大小,接触强度)与PFC软件的微观参数不具有简单对应的关系,间接验证了粗粒土体力学性质的复杂性。通过设置峰值强度值与C、φ值为标定标准,结合室内常规三轴试验成果,使用简化相关微观参数、固定刚度比的方法;加快了数值试验微观参数标定的过程,提高了标定效率。为使用该软件进行后续分析,提供了标定成果。
(6)本文通过引入Burgers接触模型,使用PFC软件进行了二维流变数值试验,研究了系统阻尼参数、Burgers接触模型参数对粗粒土流变性质的影响。并给出了颗粒力学参数与宏观流变参数的相关性规律表。研究认为在无阻尼设置下,能够较好模拟流变试验过程。给使用该软件进行后序研究,提供了理论依据和方法。
综上所述,本文通过进行马家沟滑坡粗粒土的室内常规三轴剪切试验、三轴流变试验,研究了滑坡粗粒土的流变性质,建立了该粗粒土的常规和流变本构模型。并使用PFC2D软件成功模拟了粗粒土的二维流变试验;分析了相关微观参数对流变特性的影响。该研究成果为马家沟滑坡的长期稳定性评价提供了理论依据。