深部土-地下结构界面层物理力学特性研究

课题以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建设为背景；针对深部土体特性、土与地下结构接触面物理、力学特征以及地下工程力学行为，采用试样试验、细观测试、基于离散元法的颗粒流数值模拟技术及理论分析等综合研究方法；考虑土体性质、接触面曲率、结构材料刚度、接触面粗糙度以及荷载性质等诸因素；应用超声扫描显微（C-SAM）、液氮快速冻结固样、三维视频显微、颗粒级配分析等细观物理特征测试技术和方法；深入研究接触面和界面层的几何特征、界面层内土体的细观物理现象、接触面和界面层的宏观力学行为以及三者之间的关系；研究土性、结构面特征以及荷载条件等因素对界面层物理、力学性质的影响及其规律；建立深部土与地下结构接触面，特别是界面层的本构关系，基本阐明深部土与地下结构相互作用界面层形成机理、基本性质、影响因素及其力学效应等基础理论问题，为深入研究深部土与地下工程结构相互作用的宏观规律奠定基础。

项目以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建设中的土-结构相互作用问题为背景，针对土-结构接触面及界面层物理、力学特性，开展了大量的试样试验、数值模拟及理论分析工作。在理论上克服了经典理论中统计平均值不能如实反映材料在相当小体积上的强度和变形急剧不连续变化的缺陷，建立了在传统塑性理论框架内考虑微结构之间的相互作用和应变梯度效应的接触面本构方程。首次研发了可考虑不同结构面曲率的土-结构相互作用试验系统以及异形土样制备器，弥补了常规直剪仪只能用于研究相对低应力条件下土与平面结构相互作用的不足。采用C++语言设计开发了基于面向对象的试验过程控制、数据采集及后处理软件，实现了试验过程的自动化和可视化。采用自行研制的土-结构相互作用试验系统，进行了大量不同性质的土与不同曲率、不同粗糙度结构面在不同法向应力条件下的相互作用试验，得到了不同法向压力条件下土-结构接触面及界面层的物理力学特性及其受结构面曲率、粗糙度及土性等因素的影响规律。当法向应力σ≤3.2MPa时，剪切强度随结构面曲率的增加而增大，即具有明显的曲率效应，随着法向应力的增加，曲率效应逐渐弱化直至消失。结构面粗糙度与土颗粒平均粒径的比值即相对粗糙度对不同法向压力下的接触面及界面层物理力学特性有显著影响，剪切强度与相对粗糙度关系曲线呈“三段”式，存在极限相对粗糙度 与稳定相对粗糙度 两个拐点。当相对粗糙度小于极限相对粗糙度时，剪切强度随相对粗糙度的增加而增大；而当相对粗糙度大于稳定相对粗糙度时，剪切强度基本不再随相对粗糙度的增加而变化。颗粒流数值模拟中对PFC2D进行了二次研发，对具有相同参数的颗粒试样采用半径扩大法、重力沉积法及分层振动法三种不同制样方法获得的试样孔隙比进行比较，结果表明，半径扩大法可获得孔隙比分布范围最广的数值试样，而分层振动法获得的孔隙比分布范围最小。通过对土-结构剪切过程颗粒分层比较，分析了每层颗粒的平均水平行程和竖向变位，获得了不同试验条件下土与结构面剪切的界面层厚度。模拟结果表明，结构面相对粗糙度、结构面锯齿角度是影响界面层厚度的主要因素：界面层厚度随相对粗糙度的增大呈现先增大后减小，随锯齿倾角的增加呈非线性增大。课题研究大大深化了对土-结构相互作用细观机理的认识，为地下结构的设计、施工、质量控制以及工程灾害的预测与治理提供了借鉴与指导，具有重要的理论意义及工程应用价值。