土石混合体变形破坏机理的三维离散元精细模拟

Researches on the deformation and failure mechanisms of the earth-rock aggregate are very significance in the social and economic areas, because the most of landslides on the Earth are consist of the earth-rock aggregate. The earth-rock aggregate is constitute by soil and rock, and its meso-structure is complex. But, at present, the methods researching on behaviours of the earth-rock aggregate are same as homogeneous soil, so it is impossible to reveal the deformation and failure mechanisms of the earth-rock aggregate on the meso-scale level. .In this project，refined simulation on deformation and failure mechanisms of the earth-rock aggregate by PFC3D will be carried out and slopes or landslides consisted of the earth-rock aggregate be taken as engineering background..Firstly the typical irregular shape rocks in the earth-rock aggregate will be selected to CT scan, and get the 3D geometric grid data of them. Based on the grid data, a refined modelling method of irregular shape rocks will be put forward. .Secondly according to the earth-rock aggregate properties, different earth-rock aggregate models will be generated. The particle discrete element analysis system for the earth-rock aggregate will be developed by introducing the molecules-mechanical friction theory into PFC3D numerical platform. .Thirdly the direct shear tests and triaxial compression tests of the earth-rock aggregate will be carried out in the laboratory, and the numerical simulation of the tests will be taken. In the numerical simulation, the change of forces and the movement of some specific rock models well be traced, and the deformation and failure mechanisms of the earth-rock aggregate will be revealed on meso-scale level. .Finally the refined simulation on deformation and failure mechanisms of an engineering slope consisted of the earth-rock aggregate will be realized preliminary.

地球上绝大多数滑坡体都是由土石混合体构成的，研究土石混合体变形破坏机理对于防治地质灾害具有重要的社会经济意义。土石混合体由土和块石构成，具有复杂的细观结构，而目前对其研究大多沿用均质土体的研究方法，不能从细观层面揭示土石混合体变形破坏机理。本项目拟以土石混合体边、滑坡为工程背景，开展土石混合体变形破坏机理的三维离散元精细模拟研究。首先针对土石混合体中不规则块石体，利用CT扫描技术，获取典型不规则外形块石体的三维几何网格数据，并提出一种基于该网格数据的块石体精细建模方法；其次根据土石混合体物性特征，生成不同的土石混合体模型，并在PFC3D数值平台中引入分子-摩擦理论，开发相应的颗粒离散元数值分析系统；再次结合室内剪切试验和三轴压缩试验，开展数值仿真，通过追踪特定块石体受力演化过程和运动轨迹，从细观角度揭示土石混合体变形破坏机理；最后结合具体工程，初步实现土石混合体边坡变形破坏机理的精细模拟。

本项目以土石混合体滑坡为工程背景,以土石混合体细观结构模型的三维离散元建模方法为重点,采用物理试验和数值模拟等研究手段对土石混合体的变形破坏机理进行了研究。首先，开发了一种不规则颗粒三维离散元精细模拟技术，并引入分子-机械摩擦理论开发建立了适用于不规则颗粒接触模拟的三维不规则颗粒离散元数值分析系统；其次，开展了土石混合体室内大型三轴试验和大型直剪试验研究，对比分析了无胶结土石混合体和胶结土石混合体的力学特性和破坏模式，并研究了块石含量和形状对胶结土石混合体宏观力学特性的影响；然后，提出了一种简单实用的不规则块石三维几何模型建模方法，基于不规则颗粒三维离散元精细建模方法建立了不规则块石的三维离散元模型，引入拟振动压实法建立了土石混合体三维离散元模型，提出了用于三轴试验侧向柔性薄膜模拟的改进堆叠墙法，开展了一系列土石混合体大型三轴试验三维离散元数值模拟研究，从细观水平上揭示了土石混合体的变形破坏机理；最后，提出了基于土工离心模型试验基本原理和土石混合体细观结构相对性的土石混合体边坡三维离散元建模方法，引入颗粒流强度折减法并进行改进，分析了不同含石量、不同空间结构和不同空间形态等因素对土石混合体边坡稳定性和破坏机理的影响。另外，还进行了土石混合体大型直剪试验有限元数值模拟以及土石混合体边坡稳定性有限元分析的平行研究。获得的重要结果包括：(1) 提出的一整套三维离散元模拟方法能够再现土石混合体的主要细观结构特征和宏观力学行为；(2) 胶结土石混合体和无胶结土石混合体的强度、变形及破坏模式等均有显著的差别，应分别进行研究；(3) 土石混合体的抗剪强度取决于内部块石骨架机构效应和基质胶结效应两个方面的综合作用；(4) 块石含量、块石形状、块石定向性排列、应力水平和应力路径等多种内外因素都对土石混合体的力学特性有不同程度的影响，且具有一定的交互作用；(5) 一定含量较大块石的存在使得土石混合体边坡的应力场和破坏模式均发生了明显的改变，从而其稳定性也发生变化，不同空间结构和不同空间形态的土石混合体边坡的破坏模式和稳定性也有显著差异。.研究成果显著推动土石混合体力学理论体系的发展，有利于更加深入掌握土石混合体的宏细观力学特性和变形破坏机理，为土石混合体滑坡等地质灾害的防治提供了科学依据，所提出的一整套不规则块石和土石混合体三维离散元建模技术也可为其他岩土等颗粒材料研究提供借鉴。