發(fā)布時(shí)間：2020-03-19 10:27

【摘要】：土石混合體是一類介于塊狀巖體與細(xì)粒土體之間的特殊地質(zhì)材料,其力學(xué)特性具有明顯的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和尺寸效應(yīng),使得工程尺度下土石混合體強(qiáng)度的確定十分困難。本文以徐州地區(qū)的土石混合體作為研究對象,采用大型直剪試驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究方法,考慮土石混合體強(qiáng)度特性的級配效應(yīng)對其尺寸效應(yīng)展開研究,以期為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)和借鑒。論文第一章介紹了土石混合體的研究背景,在總結(jié)國內(nèi)外土石混合體的研究進(jìn)展與不足后,確定了本文的研究內(nèi)容和技術(shù)路線。第二章采用分形理論對土石混合體顆粒尺寸分布特征進(jìn)行研究。獲得了土石混合體天然級配曲線,計(jì)算出曲率系數(shù)、不均勻系數(shù),級配分形曲線,驗(yàn)證了土石混合體天然級配具有分形特性,分形維數(shù)D=2.3。由于傳統(tǒng)土力學(xué)描述方法難以有效描述土石混合體的級配不連續(xù)性,本文以分形維數(shù)和最大粒徑作為級配描述指標(biāo)研究土石混合體的尺寸效應(yīng)。第三章采用大型直剪儀探討了土石混合體剪切強(qiáng)度的縫寬效應(yīng)特性,進(jìn)而獲得土石混合體剪切強(qiáng)度的粒徑尺寸效應(yīng)。結(jié)果表明隨著縫寬的增加,土石混合體剪切強(qiáng)度呈減小、平緩、再減小的規(guī)律,粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著縫寬增加呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。粘聚力以及內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律表明,在級配分形維數(shù)為2.3時(shí),合理縫寬在0.2~0.4倍最大粒徑之間,此時(shí)顆粒處于相對穩(wěn)定的滾動(dòng)和滑動(dòng)狀態(tài),受到剪切盒邊界約束較小。考慮縫寬尺寸效應(yīng),試驗(yàn)研究了土石混合體強(qiáng)度粒徑尺寸效應(yīng)。結(jié)果表明土石混合體剪切強(qiáng)度隨著顆粒尺寸的增加而變大,100~300kPa法向應(yīng)力條件下,強(qiáng)度增大系數(shù)為0.07。無量綱化之后,發(fā)現(xiàn)粘聚力與最大粒徑尺寸之間呈指數(shù)關(guān)系,內(nèi)摩擦角正切值與最大粒徑尺寸之間呈對數(shù)關(guān)系。第四章采用離散元軟件PFC2D對物理試驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)開展不同級配和法向應(yīng)力下的模擬試驗(yàn),并在細(xì)觀層面進(jìn)行了解釋。不同級配下的縫寬試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)級配分形維數(shù)不變時(shí)(D=2.3),適宜縫寬與最大粒徑存在定量關(guān)系(0.2~0.6倍最大粒徑);當(dāng)最大粒徑不變時(shí),隨著級配分形維數(shù)增加(D=2.5),適宜縫寬減小(0.2~0.4倍最大粒徑)。不同縫寬下土石混合體顆粒接觸力分布表明,隨著縫寬的增加,力鏈由“整體分布”向剪切面“局部集中”,表明抗剪強(qiáng)度主要由剪切帶內(nèi)部顆粒貢獻(xiàn)�？p寬繼續(xù)增加,力鏈再次呈現(xiàn)整體不規(guī)則分布。此外,研究表明土石混合體剪切強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)與法向應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。由于粒徑的增大,土石混合體內(nèi)部顆粒接觸力逐漸增大,形成穩(wěn)定的強(qiáng)力鏈結(jié)構(gòu)。第五章圍繞工程尺度下土石混合體強(qiáng)度的估算方法進(jìn)行了分析與討論�；谑覂�(nèi)試驗(yàn)研究成果,首次建立了工程尺度下土石混合體的強(qiáng)度計(jì)算方法。不同尺度特征的算例表明本文提出的土石混合體強(qiáng)度尺寸效應(yīng)公式可較好地估算粗粒土、土石混合體、破碎巖體的強(qiáng)度。第六章總結(jié)本文研究成果,并指出論文研究需要深入的工作和展望。
【圖文】：

包含不同尺度的分段分形模型。土石混合體顆粒尺寸分布特征取決特性，而分形模型為我們揭示多尺度現(xiàn)象提供有力的工具。本章內(nèi)石混合體粒度的分形結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的尺度問題進(jìn)行簡單化，運(yùn)用分內(nèi)在規(guī)律，基于此圍繞土石混合體力學(xué)特性的尺寸效應(yīng)展開研究。土石混合體的粒度分形結(jié)構(gòu)（Fractal Structure of Particloil-Rock Mixture） 顆粒級配與物理力學(xué)參數(shù)先，對取自徐州地鐵某隧道區(qū)間土石混合體的天然級配進(jìn)行分析。幾個(gè)步驟：（1）取樣：從現(xiàn)場取回開挖的土石混合體試樣，最大（2）由于篩分試驗(yàn)尺度的限制，剔除粒徑明顯大于 60mm 的塊石用烘箱烘干；（3）由于黏性土的存在，烘干之后把粘附在粗粒塊行粉碎，使篩分結(jié)果更加精確。篩分步驟參考水利水電工程粗粒土，重復(fù)數(shù)組，得到不同粒徑下顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最大粒徑為 60mm，累積曲線，如圖 2-1 所示。

12圖 2-2 土石混合體典型成分Figure 2-2 Typical components of soil-rock mixture由圖 2-2 可見，試樣包括塊石、粗礫、黏土等成分，粒徑差異較大。按照土力學(xué)方法，我們可以得到累積質(zhì)量百分含量為 10%、30%以及 60%對應(yīng)的粒徑，分別為 d10=0.7mm，d30=3.5mm，d60=16.1mm。同時(shí)可以計(jì)算可得不均勻系數(shù)/236010C dd u，曲率系數(shù) /(*)1.16010230C ddd c。 10uC 表明該土樣級配較廣，而 1cC 意味著粒組相對連續(xù)。但是這兩個(gè)參數(shù)描述的級配難以反映級配不連續(xù)程度，和級配之間不是一一對應(yīng)關(guān)系。雖然對于粒徑尺寸差異較小的細(xì)粒土可達(dá)到比較滿意的判別結(jié)果，，然而對于土石混合體來說是不夠充分的，尤其隨著研究尺度增大的時(shí)候，其粒度成分對土石混合體的強(qiáng)度、變形、滲透的影響十分
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU43

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3 廖秋林;李曉;郝釗;王思敬;吳e

本文編號：2590105