基于颗粒流的高含石量巨粒土填料剪切特性研究

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1、基于颗粒流的高含石量巨粒土填料剪切特性研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：王雷指导教师：杨忠平副教授专业：土木工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二〇一五年五月StudyonShearPropertiesofOverCoarse-grainedFillerwithHighContentofStoneBasedonParticleFlowCodeAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDe

2、greeofEngineeringByWangLeiSupervisedbyAssociateProf.YangZhongpingSpecialty：CivilEngineeringCollegeofCivilEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay2015中文摘要摘要西南地区基础设施建设工程的蓬勃开展形成了众多的填方工程，所用填料主要由挖方区爆破而来的碎石和土混合组成，往往具有含石量高（可达60%以上）、巨粒组土粒多（质量百分比15%以上）、石块粒径大（最大可达1m）

3、的特点，本文称之为高含石量巨粒土填料。剪切特性作为评价填料工程性质最为重要的依据之一，相关的抗剪强度指标及剪切变形特征受到工程技术人员的高度重视。为探究高含石量巨粒土填料的剪切特性，本文依托重庆江北国际机场四期扩建工程，以蒙特卡洛方法为理论基础，利用PFC内置的FISH语言进行二次开发，构建了基于粒度成分及随机多边形石块的颗粒流填料模型，研究了尺寸效应、巨粒组土粒的粒径及含石量对填料剪切特征的影响，研究成果对山区丘陵地带的工程建设具有重要的参考价值。本文主要的研究内容及成果如下：①通过现场槽探、室内筛分与数字图像处理获得了高含石量

4、巨粒土填料的粒度成分及表观特征；石块形态分析为构建随机多边形石块模型提供了统计依据；对采集的试样进行室内直剪试验，试验结果为后续颗粒流数值模拟提供了微观参数与宏观参数标定的关键资料。②以蒙特卡洛方法为理论基础，构建了描述石块形态的随机抽样模型；利用PFC2D内置的FISH语言进行二次开发，构建了基于粒度成分及随机多边形石块的颗粒流填料模型，实现了对填料的粒度成分及不规则多边形石块较为准确的模拟。③构建直剪试验颗粒流数值模型，模拟了填料室内直剪试验的全过程，颗粒流数值模拟结果基本反映了填料的剪切特性。通过持续监测并记录模型中裂隙的位

5、置，获得了直剪试验过程中随着剪切位移的增加剪切面的发展历程，并分析了剪切面的形态特征。④为扩大研究尺度，重新划分了土石界限粒径，并相应改变模型最小颗粒粒径，研究了高含石量巨粒土填料的尺寸效应。结果表明，在试样级配、加载条件均保持不变的情况下，模型尺寸增大，剪应力峰值呈减小趋势，剪应力峰值对应的剪切应变有所减小，剪胀性逐渐减弱，粘聚力及内摩擦角亦呈减小趋势。这种变化在模型尺寸相对较大时趋于平缓。⑤运用等质量代换法，保持粗细料的含量不变，设计了不同巨粒组土粒分布的数值模型。数值模拟结果表明：随着模型中粒径较大的石块逐渐被粒径小、数量多

6、的石块所取代，粘聚力逐渐降低，但内摩擦角呈增大趋势。以此指导工程实践，填筑施工中应按照相关规范控制石块的粒径，对于粒径超出规范规定的石块应对其进行分解。⑥保持加载条件及各石块粒组的相对比例不变，设计了含石量分别为10%、I重庆大学硕士学位论文30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%的数值模型。数值模拟结果表明：含石量越高，则剪应力峰值越大，模型表现出更大的刚度，剪应力-剪切应变曲线近弹性段的斜率越大，剪应力峰值对应的剪切应变越小，剪胀性逐渐增强。粘聚力及内摩擦角随不同含石量的变化曲线可分为三个部分：1）含石量10%~

7、40%时，随着含石量增大，内摩擦角逐渐增大，粘聚力逐渐降低；2）含石量40%~70%时，随着含石量增大，粘聚力增加到一定程度后逐渐稳定，内摩擦角变化较小；3）含石量70%~90%时，粘聚力随含石量的增大显著降低，而内摩擦角明显增大。根据以上结论，含石量大于70%时，随着含石量的增大，填料的粘聚力大幅降低，加之夯实质量难以得到保证，因此在填方工程中应避免使用含石量大于70%的填料。关键词：颗粒流，高含石量，巨粒土，剪切特性II英文摘要ABSTRACTAlargenumberoffillingengineeringshaveappea

8、redowingtothegreatdevelopmentofinfrastructureconstructionsinthesouthwestofChina.Thefillersmainlyconsistofrocksandsoilfromthe