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原文传递土石混合料细观结构精细化建模方法及剪切力学特性研究

论文题名：	土石混合料细观结构精细化建模方法及剪切力学特性研究
关键词：	机场回填;土石混合料;细观结构;精细化建模;剪切力学特性
摘要：	西南地区机场建设形成了众多超大方量的挖方填方工程，考虑到西南地区的交通环境和经济效应，便于就地取材的土石混合料是作为山区机场工程回填料的优质选择。土石混合料是一种非均质、非均匀、非连续性材料，其剪切力学特性对山区机场填方工程的稳定至关重要。本文依托国家自然科学基金项目“基于双尺度耦合方法的土石混合料高填方边坡破坏机理及稳定性研究”，开发了一种低成本的块石三维模型重构方法，建立了块石三维模型数据库，提出了一种土石混合料细观结构的三维精细化建模方法，通过数值直剪试验研究土石混合料的宏细观剪切力学特性，并深入分析物理参量和试验条件6个因素对其影响规律，主要研究内容和研究结论如下：　　（1）提出了一种低成本、高精度的块石建模方法。该方法通过数据采集、数据处理和模型重构三个步骤重构了块石模型，通过与真实块石对比证明了该方法具有较高的精度高和较好的适用性。基于此，通过批量化重构，建立了一个块石模型数据库。　　（2）基于块石模型数据库和土石混合料颗粒级配，建立了土石混合料大型直剪试验的数值模型，并分析了模型细观参数对土石混合料宏观参数的影响规律，最后标定了一组较精确的土石混合料细观参数，基于此重现了土石混合料的剪切过程。根据该方法建立土石混合料数值模型，研究不同细观参数对宏观参数得影响，然后标定得到适用此模型的接触参数，研究土石混合料典型破坏规律，得到结果如下：①随着法向应力增加，峰值剪应力逐渐增加，剪胀性逐渐减弱，剪切面随着法向应力的增加逐渐加宽；②随着剪切位移的增加，裂隙首先从剪切盒两端生成，并沿着预设剪切面扩展直至贯通，此时剪应力达到峰值；③在剪切过程中，主应力方向由均匀分布到逐渐偏转到125°-305°方向。　　（3）研究了含石量、块石形状和最大粒径3个物理参量对土石混合料剪切力学特性的影响，结果发现：①在工程中应使用含石量为40%~60%的土石混合料作为填料。②在填方工程中应使用块石球形度较小以及长宽比接近1:1的土石混合料作为填料。③填方工程中应控制石块的粒径，对于较大尺寸的石块应对其进行分解。　　（4）研究了剪切盒形状和尺寸、尺寸效应和剪切速率3个试验条件对土石混合料剪切力学特性的影响，结果发现：①随着b/l值增大，土石混合料抗剪强度逐渐减小，直至保持稳定；在直剪试验中，应保证b/l接近1，提高结果的真实性。②随着λ增大，土石混合料抗剪强度逐渐减小，直至保持稳定；在直剪试验中，剪切盒上下总高与土石混合料最大粒径的比值应大于6.67，减小尺寸效应的影响。③随着剪切速率增大，土石混合料抗剪强度提高，但模型稳定性逐渐降低；在数值模拟直剪试验中，应选取一个既能兼顾计算效率，又能使得模型稳定的剪切速率。
作者：	方忠
专业：	建筑与土木工程
导师：	涂义亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022