A Multiscale Study of Mechanical Behavior of Granular Geomaterial and its Application

Abstract

滑坡、管涌等水文、地质灾害近年来愈益严重，影响人类生产、生活和安全。滑坡和管涌的介质岩土颗粒物质由于其复杂的颗粒结构和水文地质赋存环境而表现出复杂的力学特性，目前对颗粒物质力学特性认识的不足导致对滑坡和管涌等灾害的预测存在较大的困难。本文开展了从颗粒层面的堆积、接触、液桥模型和力链网络损伤、松弛到颗粒物质代表体元力学特性的多尺度研究工作，并将部分结果应用于库水涨落和降雨入渗诱发的滑坡稳定性研究。 首先提出了研究颗粒物质力学特性的数值三轴仪概念，用于计算各种不同围压、应力路径等工况的三轴加载。发展了抗转动接触离散元模型表征真实颗粒的非球形效应，并且经过大量工况计算提出了真实颗粒物质的参数化方案。利用颗粒物质的抗转动接触离散元模型，我们计算得到了承德砂的应力应变曲线、体变轴变曲线，强度和剪胀角都和实验值吻合较好。子午面和偏平面内的不同应力路径加载计算结果表明Mohr-Coulomb强度准则和Drucker-Prager强度准则均不足以描述中间主应力对颗粒物质强度的影响，而统一强度准则是一个较好的反映中主应力影响的强度准则。 其次，我们提出了“气泡液体重分布-液桥力折减”的液桥新模型，能够描述钟摆区、环锁区和毛细区任意含水量的孔隙液体体积和液桥力。液桥新模型计算得到的理想立方排列和密集四面体排列的颗粒物质土水特征曲线和解析解吻合地较好。利用该新模型，我们计算得到了典型砂土和粉土的土水特征曲线，其进气值和相关实验结果吻合较好，利用Konzey-Carman方程和Mualem方法，我们还预测了颗粒物质渗透系数随基质吸力的变化。吸力控制三轴压缩计算结果表明，对于不考虑结构软化的颗粒介质，其粘聚力随着含水量的增加而减小，并趋于稳定值，粒径越小，这个降低趋势越明显，而其摩擦角的变化较小。 第三，我们提出了颗粒流失对颗粒物质弱化作用的几个物理机制，分别是“掏空”效应、力链网络损伤、力链网络松弛和改变临界状态，并给出了其数学模型。在状态相关本构模型的基础上添加了几个主要的物理机制后形成了表征颗粒流失对颗粒物质弱化的本构模型。该本构模型定量预测了颗粒流失对颗粒物质的弱化作用，包括峰值强度降低和剪胀减低。特别是，该本构模型预测了在较高应力状态发生显著颗粒流失量时发生的“卸载”现象。 最后，我们考虑了这种宏微观结合方法的工程应用，计算了土石混合体的摩擦特性和土水特征曲线，含石量超过40%-50%时，摩擦角陡然增加。在同时考察了离散元预测结果、相关现场试验和部分工程地质手册的基础上，我们分析了白家包滑坡在库水涨落和大岩淌滑坡的雾雨入渗条件下的稳定性问题