高应力水平作用下饱和粘土力学特性研究结题摘要

项目以深部地下工程建设中的深部土力学响应为背景，以高压下饱和黏土的固结剪切特性为研究目标，以孔隙水-黏土颗粒骨架相互作用为研究基点，对重塑饱和黏土展开了高压试验、微观测试、数值模拟以及理论分析。首先设计研制了适用于黏土高压力学试验的高压固结试验系统和三轴试验系统，弥补了目前高压固结仪精度不够以及三轴试验时间过长的不足；然后进行了不同固结压力下的一维固结和三轴剪切试验，获得了高压固结过程中静止侧压力系数、孔隙水压力系数、渗透系数、压缩性等不同于常压下的特性，以及高压剪切过程中孔隙水压、应力路径以及抗剪强度的演变特性；针对试验揭示的高压特性，进行了基于宏观土力学理论的理论分析和数值模拟，提出可以获得非线性静止侧压力系数的临界土力学分析方法，发展出可以考虑高压长时固结导致的胶结作用的新的临界土力学模型，并对三轴试验进行了有限元模拟，建立了考虑材料几何非线性的有限元分析模型，对高压三轴剪切试验中剪切速率、端部摩擦以及非线性渗透系数的影响进行了分析；然后分别从孔隙水-黏土颗粒间的微观相互作用出发，对饱和黏土高压压缩特性和剪切过程中孔隙水压变化及强度特性进行了机理分析，并由试样的环境扫描电镜图像予以支持；采用分子动力学模拟和耗散粒子动力模拟技术，分别对孔隙水-黏土颗粒之间的微观与介观压缩和剪切进行了计算分析，得到了孔隙水-黏土颗粒相互作用在高压下饱和黏土固结和剪切过程中发挥的机理；为进一步认识孔隙水-黏土颗粒响应机制，利用有限元方法对黏土颗粒之间的电势分布、斥力计算进行了研究，修正了现有计算公式的错误之处，定量揭示了不同尺寸孔隙在压缩过程中具有不同变形顺序的机理；最后构建了基于Linux系统的二维黏土离散元模拟平台，该模拟程序不同于现有商用离散元程序模拟颗粒为圆盘形或球形，可以模拟平板形状的黏土颗粒之间的相互作用。 2100433B

随着地下工程不断向地层深处发展，对高应力水平下土层力学性质的研究需求日趋迫切，然而目前关于高应力水平下粘土的力学特性研究十分缺乏。本项目基于结合水与土骨架相互作用是高应力水平下饱和粘土力学响应的决定性影响因素的研究思想，首先对饱和粘土进行高应力水平下不同排水条件、固结路径和剪切应力路径的室内试验研究；同时结合试验结果并利用结合水与土骨架相互作用的微观理论，分析获得饱和粘土高应力水平力学特性的微观内在机理；并将该机理引入到基于离散元理论的颗粒流数值模拟程序，进行试样水平的数值试验；然后综合分析离散元数值试验结果和室内试验结果，提出与现有土力学理论相衔接的粘土高应力水平力学特性宏观机理模型；最终建立可以合理描述饱和粘土高应力水平力学特性的固结理论和本构关系，并对其展开大变形有限元模拟实现研究。

近年我国超高坝建设发展较快，对在髙应力下粗粒土力学和坝工特性的研究引起较多学者的关注。本项目在课题组前期研究的基础上，利用自主研发的试验装置及可视化细观测试分析系统，进行了室内高应力颗粒接触试验和离心机模型试验，并结合离散元数值模拟，从细观层面入手、细宏观相结合系统研究了在髙应力作用下粗粒土细观力学及坝工特性。 通过粒间接触和流变试验，揭示了粗粒土颗粒接触特性的力学机理，发现板岩和石膏的法向接触刚度值相差4倍，球-面接触试验的法向接触刚度是球-球接触试验的法向接触刚度的1.7倍。建立了弹性核尺寸与球形颗粒材料力学性质和颗粒尺寸相关的经验公式。建立了球形颗粒球-球法向接触破碎准则和石膏颗粒三点接触下颗粒破碎强度准则。建立了髙应力下粒间接触模型和流变模型，结合离散元数值模拟揭示了粒间接触细宏观力学之间的联系，实现了对颗粒内部破碎的细观过程和弹性核发展过程的观测。 通过可视大型直剪试验，揭示了粗粒土的颗粒破碎演化规律和细观力学机理。通过对大型直剪数值试验中颗粒的细观运动规律进行分析发现，在剪切过程中剪切带的形成与发展并不是严格按照上下盒之间的剪切缝展开，而是沿着向上突起的拱形滑动面发展。 通过可视离心机试验，验证了粒间接触模型和流变模型，揭示了接近实际应力场条件下粗粒土破坏的细观力学机理及与宏观力学响应之间的内在联系。通过对不同粒径大小的粗粒土坝体，在不同离心加速度下进行模型试验，发现离心加速度对于粗粒土的粒径具有明显的放大作用。 本课题从粗粒土颗粒接触角度研究颗粒破碎的力学机理，开辟了研究粗粒土颗粒破碎的新途径，不仅为髙应力下粗粒土的深入研究提供了细观力学基础，也为超高土石坝工程性能的分析提供理论依据。本项目组已获得国家实用新型专利一项，发表学术论文9篇，其中SCI、EI论文8篇。 2100433B

近年我国超高坝建设发展较快，对在髙应力下粗粒土力学和坝工特性的研究引起较多学者的关注。本项目拟采用自主研发的试验装置及可视化细观测试分析系统，利用多种试验手段和数值模拟，从细观层面入手、细宏观相结合来研究在髙应力作用下粗粒土细观力学及坝工特性：(1)通过粒间接触和流变试验，建立髙应力下粒间接触模型和流变模型，结合离散元数值模拟揭示粒间接触细宏观力学之间的联系；(2)通过可视大型直剪试验，揭示粗粒土的颗粒破碎演化规律和细观力学机理；(3)通过可视离心机试验，验证粒间接触模型和流变模型，揭示接近实际应力场条件下粗粒土破坏的细观力学机理及与宏观力学响应之间的内在联系；(4)结合实际工程，采用离散-连续混合数值方法，分析超高土石坝结构薄弱环节的细观演化规律，从细观角度揭示超高土石坝破坏过程的力学机理。本研究可为髙应力下粗粒土的深入研究提供细观力学基础，为超高土石坝工程性能的分析和评价提供理论依据。

本课题拟通过岩石在高围压下直到强度峰值后的不同应力路径的加卸载瞬时和流变力学性质试验，建立岩石在高应力下的加卸和卸载时的瞬时和流变力学本构模型和强度准则。通过节理在高围压下三轴试验，以及节理在高法向应力水平下和常刚度下加载和卸载时的瞬时和流变力学性质试验，建立岩石节理在高应力下的加卸和卸载时的瞬时和流变力学本构模型和强度准则。再结合节理岩体在三向高应力下的卸荷模型试验和现场实测资料的研究，建立针对 2100433B