土层锚固体应力传递及滑脱过程的细观力学研究结题摘要

土层锚固技术是近代岩土工程领域的一项重要组成部分。虽然土层锚固技术的应用范围越来越广，新的锚固方式不断出现，但对其锚固机理的认识与理论研究却相对滞后，尚未形成一种被广泛认可的工程设计理论。根据项目原计划，本项目采用自主研发的基于二维数字散斑的细观力学实验系统，揭示了锚固体周边应变局部化及剪切带形成、演化和破坏规律，发现在锚固体位移初期，锚周土体的剪应变是不均匀、局部和泛散的，随着锚固体位移加大，剪应变区域逐渐延伸并相互连通，最后贯通形成剪切滑移带，并在此基础上根据轴对称问题特点建立了锚固体周边土体剪切带的本构关系。通过锚固体界面几何特征测量实验研究了土层锚固体界面的力学特性，认为锚固体表面粗糙度是影响锚固体界面力学特性的主要因素；采用分形维数描述界面接触特征，并构造了能表征锚固体与土体接触带特性的界面单元。通过数值模拟结合宏观拉拔实验的方法将土层锚固系统失效的全过程分为弹性变形阶段、塑性滑移阶段以及脱粘阶段三个阶段，认为塑性滑移阶段是承受外界荷载的主要阶段，并得到全长粘结式锚固体在拉拔荷载作用下的应力分布特征以及随着荷载增加的演化规律，结果表明，当荷载较小时剪应力最大值出现在孔口位置且数值不大，随着荷载的增大剪应力向锚杆底部传递，达到极限荷载时锚杆上部界面层出现滑脱，剪切应力沿锚杆趋于均匀分布；同时，宏观拉拔实验的结果也印证了界面单元构造的合理性。在此基础上推导了拉力型、压力型和扩径型锚固体应力分布，并分析了不同因素对剪应力分布和演化的影响。本项目的研究为锚固理论研究提供了实验分析和理论研究方法，对发展岩土工程锚固技术、完善滞后于应用研究的锚固理论有着重要的意义，同时为锚固技术的研究、计算和设计提供可靠的理论依据。

针对土层锚固体在拉拔荷载作用下锚固体周边土体应力分布与变形失效规律的研究，通过细观力学实验，采用密栅云纹法获得锚固体周边土体随荷载的加大应变场的变化和流动规律，以及剪切带的形成演化过程，揭示其渐进性破坏规律。根据轴对称问题特点及应变流动规律，建立土层锚固体周边剪切带的硬化-软化-滑脱的本构关系，并由此导出拉力型、压力型、扩径型等及其多元形式锚固体在拉拔荷载作用下应力分布及位移特征。同时，采用分形维数描述锚固体与土体间的接触特征，通过实验研究、理论分析和细观尺度上的有限元计算，构造表征锚固体与土体接触带特性的界面单元，采用数值模拟分析各类锚固体应力分布及随着荷载增大的演化规律。提出各类土层锚固体极限荷载的确定方法，并研究它们的适用条件以及锚固参数的对极限荷载的影响。课题的研究为锚固理论研究提供了实验分析和理论研究方法，为土层锚固系统理论奠定基础，为锚固工程的设计及参数选择提供理论依据。

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。

通过地下水渗流的室内模型试验，利用显微数码摄像可视化跟踪技术和数字图像变形量测技术观察和摄录地下水位面变化过程中土颗粒的移动轨迹，为地下水渗流引起无粘性土层沉降的细观机理分析和颗粒流数值模拟提供试验数据；并从土体内部流固耦合机制的细观层面上分析地下水渗流与土颗粒介质之间的相互作用，深入研究地下水渗流引起无粘性土层沉降的细观力学机理。基于颗粒流理论，建立地下水位面变化过程中无粘性土层沉降发展变化规律的细观理论模型，并在PFC计算软件的基础上进行二次开发，对地下水渗流过程中土颗粒的移动规律进行细观模拟，进一步从细观角度深入理解和认识地下水渗流引起无粘性土层沉降的机理；结合上海等地区无粘性土层沉降的观测资料，利用研究取得的渗流引起无粘性土层沉降机理的细观力学分析理论和相应方法，把理论预测的土层沉降结果与实际的观测资料进行对比，为地面沉降灾害的预测和治理提供参考意见。