土体潜蚀体变的细观机理研究——考虑颗粒应力贡献

作     者：平新雨 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程旷

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：潜蚀 细颗粒流失 体应变 颗粒应力贡献 承载力骨架连通性 离散元 

摘      要：潜蚀指的是土体中的细颗粒在渗流作用下穿过粗颗粒骨架的孔隙发生流失的现象,在岩土工程渗流灾变问题中十分常见,如堤坝的渗透失稳和宽级配弱固结边坡的降雨滑坡。细颗粒的流失导致土体的孔隙扩大、骨架稳定性减弱,进而可能诱发土体体积变形。已有研究表明,潜蚀过程中,细颗粒承担应力(由颗粒应力表征)对细颗粒流失特征产生明显影响。然而,流失细颗粒承担的颗粒应力(简称,流失颗粒应力)是否会对潜蚀体变产生影响,这一问题尚不清晰,限制了对潜蚀体变致灾机理的认识和潜蚀体变过程的合理预测。为此,引入流失颗粒应力对土体宏观应力的贡献——颗粒应力贡献这一概念,基于离散元方法并结合颗粒去除法,模拟不同初始细颗粒含量、围压、相对密实度条件下,土体潜蚀过程中不同应力贡献的细颗粒发生流失及相应的试样体积变化。主要研究内容及结论分为如下两部分:(1)研究流失细颗粒的应力贡献对潜蚀体应变的影响规律。主要结论如下:ⅰ)潜蚀体应变εv随流失颗粒应力贡献Cσe的变化存在两种截然不同的模式——转捩模式与平稳模式。在转捩模式下,随着Cσe的增大,εv表现出先波动然后迅速增大的趋势;而在平稳模式下,在很小的Cσe情况下即产生极大地εv,且随着Cσe的增大,εv几乎维持恒定。ⅱ)“εv-Cσe曲线的两种模式与初始细颗粒含量和颗粒流失量密切相关,并受到围压和相对密实度的影响。在相对较低的初始细颗粒含量和颗粒流失量条件下,“εv-Cσe曲线表现为转捩模式。而当初始细颗粒含量FC=35%时,“εv-Cσe曲线大多表现为平稳模式;不过,随着围压的升高,“εv-Cσe曲线在细颗粒流失量相对较低时会表现出转捩模式。(2)引入承载力骨架概念——位于强力链上的颗粒组成的骨架,从承载力骨架稳定性的角度,揭示“εv-Cσe曲线呈现两种变化模式的细观机制。主要结论如下:定义了承载力骨架内任一颗粒i的连通性Nc,i strong,即,该颗粒与骨架内其他颗粒的接触数量。Nc,i strong的分布特征是决定“εv-Cσe曲线变化模式的关键。当超过50%的承载力骨架颗粒的Nc,i strong=2时,试样承载力骨架的抗扰动能力相对较差,因而“εv-Cσe曲线易呈现出平稳模式。当超过50%的承载力骨架颗粒的Nc,i strong≥4时,试样承载力骨架的抗扰动稳定性相对较高,“εv-Cσe曲线在密实状态易呈现出转捩模式,而在松散状态下呈现出转捩或平稳模式(取决于颗粒流失量)。