梁雄，陽軍生，謝亦朋，張聰，戴勇

土石堆積體精細化模型構(gòu)建及力學(xué)特性數(shù)值試驗

梁雄1，陽軍生1，謝亦朋1，張聰2，戴勇1

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

土石堆積體具有較強的非均質(zhì)性，其力學(xué)破壞特性受內(nèi)部塊石的細部特征影響較大。依托羅打拉堆積體隧道，借助數(shù)字圖像處理與塊石隨機投放技術(shù)實現(xiàn)了對土石堆積體精細化數(shù)值模型的構(gòu)建，采用大型三軸試驗驗證模型的正確性，并深入探討土石堆積體力學(xué)破壞的特征及規(guī)律。研究結(jié)果表明：該方法獲得的力學(xué)參數(shù)及應(yīng)力應(yīng)變曲線與三軸試驗結(jié)果差異不大；在加載過程中，剪切破裂面由試樣中部及頂部兩端塊石尖端與土體的交界面沿土石路徑向四周發(fā)育，直至形成X形或人字形帶狀分布的剪切塑性區(qū)，并趨于貫通至發(fā)生剪切破壞。該方法的提出為土石堆積體力學(xué)參數(shù)的選取提供了一種新思路，可為土石堆積體隧道工程設(shè)計、施工等提供有益指導(dǎo)。

土石堆積體隧道；精細化模型；數(shù)值試驗；三軸試驗；力學(xué)破壞特性

土石堆積體是一種由內(nèi)外動力地質(zhì)作用而形成的不良地質(zhì)體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各相物理力學(xué)性質(zhì)差異大，廣泛分布于我國西南地區(qū)[1?2]。隨著我國西南山區(qū)交通建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多的隧道將會不可避免的穿越該類地層，當(dāng)隧道穿越該類地層時，常伴隨洞口坡體滑移、掌子面局部或大面積坍塌等現(xiàn)象的發(fā)生。已有研究表明[3?4]，對于土石堆積體力學(xué)特性認識不足是導(dǎo)致施工過程中極易發(fā)生事故的主要原因之一。因此，采用合理的方法進行土石堆積體的力學(xué)破壞特性研究(正確認識土石堆積體力學(xué)破壞機理；快速、準(zhǔn)確獲取土石堆積體地層力學(xué)參數(shù))是解決上述難題的關(guān)鍵。目前，工程上普遍采用直剪試驗[5]、推剪試驗[6]、室內(nèi)單軸壓縮試驗[7]以及大型三軸剪切試驗[8]等方法研究土石堆積體力學(xué)特性，且取得了一定的研究成果。但值得注意的是，現(xiàn)有采用的室內(nèi)試驗往往會對土石堆積體原樣進行擾動，且存在操作過程相對繁雜、試樣制備難度大等問題；而現(xiàn)場試驗尚存在試驗周期長、費用高以及難于開展大樣本試驗等不足。近年來，隨著數(shù)值計算方法及計算機技術(shù)的高速發(fā)展，已有部分學(xué)者開展了基于巖土體細觀結(jié)構(gòu)模型來探討土石堆積體力學(xué)特性的研究，油新華[9]采用規(guī)則幾何體模擬塊石的形狀并進行隨機投放；丁秀麗等[10?11]在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了隨機非規(guī)則多邊形的塊石形狀重構(gòu)。上述研究為探究土石堆積體力學(xué)特性提供了很好的思路，但上述方法未能考慮塊石的真實形狀，無法真實反映土石堆積體的細部結(jié)構(gòu)。徐安權(quán)等[12?13]采用圖像處理技術(shù)將土石堆積體斷面圖像直接構(gòu)建為數(shù)值結(jié)構(gòu)模型，提高了土石堆積體結(jié)構(gòu)還原的真實度，但仍存在塊石與土體邊界處理較模糊，人工處理主觀性較強的問題。而針對上述方法的不足，已有學(xué)者借助數(shù)字圖像處理方法與隨機投放技術(shù)來實現(xiàn)了堆積體細觀結(jié)構(gòu)的真實反映[14]，并探討了宏觀巖土工程的變形、破壞規(guī)律及穩(wěn)定性問題。因此，可以預(yù)見借助數(shù)字圖像處理方法與隨機投放技術(shù)可以有效進行土石堆積體地層力學(xué)特性的研究。鑒于此，以云南省羅打拉隧道出口段土石堆積體為研究對象，采用塊石圖像采集、圖像處理技術(shù)以及蒙特卡洛隨機投放方法構(gòu)建土石堆積體精細化數(shù)值模型，并與室內(nèi)大三軸試驗結(jié)果進行對比分析驗證模型的可行性。在此基礎(chǔ)上，進一步探討土石堆積體力學(xué)破壞特征與破壞規(guī)律。

1 土石堆積體精細化結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

云南省華麗高速羅打拉隧道，設(shè)計為2車道分離式隧道，隧道右幅出口段穿越典型土石堆積體地層，主要由第四系泥石流堆積、崩坡積所形成，下伏基巖為中風(fēng)化玄武巖[15]，如圖1所示。該段土石堆積體地層厚度為30～50 m，主要由稍密狀碎石及硬塑狀黏土構(gòu)成，局部夾雜孤石，密實度差。隧道開挖過程中，易發(fā)生掌子面局部滑塌，巖塊掉落等現(xiàn)象。

圖1 隧道右線地質(zhì)縱斷面圖

1.1 塊石輪廓特征數(shù)據(jù)化

針對羅打拉隧道右幅出口段穿越的土石堆積體地層，拍攝開挖揭露的掌子面照片，逐個獲取塊石輪廓數(shù)據(jù)，進行塊石輪廓數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。塊石輪廓數(shù)據(jù)庫構(gòu)建過程包括塊石輪廓識別、塊石輪廓點坐標(biāo)提取與存儲，如圖2所示。

圖2 塊石數(shù)據(jù)庫構(gòu)建示意圖

1.1.1 基于數(shù)字圖像處理的塊石輪廓識別

隧道掌子面附近拍攝的照片通常會受到光線、灰塵等影響，且塊石與圍巖土體色差不明顯，故需要對照片進行圖像預(yù)處理。參照文獻[16]提出的圖像處理方法，首先，利用圖像處理軟件對塊石圖像進行背景去除，以得到目標(biāo)塊石圖像；其次，在HIS色彩模式下，通過調(diào)節(jié)亮度通道的數(shù)值確定目標(biāo)塊石與圖像背景分割的閾值，將閾值與圖像中各像素點灰度值逐個比較，得到塊石的二值化圖像；最終，二值化圖像中僅塊石輪廓上的像素點具有灰度變化梯度(由0至1的變化)，從而完成塊石輪廓的識別。

1.1.2 塊石輪廓坐標(biāo)提取與存儲

本文在進行塊石圖像采集過程中均用標(biāo)尺進行了塊石尺寸的標(biāo)定，根據(jù)塊石實際標(biāo)定尺寸與對應(yīng)的像素距離，可建立兩者的比例關(guān)系，之后利用圖像處理軟件的坐標(biāo)點提取功能獲得整體坐標(biāo)系下的輪廓點坐標(biāo)，即對應(yīng)塊石真實尺寸。

為實現(xiàn)后續(xù)塊石的隨機投放，需確定塊石形心坐標(biāo)。參考Tough[17]研究成果，本文將塊石輪廓視為非自交封閉多邊形，離散的塊石輪廓點視為多邊形頂點，并假設(shè)塊石均質(zhì)，故塊石形心坐標(biāo)與質(zhì)心坐標(biāo)一致。由式(1)可確定離散點所圍成的非自交封閉多邊形質(zhì)心坐標(biāo)。

將塊石形心坐標(biāo)同塊石輪廓點坐標(biāo)按粒徑范圍以.xls文件方式進行分類存儲，即可完成塊石輪廓特征數(shù)據(jù)化。

1.2 塊石隨機投放實例

1.2.1 塊石投放數(shù)量的確定

在二維平面模型中，不同粒徑范圍的塊石投放數(shù)量N可依據(jù)塊石投放區(qū)域面積，塊石面積所占比重，塊石粒徑級配等信息確定，如式(2)所示。

土石堆積體含石率st和塊石面積所占比重可由式(3)表示。

式中：st為塊石密度；so為土體密度；st為投放區(qū)域塊石輪廓總面積；so為平面投放區(qū)域土體 面積。

由式(3)可推出塊石面積所占比重與含石率的轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

將式(4)代入式(3)即可求得各粒徑范圍塊石投放數(shù)量求解式為

在隧道掌子面附近進行土石堆積體取樣(圖3)，并進行顆粒粒徑篩分試驗，顆粒級配曲線如圖4所示。需要說明的是，本文三軸試樣直徑為30 cm，高度為60 cm，為使采集的塊石滿足三軸試驗尺寸要求，試樣塊石粒徑上限為6 cm，故已對粒徑大于6 cm的塊石采用等量替代法進行置換。

(a) 掌子面土石樣；(b) 開挖土石堆積體

圖4 土石堆積體試樣顆粒級配曲線

雙軸數(shù)值模型尺寸同室內(nèi)三軸試樣一致，為30 cm×60 cm，，且根據(jù)Medley等[18]的研究成果，將數(shù)值模型中的土石閾值定為2 cm，以保證網(wǎng)格質(zhì)量與計算效率，即塊石投放粒徑范圍為2～6 cm，且0～2 cm范圍內(nèi)的顆粒視為均質(zhì)土體。由粒篩分結(jié)果計算可知，本文土石堆積體含石量為42.2%。

因此，由式(4)計算得到雙軸數(shù)值試驗?zāi)Ｐ椭袎K石面積所占比重為36.6%，并將塊石粒徑范圍劃分為8等份，結(jié)合以上模型尺寸、顆粒級配等信息，由式(5)計算得到各粒徑范圍塊石投放數(shù)量如表1所示。

表1 塊石粒徑分布及投放數(shù)量

1.2.2 塊石隨機投放原則

將塊石輪廓點坐標(biāo)導(dǎo)入AutoCAD中，依次讀取塊石輪廓點坐標(biāo)并生成塊，將塊石形心定義為塊的基點，以基點將塊隨機插入至模型區(qū)域的方式實現(xiàn)塊石的隨機投放。塊石基點插入位置須在圖4所示的紅色虛線框內(nèi)，以使塊石完全投放至模型邊界以內(nèi)。每次塊石投放之后均根據(jù)2塊石形心距離須大于兩者最大粒徑之和的原則來保證任意2塊石邊界不相交，如判斷為當(dāng)前投放塊石與已有塊石相交，則重新進行該塊石的投放，如不相交，則進行下一塊石的投放，直至所有塊石投放完成，如圖5所示。

1.3 土石堆積體結(jié)構(gòu)模型后處理

1.3.1 塊石輪廓平滑化

待塊石投放完成，此時塊石以塊的形式儲存于AutoCAD中，無法導(dǎo)入有限元軟件中進行網(wǎng)格劃分，且塊石輪廓由隨機離散點依次連接而成，輪廓線較多部分呈現(xiàn)出較小尺寸的鋸齒狀，不利于后續(xù)網(wǎng)格的劃分。因此，提出如下塊石輪廓平滑化方法：首先，采用AutoCAD中的“EXPLODE”命令對“塊”進行分解；然后，采用“PEDIT”命令將塊石輪廓多段線擬合成樣條擬合多段線，利用“SPLINE”命令以型值點作插值點并與首末端點處的切矢量反算出控制點；最后，擬合得到以塊石輪廓為控制多邊形的3次NURBS曲線，如圖6所示。

圖5 塊石基點插入?yún)^(qū)域及投放效果

注：，為塊石投放區(qū)域長、寬尺寸，max為投放塊石最大粒徑。

圖6 塊石輪廓線平滑化

1.3.2 含石率檢驗

對模型進行含石率檢驗，以判斷是否符合要求。需要說明的是，各粒徑范圍塊石投放數(shù)量的計算中，塊石采用等效粒徑，具有一定的近似性，而含石率誤差尚未有明確的判斷準(zhǔn)則，故本文根據(jù)前期經(jīng)驗提出如下投石率判斷準(zhǔn)則：含石率誤差需控制在5%以內(nèi)，否則需重新進行塊石的隨機投放直至含石率符合要求。實際的投放含石率可由式(6)計算。

式中：f為實際投放含石率；st為投放區(qū)域塊石總面積；為投放區(qū)域面積；在求解時可在AutoCAD中利用“REGION”和“UNION”命令將塊石建成整體面域，再利用“LIST”命令查詢。

綜上，形成土石堆積體精細化結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建流程，如圖7所示。

圖7 土石堆積體精細化結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建流程

2 典型土石堆積體算例驗證

2.1 室內(nèi)大型三軸試驗

2.1.1 試驗制樣

室內(nèi)大三軸試驗采用設(shè)備為TAJ-2000大型動靜三軸儀。根據(jù)試樣體積、含石量以及土、石密度、級配求得所需塊石與黏土的質(zhì)量，稱量后混合均勻。將以上土石體共分為4份，采用分層夯實的方法進行制樣，每層土樣均需使用擊實錘擊實，厚度為15 cm。試樣達到預(yù)定高度后，平整試樣頂面，頂端放置土工布，將試樣頂端的橡膠膜套在試樣壓縮機上并用橡皮筋扎緊，即完成制樣，如圖8(a)所示。

2.1.2 測試設(shè)計與流程

將上述試樣分別在0.3，0.6和0.9 MPa圍壓下進行大型三軸剪切試驗，試驗加壓裝置如圖8(b)所示，設(shè)計與流程如下。

1) 施加圍壓

安裝壓力室并檢查試驗儀器密閉性，打開內(nèi)外圍壓室排氣孔，通過進水閥門向內(nèi)外圍壓室進行注水，當(dāng)排氣孔有水溢出時，停止注水并關(guān)閉排氣孔，繼續(xù)向圍壓室內(nèi)注水直至達到圍壓值設(shè)定值。

2) 加載剪切

啟動試驗機將軸向壓力測力計和位移測試計初始讀數(shù)調(diào)零，施加軸向壓力，采用應(yīng)變控制方式對試樣進行加載，加載速度控制在2.0 mm/min，加載過程中試驗微機實時顯示壓力?軸向位移曲線的發(fā)展情況，試樣軸向應(yīng)變達到15%時即完成試樣剪切。

(a) 堆積體試樣；(b) 試樣加載裝置

2.2 雙軸數(shù)值模型構(gòu)建與計算

雙軸壓縮試驗對三軸試驗受力問題的簡化具有可行性[11?12]。將上述土石堆積體雙軸試驗精細化結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元軟件中，分別對塊石與土體進行整體網(wǎng)格劃分，建立雙軸數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?，如圖9所示。網(wǎng)格模型尺寸為30 cm×60 cm，網(wǎng)格單元尺寸為0.002 m，共計76 704個單元，其中土體單元為49 130個，塊石單元為27 574個，導(dǎo)入有限差分數(shù)值軟件中進行雙軸數(shù)值試驗?zāi)M。

考慮到塊石變形模量較高且與土體相差懸殊，壓縮過程中不易發(fā)生破壞。因此，數(shù)值試驗中將塊石簡化為彈性體，本構(gòu)模型選為彈性模型，土體本構(gòu)模型則選為摩爾?庫倫彈塑性模型，基于已有文獻[14]與羅打拉隧道地質(zhì)勘察資料，確定土體與塊石的物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

圖9 數(shù)值試驗網(wǎng)格模型

表2 土石物理力學(xué)參數(shù)

以模型長度方向為軸壓方向，采用應(yīng)變控制加載方式，模型上下邊界為加載板，模型左右側(cè)面施加均布圍壓，前后面施加固定約束，采用以下步驟進行數(shù)值試驗：1) 保持數(shù)值模型上下加載板加載速率及圍壓不變進行加載，記錄試樣模型頂部中心的軸向壓力和位移值；2) 對同一數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?，改變施加的圍壓大小，重?fù)進行步驟1中的加載記錄過程；3) 保持含石量及塊石粒徑級配不變，構(gòu)建多組雙軸數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?，每組均重復(fù)步驟1-2。

2.3 數(shù)值與試驗結(jié)果對比分析

2.3.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線對比分析

將雙軸數(shù)值試驗與室內(nèi)大三軸試驗得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線繪制在同一坐標(biāo)系下，如圖10 所示。

由圖10可知，數(shù)值試驗結(jié)果呈現(xiàn)出，試樣在加載初期階段變形模量較高，隨著加載的進行，試樣土體很快進入屈服狀態(tài)，應(yīng)力應(yīng)變曲線進入非線性段，當(dāng)試樣軸向應(yīng)變達到4%左右時，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)第一次拐點，此時試樣接近最大承載能力；進一步加載，試樣首先呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征，隨著進一步變形，塊石之間相互接觸咬合，試樣呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征，應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為峰值之后應(yīng)變軟化與應(yīng)變強化交替出現(xiàn)的波動特征，該現(xiàn)象與文獻[19]報道結(jié)果相似。另外，隨著圍壓的增加，試樣發(fā)生第一次應(yīng)變軟化的時間延后，之后曲線的波動幅度也隨之加大。

圖10 數(shù)值試驗與室內(nèi)試驗應(yīng)力?應(yīng)變曲線對比

與室內(nèi)大三軸試驗結(jié)果比較可知，加載過程中，數(shù)值試驗加載初期階段試樣的變形模量、主應(yīng)力差(1～3)峰值略高于大三軸試驗；峰值之后，室內(nèi)大三軸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線未出現(xiàn)應(yīng)變軟化與應(yīng)變強化交替出現(xiàn)的波動特征，只體現(xiàn)出微弱的應(yīng)變強化特征。但總體上，應(yīng)力應(yīng)變曲線第一次拐點前表現(xiàn)為非線性硬化特征，之后相對趨于平緩的趨勢與室內(nèi)大三軸試驗相似，且同樣表現(xiàn)出隨著圍壓的增加，試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線第一次拐點的時間延后的特征。

2.3.2 抗剪強度參數(shù)結(jié)果分析

土石堆積體應(yīng)力應(yīng)變曲線整體未出現(xiàn)明顯下降拐點，根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)，選取應(yīng)變?yōu)?5%時對應(yīng)的主應(yīng)力差為破壞應(yīng)力差，繪制的強度包絡(luò)線如圖11所示，抗剪強度參數(shù)計算結(jié)果見表3。

圖11 雙軸試樣摩爾應(yīng)力圓及強度包絡(luò)線

表3 數(shù)值試驗抗剪強度參數(shù)

由表3可知，雙軸數(shù)值試驗計算得到的抗剪強度參數(shù)均略高于室內(nèi)大三軸試驗獲得的抗剪強度參數(shù)(黏聚力偏高15.8%，內(nèi)摩擦角偏高5.73%)，誤差在可接受范圍內(nèi)。

綜合以上應(yīng)力應(yīng)變曲線和力學(xué)參數(shù)對比分析結(jié)果，分析誤差產(chǎn)生的原因為：本文土石堆積體加載過程中，土體首先破壞，剪切帶上的塊石相互接觸咬合，起到骨架主導(dǎo)作用。而由于土樣運輸不便、操作繁雜等因素，室內(nèi)大型三軸試驗不可避免的存在實際制得試樣含石量較低、塊石粒徑范圍殘缺等情況，且對土石堆積體原樣擾動大，加載過程中，塊石對于試樣強度及抵抗變形能力所起到的效應(yīng)較小，而數(shù)值試驗基于土石堆積體精細化數(shù)值模型的基礎(chǔ)之上構(gòu)建，試樣內(nèi)部塊石含量、粒徑級配更符合實際土石堆積體地層的參數(shù)，則可以避免以上因素的影響。

3 土石堆積體力學(xué)破壞特性分析

選取雙軸數(shù)值試樣軸向應(yīng)變?yōu)?5%時的塑性區(qū)分布進行分析，如圖12所示。

由以上塑性區(qū)分布可知，土石堆積體試樣的破壞形式主要為剪切破壞，剪切破壞區(qū)主要發(fā)生在土體中，由于塊石強度遠高于土體，因此塊石未發(fā)生剪切破壞。塑性區(qū)圍繞塊石展開，多呈X形或人字形帶狀分布，并相互趨于貫通，在土石堆積體試樣破壞過程中，由于塊石周圍土體逐漸發(fā)生剪切破壞，可推測塊石將隨著發(fā)生翻轉(zhuǎn)、互相接觸咬合等現(xiàn)象，且塊石的存在，明顯阻擋了剪切破壞塑性區(qū)的發(fā)展。

為進一步了解土石堆積體發(fā)生剪切破壞的過程，對加載過程中試樣的最大剪應(yīng)變增量發(fā)展過程進行分析，如圖13所示。

圖12 破壞時間點塑性區(qū)分布(圍壓0.9 MPa)

圖13 雙軸數(shù)值試驗最大剪應(yīng)變增量圖(圍壓0.9 MPa)

試樣在壓縮過程中，剪切破裂面由試樣中部及頂部兩端蔓延至整個試樣。在試樣壓縮初期階段，剪切破裂面由試樣中部及頂部兩端的塊石尖端與土體交界面發(fā)育，隨著試樣的進一步壓縮，剪切主破裂面不斷向四周發(fā)展，且沿土石間路徑不斷產(chǎn)生分支，直至試樣軸向應(yīng)變達到15%左右，剪切破裂面發(fā)育至整個試樣并趨于貫通，由圖可看出試樣最大剪應(yīng)變增量圖中上部發(fā)育出明顯的紅色X狀剪切帶。土石堆積體數(shù)值試樣的力學(xué)破壞特征符合土石堆積體力學(xué)特性，與文獻[20]所得土石堆積體破壞特征相似。

4 結(jié)論

1) 借助塊石圖像采集、數(shù)字圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)了塊石真實形狀的重構(gòu)及塊石輪廓數(shù)據(jù)庫的建立。在此基礎(chǔ)上，基于蒙特卡洛隨機原理實現(xiàn)了塊石隨機投放，完成了土石堆積體精細化結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，并進行了數(shù)值試驗?zāi)M。采用大型三軸試驗驗證了模型的正確性，該方法的提出可為后續(xù)穿越土石堆積體地層隧道設(shè)計、施工等提供參考。

2) 數(shù)值試驗結(jié)果表明，塊石對于試樣強度及抵抗變形能力所起到的效應(yīng)較為明顯，試樣在加載過程中，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)應(yīng)變軟化與應(yīng)變強化交替出現(xiàn)的波動特征；隨著圍壓的增加，試樣發(fā)生第一次應(yīng)變軟化的時間延后，曲線的波動幅度也隨之加大。相對于室內(nèi)大三軸試驗方法，土石堆積體精細化數(shù)值模型計算方法可便捷的進行大樣本試驗，且可避免室內(nèi)大三軸試驗過程中產(chǎn)生的試樣擾動、尺寸效應(yīng)等帶來的誤差，可高效、準(zhǔn)確的獲取土石堆積體力學(xué)參數(shù)。

3) 土石堆積體精細化數(shù)值模型可充分反映其非均質(zhì)性與塊石細部特征對試樣加載過程中的力學(xué)破壞特征的影響。加載過程中，剪切破裂面由塊石尖端與土體的的交界面沿土石路徑向四周發(fā)育，直至形成趨于貫通的X形或人字形帶狀分布的剪切塑性區(qū)?？梢灶A(yù)見，土石堆積體精細化數(shù)值模型的提出對于完善土石堆積體力學(xué)破壞特性的理論研究具有顯著意義。

[1] Deev E V, Zolnikov I D, Goltsova S V, et al. Traces of paleoearthquakes in the quaternary deposits of intermontane basins in central Gorny Altai[J]. Russian Geology and Geophysics, 2013, 54(3): 312?323.

[2] 徐文杰, 胡瑞林. 土石混合體概念、分類及意義[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2009, 36(4): 50?56, 70. XU Wenjie, HU Ruilin. Conception classification and significations of soil-rock mixture[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2009, 36(4): 50?56, 70.

[3] XIAO J Z, DAI F C, WEI Y Q, et al. Analysis of mechanical behavior in a pipe roof during excavation of a shallow bias tunnel in loose deposits[J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(4): 293.

[4] García M, Pastén C, Sepúlveda S A, et al. Dynamic numerical investigation of a stepped-planar rockslide in the Central Andes, Chile[J]. Engineering Geology, 2018, 237(4): 64?75.

[5] 楊繼紅, 董金玉, 黃志全, 等. 不同含石量條件下堆積體抗剪強度特性的大型直剪試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2016, 38(增2): 161?166. YANG Jihong, DONG Jinyu, HUANG Zhiquan, et al. Large-scale direct shear tests on accumulation body with different stone contents[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(Suppl 2): 161?166.

[6] ZHANG Zongliang, XU Wenjie, XIA Wei, et al. Large- scale in-situ test for mechanical characterization of soil– rock mixture used in an embankment dam[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2016, 86: 317?322.

[7] HE Chuncan, HU Xinli, GONG Hui. Analysis of mesoscopic damage and mechanical behaviors of soil- rock mixture based on template database of soft and hard rocks[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(10): 2993? 3002.

[8] 金磊, 曾亞武, 張森. 塊石含量及形狀對膠結(jié)土石混合體力學(xué)性能影響的大型三軸試驗[J]. 巖土力學(xué), 2017, 38(1): 141?149. JIN Lei, ZENG Yawu, ZHANG Sen. Large scale triaxial tests on effects of rock block proportion and shape on mechanical properties of cemented soil-rock mixture[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(1): 141?149.

[9] 油新華. 土?石混合體的隨機結(jié)構(gòu)模型及其應(yīng)用研究[D]. 北京: 北方交通大學(xué)土建學(xué)院, 2001: 31?48. YOU Xinhua. Stochastic structural model of the earth- rock aggregate and its application[D]. Beijing: College of Civil Engineering and Architecture, Northern Jiaotong University, 2001: 31?48.

[10] 丁秀麗, 張宏明, 黃書嶺, 等. 基于細觀數(shù)值試驗的非飽和土石混合體力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(8): 1553?1566. DING Xiuli, ZHANG Hongming, HUANG Shuling, et al. Research on mechanical characteristics of unsaturated soil-rock mixture based on numerical experiments of mesostructured[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(8): 1553?1566.

[11] ZHANG Qiang, XU Weiya, LIU Qinya, et al. Numerical investigations on mechanical characteristics and failure mechanism of outwash deposits based on random meso- structures using discrete element method[J]. Journal of Central South University, 2017, 24(12): 2894?2905.

[12] 徐安權(quán), 徐衛(wèi)亞, 石崇, 等. 基于數(shù)字圖像的大型堆積體細觀力學(xué)特性及力學(xué)參數(shù)研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2012, 34(1): 58?64. XU Anquan, XU Weiya, SHI Chong, et al. Micromechanical properties and mechanical parameters of talus deposit based on digital image technology[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(1): 58?64.

[13] 石崇, 王盛年, 劉琳, 等. 基于數(shù)字圖像分析的冰水堆積體結(jié)構(gòu)建模與力學(xué)參數(shù)研究[J]. 巖土力學(xué), 2012, 33(11): 3393?3399. SHI Chong, WANG Shengnian, LIU Lin, et al. Structure modeling and mechanical parameters research of outwash deposits based on digital image analysis[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(11): 3393?3399.

[14] 謝亦朋, 楊秀竹, 陽軍生, 等. 松散堆積體隧道圍巖變形破壞細觀特征研究[J]. 巖土力學(xué), 2019, 40(12): 4925?4934. XIE Yipeng, YANG Xiuzhu, YANG Junsheng, et al. Mesoscopic characteristics of deformation and failure on surrounding rocks of tunnel through loose deposits[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(12): 4925?4934.

[15] ZHANG Cong, YANG Junsheng, FU Jinyang, et al. Performance evaluation of modified cement-sodium silicate grouting material for prereinforcing loose deposit tunnels[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2019, 31(7): 1?7.

[16] 孫水發(fā), 董方敏. ImageJ圖像處理與實踐[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2013: 201?203. SUN Shuifa, DONG Fangmin. Image processing and practice for ImageJ[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2013: 201?203.

[17] Tough J G. The computation of the area, centroid, and principal axes of a polygon[J]. Computers & Geosciences, 1988, 14(5): 715?717.

[18] Medley E, Lindquist E S. The engineering significance of the scale-independence of some Franciscan melanges in California, USA[C]// Proceeding of the 35th US Rock Mechanics Symposium, 1995: 907?914.

[19] 張強, 汪小剛, 趙宇飛, 等. 基于圍壓柔性加載的土石混合體大型三軸試驗離散元模擬研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2019, 41(8): 1545?1554. ZHANG Qiang, WANG Xiaogang, ZHAO Yufei, et al. Discrete element simulation of large-scale triaxial tests of soil-rock mixture based on flexible loading of confining pressure[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(8): 1545?1554.

[20] 金磊, 曾亞武, 張森. 塊石含量及形狀對膠結(jié)土石混合體力學(xué)性能影響的大型三軸試驗[J]. 巖土力學(xué), 2017, 38(1): 141?149. JIN Lei, ZENG Yawu, ZHANG Sen. Large scale triaxial tests on effects of rock block proportion and shape on mechanical properties of cemented soil-rock mixture[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(1): 141?149.

Refined model construction and experimental simulation on mechanical characteristics of accumulation body

LIANG Xiong1, YANG Junsheng1, XIE Yipeng1, ZHANG Cong2, DAI Yong1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. School of Civil Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

The mechanical failure characteristics of accumulation body are greatly affected by the mesostructure characteristics of stones. Relying on Luodala tunnel, a refined numerical model for the accumulation body is constructed by means of digital image processing and stochastic placement technology. The correctness of the model is verified by large-scale triaxial test. After that, the characteristics and rules of mechanical failure of the accumulation body are discussed. The results indicate that the mechanical parameters and stress-strain curve obtained by this method are similar to those obtained by triaxial tests. In the process of loading, the shear fracture surface develops from the interface between soil and tip of stone at the middle and top ends of the sample, and branches are continuously generated along the path between the soil and stone, until the shear plastic zone with X-shaped or herringbone-shaped band distribution is formed, and tends to penetrate to complete shear failure. This method provides a new idea for the selection of mechanical parameters of accumulation body, and can provide useful guidance for engineering design and construction of accumulation tunnel.

accumulation tunnel; refined numerical model; biaxial test; triaxial test; mechanical failure characteristics

TU452

A

1672 ? 7029(2021)03 ? 0710 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200461

2020?05?26

國家高鐵聯(lián)合基金資助項目(U1934211)

陽軍生(1969?)，男，湖南永興人，教授，博士，從事隧道及地下工程等方面的研究；E?mail：jsyang@csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)