滇西地区冰碛土细观组构及其宏观力学效应

针对目前国内外大部分新建工程遇冰碛土时仍以绕避为主，造成巨大的经济损失的现状，本项目以滇西地区丽香铁路龙蟠车站原址处呈现出典型"土"包"石"二元颗粒构成的冰碛土原状土样作为研究对象，辅以同一原状土样的人工重塑样作为对照研究对象，以细观组构及其宏观力学效应研究为核心，采用CT测试技术与数值计算方法相结合的方式初步探讨滇西地区冰碛土细观组构的量化问题；开展冰碛土在直剪和三轴剪切加载过程的CT三维扫描研究，获取冰碛土初始细观组构及加载过程中的组构变化信息；构建合理的组构量；研究冰碛土细观组构量与宏观力学效应之间的关系；并在上述力学机理研究的基础上开展冰碛土地基处理技术研究和冰碛土在土石坝粘土心墙填料领域的工程应用研究。本项目研究将加深我国对这一特殊土类的认知水平，对完善冰碛土工程特性研究和土力学学科发展以及我国西部高海拔地区水电及基础设施建设有着重大科学意义和现实指导价值。

本项目以滇西地区丽香铁路龙蟠车站原址处典型的“土”包“石”二元结构原状土冰碛土为研究对象，以细观组构与宏观力学表征为研究核心，CT技术与数值方法相结合初步探讨滇西地区冰碛土细观组构的量化问题；进行冰碛土直剪和三轴剪切过程的CT三维扫描，获取冰碛土初始细观组构及加载过程中的结构变化特征，分析冰碛土细观组构量与宏观力学效应之间的关系。大型直剪试验揭示冰碛土的剪切破坏过程大致分三个阶段：（1）细粒土材料强度发挥至破坏阶段，此阶段由于剪切位移有限而粗粒之间能提供力学强度的接触较少，粗粒仍呈悬浮状态；（2）剪切位移持续发展阶段，粗颗粒组构不断调整但尚未形成大量能提供强度的有效接触，应力-位移曲线在很宽的位移范围内呈近乎水平状，应力水平低于第一阶段出现的峰值；（3）粗颗粒结构强度发挥至结构强度破坏阶段，此阶段粗颗粒之间产生大量有效接触，形成新的粗颗粒接触咬合组构，应力-位移曲线出现第二个峰值，之后结构强度破坏，应力水平迅速降低。基于CT 扫描技术，获取大量原状土样粗颗粒三维形态、排列、定向以及颗粒之间接触关系等三维细观组构信息，并将完成力学试验之后的冰碛土进行人工重塑制样，重新CT 扫描获取重塑样细观组构信息。对比原状样与人工重塑样的细观组构信息，通过细观组构的变化分析了原状冰碛土的结构性；综合运用几何方法和统计方法归纳研究冰碛土的细观组构特性，构建合理的组构量，探索原状冰碛土细观组构量化建模问题。通过CT系统和剪切试验同步获得原状样和人工重塑样加载过程中的细观结构变化信息及对应的力学试验结果，建立细观组构量与力学效应之间的拟合关系。基于CT 扫描信息和加载信息，分析典型冰碛土力学特性的细观机理：（1）原状和重塑冰碛土样在加载过程中的细观结构变化信息及对应的应力应变关系，从细观角度分析其显著但脆弱的原状结构性强度特征；（2）分析大型直剪试验和现场原位剪切试验中应力-位移曲线出现“双驼峰”构形的细观组构机理。冰碛土典型力学特性的工程应用研究，可以为冰碛土地基柔性加固与支护设计以及冰碛土在土石坝心墙填料应用方面的相关工程设计提供技术支持和理论依据，对完善冰碛土工程特性研究和土力学学科发展以及我国西部高海拔地区水电及基础设施建设有着重大科学意义和现实指导价值。