基于细观结构特性的土石混合填料路基力学性能研究

The soil-rock mixture (SRM) is developed from the Quaternary loose deposits. The macro-and meso-structure properties have great influence on its mechanical behavior, which can greatly influence the stability of the SRM embankment. Through the combination of field investigation, laboratory test, numerical simulation and theoretical analysis, the mechanical characteristics of SRM would be studied. Combined with the digital image processing technology and the fractal theory, the compaction characteristics of the SRM filler are analyzed considering the material composition and the geometric structure characteristics. Based on the large-scale direct shear test and discrete element numerical simulation, the development characteristics of shear planes are revealed. By modifying the constitutive model and determining the value of shear strength of SRM under different structural geometric characteristics, the meso-mechanics behavior of SRM is analyzed. Then the effect of water on the mechanical properties of SRM under different boundary conditions are analyzed by the water migration test. Finally, the hydro-mechanical coupling model of SRM subgrade is established to reveal its deformation and failure mechanism. The research results will be used to guide the design, construction, and maintenance of the SRM subgrade and improve the safety and operation of the road in the loose deposits area.

土石混合填料来源于第四纪松散堆积物，其宏观特性和细观结构对其力学行为有较大影响，从而极大的影响土石混填路段路基的稳定性。本项目拟采用现场调研、室内试验、数值模拟和理论分析相结合的研究方法，对土石混合填料的力学特性开展研究。通过数字图像处理技术和分形理论，从物质组成和几何结构特性等方面分析土石混合填料的压实特性；基于大型直剪试验和离散元数值模拟，揭示剪切面的发育特性，修正本构模型，确定不同结构几何特性条件下土石混合填料抗剪强度的取值方法，从宏细观相结合角度分析其力学特性；进行不同边界条件下土石混合填料水分迁移试验，分析水分引起细观结构变化对土石混合填料力学性能的影响；建立土石混合填料路基的水力耦合模型，揭示水力耦合机制下路基变形的发育过程。本项目的研究成果将用以指导土石混填路基的设计、施工和后期的养护；对提高山区公路路基的稳定性，保障道路的通行具有重要的经济和社会意义。

土石混合填料组分复杂，其力学性质介于土石之间，路基易发生不均匀变形和边坡失稳等破坏。本项目采用现场调研、室内试验与理论分析等方法，宏细观相结合开展土石混合填料压实特性、剪切性能、水分入渗侵蚀引起填料结构变化及变形特性的研究，在此基础上，基于水力耦合机制进行土石混合填料路基稳定性研究。击实试验表明含石量、级配和颗粒破碎等极大影响填料的密实程度和最佳含水率，基于最大密实度理论n法，分形理论和安定性理论，提出了控制路基压实质量的关键筛孔控制法、分形维数控制法和塑性安定值控制及检测法。大型直剪试验表明土石混合填料的抗剪强度随含石量的增加先增大后减小，随含水率的增加逐渐减小；提出了填料的“等效粘聚力”主要是由黏性颗粒“土”的粘聚力和粗颗粒“石”之间的咬合、嵌挤及“切齿”力等共同组成；剪切面细观结构表明，孔隙和块石破碎的数量直接影响填料的强度和等效粘聚力，而丰度、圆形度等影响内摩擦角；验证了土石混合填料抗剪强度包线随着正应力呈双线性变化；建立了土石混合填料的双线性抗剪强度包络线及破坏准则。渗流试验表明水分入渗导致填料密实度和持水能力产生变化，透水量、细粒组分的流失量、颗粒竖向迁移量、不均匀沉降与降雨强度正相关；基于离散元流固耦合，从细观尺度分析了渗流作用下填料结构特性的变化规律，得到了颗粒运移引起不同阶段的破坏特征；分析了填料不同部位孔隙率和级配产生差异。渗流过程引起各周期的导水率呈现增大-减小的反复变化，间歇期的孔隙水压力随着补水周期的增加逐渐增大，持水能力逐渐增强；初始周期内导水率快速减小，后续保持较平稳。基于水力耦合机制，分析了松散堆积体路基上边坡安全系数及坡体应力、最大剪应变的变化趋势；分析了土石混合填料路基下边坡稳定性及其内部土体屈服过程、路表和挡土墙墙面的变形演化规律。本项目的研究成果将直接指导土石混填路基的设计、施工和后期的养护，具有重要的工程实用价值。