《深部土-地下結構界面層物理力學特性研究》是依託中國礦業大學，由周國慶擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：深部土-地下結構界面層物理力學特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：周國慶
- 依託單位：中國礦業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
課題以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建設為背景；針對深部土體特性、土與地下結構接觸面物理、力學特徵以及地下工程力學行為，採用試樣試驗、細觀測試、基於離散元法的顆粒流數值模擬技術及理論分析等綜合研究方法；考慮土體性質、接觸面曲率、結構材料剛度、接觸面粗糙度以及荷載性質等諸因素；套用超聲掃描顯微（C-SAM）、液氮快速凍結固樣、三維視頻顯微、顆粒級配分析等細觀物理特徵測試技術和方法；深入研究接觸面和界面層的幾何特徵、界面層內土體的細觀物理現象、接觸面和界面層的巨觀力學行為以及三者之間的關係；研究土性、結構面特徵以及荷載條件等因素對界面層物理、力學性質的影響及其規律；建立深部土與地下結構接觸面，特別是界面層的本構關係，基本闡明深部土與地下結構相互作用界面層形成機理、基本性質、影響因素及其力學效應等基礎理論問題，為深入研究深部土與地下工程結構相互作用的巨觀規律奠定基礎。
結題摘要
項目以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建設中的土-結構相互作用問題為背景，針對土-結構接觸面及界面層物理、力學特性，開展了大量的試樣試驗、數值模擬及理論分析工作。在理論上克服了經典理論中統計平均值不能如實反映材料在相當小體積上的強度和變形急劇不連續變化的缺陷，建立了在傳統塑性理論框架內考慮微結構之間的相互作用和應變梯度效應的接觸面本構方程。首次研發了可考慮不同結構面曲率的土-結構相互作用試驗系統以及異形土樣製備器，彌補了常規直剪儀只能用於研究相對低應力條件下土與平面結構相互作用的不足。採用C++語言設計開發了基於面向對象的試驗過程控制、數據採集及後處理軟體，實現了試驗過程的自動化和可視化。採用自行研製的土-結構相互作用試驗系統，進行了大量不同性質的土與不同曲率、不同粗糙度結構面在不同法向應力條件下的相互作用試驗，得到了不同法向壓力條件下土-結構接觸面及界面層的物理力學特性及其受結構面曲率、粗糙度及土性等因素的影響規律。當法向應力σ≤3.2MPa時，剪下強度隨結構面曲率的增加而增大，即具有明顯的曲率效應，隨著法向應力的增加，曲率效應逐漸弱化直至消失。結構面粗糙度與土顆粒平均粒徑的比值即相對粗糙度對不同法向壓力下的接觸面及界面層物理力學特性有顯著影響，剪下強度與相對粗糙度關係曲線呈“三段”式，存在極限相對粗糙度 與穩定相對粗糙度 兩個拐點。當相對粗糙度小於極限相對粗糙度時，剪下強度隨相對粗糙度的增加而增大；而當相對粗糙度大於穩定相對粗糙度時，剪下強度基本不再隨相對粗糙度的增加而變化。顆粒流數值模擬中對PFC2D進行了二次研發，對具有相同參數的顆粒試樣採用半徑擴大法、重力沉積法及分層振動法三種不同制樣方法獲得的試樣孔隙比進行比較，結果表明，半徑擴大法可獲得孔隙比分布範圍最廣的數值試樣，而分層振動法獲得的孔隙比分布範圍最小。通過對土-結構剪下過程顆粒分層比較，分析了每層顆粒的平均水平行程和豎向變位，獲得了不同試驗條件下土與結構面剪下的界面層厚度。模擬結果表明，結構面相對粗糙度、結構面鋸齒角度是影響界面層厚度的主要因素：界面層厚度隨相對粗糙度的增大呈現先增大後減小，隨鋸齒傾角的增加呈非線性增大。課題研究大大深化了對土-結構相互作用細觀機理的認識，為地下結構的設計、施工、質量控制以及工程災害的預測與治理提供了借鑑與指導，具有重要的理論意義及工程套用價值。
