《高應力水平作用下飽和粘土力學特性研究》是依託中國礦業大學，由商翔宇擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高應力水平作用下飽和粘土力學特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：商翔宇
- 依託單位：中國礦業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著地下工程不斷向地層深處發展，對高應力水平下土層力學性質的研究需求日趨迫切，然而目前關於高應力水平下粘土的力學特性研究十分缺乏。本項目基於結合水與土骨架相互作用是高應力水平下飽和粘土力學回響的決定性影響因素的研究思想，首先對飽和粘土進行高應力水平下不同排水條件、固結路徑和剪下應力路徑的室內試驗研究；同時結合試驗結果並利用結合水與土骨架相互作用的微觀理論，分析獲得飽和粘土高應力水平力學特性的微觀內在機理；並將該機理引入到基於離散元理論的顆粒流數值模擬程式，進行試樣水平的數值試驗；然后綜合分析離散元數值試驗結果和室內試驗結果，提出與現有土力學理論相銜接的粘土高應力水平力學特性巨觀機理模型；最終建立可以合理描述飽和粘土高應力水平力學特性的固結理論和本構關係，並對其展開大變形有限元模擬實現研究。
結題摘要
項目以深部地下工程建設中的深部土力學回響為背景，以高壓下飽和黏土的固結剪下特性為研究目標，以孔隙水-黏土顆粒骨架相互作用為研究基點，對重塑飽和黏土展開了高壓試驗、微觀測試、數值模擬以及理論分析。首先設計研製了適用於黏土高壓力學試驗的高壓固結試驗系統和三軸試驗系統，彌補了目前高壓固結儀精度不夠以及三軸試驗時間過長的不足；然後進行了不同固結壓力下的一維固結和三軸剪下試驗，獲得了高壓固結過程中靜止側壓力係數、孔隙水壓力係數、滲透係數、壓縮性等不同於常壓下的特性，以及高壓剪下過程中孔隙水壓、應力路徑以及抗剪強度的演變特性；針對試驗揭示的高壓特性，進行了基於巨觀土力學理論的理論分析和數值模擬，提出可以獲得非線性靜止側壓力係數的臨界土力學分析方法，發展出可以考慮高壓長時固結導致的膠結作用的新的臨界土力學模型，並對三軸試驗進行了有限元模擬，建立了考慮材料幾何非線性的有限元分析模型，對高壓三軸剪下試驗中剪下速率、端部摩擦以及非線性滲透係數的影響進行了分析；然後分別從孔隙水-黏土顆粒間的微觀相互作用出發，對飽和黏土高壓壓縮特性和剪下過程中孔隙水壓變化及強度特性進行了機理分析，並由試樣的環境掃描電鏡圖像予以支持；採用分子動力學模擬和耗散粒子動力模擬技術，分別對孔隙水-黏土顆粒之間的微觀與介觀壓縮和剪下進行了計算分析，得到了孔隙水-黏土顆粒相互作用在高壓下飽和黏土固結和剪下過程中發揮的機理；為進一步認識孔隙水-黏土顆粒回響機制，利用有限元方法對黏土顆粒之間的電勢分布、斥力計算進行了研究，修正了現有計算公式的錯誤之處，定量揭示了不同尺寸孔隙在壓縮過程中具有不同變形順序的機理；最後構建了基於Linux系統的二維黏土離散元模擬平台，該模擬程式不同於現有商用離散元程式模擬顆粒為圓盤形或球形，可以模擬平板形狀的黏土顆粒之間的相互作用。
