渗透破坏是土石坝溃决的主要诱发因素之一。历史数据显示,全球46%的堤坝溃决是由堤坝渗透破坏造成的(ICOLD,2013)。内部侵蚀是渗透破坏的一种,指在水力条件下细颗粒通过粗颗粒之间的孔隙发生运移的现象,发生于宽级配或不连续级配的无粘性土壤中。内部侵蚀的影响因素主要有三方面,分别为材料性质、应力条件和水力条件。现有的内部侵蚀研究成果主要聚焦于材料性质和水力条件,而关于应力条件的影响研究则相对较少。已有的应力条件影响研究成果也多是基于一种或几种材料,颗粒级配与应力条件的联合影响作用效果及其机制仍不明确。因此,深入研究颗粒材料在复杂应力状态下的细观结构,认识不同应力状态对颗粒细观结构、颗粒间接触力与应力的分布,可以从细观尺度揭示颗粒级配与应力条件对内部侵蚀的联合作用机理。鉴于以上研究背景,本文利用PFC3D离散元软件,在Chang and Zhang(2013)试验成果的研究基础上,从细观数值模拟的角度出发,就颗粒级配与应力条件对土体细观结构的联合影响规律进行了研究,揭示了颗粒级配与应力条件对内部侵蚀的联合作用机理。并与Chang and Zhang(2013)的试验结果进行了对比分析,验证了联合作用机理的合理性。主要成果如下:(1)本文以Chang and Zhang(2013)非连续级配试验中的颗粒级配为基础,为增强计算速度,以粗颗粒材料的下限为粗粒粒径和细颗粒材料的上限为细粒粒径,建立了10%、20%、25%、30%、35%、40%、45%和50%八种细粒含量的二元三维立方体颗粒模型,然后研究了各种模型在等压、偏应力和中间主应力等不同应力状态下的孔隙率、配位数、归一化力概率分布、应力分担系数、接触类型等细观物理与力学结构参数变化规律。(2)当细粒含量小于25%时,围压量级对配位数、强接触配位数、应力分担系数的影响非常小,归一化力概率密度函数的峰值随着围压量级无明显规律;当细粒含量大于25%,围压量级越大配位数、强接触配位数、应力分担系数越大,归一化力概率密度函数峰值增加。这与Duberg and Nystr?m(1986)实验结果,Sheng等(2004)、Frenning(2010)、Joanna and Molenda(2014)和Kawano等(2018)数值模拟结果一致。(3)当细粒含量小于25%或者大于45%时,偏应力对混合物细观参数的影响非常小,归一化力概率密度函数的峰值受偏应力变化没有规律。当细粒含量在25%-45%之间,偏应力的增大使得,配位数减小,强接触配位数先增加后减小,应力分担系数增加,归一化力概率密度函数的峰值增加。(4)当细粒含量小于25%或者大于45%时,中间主应力对混合物细观参数的影响非常小,归一化力概率密度函数的峰值受中间主应力变化没有规律;当细粒含量在25%-45%之间,中间主应力的增大使得,配位数增大,强接触配位数增,应力分担系数增加,归一化力概率密度函数的峰值增加。
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