張必雙

(湖南省懷化路橋建設(shè)總公司,湖南懷化 419502)

在滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的相互耦合作用下,巖土體的破壞過程是與其內(nèi)部微裂縫的萌生、演化與發(fā)展密切相關(guān)的。即在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的作用下,巖土材料本身的材料特性會(huì)逐步降低,而不是一成不變的。目前國(guó)內(nèi)外引入損傷理論對(duì)巖土體進(jìn)行流固耦合分析的研究開展很少。因此,在前人的研究基礎(chǔ)上,本文意圖在流固耦合分析時(shí),引入損傷理論對(duì)巖土體的變形破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,這將對(duì)巖土體滑坡的預(yù)報(bào)與治理都有巨大的理論指導(dǎo)意義[1,2]。

1 損傷原理

采用損傷力學(xué)研究巖土體結(jié)構(gòu)破損的優(yōu)勢(shì)在于可用損傷來描述土體微觀結(jié)構(gòu)的破損過程,找到損傷的演化規(guī)律,建立起基于損傷變量的本構(gòu)模型,從而更加切合實(shí)際地描述巖土體受力后到破損的過程。然而損傷理論最初由金屬材料發(fā)展而來,由于巖土材料的不規(guī)則性,如何定義損傷變量成為將損傷理論應(yīng)用于巖土工程的難點(diǎn)[3,4]。沈珠江[5]在20世紀(jì)80年代,最早提出了土體損傷理論。沈珠江建議的損傷比ω=1-e-(αεv+εs)(其中:εv=ε1+ε2+考慮因素雖較全面,但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)參數(shù)確定假設(shè)條件較多,試驗(yàn)方法也較繁瑣,不易于應(yīng)用。

根據(jù)沈珠江(1993)提出的土體損傷理論[6-8],天然土體可看作由理想的原狀土和完全損傷土(重塑土)組合而成。土體在受荷作用之下的變形過程可看作是由原狀土向損傷土的演變過程,其力學(xué)特性是變形過程中2種土特性的綜合反映,因此其力學(xué)參數(shù)可由下式表示:

式中,S為天然土體的力學(xué)參數(shù);Si為原狀土的力學(xué)參數(shù);Sd為損傷土的相應(yīng)力學(xué)參數(shù);ω為損傷比,即損傷部分在整個(gè)土體中所占的比重。

2 工程概況

選取某高速公路邊坡為依托工程進(jìn)行模擬,其邊坡土層分為上下兩層,上層系以第四系松散堆積物(Qdl+el)為主體的坡體,厚12～16m,下層基巖系以中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主體的上二迭系龍?zhí)督M(P2l)煤系地層。在室內(nèi)外試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)勘察資料的基礎(chǔ)上,選取邊坡巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

FLAC3D可以模擬多孔介質(zhì)中的流體流動(dòng),比如地下水在土體中的滲流問題。FLAC3D既可以單獨(dú)進(jìn)行流體計(jì)算,只考慮滲流的作用,也可以將流體計(jì)算與力學(xué)計(jì)算進(jìn)行耦合,具有強(qiáng)大的滲流計(jì)算功能,因此本文選用FLAC3D作為模擬工具。

位移邊界條件:固定模型左右邊界x方向的位移,固定底面基巖x、y、z方向的位移,固定模型y方向的位移。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

滲流邊界條件:模型左右兩側(cè)均為不透水邊界,頂部坡面為自由透水面。

初始應(yīng)力場(chǎng):采用FLAC3D中的彈性求解法生成初始應(yīng)力場(chǎng)。

3 模擬結(jié)果

圖1、圖2為巖土體邊坡在考慮流固耦合的水平X方向及豎直Z方向位移云圖,通過對(duì)比不同損傷比情況下的云圖,可以得到以下結(jié)果:

圖1 水平X方向位移云圖(單位:m)

圖2 豎直Z方向位移云圖(單位:m)

1)水平X方向的最大位移出現(xiàn)在坡面的下半部分,即坡腳處并有向內(nèi)部延伸趨勢(shì)。其最大值在未考慮損傷的情況下為7.0mm;損傷比為10%時(shí)為12.8mm;損傷比為20%時(shí)為40.0mm;損傷比為30%時(shí)為65.3mm。在工況2情況下,其最大值在未考慮損傷的情況下為735.2mm;損傷比為10%時(shí)為817.7mm;損傷比為20%時(shí)為919.2 mm;損傷比為30%時(shí)為1 026.6mm。為了更直觀的表明其X向位移與損傷的關(guān)系,見圖3。

圖3 X向最大位移

2)豎直方向在坡頂處出現(xiàn)了較大的下沉位移,并且隨著損傷比的增大,其下沉值也越大。其最大值在未考慮損傷時(shí)為8.0mm;損傷比為10%時(shí)為25.1mm;損傷比為20%時(shí)為39.8mm;損傷比為30%時(shí)為59.6 mm。

在坡腳處則出現(xiàn)了上升位移,即坡腳出現(xiàn)了隆起。這是因?yàn)樵谄马斖料鲁恋挠绊懴?坡腳處土體收到內(nèi)部土體的推力,因此出現(xiàn)了向上的隆起,如果位移過大的則會(huì)出現(xiàn)坡體失穩(wěn)或滑坡。上升位移集中分布在坡腳處,分布范圍不是很大。其最大值在未考慮損傷時(shí)為12.5mm;在損傷比為10%時(shí)為44.4mm;損傷比為20%時(shí)為67.4mm;損傷比為30%時(shí)為108.4 mm。見圖4。

圖4 Z向最大位移

可以看出,隨著損傷比的增大,坡體的水平和豎向位移也隨之增大,并且在損傷比達(dá)到20%時(shí),水平位移的最大值出現(xiàn)了較大幅度的增大;豎向位移在損傷比達(dá)到30%時(shí),其坡腳處的位移增大明顯,并且在巖層分界面處也出現(xiàn)了較大位移。

4 結(jié)論

基于不同的損傷比應(yīng)用FLAC3D對(duì)土石混合體邊坡進(jìn)行流固耦合分析,結(jié)果表明:損傷比對(duì)位移場(chǎng)影響比較明顯,隨著損傷比的增大,坡體的水平位移和豎向位移也隨之增大,并且在損傷比達(dá)到20%～30%時(shí),位移的最大值出現(xiàn)了較大幅度的增大。從模擬結(jié)果來看損傷發(fā)展對(duì)坡體結(jié)構(gòu)性起到了弱化的作用,因此,在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)給予重視。

[1]吳小策.降雨入滲對(duì)土石混合體邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)理研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010.

[2]周 中.土石混合體滑坡的流-固耦合特性及其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2006.

[3]蔣倉(cāng)蘭,等.損傷理論在巖土工程中的應(yīng)用[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2007(4):81-84.

[4]趙錫宏.損傷土力學(xué)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2002.

[5]沈珠江,張為民.損傷力學(xué)在土力學(xué)中的應(yīng)用[A].第三屆全國(guó)巖土力學(xué)數(shù)值分析與解析方法討論會(huì)[Z],1988.

[6]沈珠江.結(jié)構(gòu)性粘土的堆砌體模型[J].巖土力學(xué),2000,21(1):1-4.

[7]沈珠江.結(jié)構(gòu)性粘土的彈塑性損傷模型[J].巖土工程學(xué)報(bào),1993,15(3):1-6.

[8]沈珠江.結(jié)構(gòu)性粘土的非線性損傷力學(xué)模型[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究,1993(3):247-255.

[9]李建紅,沈珠江.結(jié)構(gòu)性土的微觀破損機(jī)理研究[J].巖土力學(xué),2007(8).

[10]熊玉春,房營(yíng)光.飽和軟粘土地基的損傷模型與震陷計(jì)算[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2006(3).

[11]李杭州,廖紅建,盛 謙.基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的軟巖損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006(7).

[12]熊傳祥,龔曉南.一種改進(jìn)的軟土結(jié)構(gòu)性彈塑性損傷模型[J].巖土力學(xué),2006(3).

[13]呂海波,趙艷林,孔令偉,等.利用壓汞試驗(yàn)確定軟土結(jié)構(gòu)性損傷模型參數(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(5).

[14]陳鐵林,周 成,沈珠江.粘土變形特性分析[J].巖土力學(xué),2004(4).

[15]何開勝,沈珠江.結(jié)構(gòu)性粘土的彈粘塑損傷模型[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2002(4).