黃緒武，周 偉，馬 剛，陳 遠(yuǎn)，常曉林

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

堆石體作為一種重要的建筑材料，已經(jīng)在堆石壩、道路路基等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。工程監(jiān)測(cè)資料表明，堆石壩上游堆石區(qū)在庫(kù)水位變動(dòng)，尤其是水庫(kù)初次蓄水時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沉降，當(dāng)遇到暴雨時(shí)，堆石壩下游堆石區(qū)也能觀(guān)察到明顯的沉降變形[1,2]。

為了研究堆石體濕化變形的規(guī)律，國(guó)內(nèi)學(xué)者作了大量的試驗(yàn)研究，并基于試驗(yàn)結(jié)果提出了一系列濕化模型[3-5]。然而，這些模型多是建立在濕化變形與圍壓和應(yīng)力水平的統(tǒng)計(jì)關(guān)系上，并沒(méi)有深入到細(xì)觀(guān)顆粒層面。因此，導(dǎo)致濕化變形的細(xì)觀(guān)力學(xué)機(jī)理一直沒(méi)有得到充分的認(rèn)識(shí)。

在堆石體濕化變形機(jī)理方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究。左永振等[6]對(duì)雙江口壩殼料進(jìn)行大型三軸濕化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固結(jié)排氣剪的黏聚力c值最大，濕化后的c值次之，飽和排水剪的c值最小。粗粒料的c值是顆粒之間相互錯(cuò)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出的咬合力，浸水濕化后，由于顆粒浸水軟化和水的大量存在使顆粒間的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，導(dǎo)致其c值比風(fēng)干態(tài)的c值低。魏松等[7]在大型三軸儀上完成濕化試驗(yàn)并結(jié)合顆粒破碎檢測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，濕化變形與濕化顆粒破碎之間有很好的線(xiàn)性關(guān)系。然而，這些試驗(yàn)研究只是通過(guò)堆石體的一些宏觀(guān)物理量的變化來(lái)分析濕化變形的原因，無(wú)法得到每種因素對(duì)于濕化變形的影響程度以及影響機(jī)理。

浸水對(duì)堆石體的影響主要有2個(gè)：①堆石體遇水之后，水在顆粒接觸處會(huì)形成一層水幕，起到潤(rùn)滑的作用，使得顆粒之間的有效摩擦系數(shù)降低；②水會(huì)使得巖石變脆變軟，導(dǎo)致堆石體單顆粒的破碎強(qiáng)度降低[8]?；诖?，學(xué)者們開(kāi)展了豐富的試驗(yàn)研究。Ulusay等[9]通過(guò)傾斜試驗(yàn)得到了不同巖石在干燥和浸水時(shí)的摩擦系數(shù)，與干態(tài)時(shí)的摩擦系數(shù)相比，浸水時(shí)的摩擦系數(shù)會(huì)降低。降低比例如下：安山巖降低9.46%，石灰?guī)r降低13.07%，花崗巖降低16.3%。尤明慶等[10]通過(guò)巴西圓盤(pán)劈裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖石在飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度比干燥狀態(tài)下的強(qiáng)度低，降低比例分別為：大理巖降低15.3%，粗砂巖降低11.2%，細(xì)砂巖降低22.3%。Mohamad等[11]對(duì)不同風(fēng)化程度的花崗巖進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浸水后Ⅰ類(lèi)風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度平均降低7.1%。Hashiba等[12]通過(guò)不同巖石單軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浸水濕化后，巖石的抗拉、抗壓強(qiáng)度都會(huì)降低。降低比例如下：安山巖抗拉強(qiáng)度降低34%，抗壓強(qiáng)度降低15%；花崗巖抗拉強(qiáng)度降低7.6%，抗壓強(qiáng)度降低3.2%。

除了物理試驗(yàn)外，學(xué)者們也在數(shù)值模擬方面進(jìn)行了一些研究，楊貴等[13]運(yùn)用PFC3D模擬堆石體三軸濕化試驗(yàn)，通過(guò)改變顆粒剪切模量和摩擦系數(shù)產(chǎn)生濕化變形，但其并未考慮顆粒破碎的影響。Silvani等[14]運(yùn)用PFC2D模擬水庫(kù)蓄水對(duì)于堆石壩變形的影響，通過(guò)考慮水對(duì)于堆石體骨架的浮力以及對(duì)摩擦系數(shù)的影響建立了濕化機(jī)理概化模型。然而在建立濕化機(jī)理概化模型時(shí)，并沒(méi)有結(jié)合試驗(yàn)資料，只是假定了一些濕化后的強(qiáng)度和摩擦系數(shù)值，然后分析濕化變形的規(guī)律。

本文考慮水對(duì)于堆石體顆粒的兩種主要作用：①降低顆粒之間的摩擦系數(shù)；②低顆粒破碎強(qiáng)度，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)資料建立了濕化機(jī)理概化模型，然后將其引入連續(xù)-離散耦合分析方法(FDEM)[15,16]，來(lái)研究不同圍壓下濕化變形的規(guī)律以及顆粒破碎的規(guī)律，并從細(xì)觀(guān)組構(gòu)[17]層面研究了濕化前后顆粒之間接觸力的變化，最后通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析了細(xì)觀(guān)摩擦系數(shù)和顆粒強(qiáng)度對(duì)于堆石體濕化變形的影響。

1 考慮顆粒破碎的連續(xù)離散耦合分析方法

1.1 顆粒破碎模型

顆粒破碎采用內(nèi)聚力模型進(jìn)行模擬[18]。使用內(nèi)聚力模型時(shí)，需要定義初始起裂準(zhǔn)則和材料損傷演化準(zhǔn)則。達(dá)到初始起裂準(zhǔn)則前，材料的應(yīng)力與相對(duì)位移滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系；達(dá)到初始起裂準(zhǔn)則后，材料剛度逐漸劣化并伴隨能量耗散。建立數(shù)值模型時(shí)，在所有毗連的實(shí)體單元之間插入無(wú)厚度的界面單元(Cohesive Interface Element，CIE)，見(jiàn)圖1。實(shí)體單元定義為線(xiàn)彈性模型，界面單元采用內(nèi)聚力模型。

圖1 典型顆粒模型Fig.1 A typical particle model

內(nèi)聚力模型起裂準(zhǔn)則有3種：①拉應(yīng)力達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度f(wàn)t；②剪應(yīng)力達(dá)到材料抗剪強(qiáng)度f(wàn)s；③拉應(yīng)力、剪應(yīng)力滿(mǎn)足二次起裂準(zhǔn)則的混合模式，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：〈〉為Macaulay括號(hào)；ts表示界面單元所受的切向應(yīng)力。

材料達(dá)到初始起裂準(zhǔn)則后繼續(xù)加載時(shí)，采用Benzeggagh和 Kenane[19]提出的基于能量的復(fù)合損傷演化準(zhǔn)則，即：

(2)

式中：Gc為復(fù)合斷裂能；Gcn為Ⅰ型斷裂能；Gcs為Ⅱ型斷裂能；GS為2個(gè)切向斷裂能之和；GT為總斷裂能；Gn，Gs，Gt分別為法向和2個(gè)切向的斷裂能；δn為法向相對(duì)位移；δs，δt為2個(gè)切向的剪切滑移量；G0為初始損傷時(shí)的彈性應(yīng)變能；t0為達(dá)到損傷準(zhǔn)則時(shí)的應(yīng)力；δm表示法向張開(kāi)和切向滑移的等效位移量；D表示損傷因子；δ0m，δfm分別為初始損傷和界面完全失效時(shí)的等效位移量；η為表征界面拉伸損傷與剪切損傷相互作用的因子，對(duì)于堆石體顆粒材料通常取η=2。

在損傷演化過(guò)程中，D從0單調(diào)增加到1，這一過(guò)程中界面單元?jiǎng)偠缺硎緸椋?/p>

(3)

式中：kcn，kcs分別表示損傷演化過(guò)程中的界面單元的法向、切向剛度；k0n，k0s分別表示界面單元未損傷時(shí)的法向、切向剛度。

當(dāng)材料剛度降為0時(shí)，界面單元完全失效，界面單元處出現(xiàn)自由面，實(shí)體單元在此處變?yōu)榻佑|關(guān)系。

1.2 顆粒接觸模型

離散顆粒之間的接觸算法采用通用接觸罰函數(shù)法[20]。法向接觸模型的表達(dá)式如下：

(4)

式中：p為顆粒之間的法向接觸力；Kn為顆粒之間的法向接觸剛度；δn為顆粒之間的法向接觸位移。

當(dāng)相互接觸的顆粒之間存在相對(duì)滑移的趨勢(shì)時(shí)，接觸面之間可以傳遞切向接觸力，即：

τ=Ksδs

(5)

式中：Ks為顆粒之間的切向接觸剛度；δs為顆粒之間切向相對(duì)位移。

當(dāng)摩擦力小于某一臨界值時(shí)，接觸面處于黏結(jié)狀態(tài)，此時(shí)接觸面之間可以發(fā)生很小的彈性滑移；當(dāng)摩擦力超過(guò)臨界值之后，接觸面開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)滑移變形。采用庫(kù)倫摩擦定律計(jì)算臨界摩擦力：

τcr=μp

(6)

式中：μ為摩擦系數(shù)。

1.3 濕化機(jī)理概化模型

由于堆石體濕化變形較為復(fù)雜且影響因素眾多，所以目前還沒(méi)有成熟的濕化機(jī)理模型存在。Zhao等[8]進(jìn)行堆石體濕化數(shù)值模擬時(shí)，引入了用來(lái)表征水對(duì)堆石體摩擦系數(shù)和強(qiáng)度劣化作用的劣化因子的概念，劣化因子分別用λ1和λ2表示，它們代表了堆石體濕化后的摩擦系數(shù)和強(qiáng)度相比于濕化前的降低比例。本文在其基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)資料，建立了濕化機(jī)理概化模型。λ1和λ2的選取參考文獻(xiàn)[9,11,12]，文獻(xiàn)[9]進(jìn)行傾斜試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)花崗巖試塊浸水時(shí)的摩擦系數(shù)相對(duì)于干燥狀態(tài)降低了16.3%，文獻(xiàn)[11]對(duì)花崗巖進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浸水后花崗巖強(qiáng)度平均降低7.1%，文獻(xiàn)[12]通過(guò)巖石單軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浸水濕化后花崗巖抗拉強(qiáng)度降低7.6%。文獻(xiàn)[21]選取雙江口壩殼料(主要為花崗巖)進(jìn)行了一系列室內(nèi)大三軸濕化試驗(yàn)研究，為了與其進(jìn)行比較，以巖性一致為原則選取以上花崗巖的試驗(yàn)結(jié)果，取λ1=16%、λ2=7.5%。由于堆石體是由粒徑不同的堆石顆粒組成，堆石顆粒對(duì)應(yīng)的劣化因子存在差異性，所以以上取值雖然不能做到絕對(duì)準(zhǔn)確，但作為一個(gè)算例來(lái)獲取堆石體濕化變形的規(guī)律認(rèn)識(shí)還是可行的。堆石體遇水后，顆粒的抗拉強(qiáng)度f(wàn)wett、抗剪強(qiáng)度f(wàn)wets以及顆粒之間的摩擦系數(shù)μwet由劣化因子表示為：

(7)

進(jìn)行細(xì)觀(guān)數(shù)值模擬時(shí)，還需要作2個(gè)假設(shè)：①堆石體浸水過(guò)程是瞬時(shí)完成的，濕化對(duì)整個(gè)試樣的影響是均勻的、各向同性的；②不考慮水的浮力影響，相關(guān)研究表明，浮力的影響可以忽略不計(jì)[14]。

2 雙軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)

2.1 數(shù)值試樣

為了反應(yīng)堆石顆粒形狀的多樣性，采用隨機(jī)均布Voronoi算法生成多邊形顆粒[22]。數(shù)值試樣的顆粒等效粒徑為4～20 mm(等效粒徑是指多邊形的等面積圓的直徑)。將松散的顆粒集合體等向壓縮至需要的尺寸和孔隙比，在壓縮制樣過(guò)程中，將重力加速度與顆粒之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0，并使顆粒破碎不發(fā)生。最終生成的數(shù)值試驗(yàn)試樣含有5 535個(gè)多邊形顆粒，劃分為43 221個(gè)實(shí)體單元、55 570個(gè)界面單元，孔隙比為0.145。數(shù)值試樣及顆粒級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)值試樣及顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig.2 Numerical specimen and its particle size distribution curve

數(shù)值試驗(yàn)的步驟按照單線(xiàn)法濕化試驗(yàn)的步驟進(jìn)行：①水平和軸向方向等向加壓至初始圍壓；②保持水平向圍壓不變，繼續(xù)增大軸向壓力至指定的應(yīng)力水平；③保持水平向、軸向的壓力不變，按照上述濕化機(jī)理概化模型調(diào)整細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)模擬濕化過(guò)程；④保持水平向壓力不變，繼續(xù)增加軸向壓力至試樣破壞。

2.2 細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)

數(shù)值試驗(yàn)包含多個(gè)細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)，按照其用途可以劃分為2組：實(shí)體單元{ρ,E,υ,Kn,Ks,μ}，界面單元{k0n,Le,k0s,φ,c,ft,Gcn,Gcs}。其中ρ為材料密度；E，υ分別為彈性模量和泊松比；Le為實(shí)體單元網(wǎng)格的平均尺寸；其他參數(shù)意義同前。細(xì)觀(guān)摩擦系數(shù)的取值參照文獻(xiàn)[23,24]取為0.5，其他參數(shù)按照能反應(yīng)堆石體力學(xué)特性的原則并結(jié)合已有的研究成果[20]進(jìn)行取值，詳見(jiàn)表1。

表1 細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)取值Tab.1 Values of mesomechanical parameters

3 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果

3.1 應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系

為了驗(yàn)證模型以及細(xì)觀(guān)參數(shù)取值的合理性，首先進(jìn)行了3組不同圍壓(0.8、1.6和2.4 MPa)下的雙軸剪切數(shù)值試驗(yàn)，得到的偏應(yīng)力～軸向應(yīng)變，體積應(yīng)變～軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。進(jìn)行這3組數(shù)值試驗(yàn)時(shí)，沒(méi)有引入濕化機(jī)理概化模型，所以得到的結(jié)果可視為室內(nèi)試驗(yàn)中的風(fēng)干樣剪切試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，細(xì)觀(guān)數(shù)值模擬能再現(xiàn)堆石體應(yīng)力～應(yīng)變曲線(xiàn)的非線(xiàn)性、剪脹等特點(diǎn)，與室內(nèi)試驗(yàn)得到的規(guī)律相似。

圖3 不同圍壓下偏應(yīng)力、體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.3 Relation curves of principal stress difference and volume strain with axial strain under different confining pressures

進(jìn)行濕化數(shù)值試驗(yàn)時(shí)，保持濕化過(guò)程中圍壓0.8、1.6和2.4 MPa不變，偏應(yīng)力1.854、2.976和3.942 MPa不變，此時(shí)對(duì)應(yīng)的濕化應(yīng)力水平均為0.6。不同圍壓下濕化數(shù)值試驗(yàn)得到的Δεa、Δεv見(jiàn)表2，得到的偏應(yīng)力～軸向應(yīng)變、體積應(yīng)變～軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。其中Δεv>0表示剪縮體積應(yīng)變，空心符號(hào)表示沒(méi)有引入濕化機(jī)理概化模型的干樣剪切數(shù)值試驗(yàn)，實(shí)心符號(hào)表示引入濕化機(jī)理概化模型的濕化剪切數(shù)值試驗(yàn)。

表2 不同圍壓下的濕化軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變Tab.2 Axial strain and volume strain in the wetting process under different confining pressures

圖4 不同圍壓下濕化試驗(yàn)偏應(yīng)力、體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relation curves of principal stress difference and volume strain with axial strain in the wetting tests under different confining pressures

由表2可知，數(shù)值試驗(yàn)得到濕化軸向應(yīng)變隨圍壓的增加而略有增加，在數(shù)值上較室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果稍偏小。數(shù)值試驗(yàn)得到的濕化軸向應(yīng)變與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值量級(jí)上接近，表明水對(duì)于堆石體顆粒之間的摩擦系數(shù)和顆粒強(qiáng)度的劣化作用是引起濕化軸向應(yīng)變的主要原因。

濕化體積應(yīng)變隨圍壓的增加明顯增加，與室內(nèi)試驗(yàn)得到的規(guī)律吻合。低圍壓下濕化體積變形表現(xiàn)為剪脹變形而高圍壓下表現(xiàn)為剪縮變形，這是因?yàn)榈蛧鷫合聺窕^(guò)程中的顆粒破碎數(shù)量較少，對(duì)應(yīng)的剪縮變形小，而由于濕化后顆粒之間摩擦系數(shù)的降低引起的顆粒之間的滑移和重新排列較多，對(duì)應(yīng)的剪脹變形大，所以低圍壓下濕化體積應(yīng)變表現(xiàn)為剪脹變形，高圍壓下則剛好相反。

由圖4(a)可見(jiàn)，濕化后的峰值偏應(yīng)力都較干樣峰值偏應(yīng)力低，降低的幅度從低圍壓到高圍壓依次增大。2.4 MPa圍壓下濕化后的偏應(yīng)力～軸向應(yīng)變曲線(xiàn)都落在干樣的偏應(yīng)力～軸向應(yīng)變曲線(xiàn)下，0.8和1.6 MPa圍壓下濕化后的偏應(yīng)力～軸向應(yīng)變曲線(xiàn)除了峰后一小段外，其他也都落在干樣的偏應(yīng)力～軸向應(yīng)變曲線(xiàn)下，與室內(nèi)試驗(yàn)得到的規(guī)律大致吻合。由圖4(b)可見(jiàn)，濕化后試樣的剪縮性大于干樣的剪縮性，與室內(nèi)試驗(yàn)得到的規(guī)律吻合。

3.2 濕化過(guò)程中的顆粒破碎

圖5所示為不同圍壓下濕化過(guò)程中的顆粒破碎數(shù)量和濕化軸向應(yīng)變的柱狀圖。由圖5可見(jiàn)，隨著圍壓的增加，顆粒破碎數(shù)量明顯增加，與文獻(xiàn)[7]得到的規(guī)律吻合。濕化軸向應(yīng)變雖然也隨圍壓的增加而增加，但不如顆粒破碎數(shù)量顯著，1.6 MPa圍壓下的顆粒破碎數(shù)量約為0.8 MPa圍壓下的4.56倍，但濕化軸向應(yīng)變只增加了0.012%。

圖6所示為濕化過(guò)程中試樣的顆粒破碎分布情況，其中每一個(gè)點(diǎn)代表一處顆粒破碎。由圖6可見(jiàn)，不同圍壓下濕化過(guò)程中的顆粒破碎分布呈現(xiàn)出局部集中的現(xiàn)象，即在一些局部區(qū)域內(nèi)顆粒破碎數(shù)量明顯較周?chē)亩?，如圖中橢圓標(biāo)示區(qū)所示，與相關(guān)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)的局部危機(jī)(Local Crisis)[14]現(xiàn)象吻合。這可以從以下2個(gè)方面解釋?zhuān)孩儆捎跐窕箢w粒之間的摩擦系數(shù)降低，一些原本處于黏結(jié)狀態(tài)的接觸變成滑移狀態(tài)，顆粒之間發(fā)生重新排列，在這一動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程中顆粒之間相互擠壓碰撞，使得接觸力突然增加，造成局部區(qū)域內(nèi)顆粒破碎集中；②由于濕化后顆粒破碎強(qiáng)度降低，在周?chē)w粒較大的外力作用下，局部區(qū)域內(nèi)的顆粒不足以繼續(xù)承擔(dān)如此大的外荷載，出現(xiàn)較多的顆粒破碎，使顆粒之間的接觸點(diǎn)數(shù)和接觸面積增加，應(yīng)力集中得到釋放。圖7所示為2.4 MPa圍壓下濕化前后試樣某一局部放大圖。由圖7可見(jiàn)，顆粒破碎現(xiàn)象可以用本文的方法顯示直觀(guān)地表達(dá)。

圖5 不同圍壓下濕化過(guò)程中的顆粒破碎數(shù)量和軸向應(yīng)變Fig.5 Counts of broken CIEs with axial strain in the wetting process under different confining pressures

圖6 不同圍壓下濕化過(guò)程中的顆粒破碎分布Fig.6 Distribution of broken CIEs in the wetting process under different confining pressures

圖7 濕化前后的顆粒破碎局部放大圖Fig.7 Magnification of broken particle before and at the end of wetting process

3.3 顆粒間接觸力分布

(8)

圖8、圖9為2.4 MPa圍壓下濕化前后顆粒間法向和切向接觸力平均值的極坐標(biāo)分布圖。由圖8、圖9可見(jiàn)，濕化后法向接觸力平均值較濕化前法向接觸力平均值略有增加，濕化后切向接觸力平均值較濕化前切向接觸力平均值明顯降低。這可以歸結(jié)為以下2個(gè)原因：①由于濕化后顆粒之間的摩擦系數(shù)降低，使得切向接觸力平均值明顯降低，此時(shí)外荷載主要由法向力鏈承擔(dān)，所以法向接觸力平均值有增大的趨勢(shì)；②濕化過(guò)程中存在一定量的顆粒破碎，導(dǎo)致顆粒之間的接觸點(diǎn)數(shù)和接觸面積增加，進(jìn)而使得顆粒間的法向和切向接觸力平均值有減小的趨勢(shì)。由于前一個(gè)因素的影響較后一個(gè)因素的影響大，所以濕化后法向接觸力平均值較濕化前法向接觸力平均值略有增加，而在兩個(gè)因素的共同作用下，濕化后切向接觸力平均值較濕化前切向接觸力平均值明顯降低。

圖8 濕化前后的法向接觸力平均值各向異性分布極坐標(biāo)圖Fig.8 Polar representation of anisotropy of average normal contact force before and at the end of the wetting process

圖9 濕化前后的切向接觸力平均值各向異性分布極坐標(biāo)圖Fig.9 Polar representation of anisotropy of average tangential contact force before and at the end of the wetting process

3.4 影響濕化變形的主要因素

為了進(jìn)一步研究影響濕化變形的主要因素，本文設(shè)置了2組對(duì)比試驗(yàn)：①假定堆石體濕化過(guò)程只影響顆粒之間的摩擦系數(shù)，即只考慮濕化后μwet變?yōu)?，此概化模型為W1；②假定堆石體濕化過(guò)程只影響顆粒強(qiáng)度，即只考慮濕化后ft變?yōu)閒wett，fs變?yōu)閒wets，此概化模型為W2。本文只進(jìn)行了2.4 MPa圍壓下的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。圖10中D表示干樣剪切試驗(yàn)，W表示濕化剪切試驗(yàn)，W1和W2分別為2組對(duì)比試驗(yàn)。

W、W1和W2對(duì)應(yīng)的濕化軸向應(yīng)變分別為0.401%、0.338%和0.236%，W1對(duì)應(yīng)的濕化軸向應(yīng)變明顯大于W2對(duì)應(yīng)的濕化軸向應(yīng)變且與W對(duì)應(yīng)的濕化軸向應(yīng)變更接近，說(shuō)明顆粒間摩擦系數(shù)的降低是引起濕化軸向應(yīng)變的主要因素，顆粒強(qiáng)度的降低其次。由圖10(a)可見(jiàn)，W1對(duì)應(yīng)的峰值偏應(yīng)力與W對(duì)應(yīng)的峰值偏應(yīng)力更接近，表明顆粒間摩擦系數(shù)對(duì)濕化后峰值偏應(yīng)力的影響更大。

W、W1和W2對(duì)應(yīng)的濕化體積應(yīng)變分別為0.046%、0.035%和0.055%，W2對(duì)應(yīng)的濕化體積應(yīng)變最大，這是因?yàn)閃2建模時(shí)只考慮了濕化對(duì)于顆粒強(qiáng)度的影響，濕化過(guò)程中的顆粒破碎數(shù)量較多，破碎生成的小顆粒填充到大顆粒之間的孔隙中，引起較大的剪縮變形。由圖10(b)可見(jiàn)，當(dāng)軸向應(yīng)變小于5%時(shí)，W1對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變～軸向應(yīng)變曲線(xiàn)與W對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)接近，W2對(duì)應(yīng)的剪縮變形較大；當(dāng)軸向應(yīng)變大于5%時(shí)，W2對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變～軸向應(yīng)變曲線(xiàn)與W對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)接近，W1對(duì)應(yīng)的剪脹變形較大，這表明濕化后的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)前段主要受顆粒間摩擦系數(shù)降低的影響，后段則主要受顆粒強(qiáng)度降低的影響。

圖10 不同濕化模型對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力、體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.10 Relation curves of principal stress difference and volume strain with axial strain of different wetting models

4 結(jié) 論

(1)數(shù)值試驗(yàn)得到濕化軸向應(yīng)變隨圍壓的增加而略有增加，數(shù)值在量級(jí)上與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果接近，表明水對(duì)于堆石體顆粒之間的摩擦系數(shù)和顆粒強(qiáng)度的劣化作用是引起濕化軸向應(yīng)變的主要因素。濕化體積應(yīng)變隨圍壓的增加明顯增加，與室內(nèi)試驗(yàn)得到的規(guī)律吻合，但是數(shù)值明顯較室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果低。低圍壓下濕化體積變形表現(xiàn)為剪脹變形而高圍壓下濕化體積變形表現(xiàn)為剪縮變形。

(2)隨著圍壓的增加，顆粒破碎數(shù)量明顯增加，濕化軸向應(yīng)變雖然也有所增加，但不如顆粒破碎數(shù)量增加顯著。不同圍壓下濕化過(guò)程中的顆粒破碎分布呈現(xiàn)出局部集中的現(xiàn)象。

(3)濕化后顆粒之間的法向接觸力平均值較濕化前法向接觸力平均值略有增加，濕化后切向接觸力平均值較濕化前切向接觸力平均值明顯降低。

(4)顆粒間摩擦系數(shù)的降低是引起濕化軸向應(yīng)變的主要因素，顆粒強(qiáng)度的降低其次，且顆粒間的摩擦系數(shù)的降低對(duì)濕化后峰值偏應(yīng)力的影響更大。只考慮濕化對(duì)于顆粒強(qiáng)度的影響時(shí)，濕化過(guò)程中剪縮體積應(yīng)變最大。濕化后的體積應(yīng)變～軸向應(yīng)變曲線(xiàn)前段主要受顆粒間摩擦系數(shù)降低的影響，后段則主要受顆粒強(qiáng)度降低的影響。

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