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        塊石強(qiáng)度及尺寸對(duì)土石混合體壓縮特性的影響分析

        2021-12-16 23:40:32武小菲張樂江松
        四川建筑 2021年5期

        武小菲 張樂 江松

        【摘 要】文章利用二維離散元程序建立了細(xì)觀結(jié)構(gòu)均勻的土石混合體簡化顆粒流模型,模擬雙軸壓縮試驗(yàn)分析塊石強(qiáng)度及尺寸對(duì)土石混合體壓縮過程和壓壞特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:塊石尺寸足以在土石混合體中形成骨架結(jié)構(gòu)時(shí),塊石才能充分發(fā)揮作用。土石混合體含塊石骨架時(shí),其壓縮破壞過程可分為彈性變形階段、塊石骨架承力階段和整體破壞失穩(wěn)階段。土石混合體中,塊石形成骨架結(jié)構(gòu)時(shí),隨塊石強(qiáng)度增大,彈性變形階段有所延長,塊石骨架結(jié)構(gòu)承力作用顯著提升,整體失穩(wěn)破壞的陡變性明顯減弱,殘余強(qiáng)度有效提高;塊石未形成骨架結(jié)構(gòu)時(shí),塊石強(qiáng)度對(duì)混合體強(qiáng)度影響不大,在結(jié)構(gòu)破壞后對(duì)整體失穩(wěn)有一定的延緩。大粒徑塊石會(huì)導(dǎo)致土石混合體在密實(shí)狀態(tài)下壓縮破壞后體積增加,塊石強(qiáng)度越高,尺寸越大,混合體壓縮破壞后體積增量越大。

        【關(guān)鍵詞】土石混合體; 雙軸壓縮; 壓縮過程; 壓壞特性; PFC2D

        【中圖分類號(hào)】TU411.5【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

        1 土石混合體

        土石混合體作為特殊的工程地質(zhì)材料,其材料成分復(fù)雜、顆粒離散性大,且被廣泛應(yīng)用于道路、堤壩等工程[1-2]。土石混合體的壓實(shí)過程,常伴隨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞與重組,而填料壓實(shí)的目的在于保證土石混合體具有足夠的強(qiáng)度與穩(wěn)定性[3]。因此,有必要研究土石混合體的壓縮破壞性質(zhì)。

        當(dāng)前,關(guān)于土石混合體的壓縮破壞有諸多研究。董云[4]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了含石量等對(duì)土石混合體強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)含石量小于30 %時(shí)對(duì)強(qiáng)度影響較小,70 %左右強(qiáng)度達(dá)最大值。孫遜等[5]通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),土石混合體壓實(shí)過程中,粗顆粒破碎成細(xì)顆粒后填充顆粒間孔隙,使粗細(xì)顆粒間彼此咬合,從而導(dǎo)致壓實(shí)度增大。劉勇等[6]發(fā)現(xiàn)塊石含量等因素對(duì)壓實(shí)效果的影響權(quán)重為:大塊石含量>小塊石含量>最大粒徑。柴賀軍等[7]認(rèn)為土石混合體中顆粒最大粒徑對(duì)混合體的強(qiáng)度及變形特性均存在一定影響。曹文貴等[8]通過室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),巖性是土石混合體強(qiáng)度的主要影響因素之一。楊冰等[9]利用PFC3D研究了含石量對(duì)土石混合體骨架效應(yīng)的影響,提出可進(jìn)一步研究塊石形狀的作用及混合體壓碎過程。蔣明鏡等[10-12]發(fā)現(xiàn),多種土體基于離散元的平面雙軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果在宏觀力學(xué)響應(yīng)上近似。張學(xué)朋等[13]借助PFC2D中的Bonded particle model模型建立雙軸壓縮模型,比對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)校正參數(shù)后,再現(xiàn)了花崗巖壓縮試驗(yàn)全過程。

        顯然,塊石強(qiáng)度和塊石尺寸對(duì)土石混合體的強(qiáng)度特性有較大影響,顆粒流模擬能有效地獲取混合體內(nèi)部破壞特征。本文利用PFC2D建立簡化土石混合體二維顆粒流模型,考慮塊石尺寸和塊石強(qiáng)度2個(gè)因素各3種水平,模擬了9種工況下土石混合體的壓縮破壞過程及壓壞特性,以期獲取這2個(gè)因素對(duì)土石混合體壓縮特性的影響規(guī)律。

        2 顆粒流模擬

        2.1 模型建立

        使顆粒整齊排列,模型尺寸取2.5 m×2.5 m,孔隙率僅8.52 %,以便于簡化分析,模型如圖1。模型邊界設(shè)置為4面足夠長的墻體,法向剛度設(shè)定為5×108 N/m,切向剛度和摩擦系數(shù)設(shè)置為0。小粒徑無黏性砂礫由粒徑分別為2.071 cm和5 cm的2種圓盤顆粒模擬,緊密接觸排列,模型中顆粒共4 901顆。大粒徑塊石通過設(shè)定黏結(jié)強(qiáng)度的長方體顆粒集合模擬,含不同尺寸大粒徑塊石的土石混合體模型見圖1。

        雙軸壓縮過程中,通過設(shè)定橫向墻體的速度進(jìn)行加載,豎向墻體施加隨圍壓(橫向偏應(yīng)力)變化的速度進(jìn)行圍壓伺服控制。計(jì)算過程中記錄模型的橫向偏應(yīng)力-應(yīng)變、豎向偏應(yīng)力-應(yīng)變和模型體積應(yīng)變來分析土石混合體的壓縮破壞性質(zhì)。無大粒徑塊石的細(xì)粒土顆粒模型中,設(shè)置圍壓100 kPa,顆粒間摩擦系數(shù)0.5,進(jìn)行雙軸壓縮模擬??瞻捉M模型的偏應(yīng)力與豎向應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖2,模型壓縮破壞后見圖3。顯然,圍壓基本保持在100 kPa左右,僅在模型臨界破壞狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生輕微波動(dòng)。模型加載及伺服控制有效,混合體破壞形式表現(xiàn)為模型邊緣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)破壞和中部裂隙貫通。

        2.2 模型參數(shù)

        PFC模擬時(shí),需設(shè)置顆粒單元、墻體單元的接觸剛度,顆粒間的摩擦系數(shù)和黏結(jié)強(qiáng)度等,從而設(shè)定接觸模型,與宏觀物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)建立聯(lián)系。本文分析時(shí)顆粒之間設(shè)置線性接觸剛度模型和接觸滑動(dòng)模型,大粒徑塊石內(nèi)部除上述2模型外,增設(shè)點(diǎn)黏結(jié)模型。顆粒法向及切向接觸剛度均設(shè)置為1×108 N/m。摩擦系數(shù)和黏結(jié)強(qiáng)度通過試算擬定。

        調(diào)整顆粒模型中摩擦系數(shù),在相同加載速度、不同圍壓下進(jìn)行試算,豎向偏應(yīng)力最大值見圖4。摩擦系數(shù)小于0.7時(shí),呈現(xiàn)摩擦系數(shù)越大,豎向偏應(yīng)力最大值越小的規(guī)律。摩擦系數(shù)等于0.9時(shí),豎向偏應(yīng)力最大值突增,且圍壓200 kPa時(shí)增幅更為顯著。圍壓100 kPa、摩擦系數(shù)為0.1和0.9時(shí),空白組模型的豎向偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖5。結(jié)合圖2分析可知,摩擦系數(shù)越大,豎向偏應(yīng)力最大值對(duì)應(yīng)的豎向應(yīng)變?cè)叫?,即破壞前彈性模量越?且隨著摩擦系數(shù)增加,豎向偏應(yīng)力最大值后應(yīng)力逐級(jí)降低的現(xiàn)象越明顯,即破壞后殘余變形增量越大。

        這是因?yàn)?,模型中孔隙率小,顆粒排列整齊且能夠相互咬合,內(nèi)摩擦力大,細(xì)觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。摩擦系數(shù)不大于0.7時(shí),摩擦系數(shù)越大,顆粒模型彈性模量越大,相同加載速度時(shí)呈現(xiàn)出摩擦系數(shù)越大,豎向偏應(yīng)力最大值越小的規(guī)律。因此,模擬時(shí)忽略細(xì)顆粒間摩擦系數(shù)的差異,統(tǒng)一取粒間摩擦系數(shù)為0.5,以分析多種工況下土石混合體的壓縮破壞性質(zhì)。

        假定土石混合體中大粒徑塊石內(nèi)部顆粒的黏結(jié)強(qiáng)度在法向與切向相等,以便于簡化分析。圍壓100 kPa和200 kPa作用下,分別設(shè)置顆粒黏結(jié)強(qiáng)度為50 kPa、100 kPa和200 kPa,進(jìn)行雙軸壓縮模擬,模型豎向偏應(yīng)力最大值見圖6。顯然,2種圍壓下模型豎向偏應(yīng)力最大值接近,且隨黏結(jié)強(qiáng)度的增大,豎向偏應(yīng)力最大值近乎呈線性增長。100 kPa圍壓下,3種顆粒黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的塊石強(qiáng)度水平為6.94 MPa、11.35 MPa和19.69 MPa。

        圍壓100 kPa時(shí),黏結(jié)強(qiáng)度分別取50 MPa、100 MPa和200 MPa,空白組模型的豎向偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖7。顯然,黏結(jié)強(qiáng)度越大,空白組模型的豎向偏應(yīng)力峰值及峰值豎向應(yīng)變?cè)酱蟆?duì)比圖5可知,不同黏結(jié)強(qiáng)度下豎向偏應(yīng)力可能存在2次峰值,且峰值前的彈性模量相近。隨黏結(jié)強(qiáng)度的增大,偏應(yīng)力最大值較第1次峰值增幅減小,黏結(jié)強(qiáng)度為200 kPa時(shí)僅有1次峰值。據(jù)此,因此,文中后續(xù)取豎向偏應(yīng)力最大值來分析多工況下土石混合體的壓縮破壞性質(zhì)。

        2.3 模擬方案

        考慮塊石強(qiáng)度與塊石尺寸2種因素各3種水平,研究土石混合體的壓縮破壞性質(zhì),模擬工況見表1。塊石強(qiáng)度根據(jù)圖6,取100 kPa下3個(gè)顆粒黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)水平取值。通過不同的塊石尺寸反映粒徑和含量的差異,3個(gè)水平下模型見圖8,B1、B2和B3水平所對(duì)應(yīng)的塊石含量為78 %、50 %和28 %。

        3 模擬結(jié)果分析

        3.1 豎向偏應(yīng)力最大值

        2種圍壓下,9種工況在雙軸壓縮下豎向偏應(yīng)力峰值見圖9??梢姡瑑H塊石尺寸B1(50 cm×75 cm)水平下的豎向偏應(yīng)力峰值隨塊石強(qiáng)度的增大有明顯增長。結(jié)合圖8可知,土石混合體中未能形成塊石骨架結(jié)構(gòu)時(shí),3個(gè)塊石強(qiáng)度水平下土石混合體的強(qiáng)度幾乎不變。大粒徑塊石相互接觸形成骨架結(jié)構(gòu)后,塊石才能充分發(fā)揮作用,隨塊石強(qiáng)度增大,土石混合體強(qiáng)度近乎呈線性提高。此外,100 kPa和200 kPa圍壓條件下混合體的豎向偏應(yīng)力最大值規(guī)律一致,為簡化分析,下文壓縮破壞過程及體變特征分析僅取圍壓為100 kPa工況。

        3.2 壓縮破壞過程

        以工況A2B1為例,分析含塊石骨架結(jié)構(gòu)土石混合體壓縮破壞過程,豎向偏應(yīng)力-豎向應(yīng)變曲線見圖10,壓縮破壞過程中不同階段的破壞特征見圖11??芍瑝K石骨架結(jié)構(gòu)的土石混合體壓縮破壞過程中,首先出現(xiàn)小粒徑砂礫的剪切破壞,相應(yīng)的豎向偏應(yīng)力有輕微降低。然后,主要由大粒徑塊石形成的骨架結(jié)構(gòu)負(fù)壓,荷載達(dá)一定值后,細(xì)顆粒發(fā)生細(xì)觀結(jié)構(gòu)的整體破壞,大粒徑塊石發(fā)生剪切破壞。豎向偏應(yīng)力達(dá)最大值后,模型整體失穩(wěn),荷載持續(xù)作用下大粒徑塊石逐步發(fā)生移位、變形和破壞。據(jù)此,土石混合體含塊石骨架結(jié)構(gòu)時(shí),其壓縮破壞過程可分為彈性變形階段、塊石骨架承力階段和整體破壞失穩(wěn)階段。

        不同塊石強(qiáng)度下含塊石骨架土石混合體的豎向偏應(yīng)力-豎向應(yīng)變曲線見圖12,整體破壞失穩(wěn)階段見圖13。對(duì)比3種工況(A1B1、A2B1、A3B1)易知,土石混合體在壓縮過程中,隨塊石強(qiáng)度增大,彈性變形階段有所延長,塊石骨架結(jié)構(gòu)承力作用顯著提升,整體破壞失穩(wěn)階段陡變性明顯減弱,殘余強(qiáng)度有效提高。不同塊石強(qiáng)度下土石混合體整體破壞失穩(wěn)特征差異較大,強(qiáng)度較低時(shí),混合體內(nèi)部形成傾斜剪切破壞面;隨塊石強(qiáng)度增長,混合體破壞呈現(xiàn)小粒徑的細(xì)觀破碎和大粒徑塊石的變形、移位等。

        以A3B1、A3B2、A3B3為例,分析3種工況下相同塊石強(qiáng)度、不同塊石尺寸的土石混合體的壓縮破壞過程。豎向偏應(yīng)力-豎向應(yīng)變見圖14,整體破壞失穩(wěn)階段見圖15??芍?,大粒徑塊石在土石混合體內(nèi)部不足以形成骨架結(jié)構(gòu)時(shí),豎向偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線中僅出現(xiàn)1次峰值。塊石排列相對(duì)較密時(shí),土石混合體的破壞主要為砂礫的細(xì)觀結(jié)構(gòu)破壞和大粒徑塊石的邊角輕微破損,塊石的存在對(duì)土石混合體強(qiáng)度無明顯增強(qiáng)。塊石排列相對(duì)松散時(shí),土石混合體的破壞主要表現(xiàn)為塊石間砂礫的剪切破裂,塊石的存在雖不能增強(qiáng)混合體的峰值強(qiáng)度,但殘余強(qiáng)度有一定的小幅回升,說明該類工況下大粒徑塊石可延緩?fù)潦旌辖Y(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。

        3.3 體積應(yīng)變

        取土石混合體體積應(yīng)變減小為正,建立各工況下體積應(yīng)變與豎向應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖16。顯然,大粒徑塊石的強(qiáng)度越小,塊石尺寸越小,相應(yīng)工況下的體積應(yīng)變?cè)叫?。各工況下模型整體破壞失穩(wěn)后,曲線多出現(xiàn)小幅回升現(xiàn)象,即混合體的體積增加,與豎向偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線表征規(guī)律一致。因此,大粒徑塊石會(huì)導(dǎo)致密實(shí)狀態(tài)的土石混合體在破壞后體積增加,且塊石強(qiáng)度越高,尺寸越大,體積應(yīng)變?cè)鲋翟酱?。該?guī)律與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)論一致,從側(cè)面論證了本文所得規(guī)律的合理性。

        4 結(jié)束語

        本文利用離散元程序PFC2D進(jìn)行雙軸壓縮模擬,研究了塊石強(qiáng)度及尺寸對(duì)土石混合體壓縮過程與壓壞特性的影響規(guī)律,所得主要結(jié)論如下:

        (1)大粒徑塊石相互接觸形成骨架結(jié)構(gòu)后,塊石才能充分發(fā)揮作用,隨塊石強(qiáng)度增大,土石混合體強(qiáng)度近乎呈線性提高。

        (2)含塊石骨架結(jié)構(gòu)的土石混合體壓壞過程可分為3個(gè)階段:彈性變形階段、塊石骨架承力階段及整體破壞失穩(wěn)階段。

        (3)當(dāng)塊石形成骨架時(shí),土石混合體在壓縮過程中,隨塊石強(qiáng)度增大,彈性變形階段有所延長,塊石骨架結(jié)構(gòu)承力作用顯著提升,整體破壞失穩(wěn)階段陡變性明顯減弱,殘余強(qiáng)度有效提高;大粒徑塊石在混合體內(nèi)部未形成骨架時(shí),土石混合體的破壞形式與塊石排列的緊密程度相關(guān),塊石的存在對(duì)土石混合體強(qiáng)度提升較小,但對(duì)混合體的整體失穩(wěn)破壞有一定的延緩作用。

        (4)大粒徑塊石會(huì)導(dǎo)致密實(shí)狀態(tài)下的土石混合體壓縮破壞后體積增加,且塊石強(qiáng)度越高,尺寸越大,混合體模型壓縮破壞后的體積增量越大。

        參考文獻(xiàn)

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        [定稿日期]2021-01-22

        [基金項(xiàng)目]四川省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2018JY0076);四川省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2012YFS0321)

        [作者簡介]武小菲(1974~),女,碩士,講師,主要研究方向?yàn)閹r土工程及市政工程。

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