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土石混合体压缩特性研究中块石强度及尺寸的影响

2021-11-06 82 上传者：管理员

摘要：文章利用二维离散元程序建立了细观结构均匀的土石混合体简化颗粒流模型，模拟双轴压缩试验分析块石强度及尺寸对土石混合体压缩过程和压坏特性的影响规律。结果表明：块石尺寸足以在土石混合体中形成骨架结构时，块石才能充分发挥作用。土石混合体含块石骨架时，其压缩破坏过程可分为弹性变形阶段、块石骨架承力阶段和整体破坏失稳阶段。土石混合体中，块石形成骨架结构时，随块石强度增大，弹性变形阶段有所延长，块石骨架结构承力作用显著提升，整体失稳破坏的陡变性明显减弱，残余强度有效提高；块石未形成骨架结构时，块石强度对混合体强度影响不大，在结构破坏后对整体失稳有一定的延缓。大粒径块石会导致土石混合体在密实状态下压缩破坏后体积增加，块石强度越高，尺寸越大，混合体压缩破坏后体积增量越大。

关键词：
PFC2D
压坏特性
压缩过程
双轴压缩
土石混合体
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1、土石混合体

土石混合体作为特殊的工程地质材料，其材料成分复杂、颗粒离散性大，且被广泛应用于道路、堤坝等工程[1,2]。土石混合体的压实过程，常伴随着内部结构破坏与重组，而填料压实的目的在于保证土石混合体具有足够的强度与稳定性[3]。因此，有必要研究土石混合体的压缩破坏性质。

当前，关于土石混合体的压缩破坏有诸多研究。董云[4]通过室内试验研究了含石量等对土石混合体强度的影响，发现含石量小于30%时对强度影响较小，70%左右强度达最大值。孙逊等[5]通过现场试验发现，土石混合体压实过程中，粗颗粒破碎成细颗粒后填充颗粒间孔隙，使粗细颗粒间彼此咬合，从而导致压实度增大。刘勇等[6]发现块石含量等因素对压实效果的影响权重为：大块石含量>小块石含量>最大粒径。柴贺军等[7]认为土石混合体中颗粒最大粒径对混合体的强度及变形特性均存在一定影响。曹文贵等[8]通过室内大型三轴试验发现，岩性是土石混合体强度的主要影响因素之一。杨冰等[9]利用PFC3D研究了含石量对土石混合体骨架效应的影响，提出可进一步研究块石形状的作用及混合体压碎过程。蒋明镜等[10,11,12]发现，多种土体基于离散元的平面双轴压缩试验模拟与室内三轴试验结果在宏观力学响应上近似。张学朋等[13]借助PFC2D中的Bondedparticlemodel模型建立双轴压缩模型，比对室内试验校正参数后，再现了花岗岩压缩试验全过程。

显然，块石强度和块石尺寸对土石混合体的强度特性有较大影响，颗粒流模拟能有效地获取混合体内部破坏特征。本文利用PFC2D建立简化土石混合体二维颗粒流模型，考虑块石尺寸和块石强度2个因素各3种水平，模拟了9种工况下土石混合体的压缩破坏过程及压坏特性，以期获取这2个因素对土石混合体压缩特性的影响规律。

2、颗粒流模拟

2.1 模型建立

使颗粒整齐排列，模型尺寸取2.5m×2.5m,孔隙率仅8.52%,以便于简化分析，模型如图1。模型边界设置为4面足够长的墙体，法向刚度设定为5×108N/m,切向刚度和摩擦系数设置为0。小粒径无黏性砂砾由粒径分别为2.071cm和5cm的2种圆盘颗粒模拟，紧密接触排列，模型中颗粒共4901颗。大粒径块石通过设定黏结强度的长方体颗粒集合模拟，含不同尺寸大粒径块石的土石混合体模型见图1。

双轴压缩过程中，通过设定横向墙体的速度进行加载，竖向墙体施加随围压(横向偏应力)变化的速度进行围压伺服控制。计算过程中记录模型的横向偏应力-应变、竖向偏应力-应变和模型体积应变来分析土石混合体的压缩破坏性质。无大粒径块石的细粒土颗粒模型中，设置围压100kPa,颗粒间摩擦系数0.5,进行双轴压缩模拟。空白组模型的偏应力与竖向应变的关系曲线见图2,模型压缩破坏后见图3。显然，围压基本保持在100kPa左右，仅在模型临界破坏状态时产生轻微波动。模型加载及伺服控制有效，混合体破坏形式表现为模型边缘的细观结构破坏和中部裂隙贯通。

2.2 模型参数

PFC模拟时，需设置颗粒单元、墙体单元的接触刚度，颗粒间的摩擦系数和黏结强度等，从而设定接触模型，与宏观物质的力学性质建立联系。本文分析时颗粒之间设置线性接触刚度模型和接触滑动模型，大粒径块石内部除上述2模型外，增设点黏结模型。颗粒法向及切向接触刚度均设置为1×108N/m。摩擦系数和黏结强度通过试算拟定。

调整颗粒模型中摩擦系数，在相同加载速度、不同围压下进行试算，竖向偏应力最大值见图4。摩擦系数小于0.7时，呈现摩擦系数越大，竖向偏应力最大值越小的规律。摩擦系数等于0.9时，竖向偏应力最大值突增，且围压200kPa时增幅更为显著。围压100kPa、摩擦系数为0.1和0.9时，空白组模型的竖向偏应力-应变曲线见图5。结合图2分析可知，摩擦系数越大，竖向偏应力最大值对应的竖向应变越小，即破坏前弹性模量越大；且随着摩擦系数增加，竖向偏应力最大值后应力逐级降低的现象越明显，即破坏后残余变形增量越大。

这是因为，模型中孔隙率小，颗粒排列整齐且能够相互咬合，内摩擦力大，细观结构稳定。摩擦系数不大于0.7时，摩擦系数越大，颗粒模型弹性模量越大，相同加载速度时呈现出摩擦系数越大，竖向偏应力最大值越小的规律。因此，模拟时忽略细颗粒间摩擦系数的差异，统一取粒间摩擦系数为0.5,以分析多种工况下土石混合体的压缩破坏性质。

假定土石混合体中大粒径块石内部颗粒的黏结强度在法向与切向相等，以便于简化分析。围压100kPa和200kPa作用下，分别设置颗粒黏结强度为50kPa、100kPa和200kPa,进行双轴压缩模拟，模型竖向偏应力最大值见图6。显然，2种围压下模型竖向偏应力最大值接近，且随黏结强度的增大，竖向偏应力最大值近乎呈线性增长。100kPa围压下，3种颗粒黏结强度对应的块石强度水平为6.94MPa、11.35MPa和19.69MPa。

围压100kPa时，黏结强度分别取50MPa、100MPa和200MPa,空白组模型的竖向偏应力-应变曲线见图7。显然，黏结强度越大，空白组模型的竖向偏应力峰值及峰值竖向应变越大。对比图5可知，不同黏结强度下竖向偏应力可能存在2次峰值，且峰值前的弹性模量相近。随黏结强度的增大，偏应力最大值较第1次峰值增幅减小，黏结强度为200kPa时仅有1次峰值。据此，因此，文中后续取竖向偏应力最大值来分析多工况下土石混合体的压缩破坏性质。

2.3 模拟方案

考虑块石强度与块石尺寸2种因素各3种水平，研究土石混合体的压缩破坏性质，模拟工况见表1。块石强度根据图6,取100kPa下3个颗粒黏结强度对应水平取值。通过不同的块石尺寸反映粒径和含量的差异，3个水平下模型见图8,B1、B2和B3水平所对应的块石含量为78%、50%和28%。

3、模拟结果分析

3.1 竖向偏应力最大值

2种围压下，9种工况在双轴压缩下竖向偏应力峰值见图9。可见，仅块石尺寸B1(50cm×75cm)水平下的竖向偏应力峰值随块石强度的增大有明显增长。结合图8可知，土石混合体中未能形成块石骨架结构时，3个块石强度水平下土石混合体的强度几乎不变。大粒径块石相互接触形成骨架结构后，块石才能充分发挥作用，随块石强度增大，土石混合体强度近乎呈线性提高。此外，100kPa和200kPa围压条件下混合体的竖向偏应力最大值规律一致，为简化分析，下文压缩破坏过程及体变特征分析仅取围压为100kPa工况。

3.2 压缩破坏过程

以工况A2B1为例，分析含块石骨架结构土石混合体压缩破坏过程，竖向偏应力-竖向应变曲线见图10,压缩破坏过程中不同阶段的破坏特征见图11。可知，含块石骨架结构的土石混合体压缩破坏过程中，首先出现小粒径砂砾的剪切破坏，相应的竖向偏应力有轻微降低。然后，主要由大粒径块石形成的骨架结构负压，荷载达一定值后，细颗粒发生细观结构的整体破坏，大粒径块石发生剪切破坏。竖向偏应力达最大值后，模型整体失稳，荷载持续作用下大粒径块石逐步发生移位、变形和破坏。据此，土石混合体含块石骨架结构时，其压缩破坏过程可分为弹性变形阶段、块石骨架承力阶段和整体破坏失稳阶段。

不同块石强度下含块石骨架土石混合体的竖向偏应力-竖向应变曲线见图12,整体破坏失稳阶段见图13。对比3种工况(A1B1、A2B1、A3B1)易知，土石混合体在压缩过程中，随块石强度增大，弹性变形阶段有所延长，块石骨架结构承力作用显著提升，整体破坏失稳阶段陡变性明显减弱，残余强度有效提高。不同块石强度下土石混合体整体破坏失稳特征差异较大，强度较低时，混合体内部形成倾斜剪切破坏面；随块石强度增长，混合体破坏呈现小粒径的细观破碎和大粒径块石的变形、移位等。

以A3B1、A3B2、A3B3为例，分析3种工况下相同块石强度、不同块石尺寸的土石混合体的压缩破坏过程。竖向偏应力-竖向应变见图14,整体破坏失稳阶段见图15。可知，大粒径块石在土石混合体内部不足以形成骨架结构时，竖向偏应力-应变曲线中仅出现1次峰值。块石排列相对较密时，土石混合体的破坏主要为砂砾的细观结构破坏和大粒径块石的边角轻微破损，块石的存在对土石混合体强度无明显增强。块石排列相对松散时，土石混合体的破坏主要表现为块石间砂砾的剪切破裂，块石的存在虽不能增强混合体的峰值强度，但残余强度有一定的小幅回升，说明该类工况下大粒径块石可延缓土石混合结构的整体失稳。

3.3 体积应变

取土石混合体体积应变减小为正，建立各工况下体积应变与竖向应变的关系曲线见图16。显然，大粒径块石的强度越小，块石尺寸越小，相应工况下的体积应变越小。各工况下模型整体破坏失稳后，曲线多出现小幅回升现象，即混合体的体积增加，与竖向偏应力-应变曲线表征规律一致。因此，大粒径块石会导致密实状态的土石混合体在破坏后体积增加，且块石强度越高，尺寸越大，体积应变增值越大。该规律与现场试验结论一致，从侧面论证了本文所得规律的合理性。

4、结束语

本文利用离散元程序PFC2D进行双轴压缩模拟，研究了块石强度及尺寸对土石混合体压缩过程与压坏特性的影响规律，所得主要结论如下：

(1)大粒径块石相互接触形成骨架结构后，块石才能充分发挥作用，随块石强度增大，土石混合体强度近乎呈线性提高。

(2)含块石骨架结构的土石混合体压坏过程可分为3个阶段：弹性变形阶段、块石骨架承力阶段及整体破坏失稳阶段。

(3)当块石形成骨架时，土石混合体在压缩过程中，随块石强度增大，弹性变形阶段有所延长，块石骨架结构承力作用显著提升，整体破坏失稳阶段陡变性明显减弱，残余强度有效提高；大粒径块石在混合体内部未形成骨架时，土石混合体的破坏形式与块石排列的紧密程度相关，块石的存在对土石混合体强度提升较小，但对混合体的整体失稳破坏有一定的延缓作用。

(4)大粒径块石会导致密实状态下的土石混合体压缩破坏后体积增加，且块石强度越高，尺寸越大，混合体模型压缩破坏后的体积增量越大。

参考文献:

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