高含石量堆積體剪切特性研究

　　摘要：通過室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)和PFC顆粒流數(shù)值模擬方法研究了不同含石量堆積體的剪切特性。研究結(jié)果表明，含石量對堆積體的強(qiáng)度和變形特性具有控制作用，隨著含石量的升高，堆積體剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線由應(yīng)變硬化型向應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變，即高含石量堆積體剪應(yīng)力-位移曲線具有顯著的應(yīng)變軟化特征，采用Weibull模型可以較好地?cái)M合堆積體的剪應(yīng)力-位移曲線。

　　關(guān)鍵詞：堆積體;大型直剪試驗(yàn);剪切特性;應(yīng)變軟化;PFC顆粒流

　　目前國內(nèi)滑坡時(shí)有發(fā)生，威脅著人民的生命安全。尤其是斜坡遭遇庫水位升降、持續(xù)降雨等情況，滑坡發(fā)生的概率要遠(yuǎn)大于平時(shí)。我國西南地區(qū)存在大量自然邊坡，多雨季節(jié)滑坡時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國85%以上的滑坡為堆積體滑坡[1]，因此，深入研究堆積體的物理力學(xué)性質(zhì)對滑坡的預(yù)報(bào)及治理具有重要意義。堆積體的應(yīng)變軟化現(xiàn)象會加速斜坡失穩(wěn)的過程，而Weibull模型能很好地描述巖石的脆性破壞特性[2-3]。

　　應(yīng)變軟化邊坡的失穩(wěn)是一個(gè)逐漸變化的過程，即應(yīng)力大的點(diǎn)先超過峰值強(qiáng)度而軟化，軟化后強(qiáng)度降低，此時(shí)超額的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)移給相鄰巖土體，使得相鄰巖土體的剪應(yīng)力超過其峰值強(qiáng)度，隨之發(fā)生軟化，如此延續(xù)，直至邊坡的破壞。進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析時(shí)，如果按照峰值剪應(yīng)力計(jì)算，則比較危險(xiǎn)[4]，因此考慮應(yīng)變軟化的邊坡穩(wěn)定性分析方法對于此類邊坡的評價(jià)與治理具有重大的意義。

　　楊繼紅等[5]通過室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)得出，高含石量的土石混合體在較低法向應(yīng)力下顯示出應(yīng)變硬化特性，而在高法向應(yīng)力下則顯示出應(yīng)變軟化的特性;薛亞東等[6]通過試驗(yàn)得出土石混合物在低法向應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)為剪脹，高法向應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)為剪縮;楊忠平等[7]通過數(shù)值模擬計(jì)算得出高含石量條件下，法向應(yīng)力越高，應(yīng)變軟化越明顯;賈學(xué)明等[8]通過數(shù)值模擬得出軟巖混合料在高法向應(yīng)力作用下產(chǎn)生剪縮和軟化現(xiàn)象，硬巖混合料在高法向應(yīng)力條件下表現(xiàn)為剪脹和塑性。已有的研究成果表明堆積體中含石量的多少以及石塊的種類對剪應(yīng)力-位移曲線的峰值和曲線形狀都具有較大影響，但對于如何描述堆積體的剪切特性卻研究甚少。本文運(yùn)用PFC顆粒流技術(shù)計(jì)算得出高含石量堆積體的直剪試驗(yàn)剪應(yīng)力-位移曲線，運(yùn)用Weibull模型描述該剪應(yīng)力-位移曲線。

　　1堆積體的大型直剪試驗(yàn)

　　對于土石混合介質(zhì)堆積體而言，可采用三軸試驗(yàn)和大型直剪獲得其抗剪強(qiáng)度。但三軸試驗(yàn)操作復(fù)雜，試驗(yàn)歷時(shí)長，試樣制作困難且受設(shè)備限制，試樣中堆積體的最大粒徑較小，不利用于對土石混合介質(zhì)堆積體進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。相比之下，大型直剪試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)造簡單，制樣方便，固結(jié)速度快，試驗(yàn)歷時(shí)短，操作方便，對粒徑限制小。因此，利用大型應(yīng)變控制式直剪儀，結(jié)合三峽庫區(qū)典型的土石混合介質(zhì)堆積體邊坡，進(jìn)行了不同含石量條件下室內(nèi)重塑樣的大型直剪試驗(yàn)。

　　根據(jù)試驗(yàn)研究內(nèi)容，定義小于5mm的顆粒是“土”，大于5mm的顆粒是“石塊”，直剪儀適用的最大控制粒徑為80mm，因此碎石粒徑為5~80mm，碎石所占堆積體總質(zhì)量的百分比為“含石量”，試樣尺寸為504.6mm400mm。此次試驗(yàn)是用某滑坡現(xiàn)場取回的堆積體土樣，堆積體為紫紅色的黏土夾紫紅色碎塊石，土石比約為3∶7，碎塊巖性為粉砂巖。整個(gè)試驗(yàn)配置了不同含石量的土體。根據(jù)不同含石量，在法向應(yīng)力為300kPa的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，剪切速率為0.4~1.2mm/min，不同含石量堆積體的剪應(yīng)力-位移曲線如圖3所示，隨著含石量的增加，土體出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

　　3堆積體大型直剪試驗(yàn)的PFC數(shù)值模擬

　　離散元是專門解決不連續(xù)介質(zhì)的一種數(shù)值計(jì)算方法，顆粒離散元法(PFC)主要模擬有限尺寸的顆粒，允許顆粒產(chǎn)生位移和轉(zhuǎn)動，能很好地反映顆粒的運(yùn)動機(jī)理、運(yùn)動過程和結(jié)果。

　　3.1剪切盒模型

　　本次模擬的剪切盒尺寸和原模型一致[10]，在整個(gè)模擬過程中保持上剪切盒不動，推動下剪切盒向右移動，通過伺服加載機(jī)制使正應(yīng)力保持不變。模擬過程中認(rèn)為球和墻體都是剛性的，設(shè)置的墻體剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于球體。

　　3.2顆粒生成及參數(shù)設(shè)置

　　此次模擬的是土石混合體的直剪，在模擬過程中為了保持計(jì)算機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，使用ball模擬土石塊，在參數(shù)設(shè)置時(shí)，將其摩擦系數(shù)適當(dāng)放大，以此來抵消土石塊棱角帶來的影響[8]。

　　3.3模擬結(jié)果PFC

　　隨著剪切位移的增大，模擬出的剪應(yīng)力先增大后減小，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性，其峰值剪應(yīng)力為317kPa，對應(yīng)的剪切位移為40.9mm。與試驗(yàn)得出的剪應(yīng)力曲線相比，峰值降低，而在峰值出現(xiàn)時(shí)對應(yīng)的剪切位移與試驗(yàn)一致。

　　數(shù)值模擬剪切應(yīng)力曲線峰值較小的可能原因有2個(gè)：一是在數(shù)值模擬中，ball有一定的旋轉(zhuǎn)，用ball代替石塊減小了石塊間的摩擦力;二是ball在PFC中默認(rèn)為剛性，數(shù)值模擬中石塊無破碎，剪切應(yīng)力是僅僅克服摩擦力，而在實(shí)際剪切過程中石塊有破碎，剪切應(yīng)力是顆粒間的摩擦力和塊石破碎所需力之和。另外，在計(jì)算過程中運(yùn)用的線彈性模型相比平行粘結(jié)模型的抗剪強(qiáng)度也不可避免的受到影響。

　　巖土論文投稿刊物：巖土工程學(xué)報(bào)核心期刊，是中國水利學(xué)會、中國土木工程學(xué)會、中國力學(xué)學(xué)會、中國建筑學(xué)會、中國水力發(fā)電工程學(xué)會、中國振動工程學(xué)會聯(lián)合主辦的1979年創(chuàng)刊的期刊，已經(jīng)成為水利、土木工程、力學(xué)等領(lǐng)域的核心期刊。

　　4結(jié)論

　　對堆積體進(jìn)行大型直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)堆積體的含石量<60%時(shí)，堆積體的剪切特性表現(xiàn)為應(yīng)變硬化;當(dāng)堆積體的含石量>70%時(shí)，堆積體表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，且堆積體的抗剪強(qiáng)度隨含石量的增大而增大。在高含石量下，堆積體剪應(yīng)力-位移曲線具有明顯的應(yīng)變軟化特征，模擬試驗(yàn)得出的剪應(yīng)力-位移曲線采用Weibull模型擬合，結(jié)果表明Weibull模型對堆積體的應(yīng)變軟化具有很好的擬合效果。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉漢東.邊坡失穩(wěn)定時(shí)預(yù)報(bào)理論與方法[M].1版.鄭州:黃河水利出版社,1996:42-60.

　　[2]陳竑然,秦四清,薛雷,等.巖石脆性破壞表征與Weibull分布適用范圍[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2017,32(5):2200-2206.

　　[3]楊哲豪,俞縉,涂兵雄,等.考慮剛度劣化影響的巖石峰后應(yīng)變軟化模型[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,39(5):664-668.

　　[4]薛海斌,黨發(fā)寧,尹小濤,等.應(yīng)變軟化邊坡穩(wěn)定性分析方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2016,38(3):570-576.

　　[5]楊繼紅,董金玉,黃志全,等.不同含石量條件下堆積體抗剪強(qiáng)度特性的大型直剪試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2016,38(S2):161-166.

　　[6]薛亞東,劉忠強(qiáng),吳堅(jiān).崩積混合體直剪試驗(yàn)與PFC2D數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué),2014,35(S2):587-592.

　　作者：楊繼紅1，王晶瑩1，楊興隆1，劉佳賓2，劉曉廣1

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