崩積混合體直剪試驗與PFC2D 數(shù)值模擬分析

薛亞東，劉忠強，吳 堅

（1.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；3.Norwegian Geotechnical Institute，Oslo 0806；4.浙江公路水運工程咨詢公司，杭州 310004）

1 引言

崩積混合體是由土和石構(gòu)成的復雜地質(zhì)體，其性質(zhì)完全不同于土或巖石，表現(xiàn)出強烈的非均質(zhì)性與各向異性。自20 世紀90年代開始，越來越多的國內(nèi)外學者開始針對這種特殊地質(zhì)材料展開研究，但目前為止對其還沒有一個統(tǒng)一的命名。文獻中較常見的名稱有混雜巖（mélange，法語）；bimrock or bimsoil（block in matrix）[1]；崩積體（colluvium）[2－3]；土石混合體（soil-rock mixture）[4－6]；礫石土或巖堆體（talus）[7]；并構(gòu)巖[8]，國內(nèi)采用“土石混合體”的叫法較普遍。本課題組在開展相關(guān)研究的過程中認為，“土石混合體”體現(xiàn)了這種材料的組成特點，明確易懂，但很容易與土石壩等工程中的“人工土石混合材料”相混，因為研究的對象主要是“自然”形成的地質(zhì)體，與“人工”土石混合體存在顯著不同，并考慮到造成滑坡的“災(zāi)源”多為崩塌-堆積而形成的混合地質(zhì)體，稱作“崩積混合體”似乎更合理。圖1為崩積混合體地層組成示意圖，圖2為現(xiàn)場崩積體照片。

由于成因的復雜性，混合體組成材料的力學特性空間變異性大，表現(xiàn)出強烈的非均質(zhì)性。在高速公路等工程建設(shè)中，路堤填方量和路塹挖方量大、路塹邊坡陡峻，加之氣候多雨、地震活動較頻繁，崩積體一經(jīng)擾動即可能產(chǎn)生滑塌（見圖2）。隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，我國西南山區(qū)要修建眾多的山區(qū)高速公路和山區(qū)鐵路以及大型水庫電站。這些大型重要工程將不可避免遇到崩積混合體，因此開展對其力學特性的研究對于工程的設(shè)計和安全具有重要意義。

圖1 崩積混合體示意圖Fig.1 Sketch of colluvial mixture

圖2 崩積混合體實例照片（水麻高速公路）Fig.2 Photos of colluvial mixture

有關(guān)崩積混合體的研究，國內(nèi)外學者已開展了部分研究工作。Miller 等[9]最早開展了各種不同塊石含量對崩積混合體抗剪強度影響的試驗研究，但由于試驗中法向應(yīng)力較高，摩爾-庫侖理論的適用性有待探討。Irfab 等[2]通過直剪試驗發(fā)現(xiàn)崩積混合體的抗剪強度隨含石量的增加而增加。徐文杰等[10－11]與李曉等[12]通過現(xiàn)場原位剪切試驗指出含石量是影響土石混合體強度與破壞形式的重要因素。在數(shù)值仿真試驗方面，赫建明[13]分析了采用PFC3D進行土石混合體模擬的可行性。徐文杰等[14]采用VC++.NET 接口程序?qū)崿F(xiàn)了非均質(zhì)材料細觀結(jié)構(gòu)PFC2D軟件建模，建立了土石混合體真實的細觀結(jié)構(gòu)PFC2D數(shù)值計算模型。丁秀麗等[15－16]由實拍數(shù)字圖像直接生成顆粒流模型，為土石混合體力學行為的顆粒流模擬提供了建模方法。

綜合前人研究成果，崩積混合體的結(jié)構(gòu)特征，尤其是含石量，在很大程度上影響著崩積混合體的剪切力學特性。以往的研究很少考慮不同粒徑的級配，并且由于試驗手段的限制很難觀測剪切過程并揭示其破壞機制。因此，本文通過崩積混合體原狀樣的篩分試驗，對其結(jié)構(gòu)組成特征進行分析，在此基礎(chǔ)上制備相應(yīng)的重塑樣，考慮6 種含石量水平（0，20%，40%，60%，80%及100%）開展大尺度直剪試驗，并結(jié)合PFC2D顆粒離散元仿真試驗，從宏觀與細觀角度揭示崩積混合體的變形與強度特性。

2 崩積混合體結(jié)構(gòu)特征分析[17]

塊石含量及其分布規(guī)律是研究崩積混合體物理力學特性的重要指標，在確定顆粒級配以前對崩積混合體的研究。首先應(yīng)該確定土體與塊石的界限值，由野外現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，混合體中5 mm 以下的粗顆?；旧鲜怯赏令w粒黏結(jié)而成，本次試驗結(jié)合前學者的研究[18－20]，試驗中將5 mm 界定為土體與塊石之間的粒徑界限。崩積混合體樣本全部取自云南水麻高速公路典型混合體邊坡，其中塊石多為褐紅、紫紅色泥巖或頁巖碎塊，結(jié)構(gòu)松散，碎塊石呈棱角、或次棱角狀。塊石體積不均一，存在僅用肉眼辨別不必篩分的超巨型石塊分布其中。幾何形狀不規(guī)則，風化較為嚴重。母巖巖性為泥質(zhì)砂巖。塊石強度明顯大于土體。為了確定其天然級配，對取回的混合體試樣進行篩分，篩分結(jié)果如圖3 所示。

圖3 崩積混合體篩分試驗粒度分析結(jié)果Fig.3 Particle size analysis of colluvial mixture

由篩分試驗結(jié)果可以看出，雖然試驗地點相近，但試驗結(jié)果的離散性較大，顆粒分布規(guī)律并不一致，含石量在51%～81%之間。從混合體總體的粒徑分布結(jié)果來看，級配良好，粒徑曲線分布范圍表現(xiàn)為平滑，說明在同一崩積混合體范圍內(nèi)，雖然總體級配良好，但其內(nèi)部不均勻，有些部分非常密實，有些部分存在明顯孔隙。將混合體內(nèi)部的土體和塊石區(qū)分開來，其結(jié)構(gòu)局部相似，整體上看其結(jié)構(gòu)特征又具非線性。根據(jù)上述崩積混合體組成特點，可以認為在崩積混合體中粒徑較大的塊石形成骨架，粒徑較小的土體充填其中。一般來講，混合體的級配越好，則其密度越大，強度也會相應(yīng)提高，所以結(jié)構(gòu)組成是影響崩積混合體力學特性的重要因素之一。

3 大型剪切試驗

3.1 塊石粒度選取

由于現(xiàn)場崩積混合體中含有較多超粒徑塊石，為了便于后續(xù)試驗的連續(xù)性，并考慮試驗儀器尺寸的限制，需要對超粒徑塊石進行必要的處理。按大型直剪試驗的要求，最大顆粒直徑不超過直剪試驗試樣高度的1/5 倍。本次所用的試樣剪切盒的高度為200 mm，試驗中塊石最大粒徑取為40 mm。

對于超徑顆粒的處理，現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中常用等量代替法[21]：（1）以容許最大粒徑來替代；（2）按級配等量替代，本次試驗采用按級配等量替代。根據(jù)圖1 中研究區(qū)崩積混合體粒度分布特征，分別按照0（均質(zhì)土體），20%，40%，60%，80%，100%（塊石）6 組不同含石量水平，對超徑部分進行粒徑替代，得到試驗所采用的顆粒分布曲線，如圖4 所示。

圖4 試驗用崩積混合體顆粒分布曲線Fig.4 Particle distribution of colluvial mixture used in tests

3.2 試驗過程

試驗在大型多功能界面剪切儀SJW-200 平臺上進行。試樣的尺寸（長×寬×高）與剪切盒內(nèi)輪廓相同，為600 mm×400 mm×200 mm。試樣制備完成后，按照50、100、150 kPa 及200 kPa 等量分級施加法向應(yīng)力。試驗開始前，施加垂直壓力進行壓密固結(jié)，待垂直變形小于0.03 mm 時，認為固結(jié)穩(wěn)定。利用伺服控制系統(tǒng)，保持預定的法向應(yīng)力不變，啟動下剪切盒勻速進行剪切，剪切速率為2 mm/min，自動記錄剪切位移、剪切荷載、垂直位移等數(shù)據(jù)。

3.3 試驗結(jié)果分析

考慮不同法向應(yīng)力水平下混合體的剪應(yīng)力與剪切位移以及垂直位移與剪切位移的相互關(guān)系，分別繪制100 kPa與200 kPa法向應(yīng)力條件下混合體的應(yīng)力-位移曲線，如圖5、6 所示。圖中，空心圖例表示垂直位移與剪切位移關(guān)系曲線。

圖5 不同法向應(yīng)力時混合體的應(yīng)力-位移曲線Fig.5 Curves of stress vs.displacement in different normal stresses

對試驗結(jié)果的系統(tǒng)分析可知：

（1）含石量高（60%～80%）的混合體應(yīng)變硬化程度明顯強于含石量低（20%～40%）的混合體，說明含石量40%～80%之間時，崩積混合體組成結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了轉(zhuǎn)變，崩積混合體從更傾向于土體的性質(zhì)過渡到更傾向于塊石的性質(zhì)。當含石率較小時，“塊石”懸浮在由“土體”構(gòu)成的介質(zhì)中，塊石與塊石間距離較大難以發(fā)生相互作用，塊石的存在幾乎不會影響其宏觀變形破壞特征；當含石率較大時，塊石與塊石緊密接觸構(gòu)成整個巖土體的骨架，而土體則充填于其中的間隙。由于此時塊石間排列緊密，絕大部分為“土體”部分充填于“塊石”構(gòu)成的骨架間隙中，此時試件的變形特性主要取決于塊石。

（2）在低法向應(yīng)力（100 kPa）條件下，由于沒有足夠的能量促使顆粒填充崩積混合體剪切產(chǎn)生的孔隙，崩積混合體表現(xiàn)出剪脹現(xiàn)象。含石量越高，產(chǎn)生的垂直位移越大，最終的剪脹量也越大。當法向應(yīng)力升高時（200 kPa），高應(yīng)力促使細顆粒填充了混合體結(jié)構(gòu)孔隙，并且抑制了混合體中塊石的運動，崩積混合體變形以剪縮為主。

4 細觀仿真試驗

細觀仿真試驗采用PFC2D顆粒流離散元程序，剪切盒尺寸與室內(nèi)直剪試驗一致，按照預先設(shè)定的孔隙率和顆粒半徑與級配計算顆粒的數(shù)目，再采用粒徑放大和分層欠壓的方法[22]分層生成顆粒，以保顆粒的均勻和密實。保持上剪切盒不動，推動下剪切盒，使用伺服加載機制保持設(shè)定的正應(yīng)力恒定，設(shè)置墻體的剛度遠大于顆粒的剛度，以防止顆粒出現(xiàn)“穿墻而過”的現(xiàn)象。試驗流程與室內(nèi)試驗保持一致。根據(jù)現(xiàn)場土體和現(xiàn)場塊石的室內(nèi)試驗結(jié)果，不斷調(diào)整PFC2D模型各微觀參數(shù)，對試驗結(jié)果進行逼近。模型中土體和塊石的微觀參數(shù)以及標定結(jié)果與實際直剪試驗對比見表1、2。

表1 PFC2D 仿真試驗中土體及塊石模擬的微觀參數(shù)Table 1 The micro-parameters of soil and rock in PFC-2D

表2 PFC2D 仿真試驗與室內(nèi)試驗宏觀結(jié)果對比Table 2 Comparison of the numerical simulation and laboratory test

由標定結(jié)果可以看出，仿真試驗與室內(nèi)試驗結(jié)果較為一致，可以通過分析顆粒流動變化特征和接觸力分布規(guī)律來揭示崩積混合體在剪切過程中的細觀性態(tài)。圖6為法向應(yīng)力100 kPa 下不同含石量的混合體試樣不同剪應(yīng)變階段對應(yīng)的速度場和接觸力分布。由圖可見：

（1）均質(zhì)土體在應(yīng)變ε=1.33%時，速度場開始出現(xiàn)明顯的不均勻，上盒左上角出現(xiàn)45°左右的速度區(qū)分帶（裂隙），剪切盒右上角和左下角的顆粒受到擠壓，應(yīng)力集中明顯，說明試樣內(nèi)部出現(xiàn)迅速的顆粒重排列，此時剪切帶并未形成；ε=4.00%時，剪切帶形成，剪切帶下方的顆粒向著剪切方向運動，剪切帶上方的顆粒在下盒顆粒的擠壓和移動下向左上方運動，剪切帶不均勻；ε=6.67%時，剪切帶趨于平緩，剪切盒右上角與左下角區(qū)域擠壓嚴重，接觸力非常大，產(chǎn)生一些局部的裂隙，顆粒發(fā)生重新分布，而左上角與右下角的顆粒幾乎沒有接觸，孔隙率較大。

（2）含石量40%的崩積混合體剪切過程與均質(zhì)土體較為相似，ε=1.33%時，左上角出現(xiàn)明顯的速度區(qū)分帶（裂隙），速度區(qū)分帶不規(guī)律，且以大顆粒作為邊界；ε=4.00%時，應(yīng)力接近最大值，開始出現(xiàn)剪切帶。剪切帶右邊區(qū)域上盒顆粒仍在下盒顆粒的帶動下向剪切方向運動；ε=6.67%時，剪切帶上部的顆粒在下部顆粒的擠壓帶動下繼續(xù)向上運動。剪切試驗過程中試件的孔隙率分布不均勻，右下角與左上角顆粒明顯呈疏松狀。

圖6 不同含石量崩積混合體在不同剪應(yīng)變時的速度場和接觸力分布Fig.6 The velocity field and contact force of different shearing strains with different rock particle contents

（3）含石量為80%的混合體，剪切過程中下剪切盒的移動對上盒影響非常大，ε=1.33%時，試樣左邊的顆粒以斜向上約30°的角度運動，而右邊的顆?；颈３植粍印Ｔ嚰?nèi)部接觸力分布極不均勻；ε=4.00%時，應(yīng)力達到最大值，并未出現(xiàn)明顯剪切帶；ε=6.67%時，仍未出現(xiàn)明顯剪切帶。根據(jù)已有研究成果[23]，本試驗?zāi)Ｐ偷母叨冗€不足以形成剪切帶，說明崩積混合體中大顆粒的尺寸效應(yīng)十分明顯。從接觸力分布可以看出，接觸力主要分布在以下盒左墻和上盒右墻形成的平行四邊形區(qū)域。接觸方式以大顆粒之間的接觸為主，說明該含石量下大顆粒已形成骨架結(jié)構(gòu)。

由圖6 中還可以看出，隨著含石量的增加，崩積混合體經(jīng)歷了“小顆粒受力-小顆粒與大顆粒共同受力-大顆粒力單獨受力”的過程。含石量40%以下時崩積混合體主體結(jié)構(gòu)由土體構(gòu)成，其變形強度特性主要由內(nèi)部土體控制，含石量超過80%以后塊石形成骨架，僅有少量孔隙由土體充填，力學性質(zhì)由塊石控制，與室內(nèi)試驗中得到的結(jié)論一致。

5 結(jié)論

（1）崩積混合體的應(yīng)變硬化效應(yīng)隨著含石量的增加而表現(xiàn)得愈加明顯。

（2）低法向應(yīng)力條件下，崩積混合體表現(xiàn)為剪脹，而高法向應(yīng)力時則表現(xiàn)為剪縮。

（3）含石量在40%～80%區(qū)間時為崩積混合體力學性質(zhì)的過渡階段；含石量40%以下時，崩積混合體變形強度特性主要由內(nèi)部土體控制；含石量超過80%以后，其力學性質(zhì)由塊石控制。

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