基于顆粒流異性層面剪切特性及演化機(jī)理研究

， ， ，

(中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074)

1 研究背景

三疊系巴東組地層主要分布于鄂西和川東地區(qū)，由于沉積環(huán)境和構(gòu)造作用復(fù)雜，巴東組巖層的工程地質(zhì)性質(zhì)較差，是典型的“易滑地層”[1]。近年來，巴東組地層地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，易滑地層工程地質(zhì)性質(zhì)開始受到學(xué)者們的關(guān)注。由于沉積旋回的作用，巴東組地層中常見不同巖性的交替變化，異性層面非常發(fā)育。異性層面層間滑動(dòng)是導(dǎo)致巴東組易滑地層巖體失穩(wěn)破壞的重要原因。因此，選取巴東組易滑地層異性層面作為研究對象，深入開展巴東組異性層面剪切特性及演化機(jī)理研究具有重要科學(xué)意義與應(yīng)用前景。

目前，獲取結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)特性最常用的方法是室內(nèi)直剪實(shí)驗(yàn)。這種方法最大優(yōu)點(diǎn)在于盡可能保持了天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)。其中R.E.Goodman[2]通過直剪試驗(yàn)，較早地開展了巖石結(jié)構(gòu)面變形和強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)的研究。除了室內(nèi)節(jié)理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，A.Misra等[3-5]通過建立節(jié)理的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，從理論上開展節(jié)理剪切力學(xué)性質(zhì)的研究。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)運(yùn)用廣泛。D.O.Potyondy等[6]提出了顆粒黏結(jié)模型，極大地促進(jìn)了顆粒的接觸本構(gòu)模型發(fā)展。隨著顆粒流程序逐漸成熟，使模擬巖石這類的膠結(jié)材料成為可能[7]。目前數(shù)值模擬顆粒流程序主要有PFC3D 和 PFC2D (Particle Flow Code in 3 Dimensions and 2 Dimensions)[8]，主要是通過顆粒之間的連接斷裂來模擬巖石破壞和斷裂?；赑FC程序，劉順桂等[9]通過設(shè)計(jì)不同連通情況和法向應(yīng)力的斷續(xù)節(jié)理模型材料直剪試驗(yàn)，并采用顆粒流離散元軟件PFC2D對模型試驗(yàn)進(jìn)行了細(xì)觀全過程數(shù)值模擬；J.W.Park和J.J.Song[10]采用顆粒流理論和PFC3D軟件，通過弱化顆粒強(qiáng)度表征結(jié)構(gòu)面單元，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)細(xì)觀過程的三維模擬；周喻和A.Misra[11]基于顆粒流理論和PFC程序?qū)崿F(xiàn)巖石節(jié)理PFC 數(shù)值直剪試驗(yàn)，分別從宏觀和細(xì)觀角度深入探討節(jié)理在直剪試驗(yàn)過程中的力學(xué)演化特征和破壞機(jī)制。但是，以上研究均針對普通結(jié)構(gòu)面。

目前只有少數(shù)學(xué)者研究了異性結(jié)構(gòu)面的宏觀剪切力學(xué)特性。A.H.Ghazvinian等[12]開展了恒定法向壓力邊界條件下異性結(jié)構(gòu)面的剪切性質(zhì)研究，并基于5種不同類型的齒狀結(jié)構(gòu)面和3種不同強(qiáng)度的石膏砂漿進(jìn)行相似材料模型試驗(yàn)，提出了相應(yīng)的剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則；賀建明和吳剛[13]利用剪切試驗(yàn)裝置進(jìn)行了巖體異性結(jié)構(gòu)面模型在不同粗糙度、不同正應(yīng)力下的剪切試驗(yàn)研究，建立了相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則。

以上研究在異性結(jié)構(gòu)面宏觀力學(xué)特征方面進(jìn)行了有益的探討，然而沒有進(jìn)一步深入考慮異性結(jié)構(gòu)面壁巖組合對其剪切力學(xué)特性的影響規(guī)律。另外從細(xì)觀角度開展異性層面演化機(jī)理研究有利于揭示異性層面剪切破壞機(jī)理。巴東組第二段與第三段的分界面是巴東組易于發(fā)生滑動(dòng)破壞的典型異性層面，主要為粉砂質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r的接觸面，本文將其作為研究對象，基于顆粒流數(shù)值試驗(yàn)方法開展異性層面剪切特性研究，考慮了異性層面表面形態(tài)、壁巖組合及法向應(yīng)力對其剪切力學(xué)特性的影響規(guī)律，研究了巴東組典型異性層面的細(xì)觀演化機(jī)理。

2 巴東組異性層面剪切數(shù)值試驗(yàn)

2.1 巴東組異性層面壁巖宏觀和細(xì)觀參數(shù)

本課題組曾開展巴東組趙樹嶺滑坡穩(wěn)定性相關(guān)研究[14-15]，選用該研究中試驗(yàn)所得粉砂質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r的宏觀物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巴東組粉砂質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r宏觀物理力學(xué)參數(shù)

PFC中使用的許多微觀參數(shù)很難直接通過真實(shí)試驗(yàn)獲取。一般情況下認(rèn)為，在數(shù)值模擬試驗(yàn)時(shí)巖石表現(xiàn)出的力學(xué)行為與真實(shí)的物理試驗(yàn)時(shí)表現(xiàn)的力學(xué)行為相近，所使用的PFC中的微觀參數(shù)是合理的，可以在數(shù)值模擬中使用?；诒?中巴東組粉砂質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r的物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬參數(shù)反演，通過不斷調(diào)整顆粒細(xì)觀參數(shù)，使得數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近，最終確定異性層面兩壁巖石的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)。粉砂質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r具體細(xì)觀參數(shù)見表2。

表2 巴東組粉砂質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r顆粒細(xì)觀參數(shù)

圖1給出了粉砂質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r單軸抗壓試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表3為試驗(yàn)和數(shù)值模擬粉砂質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r的主要力學(xué)參數(shù)對比。

圖1 粉砂質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r單軸試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果

表3 粉砂質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r試驗(yàn)和數(shù)值模擬主要力學(xué)參數(shù)

從表3來看，試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到抗壓強(qiáng)度和彈性模量較為接近，相對誤差均小于1.5 %。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果基本上分別反映了粉砂質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r的力學(xué)特性。

其中軟巖和硬巖的粒徑分別為2.5×10-4～4.15×10-4m和3.5×10-4～5×10-4m，顆粒黏結(jié)均采用平行黏結(jié)。

2.2 數(shù)值模型的建立

建立的二維平直狀模型由上、下2半部分組成，尺寸均為0.10 m× 0.02 m。參照Y.R.Fu[16]的 PFC直剪試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在二維平直狀模型中，以程序中定義的墻(wall)來替代剪切盒，建立8個(gè)墻，分別為1#，2#，…，8#墻，如圖2所示。在墻內(nèi)再生成不同屬性的顆粒，在定義球顆粒的過程中需要充分考慮球體半徑空隙擴(kuò)大[17]，如圖3所示。

圖2 模型加載示意圖

圖3 模型球體生成和平行鏈接

墻及顆粒生成后，先施加1 MPa的恒定法向應(yīng)力，再對模型進(jìn)行剪切荷載。其中剪切過程可以通過控制墻體的速度來控制，最后監(jiān)測數(shù)值結(jié)果。具體的實(shí)現(xiàn)過程為：

(1) 使用PFC中的Fish語言編寫伺服應(yīng)力即保證恒定的1 MPa應(yīng)力均勻分布在7#墻。

(2) 在剪切過程中，保持2#，3#，4#墻的水平速度為0，即使2#，3#，4#固定。使6#,7#，8#墻保持同樣的水平剪切速度。由于在剪切過程中保持?jǐn)M靜力加載狀態(tài)，模擬試驗(yàn)設(shè)定6#,7#，8#墻的水平剪切速度為v=0.1 m/s。

(3) 最后開始監(jiān)測一系列模擬試驗(yàn)結(jié)果。PFC中通過監(jiān)測與6#和8#墻作用的所有球顆粒的力，再除以6#和8#墻的長度，所得出的應(yīng)力即為剪切應(yīng)力。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

基于前文建立的異性層面剪切試驗(yàn)數(shù)值模型及細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，得到巴東組典型泥灰?guī)r—粉砂質(zhì)泥巖異性層面的剪切應(yīng)力-位移曲線，如圖4所示。同時(shí)，為了進(jìn)行對比研究，圖4還給出了粉砂質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r同性層面數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可見，在法向應(yīng)力σn=1 MPa時(shí)，粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面的剪應(yīng)力峰值為1.55 MPa，粉砂質(zhì)泥巖同性層面和泥灰?guī)r同性層面的剪應(yīng)力峰值分別為1.19 MPa和2.24 MPa。

圖4 巴東組異性層面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(σn=1 MPa)

由此可得，粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面的剪切應(yīng)力峰值高于粉砂質(zhì)泥巖同性層面的剪切應(yīng)力峰值，低于泥灰?guī)r同性層面的剪切應(yīng)力峰值，且更接近粉砂質(zhì)泥巖同性層面的剪切應(yīng)力峰值。主要原因是由于粉砂質(zhì)泥巖層面表面強(qiáng)度比泥灰?guī)r層面表面強(qiáng)度低得多，在剪切過程中，粉砂質(zhì)泥巖層面表面會(huì)被大量破碎和剪斷，而泥灰?guī)r層面表面被破碎和剪斷相對較少，這樣粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面的剪切應(yīng)力峰值就主要取決于強(qiáng)度較小的那側(cè)巖體。

3 巴東組異性層面剪切力學(xué)特性影響因素

下面分別研究表面形態(tài)、法向應(yīng)力及壁巖組合對異性層面剪切力學(xué)特性的影響，對上述3種影響因素的作用規(guī)律進(jìn)行探討，并重點(diǎn)探討壁巖組合的影響。

3.1 表面形態(tài)的影響及其作用規(guī)律

為研究表面形態(tài)對異性層面剪切力學(xué)特性的影響，建立平直、15°鋸齒狀、30°鋸齒狀及45°鋸齒狀4種表面形態(tài)模型，分別開展在上述不同表面形態(tài)下的PFC2D數(shù)值模擬直剪試驗(yàn)，法向應(yīng)力為1 MPa。

圖5為粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面在不同表面形態(tài)模型下的剪切應(yīng)力-位移曲線。在平直、15°鋸齒狀、30°鋸齒狀及45°鋸齒狀表面形態(tài)模型下，粉砂質(zhì)泥巖-泥灰?guī)r異性層面的抗剪強(qiáng)度分別為1.59，1.87，2.11,2.53 MPa。由圖中砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面達(dá)到峰值前曲線的斜率即剪切剛度可得出，隨著表面粗糙度的增加，剪切剛度也隨之增大。通過曲線剪切應(yīng)力最大值即抗剪強(qiáng)度，隨表面粗糙度的增加而增大。

圖5 不同表面形態(tài)下粉砂質(zhì)泥巖-泥灰?guī)r異性層面的剪切應(yīng)力—位移曲線

從上述數(shù)據(jù)綜合可得出在同樣大小的法向應(yīng)力下，粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面在45°鋸齒狀表面形態(tài)模型下的抗剪強(qiáng)度最高，其次分別為30°鋸齒狀和15°鋸齒狀表面形態(tài)模型，平直狀表面形態(tài)模型的抗剪強(qiáng)度最小。

3.2 法向應(yīng)力的影響及其作用規(guī)律

粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面在平直表面形態(tài)模型下進(jìn)行不同法向應(yīng)力的數(shù)值試驗(yàn)，其剪切應(yīng)力-位移曲線如圖6所示。在0.5，1.0，2.0 MPa不同法向應(yīng)力下，粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面的抗剪強(qiáng)度分別為0.77，1.55，2.61 MPa。

圖6 不同法向應(yīng)力下平直粉砂質(zhì)泥巖-泥灰?guī)r異性層面的剪切應(yīng)力-位移曲線

從上述數(shù)據(jù)可得出粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面在平直狀表面形態(tài)模型下，正應(yīng)力愈大，抗剪強(qiáng)度也愈大。達(dá)到峰值前曲線的斜率即剪切剛度可得出，隨著正應(yīng)力的增加，剪切剛度也隨之增加。

3.3 壁巖組合的影響及其作用規(guī)律

異性層面區(qū)別于普通結(jié)構(gòu)面的重要特征在于其兩側(cè)壁巖性質(zhì)不同，本節(jié)研究壁巖組合特征對異性層面剪切性質(zhì)的影響規(guī)律。定義K為壁巖組合系數(shù)，即異性層面兩側(cè)壁巖單軸抗壓強(qiáng)度之比，令K>1。開展異性層面數(shù)值直剪試驗(yàn)，其中結(jié)構(gòu)面上側(cè)壁巖為軟巖，且參數(shù)均按巴東組典型粉砂質(zhì)泥巖細(xì)觀參數(shù)取值(見表3)；結(jié)構(gòu)面下側(cè)壁巖為硬巖，且參數(shù)按壁巖組合系數(shù)K取值。

圖7是不同壁巖組合系數(shù)K下異性層面在法向應(yīng)力為1 MPa下剪切應(yīng)力-位移曲線。再分別開展不同壁巖組合系數(shù)K異性層面在法向應(yīng)力為2 MPa和4 MPa時(shí)的模擬試驗(yàn)。

圖7 不同壁巖組合系數(shù)的異性層面剪切應(yīng)力-位移曲線(σn=1 MPa)

為了探究異性層面與軟巖同性結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度之比τi/τs與K和法向應(yīng)力σn的關(guān)系,以K為x軸，σn為y軸，τi/τs為z軸的三維坐標(biāo)點(diǎn)，擬合以K和σn為未知量的二元函數(shù)，選取擬合效果最好的三維模型。其表達(dá)式為

(1)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲面如圖8所示。其擬合優(yōu)度系數(shù)R2為0.968 7，表明擬合效果較好。式(1)給出τi/τs與K和法向應(yīng)力σn的數(shù)學(xué)關(guān)系。當(dāng)已知異性層面兩側(cè)巖體的壁巖組合系數(shù)K，剪切試驗(yàn)的法向應(yīng)力σn，就可以得出τi/τs，即可根據(jù)軟巖同性層面的抗剪強(qiáng)度估算異性層面的抗剪強(qiáng)度。通過式(1)，更好地揭示了壁巖組合和法向應(yīng)力在異性層面剪切過程中的交互作用規(guī)律。

圖8 τi/τs和K，σn關(guān)系的擬合曲面

4 巴東組異性層面細(xì)觀演化機(jī)理

研究巴東組異性層面演化機(jī)理主要是通過研究巴東組粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面在不同鋸齒狀表面形態(tài)模型下微觀的破壞情況。在PFC2D中，模型破壞部分是指：在黏結(jié)顆粒在應(yīng)力的加載過程中，顆粒間的接觸力大于顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致黏結(jié)破壞，造成了與整體黏結(jié)體的分離。

本文主要從剪切應(yīng)力為0、剪切應(yīng)力峰值1/2處、剪切應(yīng)力峰值3/4處和剪切應(yīng)力峰值處來監(jiān)測模型破壞。表4表示粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面在不同表面形態(tài)模型下模型破壞情況。

從表4中可以得到以下結(jié)論：

(1)模型破壞部分主要沿著結(jié)構(gòu)面的表面形態(tài)分布，反映出在結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)過程中，結(jié)構(gòu)面上凹凸的分布情況。結(jié)構(gòu)面在左端中部向上處，右端中部向下處出現(xiàn)較多的黏結(jié)破壞顆粒。這種現(xiàn)象主要是由于在結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)中墻體的約束影響，顆粒間的接觸力在這2處附近集中，造成了強(qiáng)度較大且導(dǎo)致較多的顆粒間的黏結(jié)破壞。

(2)破壞處的部分主要為上部粉砂質(zhì)泥巖部分的顆粒黏結(jié)，這主要是由于粉砂質(zhì)泥巖的表面強(qiáng)度比灰?guī)r表面強(qiáng)度低得多。在剪切過程中，粉砂質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)面表面會(huì)被大量破壞，從而產(chǎn)生上部較多顆粒黏結(jié)破壞，而泥灰?guī)r結(jié)構(gòu)面表面被破碎和剪斷相對較少，這與之前描述剪切應(yīng)力峰值的情況相吻合。

5 討論與結(jié)論

5.1 討 論

真實(shí)的結(jié)構(gòu)面形狀十分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)面情況并不是明顯且有規(guī)律的鋸齒狀結(jié)構(gòu)面。文中主要用平直、15°鋸齒狀、30°鋸齒狀和45°鋸齒狀規(guī)則簡單的模型來考慮不同表面形態(tài)對異性層面剪切力學(xué)特性的影響。要模擬更加復(fù)雜真實(shí)的結(jié)構(gòu)面表面形態(tài)，需更加深入分析表面形態(tài)對異性層面剪切力學(xué)特性的影響。

5.2 結(jié) 論

(1) 通過巴東組典型粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面數(shù)值直剪試驗(yàn)可知，粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面抗剪強(qiáng)度介于粉砂質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r同性層面的抗剪強(qiáng)度之間，且更接近與粉砂質(zhì)泥巖同性層面的抗剪強(qiáng)度。

(2) 為探究巴東組異性層面的剪切力學(xué)特性主要影響因素，從不同表面形態(tài)、法向應(yīng)力和壁巖組合3個(gè)方面進(jìn)行多組數(shù)值試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：①在相同的法向應(yīng)力下，巴東組粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面在平直、15°鋸齒狀、30°鋸齒狀和45°鋸齒狀表面形態(tài)模型下的抗剪強(qiáng)度逐漸增大；②在相同的表面形態(tài)下，巴東組粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面分別在0.5，1.0，2.0 MPa下的法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度逐漸增大；③ 探討了異性層面剪切力學(xué)特性與壁巖強(qiáng)度組合的關(guān)系，得到了異性層面與軟巖同性層面抗剪強(qiáng)度之比τi/τs與異性層面壁巖組合系數(shù)K和法向應(yīng)力σn之間的關(guān)系表達(dá)式，揭示了壁巖組合和法向應(yīng)力在異性層面剪切過程中的交互作用規(guī)律。

表4 粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面在不同表面形態(tài)下的破壞情況

(3) 通過研究巴東組典型粉砂質(zhì)泥巖—泥灰?guī)r異性層面演化機(jī)理，得到的規(guī)律主要是：沿著結(jié)構(gòu)面形態(tài)分布附近進(jìn)行破壞，且在破壞的程度上，主要是強(qiáng)度較低的那側(cè)壁巖大量破壞。

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