露天礦復(fù)合邊坡動(dòng)水?dāng)y砂蠕變模型研究

，，，，

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) a.土木工程學(xué)院; b.力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新　123000)

1　研究背景

在我國內(nèi)蒙古地區(qū)薄基巖上覆含水厚松散層地質(zhì)條件下的露天開采過程中，由于受降水過程中滲流作用的影響，地下水系及地表水系發(fā)生劇烈的調(diào)整。細(xì)砂粒隨著水在地層內(nèi)的滲流過程被攜帶出來，形成大面積的水砂混合物堆積于地表，也形成坡內(nèi)潛蝕和破壞，使得邊坡穩(wěn)定性降低，嚴(yán)重危及邊坡和生產(chǎn)安全，且破壞一旦發(fā)生，難于治理，嚴(yán)重破壞周邊自然生態(tài)環(huán)境。

這類現(xiàn)象屬于礦山開采誘發(fā)水害中第四系松散含水層型水害的一種[1]，從機(jī)理上屬于高水頭差所形成的滲透壓力作用下，水砂運(yùn)移所引發(fā)的巖土體滲透破壞現(xiàn)象，且其機(jī)理明顯有別于其他滲透破壞特征，發(fā)生條件更加復(fù)雜。

關(guān)于砂土動(dòng)水?dāng)y砂現(xiàn)象的專門研究相對(duì)較少，與其相關(guān)的研究主要集中在地震及滲透液化、管涌與礦山災(zāi)害中的潰砂現(xiàn)象幾個(gè)方面。

汪聞韶[2]對(duì)液化進(jìn)行了分類并從機(jī)理上解釋了砂土液化現(xiàn)象。Bardet等[3]研究了San Francisco Loma Prieta地區(qū)地震砂沸現(xiàn)象的分布與地面位移的關(guān)系。Holzer等[4]研究了非地震荷載引發(fā)的砂沸現(xiàn)象。Casagrande[5]最早分析了砂土液化引起的往復(fù)循環(huán)變形。鄧榮貴等[6]從砂粒-孔隙水兩相介質(zhì)相互作用角度，根據(jù)下沉砂粒與滲流孔隙水間相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力作用建立飽和砂土液化過程模型和判據(jù)。劉紅軍等[7-8]構(gòu)建了海床土體微單元破壞的重正化群模型，對(duì)結(jié)構(gòu)面斷裂損傷臨界概率進(jìn)行了研究。周健等[9]求解了兩相介質(zhì)流體連續(xù)方程與Navier-Stoke方程，模擬了不同水壓滲流引起的液化過程。李廣信等[10]通過模型試驗(yàn)?zāi)M二元堤基條件與不同深度防滲墻管涌發(fā)生、發(fā)展過程，獲得出砂面積，驗(yàn)證滲透破壞模式。劉忠玉等[11]構(gòu)建了毛管模型，推出顆粒起動(dòng)臨界水頭梯度公式和考慮細(xì)顆粒流失的滲透系數(shù)公式。李守德等[12]針對(duì)管涌破壞滲流場強(qiáng)烈的空間特性提出以一維通道嵌入三維塊體的方法，分析了滲流場時(shí)空分布特性。劉丹珠等[13]對(duì)考慮土體坍塌的單層堤基管涌過程的數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究。隋旺華等[14-15]用帶裂縫混凝土塊模擬帶裂縫巖體采動(dòng)過程，采用改裝滲透儀對(duì)采煤垮落帶和裂縫帶滲透破壞機(jī)制進(jìn)行了研究。楊偉峰[16]設(shè)計(jì)制作了水砂混合流運(yùn)移及突涌試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模擬覆巖體裂隙通道中水砂混合流在運(yùn)移與突出過程中的起動(dòng)、運(yùn)移、穩(wěn)定過程。

露天礦復(fù)合邊坡發(fā)生的動(dòng)水?dāng)y砂現(xiàn)象與其他滲透破壞的特點(diǎn)明顯不同。目前，對(duì)于動(dòng)水?dāng)y砂現(xiàn)象的致災(zāi)機(jī)理研究相對(duì)薄弱。為揭示露天礦復(fù)合邊坡內(nèi)砂粒間相互作用機(jī)理，需要對(duì)砂粒特征結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行受力分析，建立簡化蠕變力學(xué)模型?，F(xiàn)有的滑片元件僅能反映摩擦滑動(dòng)階段的變形，無法反映塑性區(qū)域擴(kuò)展至形成塑性鉸后的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，給描述砂土顆粒間強(qiáng)力鏈上的變形和力學(xué)行為帶來了困難，而塑性鉸恰好可以解決這個(gè)問題。

本文嘗試通過引入塑性鉸概念，嘗試用“塑轉(zhuǎn)鉸”元件代替滑片元件，描述塑性變形階段中塑性區(qū)的形成、擴(kuò)展、形成塑性鉸后的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，構(gòu)建可用于分析砂土顆粒間變形、移動(dòng)演化過程的砂土蠕變接觸力學(xué)模型。

2　一種新的“塑轉(zhuǎn)鉸”元件

2.1　基本物理模型元件

巖土體物理模型通常由基本元件(完全彈性彈簧、黏壺和滑片)分別模擬理想彈性固體(Hooke solid model)、牛頓流體(Newtonian liquid model)和圣維南理想塑性固體(St.Venant plastic solid model)，并將2種或2種以上基本元件串聯(lián)或并聯(lián)起來，進(jìn)行各種排列組合，就能近似而定性地模擬真實(shí)巖土材料的力學(xué)性能，并以應(yīng)力和變形的關(guān)系推導(dǎo)出巖土體流變方程。

2.2　“塑轉(zhuǎn)鉸”元件的提出

塑性鉸的概念出自鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。適筋梁或柱受拉彎、壓彎作用縱筋屈服后，截面可以有較大轉(zhuǎn)角，形成類似于鉸一樣的效果，稱作塑性鉸。塑性鉸是一種特殊的鉸，能承受一定方向的彎矩，這是它區(qū)別于一般鉸最本質(zhì)的特征。塑性鉸不是集中在一點(diǎn)，而是形成一小段局部變形很大的區(qū)域；塑性鉸為單向鉸，僅能沿彎矩作用方向產(chǎn)生一定限度的轉(zhuǎn)動(dòng)，而理想鉸不能承受彎矩，但可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。由于顆粒單元在受力變形過程中會(huì)受剪切力作用，顆粒間發(fā)生摩擦、滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的過程，嘗試引入塑性鉸概念，構(gòu)建一種新型元件來描述砂土顆粒接觸區(qū)域內(nèi)發(fā)生塑性擠壓變形后形成一定的塑性區(qū)域并發(fā)生有限轉(zhuǎn)動(dòng)的過程。

基于現(xiàn)有滑片元件不能描述發(fā)生塑性變形后，在局部一定區(qū)域形成塑性鉸后發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的過程，提出一種新的簡化模型元件來代替滑片元件，對(duì)滑片元件進(jìn)行改進(jìn)，見圖 1。圖1中，σ為法向應(yīng)力；M為彎矩。 當(dāng)元件未達(dá)到最大剪切強(qiáng)度時(shí)仍為滑片元件，但當(dāng)元件達(dá)到并超過最大剪切強(qiáng)度發(fā)生滑動(dòng)后，由于塑性區(qū)的擴(kuò)展，形成塑性鉸時(shí)，元件由滑片轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄糟q，稱其為“塑轉(zhuǎn)鉸”元件。

圖1　塑轉(zhuǎn)鉸元件Fig.1　Plastic-to-hinge element

圖3　砂土顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic diagramof mesoscopic structure ofsand particles

3　砂粒團(tuán)簇特征結(jié)構(gòu)單元力學(xué)模型

3.1　砂土顆粒細(xì)觀特征結(jié)構(gòu)單元力學(xué)分析

顆粒物質(zhì)與湍流被世界公認(rèn)并列為100個(gè)科學(xué)難題之一。如何建立微細(xì)觀與宏觀間的聯(lián)系也是顆粒物質(zhì)宏細(xì)觀研究的一個(gè)瓶頸。目前對(duì)顆粒物質(zhì)體系平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的研究形成一門新的學(xué)科——顆粒物質(zhì)力學(xué)。通過采用高精度電子天平稱重法、顯色靈敏復(fù)寫紙壓痕法和光弾性法等方法和實(shí)驗(yàn)手段已檢測到顆粒物質(zhì)中截面上的接觸力分布情況，確認(rèn)了力鏈的存在(見圖2)[17-18]，并對(duì)強(qiáng)力鏈上顆粒間接觸力進(jìn)行量化分析，但仍無法檢測弱接觸力，無法排除對(duì)內(nèi)部接觸力的干擾。對(duì)于顆粒間的接觸力、顆粒物理性質(zhì)、初始和邊界條件等對(duì)接觸力及強(qiáng)力鏈分布的影響仍需進(jìn)一步研究。

圖2　重力作用下砂粒間微觀內(nèi)部力鏈網(wǎng)絡(luò) Fig.2　Microscopic network of internal force chainamong sand particles under the action of gravity

砂土是典型的顆粒物質(zhì)，在顆粒間相互作用下形成一個(gè)復(fù)雜的體系。近年來對(duì)于顆粒物質(zhì)的研究傾向于精細(xì)力學(xué)行為方面，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)觀測與數(shù)值仿真試驗(yàn)，但至今對(duì)于顆粒體系中的靜力和動(dòng)力學(xué)行為仍無法用經(jīng)典固體、流體力學(xué)解釋清楚。從細(xì)觀角度看，散體顆粒是由不同級(jí)配的顆粒組成的多空隙結(jié)構(gòu)，砂土顆粒尺度上的細(xì)觀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，見圖3。

科學(xué)研究的對(duì)象要從最小的特征結(jié)構(gòu)單元入手[19-20]，對(duì)于砂土以砂粒團(tuán)簇單元為研究對(duì)象，通過構(gòu)建由新舊元件及其組合的簡化力學(xué)模型來描述顆粒間的細(xì)觀力學(xué)行為。 選取飽水砂土的最小特征結(jié)構(gòu)單元，從細(xì)觀角度對(duì)單粒砂進(jìn)行受力分析(見圖4)。由圖4可見，單粒砂主要受重力G,水中浮力Fb，法向接觸力Fn，切向接觸力Ft和滲透力Fsep作用。

圖4　水中砂粒團(tuán)簇特征結(jié)構(gòu)單元受力分析Fig.4　Force analysis for characteristic structure unit ofsand clusters in water

對(duì)于砂粒體系中的力鏈通?？沙惺芤欢ǖ那邢蛄ψ饔?。一般力鏈不長，大約為10倍砂粒粒徑，顆粒物質(zhì)與以空間尺度為主的固體介質(zhì)有明顯區(qū)別。

3.2　砂土蠕變模型及改進(jìn)

對(duì)于工程中的散體顆粒研究對(duì)象，如泥石流、無黏性土、黏性土、砂礫、石等，特征結(jié)構(gòu)單元間存在強(qiáng)力鏈的連接。在一定條件下，當(dāng)強(qiáng)力鏈在外力作用下達(dá)到內(nèi)力極限時(shí)，強(qiáng)力鏈即會(huì)被打斷。在滲流作用下，散體顆粒由固態(tài)彈塑性變形狀態(tài)轉(zhuǎn)化為固-液2相的變形狀態(tài)，而從細(xì)觀角度來看，該過程均是從散體顆粒的特征結(jié)構(gòu)單元的起動(dòng)、運(yùn)移開始的一個(gè)漸進(jìn)過程。在砂土顆粒間發(fā)生緩慢移動(dòng)變形的過程中，出現(xiàn)砂粒特征結(jié)構(gòu)單元從砂粒團(tuán)簇中剝離的現(xiàn)象。抗剪強(qiáng)度幾乎為0，處于“懸浮”的起動(dòng)臨界狀態(tài)，而從細(xì)觀角度來看，顆粒間的強(qiáng)力鏈相當(dāng)于宏觀上的虛擬桿單元?？煽紤]引入塑性鉸的概念，描述強(qiáng)力鏈上發(fā)生塑性滑動(dòng)，形成塑性鉸，發(fā)生平移、轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過程。

А.Я.Будин在文獻(xiàn)[21]中，嘗試用彈性、塑性、黏性元件和某些非線性變形的結(jié)構(gòu)元件，建立反映土變形時(shí)結(jié)構(gòu)變化過程的Будин模型，見圖5(a)。圖5(a)中，θnp為結(jié)構(gòu)元件的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，SV1為“塑轉(zhuǎn)鉸”元件，SV2為滑片元件，N為黏壺元件。

Будин模型中的塑性滑片元件無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而當(dāng)進(jìn)入滑動(dòng)階段后，對(duì)塑性發(fā)展區(qū)引入結(jié)構(gòu)力學(xué)中的塑性鉸可描述塑性區(qū)域形成后的轉(zhuǎn)動(dòng)，在塑性鉸處的彎矩趨于0，而鉸的位置上僅存在可向x,y這2個(gè)方向上分解的力?？赏ㄟ^“塑轉(zhuǎn)鉸”元件取代傳統(tǒng)塑性滑片元件來描述巖土顆粒間的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)Будин模型進(jìn)行改進(jìn)，更加真實(shí)地反映土體顆粒間移動(dòng)變形過程，如圖5(b)所示。

圖5　Будин模型和基于“塑轉(zhuǎn)鉸”的改進(jìn)Будин模型Fig.5　Будин model and improved Будин modelbased on “plastic-to-hinge” element

“塑轉(zhuǎn)鉸”元件能反映土體變形過程中顆粒間發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的過程，從而相應(yīng)地改變變形速度。顆粒方向變化用“塑轉(zhuǎn)鉸”元件來模擬。黏性元件服從的關(guān)系式為

(1)

而“塑轉(zhuǎn)鉸”元件的剪應(yīng)變可用式(2)的非線性關(guān)系式來描述，即

γs=γ*tan(τstηs-1)。

(2)

式中：γs為“塑轉(zhuǎn)鉸”元件的剪應(yīng)變；γ*為結(jié)構(gòu)元件的剪應(yīng)變，且γ*=γP/sinθs，γP為結(jié)構(gòu)完全重新分布時(shí)的剪應(yīng)變；θs為結(jié)構(gòu)單元S轉(zhuǎn)動(dòng)的極限角；τs為結(jié)構(gòu)元件剪應(yīng)力；t為蠕變時(shí)間；ηs為黏性元件黏度。

模型剪應(yīng)變及模型剪應(yīng)力強(qiáng)度的表達(dá)式分別為:

γ=γs+γN,

(3)

τ=τs=τN。

(4)

式中：γ為模型剪應(yīng)變；γN為黏性元件剪應(yīng)變；τs為結(jié)構(gòu)元件剪應(yīng)力;τN為黏性元件剪應(yīng)力。

模型方程可由式(3)和式(4)推導(dǎo)而得。τT(1)為“塑轉(zhuǎn)鉸”元件的極限抗剪強(qiáng)度。當(dāng)τ<τT(1)時(shí)，不發(fā)生蠕變；當(dāng)τ≥τT(1)時(shí)，發(fā)生與土顆粒重新定向有關(guān)的衰減蠕變，即

(5)

式中τT1為“塑轉(zhuǎn)鉸”元件的極限抗剪強(qiáng)度。當(dāng)θ=θnp時(shí)，顆粒重新定向停止，進(jìn)一步的變形可能是穩(wěn)定流動(dòng)，即

(6)

式中τT2為滑片元件SV2的極限抗剪強(qiáng)度。穩(wěn)定流動(dòng)的發(fā)生條件為τT(1)<τ<τT(1)+τT(2)。

3.3　砂土蠕變曲線及流變狀態(tài)方程

文獻(xiàn)[21]給出最原始的蠕變曲線微分方程為

(7)

線性黏彈性狀態(tài)方程的一般形式為

(8)

式中α0,α1,α2,β1，β2均為系數(shù)。

當(dāng)τ為常數(shù)時(shí)，式(7)的解為

(9)

對(duì)于卸載情況，即τ=0時(shí)，式(7)的解為

(10)

τ=Gγ+G0-Gγexp(-t/Tr)=

τ-τ-τ0exp(-t/Tr)。

(11)

式中：τ為長期剪切強(qiáng)度；τ0為瞬時(shí)剪切強(qiáng)度。

因此，式(7)可描述土體彈性后效、松弛過程，同時(shí)考慮了瞬時(shí)變形。應(yīng)力松弛過程可描述極限應(yīng)力達(dá)到某個(gè)終值，而不是0，因此式(7)可用以描述綜合性彈黏性體的流變狀態(tài)方程。

圖6　根據(jù)蠕變發(fā)展趨勢的蠕變分類Fig.6　Creep classification according to creepdevelopment tendency

蠕變過程按發(fā)展趨勢可分為非衰減蠕變(見圖6(a))、非衰減蠕變率蠕變(圖6(b))、衰減蠕變(圖6(c))。非衰減蠕變曲線可分為3個(gè)階段。tr,tnp,tpas分別為第Ⅰ階段、第Ⅱ階段、第Ⅲ階段終了時(shí)刻。變形均等于受荷載后立即發(fā)生的相對(duì)瞬時(shí)變形與隨時(shí)間發(fā)展的變形2部分之和,即

γ=γ0+γt。

(12)

在非衰減蠕變曲線及蠕變率曲線的第Ⅲ階段，存在一個(gè)加速度為正的加速蠕變階段CE，還存在一個(gè)加速度為負(fù)的加速蠕變階段ED。對(duì)于砂土在非衰減蠕變的第Ⅲ階段中的此類蠕變特性，經(jīng)分析是由于砂粒間接觸摩擦和變形移動(dòng)所致。由于改進(jìn)Будин模型引入“塑轉(zhuǎn)鉸”元件，可以較好地描述非衰減蠕變中的第Ⅲ階段加速蠕變的過程。

4　模型辨識(shí)

為驗(yàn)證改進(jìn)Будин模型的可靠性和有效性，自行研制模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行動(dòng)水?dāng)y砂試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[22]試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

4.1　動(dòng)水?dāng)y砂試驗(yàn)

為模擬不同水力梯度下動(dòng)水?dāng)y砂過程，觀測砂層在自重應(yīng)力及水力梯度作用下的剪切變形特征及砂層內(nèi)部破壞形態(tài)，自主研發(fā)動(dòng)水?dāng)y砂模型試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洳捎猛该鞑ＡР馁|(zhì)制作，見圖7。

圖7　動(dòng)水?dāng)y砂模型試驗(yàn)裝置Fig.7　Model test apparatus for moving water and sand

首先清洗干凈模型，將模型下端的圓孔堵住。然后分別在5個(gè)模型槽內(nèi)注入0，11.5，13.0，14.5，16.0 cm高的水; 然后在各個(gè)玻璃槽中分別加入質(zhì)量均為10 kg，含水率為0的干砂，鋪砂厚度26.0 cm；靜置一段時(shí)間，讓水與砂混合均勻，然后把小孔中的各個(gè)塞子同時(shí)拔開。在各個(gè)槽下端的小孔處放置一個(gè)燒杯，收集從孔中攜出的水-砂混合物；待每個(gè)槽中的水-砂混合物不再漏出。通過觀測發(fā)現(xiàn)砂層內(nèi)部出現(xiàn)了“階梯狀”的分層現(xiàn)象(圖8(a))。

從上向下測量以上各個(gè)玻璃槽中“階梯”的高度，測量方法是取2根細(xì)長線，然后分別在2根細(xì)長線一端放置一枚針，并分別將另一端都綁在一根直桿上，然后移動(dòng)細(xì)線測出“階梯”的高度,見圖8(b)。

圖8　“階梯狀”的分層現(xiàn)象及“階梯”高度的測量Fig.8　Ladder-like layered phenomenon andmeasurement of ladder height

不同注水高度下 “階梯”自重應(yīng)力方向剪切應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線見圖9，匯總結(jié)果見表1。

圖9　不同注水高度下 “階梯”自重應(yīng)力方向剪切應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線Fig.9　Shear strain in self-weight stress direction ofladder against time under different water injection heights

注水高度/cm階梯數(shù)“階梯”高度/cm自重應(yīng)力下的剪切應(yīng)變/%11．513．014．516．011．86．9022．911．1511．76．5022．911．1532．59．6041．86．9012．18．1022．710．4032．07．7043．212．3051．24．6012．710．4022．610．0033．814．6043．814．6051．97．3061．35．0071．76．50

圖9和表1反映了不同注水高度條件下，砂層在自重應(yīng)力水平下的沿著垂直方向的剪切應(yīng)變均為一個(gè)衰減過程，最大剪應(yīng)變水平在10%～15%附近出現(xiàn)屈服平臺(tái)，而動(dòng)水?dāng)y砂過程顯著縮短了砂土顆粒間的剪切蠕變時(shí)間。

4.2　砂土剪切蠕變試驗(yàn)

為了驗(yàn)證文中蠕變模型的合理性,選取文獻(xiàn)[22]剪切蠕變試驗(yàn)中，在正應(yīng)力P=2.5 MPa時(shí)細(xì)砂試件在恒定剪切荷載下的蠕變曲線,見圖10。

圖10　文獻(xiàn)[22]蠕變試驗(yàn)結(jié)果Fig.10　Creep test results from reference [22]

從圖10可以看出，當(dāng)溫度降至-15 ℃以下時(shí)，在低應(yīng)力條件下的蠕變曲線的3個(gè)階段較明顯，而溫度在-2 ℃時(shí)，與-15 ℃時(shí)的蠕變曲線形態(tài)區(qū)別顯著；當(dāng)溫度處于-15 ℃時(shí)，在低應(yīng)力條件在出現(xiàn)了2次塑性屈服后進(jìn)入加速蠕變至破壞。試驗(yàn)結(jié)果與圖6(c)中的規(guī)律較接近，證明了在第Ⅲ階段加速蠕變過程中存在著正加速度和負(fù)加速度加速蠕變，正加速度蠕變使土體變形加速趨近變形和強(qiáng)度極限，而負(fù)加速度加速蠕變使土體加速變形趨勢減緩，使屈服極限出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，經(jīng)分析得到該蠕變階段是造成凍結(jié)砂土蠕變的直接原因。

在-15 ℃溫度，剪應(yīng)力為3.61 MPa的低應(yīng)力水平下，試驗(yàn)蠕變曲線較接近2.3節(jié)分析的第Ⅲ階段蠕變曲線形態(tài)，因此采用該試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和模型參數(shù)辨識(shí)，結(jié)合Levenberg-Marquardt(LM) 與通用全局優(yōu)化算法(Universal Global Optimization,UGO)進(jìn)行擬合與參數(shù)辨識(shí)，模型參數(shù)與擬合結(jié)果見表2。擬合結(jié)果顯示改進(jìn)Будин模型擬合相關(guān)度較好。

4.3　砂土剪切蠕變試驗(yàn)與動(dòng)水?dāng)y砂模型試驗(yàn)對(duì)比

通過對(duì)比圖9與圖10(b)的剪應(yīng)變曲線，可發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[22]的試驗(yàn)結(jié)果與本文試驗(yàn)結(jié)果中的剪應(yīng)變均在10%～15%附近出現(xiàn)屈服平臺(tái)，均為衰減過程，動(dòng)水?dāng)y砂試驗(yàn)中在高水頭差作用下，雖然自重應(yīng)力水平較低，但在沿著垂直方向的剪切力作用下，在較短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到剪應(yīng)變極限，且剪應(yīng)變水平與文獻(xiàn)[22]剪切蠕變試驗(yàn)的應(yīng)變水平接近，驗(yàn)證了改進(jìn)Будин模型的可靠性和有效性。

表2　模型參數(shù)辨識(shí)成果Table 2　Identification data of model parameters

注：α為擬合相關(guān)度

5　結(jié)　論

(1)提出一種新的 “塑轉(zhuǎn)鉸”元件，對(duì)滑片元件進(jìn)行改進(jìn)，可描述材料顆粒間發(fā)生塑性滑動(dòng)后的轉(zhuǎn)動(dòng)過程。

(2)基于“塑轉(zhuǎn)鉸”元件對(duì)Будин模型進(jìn)行改進(jìn)，并給出其本構(gòu)方程和蠕變曲線方程，可較好地揭示第Ⅲ階段蠕變過程中，由于砂粒間的擠壓、接觸摩擦形成塑性滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的正加速度和負(fù)加速度蠕變過程。

(3)通過動(dòng)水?dāng)y砂模型試驗(yàn)及砂土蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)Будин模型進(jìn)行了模型驗(yàn)證與參數(shù)辨識(shí)，結(jié)果表明該模型精度較好，從而為分析露天礦復(fù)合邊坡松散砂層內(nèi)砂土顆粒間的蠕變機(jī)理提供了一種新的蠕變力學(xué)模型。

參考文獻(xiàn)：

[1]武強(qiáng)，崔芳鵬，趙蘇啟，等. 礦井水害類型劃分及主要特征分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2013, 38(4): 561-565.

[2]汪聞韶.土的液化機(jī)理[J]. 水利學(xué)報(bào),1981,(5):22-34.

[3]BARDET J P, KAPUSKAR M. Liquefaction Sand Boils in San Francisco During 1989 Loma Prieta Earthquake [J]. Journal of Geotechnical Engineering，1993， 119(3)：534-562.

[4]HOLZER T L, CLARK M M. Sand Boils Without Earthquakes[J]. Geology, 1993,21(10):873-876.

[5]CASAGRANDE A. Liquefaction and Cyclic Deformation of Sands—A Critical Review[C]∥Harvard Soil Mechanics. Proceedings of the 5th Pan American Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Buenos Aires，Argentina，November 17-22，1975:80-133.

[6]鄧榮貴，張倬元，劉宏.飽和砂土動(dòng)力液化到滲流液化過程探討[J]. 山地學(xué)報(bào), 2001, 19(5): 430-435.

[7]劉紅軍，李洪江，王虎，等.飽和海床土滲流-應(yīng)力耦合損傷及液化破壞規(guī)律(Ⅰ)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(11): 1-7.

[8]李洪江，劉紅軍，王虎，等.飽和海床土滲流-應(yīng)力耦合損傷及液化破壞規(guī)律(Ⅱ)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(12): 1480-1486.

[9]周健，姚志雄，張剛.砂土滲流過程的細(xì)觀數(shù)值模擬[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2007, 29(7): 977-981.

[10] 李廣信，周曉杰.堤基管涌發(fā)生發(fā)展過程的試驗(yàn)?zāi)M[J]. 水利水電科技進(jìn)展, 2005, 25(6): 21-24.

[11] 劉忠玉，樂金朝，苗天德.無粘性土中管涌的毛管模型及其應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(22): 3871-3876.

[12] 李守德，徐紅娟，田軍.均質(zhì)土壩管涌發(fā)展過程的滲流場空間形狀研究[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(12): 2001-2004.

[13] 劉丹珠，張家發(fā)，李少龍，等. 考慮土體坍塌的單層堤基管涌數(shù)值模擬方法研究[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2012, 29(10): 98-101.

[14] 隋旺華，蔡光桃，董青紅.近松散層采煤覆巖采動(dòng)裂縫水砂突涌臨界水力坡度試驗(yàn)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 26(10): 2084-2091.

[15] 隋旺華，董青紅.近松散層開采孔隙水壓力變化及其對(duì)水砂突涌的前兆意義[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(9): 1908-1916.

[16] 楊偉峰.薄基巖采動(dòng)破斷及其誘發(fā)水砂混合流運(yùn)移特征[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué), 2009.

[17] 孫其誠，王光謙.顆粒物質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[18] 孫其誠，厚美瑛，金峰，等.顆粒物質(zhì)物理與力學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2011.

[19] 王來貴，朱旺喜.科學(xué)研究要擁有系統(tǒng)哲學(xué)思維[J]. 中國基礎(chǔ)科學(xué),2015, (3): 60-62.

[20] 王來貴，朱旺喜.試論工程系統(tǒng)演化過程研究內(nèi)涵[J]. 中國基礎(chǔ)科學(xué),2013, (2): 3-6.

[21] 維亞洛夫C C. 土力學(xué)的流變原理[M]. 杜于培,譯.北京：科學(xué)出版社，1987.

[22] 米海珍，吳紫汪，馬巍，等.凍結(jié)細(xì)砂剪切蠕變的若干特性[J]. 冰川凍土,1993, 15(3): 492-497.