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    凍融循環(huán)作用下露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)土體力學(xué)特征及強(qiáng)度劣化機(jī)理

    2023-12-05 05:43:48張合勇王雪冬朱永東王海鵬漆利輝
    煤田地質(zhì)與勘探 2023年11期
    關(guān)鍵詞:模型

    張合勇,王雪冬,朱永東,王海鵬,漆利輝

    (遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

    我國(guó)露天煤礦的采礦規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大,開采過程中產(chǎn)生的棄土礦渣形成了大量平臺(tái)緊實(shí)、邊坡松散高陡的排土場(chǎng)[1]。由于我國(guó)大部分露天煤礦位于高寒生態(tài)脆弱地區(qū),受凍融作用影響,土體的力學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著溫度和含水率的變化表現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性[2],常導(dǎo)致排土場(chǎng)凍脹、融凍滑塌、剝蝕等變形破壞。因此,研究?jī)鋈谘h(huán)作用下土體力學(xué)特征及強(qiáng)度劣化機(jī)理對(duì)礦山安全生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)等工作具有十分重要的價(jià)值。

    近年來,凍融循環(huán)作用影響土體物理力學(xué)性質(zhì)的研究主要集中在不同凍融循環(huán)次數(shù)中應(yīng)力-變形、抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等方面的變化規(guī)律[3]。隨著凍融次數(shù)的增加,土體的抗剪強(qiáng)度和黏聚力多數(shù)表現(xiàn)出先降低后保持穩(wěn)定或先降低后增加而后保持穩(wěn)定的規(guī)律[4-5],內(nèi)摩擦角的變化則沒有明顯的規(guī)律性;應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出不受影響或由軟化型向硬化型過渡的變化[6-7]。為了研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)土體內(nèi)部的影響,采用核磁共振測(cè)試、掃描電鏡觀測(cè)和壓汞試驗(yàn)等[8-9],從微觀角度觀察到土體的變化不只有土顆粒的凍縮和水的相變[10],還存在水分運(yùn)移。在水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)的相互作用及變化規(guī)律的控制下,土體原本的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞,造成強(qiáng)度劣化。

    國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)凍土內(nèi)部水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的研究,分析引起土體強(qiáng)度劣化的機(jī)理,建立了多種條件下的理論模型[11-13],但理論模型難以說明水、熱、力三場(chǎng)相互作用下土體的劣化過程,而數(shù)值模擬則可以彌補(bǔ)理論模型的不足[14]??紤]到離散元法可以通過顆粒流理論和有限差分法等思想較好地從細(xì)觀角度模擬土的力學(xué)行為和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相關(guān)變化,桑宏偉等[15]采用離散元法實(shí)現(xiàn)熱量在顆粒間的傳遞,模擬出能源樁與周圍土層換熱的過程。尹楠等[16]基于離散元法模擬不同圍壓、不同溫度下凍土的靜三軸試驗(yàn)。Le Tiancheng 等[17]基于離散元軟件,模擬出土樣蒸發(fā)、收縮和開裂的過程,均取得了良好的研究成果。因此,筆者選擇離散元法模擬水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的相互作用來分析凍融循環(huán)作用下土體強(qiáng)度的劣化機(jī)理。

    筆者以內(nèi)蒙古元寶山露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)典型黏土為研究對(duì)象,通過進(jìn)行天然含水率下不同凍融循環(huán)次數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn),獲取凍融作用對(duì)土料宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。采用離散元數(shù)值模擬,研究?jī)鋈谘h(huán)中溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)的變化導(dǎo)致土體強(qiáng)度劣化的影響機(jī)理,以期為凍區(qū)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析和其他工程建設(shè)提供一定的參考。

    1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

    1.1 試驗(yàn)材料

    試樣所用土料取自內(nèi)蒙古元寶山露天煤礦東南幫內(nèi)排土場(chǎng),取土地理位置及顆粒級(jí)配曲線如圖1 所示。按照試驗(yàn)規(guī)程[18]進(jìn)行相關(guān)室內(nèi)土性試驗(yàn)得到土料的天然干密度為1.63 g/cm3,天然含水率為17.6%,液限和塑限分別為33.8%、19.3%,塑性指數(shù)為14.5。通過塑性指數(shù)判定土料類型為黏土,根據(jù)顆粒級(jí)配、細(xì)顆粒含量和液塑限認(rèn)為該土料屬于凍融敏感性土[19]。

    圖1 取土位置和顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Sampling location and particle gradation curve

    1.2 試樣制備

    由于排土場(chǎng)是人工堆積而成的松散體,具有質(zhì)地疏松、強(qiáng)度較低等特點(diǎn)。土料的離散性較大,為獲取具有代表性的土樣,在多個(gè)平臺(tái)上收集一定量的原狀土料,通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得土料的天然含水率和天然干密度,依據(jù)上述條件進(jìn)行重塑,制備直徑39.1 mm、高度80 mm 的三軸試樣。為了探究無外界水分交換條件下凍融作用引起的土體內(nèi)部水分運(yùn)移及相變對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響,試驗(yàn)采用保鮮膜將試樣包裹后再放入密封袋,模擬無外界水分交換的封閉系統(tǒng)。具體重塑和制樣步驟及過程如圖2 所示。

    圖2 土料重塑、制樣步驟及圖片F(xiàn)ig.2 Soil remolded and sample preparation steps and pictures

    1.3 試驗(yàn)方案

    試驗(yàn)采用的凍融設(shè)備包括冰箱和恒溫恒濕箱。冰箱最低凍結(jié)溫度為-40℃;恒溫恒濕箱溫控范圍0~50℃,精度±0.1℃。考慮到研究區(qū)2011-2022 年中最低的月平均氣溫為-18℃,本試驗(yàn)條件設(shè)置為:凍結(jié)溫度-20℃、融化溫度+20℃,凍結(jié)和融化時(shí)間均為12 h,即24 h 為一個(gè)周期。試驗(yàn)共設(shè)置7 組,每組設(shè)置3 個(gè)試樣及1 個(gè)備用,共需28 個(gè),循環(huán)次數(shù)分別為0、1、3、5、10、15、25 次。試樣達(dá)到凍融次數(shù)后采用TSZ10-1 型三軸儀進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)置圍壓分別為100、200 和300 kPa,軸向應(yīng)變速率設(shè)為0.8 mm/min,當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到15%時(shí)停止剪切,取峰值為最大破壞強(qiáng)度。

    2 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果與分析

    2.1 對(duì)試樣質(zhì)量和宏觀變形的影響

    試樣在凍融過程中質(zhì)量的變化從圖3 可以看出,試樣質(zhì)量的損失率很低,雖然呈緩慢增長(zhǎng),但最終損失率僅為0.124%,即損失0.23 g 水分,說明在試驗(yàn)中采用的密封處理方法有效避免了水分流失對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。通過高度和直徑變化可以看出,首次凍融后兩者的凍縮均相對(duì)明顯,分別為0.095%和0.347%;高度的凍縮率在前期增長(zhǎng)較快,至第5 次時(shí)增加到0.276%,隨后變化減緩并基本穩(wěn)定在0.3%;而直徑凍縮率經(jīng)過首次顯著變化后,開始緩慢增長(zhǎng)并逐漸趨于穩(wěn)定。經(jīng)分析,在凍融循環(huán)試驗(yàn)中,凍結(jié)時(shí)土骨架收縮,因土體含水率較低,此過程以孔隙體積被壓縮為主;融化后土骨架的收縮無法完全恢復(fù),所以宏觀上表現(xiàn)為凍縮,此外,土在凍結(jié)過程中形成的冷生構(gòu)造會(huì)產(chǎn)生微裂隙[20],且試樣在試驗(yàn)時(shí)為平放,受到重力影響,所以直徑收縮率大于高度收縮率;而高度方向的變化受重力影響較小,主要是凍融作用的結(jié)果,說明該土體受凍融作用的影響主要體現(xiàn)在前期。首次體積凍縮率最大,達(dá)到0.786%,隨著凍融次數(shù)增加,增長(zhǎng)逐漸減緩并趨于穩(wěn)定;可以看出,由于土體的凍融敏感性,首次凍融作用下土體結(jié)構(gòu)、顆粒間的膠結(jié)和孔隙變化幅度最大[21],造成的體積縮小最為明顯,隨著凍融次數(shù)增加,凍融作用的影響減小,內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸調(diào)整完成,體積趨于穩(wěn)定。

    圖3 試樣的質(zhì)量和宏觀變形與凍融次數(shù)的關(guān)系Fig.3 The relationship between the quality and macroscopic deformation of the sample and the number of freeze-thaw cycles

    2.2 對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響

    2.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

    不同凍融次數(shù)、不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4 所示,其中F-T 表示凍融次數(shù)。從圖4 可以發(fā)現(xiàn),圍壓100 kPa 時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化型,經(jīng)過多次凍融循環(huán),有向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),剪切破壞時(shí)試樣產(chǎn)生破裂面;圍壓200、300 kPa 時(shí)表現(xiàn)出應(yīng)變硬化型,破壞形式也由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄裕嚇影l(fā)生剪脹破壞。通過不同凍融次數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出,前期凍融循環(huán)作用對(duì)土體強(qiáng)度的影響十分敏感,尤其是第1 次和第3 次凍融結(jié)束后,不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均明顯低于其他凍融次數(shù),隨著凍融次數(shù)增加,強(qiáng)度有所增大并趨于穩(wěn)定。

    圖4 不同凍融次數(shù)、不同圍壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of different freeze-thaw times and different confining pressures

    2.2.2 破壞強(qiáng)度

    凍融次數(shù)與破壞強(qiáng)度的關(guān)系如圖5 所示,可以看出,經(jīng)過3 次的凍融循環(huán)后土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷,破壞強(qiáng)度急劇降低。根據(jù)圖3 試樣的凍縮變化率發(fā)現(xiàn),凍融1~3 次的高度凍縮率曲線的斜率是3~5 次的1.97 倍,凍融作用的影響明顯減弱。凍縮速率的快速減小代表內(nèi)部結(jié)構(gòu)將不會(huì)再進(jìn)行劇烈調(diào)整,隨著土體的凍縮,固結(jié)度提高,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸恢復(fù);另外,第5 次凍融后的試樣抗剪強(qiáng)度發(fā)生大幅回升,說明第4 次凍融后土體抗剪強(qiáng)度應(yīng)增加而非降低。因此,凍融循環(huán)的劣化作用發(fā)生在前3 次。雖然多次凍融后強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,但仍低于未凍融時(shí)的強(qiáng)度,說明凍融作用對(duì)土體造成的損傷具有不可恢復(fù)性。

    圖5 不同凍融次數(shù)下破壞強(qiáng)度變化Fig.5 Change of failure strength under different freeze-thaw times

    2.2.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

    內(nèi)摩擦角和黏聚力在不同凍融次數(shù)下的變化規(guī)律如圖6 所示。內(nèi)摩擦角經(jīng)歷1 次凍融之后便達(dá)到平衡;黏聚力與強(qiáng)度變化相似,先減小后增加并達(dá)到穩(wěn)定。經(jīng)分析,初次凍融后,由于水分的相變和遷移,體積膨脹擠壓鄰近土顆粒,破壞土顆粒間的膠結(jié),降低咬合摩擦力,引起內(nèi)摩擦角和黏聚力均減小[22]。試樣的凍縮作用增大固結(jié)度,顆粒團(tuán)聚體解體,小顆粒增多,咬合程度提高,所以內(nèi)摩擦角受后續(xù)的凍融影響較小[3]。土體結(jié)構(gòu)凍融過程中的水分運(yùn)移、溶蝕、沖刷黏性礦物和產(chǎn)生的冷生結(jié)構(gòu)等削弱了顆粒間的膠結(jié)力,導(dǎo)致黏聚力繼續(xù)降低,隨著凍融次數(shù)增加,水分運(yùn)移通道趨于穩(wěn)定,新的土體結(jié)構(gòu)逐漸形成,因此黏聚力也不再發(fā)生較大變化。

    圖6 不同凍融次數(shù)下抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化Fig.6 The change of shear strength parameters under different freeze-thaw times

    3 理論分析與離散元數(shù)值模擬

    依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,本文將通過離散元數(shù)值模擬研究前3 次凍融循環(huán)作用引起強(qiáng)度損傷的細(xì)觀影響機(jī)理和作用過程。

    3.1 離散元單元間接觸模型

    顆粒離散元法中,巖土體是由一系列遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律的離散單元堆積而成,單元間依靠可斷裂的彈簧表示法向力(Fn)、切向力(Fs)和摩擦力(Ff)等效真實(shí)世界中巖石或土壤中礦物顆粒之間的膠結(jié)作用。接觸模型參數(shù)中Kn為法向剛度,Ks為切向剛度,Xb為斷裂位移,Xn為法向相對(duì)位移,Xs為切向相對(duì)位移,F(xiàn)s0和μp分別為切向初始抗剪力和摩擦因數(shù),如圖7 所示。

    圖7 離散元顆粒接觸關(guān)系Fig.7 Contact of discrete element

    單元間法向力與法向剛度的關(guān)系可用下式表示:

    相鄰單元連接時(shí)相互之間存在彈簧的拉壓作用,若位移Xn超過斷裂位移Xb時(shí)彈簧斷裂,單元間將不會(huì)產(chǎn)生拉力,但是發(fā)生擠壓時(shí)仍然可以產(chǎn)生壓力作用。

    單元間切向力與切向剛度的關(guān)系為:

    根據(jù)摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則,單元間連接完整時(shí)最大剪切力Fsmax表示為:

    當(dāng)剪切力超過Fsmax時(shí),彈簧發(fā)生斷裂,初始抗剪力Fs0消失,發(fā)生滑動(dòng),產(chǎn)生的摩擦力Ff為-μpFn,與真實(shí)顆粒相比,膠結(jié)斷裂意味著法向和切向之間的連接均會(huì)斷開。

    由于在物理世界中巖土體的顆粒并不是完全彈性體,內(nèi)部存在水分、節(jié)理或微裂隙等因素阻礙顆粒的運(yùn)動(dòng),動(dòng)能會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為熱能而衰減。在數(shù)值模擬中,單元上的黏滯阻力(Fv)表征了真實(shí)世界中各種因素對(duì)動(dòng)能的消耗,MatDEM 通過引入該力避免了動(dòng)能在系統(tǒng)中的積累[23]。黏滯阻力由下式給定:

    式中:ψ為阻尼系數(shù),與模型的體積、顆粒直徑、顆粒質(zhì)量和顆粒剛度系數(shù)有關(guān);μ為顆粒的速度。

    3.2 離散元多場(chǎng)耦合理論

    在離散元數(shù)值模擬中,模型中的顆粒代表由一定體積黏土顆粒和水組成的集合體,其中水是虛設(shè)值,并不真實(shí)存在。顆粒除了具有一定的力學(xué)性質(zhì)外,還可以通過虛設(shè)一個(gè)溫度值,賦給顆粒后讓其具有溫度屬性。在本研究中,真實(shí)土體的條件是含水率為17.6%,溫度為20℃,將這2 種條件賦到顆粒上便可以通過建立半徑與溫度、含水率和應(yīng)力之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)凍融循環(huán)中溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合模擬。假定顆粒的含水率表示土顆粒及其周圍區(qū)域的平均含水率,溫度和水分通過顆粒間的接觸進(jìn)行傳遞。

    由于水凍結(jié)時(shí)會(huì)釋放潛熱出現(xiàn)過冷現(xiàn)象[24],模擬時(shí)假設(shè)將0℃至過冷溫度的區(qū)域設(shè)為凍結(jié)緣,且水分僅在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)移[25]。

    3.2.1 溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)控制方程

    在數(shù)值模擬中,首先進(jìn)行溫度傳遞,單元顆粒經(jīng)過一個(gè)時(shí)間步的溫度變化量?T,通過利用溫度場(chǎng)控制方程[26]轉(zhuǎn)化為下式進(jìn)行計(jì)算:

    式中:C為土的體積熱容,kJ/(m3·K);λ為土與水的平均導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);η為顆粒間溫度傳遞影響系數(shù),與時(shí)間步數(shù)和循環(huán)次數(shù)有關(guān);L為冰-水相變潛熱,一般取值為334.56 kJ/kg;T為單元顆粒初始溫度,℃;Tj為周圍接觸到的單元顆粒溫度,j=1,2,···,N;ρi為冰密度,取值0.917×103kg/m3;Vi為溫度低于0℃的顆粒單元體積;V為組成模型的單元顆??傮w積。

    隨著溫度的降低,顆粒間逐漸出現(xiàn)水分運(yùn)移現(xiàn)象。每個(gè)時(shí)間步的水分運(yùn)移量?ω參考水分場(chǎng)控制方程[27],轉(zhuǎn)換為如下公式進(jìn)行計(jì)算,升溫時(shí)也按照此公式進(jìn)行水分回遷模擬。

    式中:D為水分?jǐn)U散系數(shù);ρw為水密度,取 值1×103kg/m3;ζ為顆粒溫度差與水分運(yùn)移量的系數(shù),通過時(shí)間步數(shù)和循環(huán)次數(shù)等模擬訓(xùn)練獲得;ωk為與周圍接觸到的單元顆粒的含水率,k=1,2,···,b;Tf為過冷溫度,取-1.5℃[28]。

    水分?jǐn)U散系數(shù)D計(jì)算公式為:

    式中:a、m、l為水土特征曲線擬合參數(shù),引用基于室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的V-G 模型和凍土物理學(xué)[29];θi為冰的體積含量;S為相對(duì)飽和度;θw為液態(tài)水的體積含量;ws為飽和含水率;wc為殘余含水率;Kb為飽和滲透系數(shù)。

    3.2.2 單元顆粒半徑變化及對(duì)強(qiáng)度的影響

    在凍融過程中,由于溫度的變化,土骨架凍縮、回彈和水分的運(yùn)移及相變均會(huì)對(duì)土體體積產(chǎn)生影響,為了在數(shù)值模擬中體現(xiàn)這一過程,本文將上述變化細(xì)化到單元顆粒的變形上,把單元顆粒的變形原因視為土顆粒和水分變化兩部分。假設(shè)顆粒的半徑按照土顆粒和水分之間的質(zhì)量比值進(jìn)行劃分,即水分所占半徑的大小為含水率的值ω,土顆粒占半徑的(1-ω)。對(duì)于土顆粒,計(jì)算時(shí)采用土顆粒所占半徑的比例乘以土顆粒收縮系數(shù),模擬土顆粒受溫度影響引起的顆粒半徑變化。對(duì)于水分,考慮了水分運(yùn)移引起的含水率增加或減少以及水分凍結(jié)和融化導(dǎo)致的顆粒半徑脹縮變化。為了展示變化過程,給出了顆粒在含水率增加時(shí)的凍融過程圖如圖8 所示。

    圖8 含水率增加時(shí)顆粒變化Fig.8 Particle changes when the moisture content increases

    因此,當(dāng)顆粒溫度低于過冷溫度或高于0℃時(shí),顆粒半徑R的變化采用如下公式計(jì)算:

    式中:R0為初始單元顆粒半徑;R1為融化時(shí)單元顆粒半徑;ω0為初始含水率;ωd、ωr分別為凍結(jié)完成和融化完成后的含水率;γ為土顆粒收縮相關(guān)系數(shù),根據(jù)試樣凍縮量取值。溫度低于過冷溫度視為凍結(jié)完成,高于0℃時(shí)視為融化完成,顆粒半徑不變。

    依據(jù)應(yīng)力場(chǎng)基本方程中應(yīng)力σ與彈性模量E、泊松比v和體積變形有關(guān)[30],模型中顆粒間的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算公式如下:

    式中:RB為凍結(jié)前顆粒半徑;RL為凍結(jié)或融化后的顆粒半徑。

    由于顆粒半徑R和泊松比v與顆粒間的法向剛度和切向剛度之間存在關(guān)系,從Liu Chun 等[31]給出的參數(shù)轉(zhuǎn)換公式可知:

    通過式(1)、式(2)可知法向力和切向力與法向剛度和切向剛度相關(guān),所以模型中顆粒的正應(yīng)力 σn和切應(yīng)力σs的計(jì)算公式為:

    式中:FnB、FsB與FnL、FsL分別為顆粒半徑為RB和RL時(shí)的法向力和切向力;xnB、xnL為顆粒的法向相對(duì)位移;xsB、xsL為切向相對(duì)位移。

    根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,試樣強(qiáng)度劣化發(fā)生在前3 次的凍融循環(huán),將彈性模量、泊松比與凍融次數(shù)結(jié)合,擬合公式如下:

    式中:B為凍融次數(shù)。

    在數(shù)值模擬單次迭代中,首先利用式(5)實(shí)現(xiàn)顆粒間的熱量傳遞;利用式(6)實(shí)現(xiàn)水分在溫度的影響下發(fā)生運(yùn)移;然后篩選溫度低于凍結(jié)溫度或高于0℃的顆粒,利用式(9)或式(10)分別實(shí)現(xiàn)凍結(jié)和融化時(shí)溫度、水分運(yùn)移及相變對(duì)顆粒半徑產(chǎn)生的影響;顆粒半徑的增大和縮小引起顆粒間的擠壓和移動(dòng),改變了顆粒間的力學(xué)性質(zhì),通過式(14)或式(15)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下的應(yīng)力;最后平衡模型。由于顆粒位置發(fā)生重排列,顆粒間的接觸狀態(tài)被改變,進(jìn)而影響下一次迭代中溫度傳遞、水分運(yùn)移和應(yīng)力變化。經(jīng)過以上步驟的循環(huán)迭代實(shí)現(xiàn)凍融條件下土體內(nèi)部的水熱力三場(chǎng)耦合。

    3.3 離散元模型的建立

    3.3.1 堆積模型的建立

    本模擬試驗(yàn)基于南京大學(xué)自主研發(fā)的三維離散元模擬軟件MatDEM[32]。通過該軟件首先建立一個(gè)內(nèi)徑3.91 cm 的圓管,在圓管內(nèi)生成平均半徑0.1 cm 的隨機(jī)顆粒,然后對(duì)單元顆粒施加隨機(jī)速度進(jìn)行壓密沉積,建立直徑0.039 1 m、高0.08 m 的模型如圖9 所示。由圓管、頂板及底板構(gòu)成的恒溫結(jié)構(gòu)如圖10 所示,溫度設(shè)定為20℃或-20℃,不參與水分運(yùn)移和不對(duì)模型產(chǎn)生約束,僅作為溫度邊界。模型共由24 466 個(gè)活動(dòng)單元組成,其中試樣模型由17 930 個(gè)單元顆粒組成。

    圖9 試樣模型Fig.9 Sample model

    圖10 恒溫結(jié)構(gòu)Fig.10 Thermostatic structure

    3.3.2 模型的材料設(shè)置

    采用離散元法建模時(shí),為了獲得與真實(shí)土體宏觀力學(xué)性質(zhì)相似的堆積模型,在MatDEM 軟件中的材料自動(dòng)訓(xùn)練模塊,利用室內(nèi)試驗(yàn)獲取的土體力學(xué)參數(shù)如:彈性模量(E)、泊松比(v)、抗壓強(qiáng)度(Cu)、拉伸強(qiáng)度(Tu)和摩擦因數(shù)(μp),進(jìn)行連續(xù)5 次的訓(xùn)練優(yōu)化,獲得建立模型所需的宏觀力學(xué)參數(shù),然后根據(jù)Liu Chun 等[31]給出的宏微觀參數(shù)轉(zhuǎn)換公式,計(jì)算反映模型顆粒間性質(zhì)的微觀力學(xué)參數(shù),如:法向剛度(Kn)、剪切剛度(Ks)、初始抗剪力(Fs0)、斷裂位移(Xb)和摩擦因數(shù)(μp)。完成材料訓(xùn)練后,將獲得的力學(xué)參數(shù)賦給堆積的試樣模型,進(jìn)行單軸無側(cè)限壓縮模擬試驗(yàn),并與室內(nèi)無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,如圖11 所示。室內(nèi)試驗(yàn)所獲的土體力學(xué)參數(shù)和通過對(duì)模型材料自動(dòng)訓(xùn)練獲得的宏微觀力學(xué)參數(shù)見表1。

    表1 土體室內(nèi)試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)和模型材料的宏微觀力學(xué)參數(shù)Table 1 Macroscopic parameters of soil test maro-micro parameters of model meterials

    圖11 室內(nèi)與數(shù)值模擬的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.11 Indoor and numerical simulation of unconfined compressive strength

    數(shù)值模擬中溫度控制方程和水分傳導(dǎo)方程的相關(guān)參數(shù)見表2,其中η和 ζ經(jīng)過多次訓(xùn)練分別取0.1 和0.05,水和冰的導(dǎo)熱系數(shù)λw和λi均取自規(guī)范值[29],式(7)、式(8)中ws、wc、Kb及式(5)中C、λ根據(jù)已有的室內(nèi)土工試驗(yàn)成果進(jìn)行取值。

    表2 分析計(jì)算的相關(guān)參數(shù)Table 2 Macroscopic and microscopic mechanical parameters of soil

    4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

    4.1 溫度場(chǎng)演變規(guī)律

    試樣的凍融過程如圖12 所示。根據(jù)模型中心區(qū)域的3 個(gè)溫度節(jié)點(diǎn):0℃、過冷溫度和-20℃,將凍結(jié)過程劃分為溫度快速下降、緩慢相變過程、繼續(xù)降溫、溫度穩(wěn)定4 個(gè)階段。第一階段,如圖12a-圖12e 所示,在50 min 時(shí)由于試樣表層與恒溫結(jié)構(gòu)之間溫差大,顆??焖賰鼋Y(jié),形成明顯凍結(jié)區(qū);凍結(jié)區(qū)內(nèi)側(cè)分布著溫度位于0℃附近的一層較薄區(qū)域,形成凍結(jié)緣區(qū)[33];距離冷端較遠(yuǎn)的顆粒溫度未明顯下降,形成未凍土區(qū)。至 170 min 時(shí),因凍結(jié)面與未凍區(qū)溫差變小,所以凍結(jié)區(qū)擴(kuò)大較慢,但是內(nèi)部溫度降低較快,模型中心區(qū)域溫度基本全部降至0℃左右,結(jié)合圖12c 和圖12d 可以發(fā)現(xiàn),凍結(jié)鋒面推進(jìn)較多,凍結(jié)緣變得越來越厚。凍結(jié)進(jìn)入第二階段,如圖12f 和圖12g 所示,此時(shí)凍結(jié)緣內(nèi)冰水共存,水相變時(shí)釋放潛熱,減緩降溫速度。直到250 min 后模型核心溫度全部低于過冷溫度,可視為模型已完全凍結(jié)。第三階段開始,此時(shí)模型中溫度的傳遞速度有所提高,顆粒溫度繼續(xù)降低,到400 min后(圖12h),降溫過程結(jié)束,進(jìn)入第四階段,顆粒與恒溫結(jié)構(gòu)沒有溫差,達(dá)到溫度穩(wěn)定狀態(tài)。

    圖12 凍融過程中的溫度傳遞Fig.12 Temperature transfer during freeze-thaw

    融化過程與凍結(jié)過程類似,同樣經(jīng)過4 個(gè)階段。將圖12i-圖12k 所處時(shí)間點(diǎn)的溫度變化與凍結(jié)過程相比,區(qū)別在于融化過程中0℃以下的變溫速率大于0℃以上的變溫速率,直至全部融化。第2、第3 次凍融循環(huán)中的溫度傳遞過程與第1 次基本一致。

    4.2 水分場(chǎng)演變規(guī)律

    依據(jù)4.1 節(jié)中對(duì)凍融過程的階段劃分,可以看出水分運(yùn)移范圍跟隨凍結(jié)區(qū)向模型的內(nèi)部逐漸轉(zhuǎn)移。在凍結(jié)過程的第一階段中,如圖13a-圖13e 所示,由于冷端溫度與未凍區(qū)之間溫差大,土中水分成冰較快,水分運(yùn)移量很少。第二階段中,如圖13f-圖13g 所示,凍結(jié)區(qū)發(fā)展緩慢,但凍結(jié)緣增厚,土中水分有較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行遷移,所以圖13e-圖13g 中含水率升高的顆粒明顯增多。第三階段中,模型已完全凍結(jié),含水率基本不變,如圖13h 所示。以上模擬水分運(yùn)移過程說明,溫度梯度的存在導(dǎo)致引起水分運(yùn)移的土水勢(shì)出現(xiàn),水分從高溫向低溫處遷移[34];溫差越大,土體凍結(jié)越快,水分以原位凍結(jié)為主;溫度梯度較小時(shí),凍結(jié)較慢,水分運(yùn)移增加。凍結(jié)區(qū)邊緣顆粒的體積會(huì)通過周圍顆粒的水分補(bǔ)給逐漸增大,擠壓周圍顆粒,說明水分運(yùn)移會(huì)引起水分重分布,局部含水率升高,水分凍結(jié)成冰后導(dǎo)致土體發(fā)生不均勻變形,改變顆粒排列方式,破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

    圖13 凍融過程中水分運(yùn)移Fig.13 Moisture migration during freeze-thaw

    融化過程中,在溫度梯度和土水勢(shì)的作用下,土體水分發(fā)生回遷現(xiàn)象,高含水率顆粒中的水分向周圍低含水率的顆粒轉(zhuǎn)移,如圖13i-圖13l 所示。升溫結(jié)束后,發(fā)現(xiàn)水分并未完全回遷,導(dǎo)致含水率分布不均,說明顆粒凍結(jié)后位置被動(dòng)調(diào)整,與周圍顆粒的連接狀態(tài)發(fā)生改變,所以不能按照水分運(yùn)移的路徑回遷。在第2、第3 次凍融循環(huán)中,水分的遷移會(huì)繼續(xù)引起土體結(jié)構(gòu)的變化,含水率升高或降低的顆粒逐漸增加,進(jìn)而對(duì)溫度傳遞、水分運(yùn)移的路徑和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

    4.3 單元顆粒半徑變化及宏觀變形

    圖14 為17 930 個(gè)模型顆粒半徑在首次凍結(jié)后和融化后的大小分布圖,可以發(fā)現(xiàn)顆粒半徑主要集中在0.000 75~0.001 10 m,凍融后的平均半徑低于0.001 m,發(fā)生細(xì)觀角度上土顆粒和水分集合體的凍縮現(xiàn)象。受水分運(yùn)移的影響,凍融前后相同半徑區(qū)間的單元顆粒數(shù)均有差別,融化后的分布曲線偏低,顆粒大小更為分散。隨著凍融次數(shù)增加,含水率升高和降低的顆粒增多,最大半徑和最小半徑的顆粒也隨之增長(zhǎng)。顆粒半徑的變化引起周圍顆粒發(fā)生位移,原本的接觸狀態(tài)隨之改變,形成位移場(chǎng),如圖15 中顆粒在X方向的位移。通過圖15a、圖15b 對(duì)比發(fā)現(xiàn),前后位移場(chǎng)存在一定的差異,說明模型在凍融作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)受顆粒的脹縮影響已經(jīng)發(fā)生變化。

    圖14 凍結(jié)、融化后顆粒半徑分布Fig.14 Particle radius distribution after freezing and thawing

    圖15 凍結(jié)、融化后X 方向位移場(chǎng)Fig.15 X-directional displacement field after freezing and thawing

    通過對(duì)模型凍結(jié)和融化后的直徑和高度變化數(shù)據(jù)的提取,凍結(jié)后含水率升高的顆粒半徑明顯增加,擠壓周圍顆粒,引起模型凍脹;融化后,顆粒半徑縮小,在顆粒間膠結(jié)力、黏聚力等的作用下向內(nèi)側(cè)移動(dòng),變形逐漸恢復(fù)(圖16)。整體上可以看出模型在凍融過程中體積先凍脹而后融沉的現(xiàn)象。由于顆粒代表一定體積的土水集合體,顆粒直徑占高度的1/80,直徑的1/39,所以宏觀變形上較難達(dá)到一致,但是模擬的最高誤差未超過0.172%,可以有效說明凍融作用對(duì)土體變形的影響。

    圖16 凍結(jié)、融化后高度和直徑變化率Fig.16 Rate of change in height and diameter after freezing and thawing

    4.4 溫度和水分綜合作用對(duì)應(yīng)力和強(qiáng)度的影響

    凍融作用引起的內(nèi)部應(yīng)力變化如圖17 所示。凍結(jié)前顆粒間的應(yīng)力受重力影響由上至下逐漸增加,但是變化并不明顯。經(jīng)過凍融作用,在溫度、水分運(yùn)移及相變的影響下引起部分顆粒的脹縮讓模型內(nèi)產(chǎn)生局部的變形,引起顆粒重新排列,導(dǎo)致顆粒斷開連接或與其他顆粒建立新連接,改變了顆粒間的受力狀態(tài),破壞了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu),最終造成應(yīng)力明顯降低。

    圖17 凍結(jié)前、融化后X 方向應(yīng)力場(chǎng)Fig.17 X-direction stress field before freezing and after melting

    將經(jīng)過0、1 和3 次凍融過程的模型進(jìn)行圍壓為100 kPa 的單軸壓縮模擬試驗(yàn),與室內(nèi)相同條件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖18 所示,模型破壞強(qiáng)度大小與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本相同。在凍融循環(huán)模擬中,顆粒的脹縮、冰-水相變、水分聚集與回遷現(xiàn)象的發(fā)生,改變了土體原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。隨著凍融次數(shù)的增加,顆粒之間的孔隙、位置、連接狀態(tài)和應(yīng)力大小不斷變化。其次,凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的水分運(yùn)移令部分顆粒持續(xù)獲得水分而明顯增大,與土體中局部孔隙得到水的補(bǔ)充后,凍結(jié)成冰發(fā)生膨脹現(xiàn)象一致,改變了顆粒間的相對(duì)位置及接觸狀態(tài),最終造成難以恢復(fù)的結(jié)構(gòu)損傷,導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。

    圖18 不同凍融次數(shù)的強(qiáng)度對(duì)比Fig.18 Strength comparison of different freeze-thaw crcles

    利用MatDEM 軟件中的材料訓(xùn)練模塊和能對(duì)單元顆粒添加虛設(shè)值的特點(diǎn),獲得與真實(shí)土體溫度和含水率相同、力學(xué)性質(zhì)相似的模型,并通過溫度與含水率變化影響顆粒半徑,引起的模型強(qiáng)度和變形與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致,說明數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的,且具有實(shí)際參考價(jià)值。

    5 結(jié)論

    a.土體在凍融循環(huán)作用下發(fā)生凍縮,體積減?。豢辜魪?qiáng)度及其參數(shù)的劣化主要受前3 次凍融作用的影響,第3 次劣化程度最大,隨著凍融次數(shù)的增加,抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)回升并趨于穩(wěn)定。

    b.建立的水、熱、力和半徑變化的計(jì)算方程,適用于非飽和黏性土;可較好地模擬溫度、水分和應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,獲得的試樣變形和破壞強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合度也較高;可用于描述凍結(jié)鋒面的移動(dòng)軌跡和含水率的變化過程。

    c.溫度傳遞過程中可劃分為溫度快速下降、緩慢相變過程、繼續(xù)降溫、溫度穩(wěn)定4 個(gè)階段;水分運(yùn)移主要發(fā)生在溫度傳遞的前2 個(gè)階段,緩慢相變過程中的水分運(yùn)移量居多。

    d.凍融作用導(dǎo)致顆粒整體縮小且分散性增大;土體主要由于土顆粒的脹縮、冰-水相變、水分運(yùn)移和冷生結(jié)構(gòu)等共同作用引起位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)改變,產(chǎn)生不可逆的結(jié)構(gòu)損傷而造成抗剪強(qiáng)度劣化。

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