水-巖相互作用對砂巖劣化效應的離散元模擬

駱祚森 陳將宏 鄧華鋒

(三峽大學 土木與建筑學院,湖北 宜昌 443002)

隨著我國水利水電工程建設的發(fā)展和大型水庫的建成,水-巖作用對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響不容忽視.較多學者對水-巖作用下巖石力學特性開展了廣泛的研究,分析了巖石宏觀力學性質的劣化規(guī)律,并從微細觀角度來解釋分析了水-巖作用下巖石力學性質的劣化機理[1-3].水-巖作用下巖石的一些宏觀的力學參數(shù)劣化規(guī)律往往可以從室內試驗中獲取,但是巖石的微細觀參數(shù)的變化往往是室內試驗無法獲取的.由于離散元模型比連續(xù)介質模型更能反映巖石微細觀的物理機制,一些學者通過借助PFC數(shù)值模擬的方法,對巖石進行細觀參數(shù)的分析研究:周杰[4]以重慶地區(qū)砂巖的三軸壓縮試驗應力-應變曲線為基準,完成了二維顆粒流PFC2D數(shù)值砂巖試樣的細觀參數(shù)標定;劉新榮[5]基于離散元軟件PFC2D,研究了干濕循環(huán)對泥質砂巖顆粒的接觸網絡,力鏈分布和裂紋分布的影響;Williams[6]通過PFC2D雙軸壓縮試驗,研究了顆粒的形狀對材料壓縮性能影響.

針對以往研究中,利用巖石微細觀參數(shù)的響應來研究水-巖作用對巖石的劣化效應的相對較少,本文運用PFC2D,通過使PFC2D模擬單軸試驗應力-應變曲線與室內周期性水-巖作用試驗曲線相符合的方式,以此為基礎,研究巖石微觀力學參數(shù)的變化規(guī)律,結合數(shù)值模擬結果進行巖石試樣在單軸加載作用下內部破壞模式的細觀分析,揭示水-巖作用下巖石宏觀力學性質的劣化機理.

1 水-巖作用下砂巖的單軸壓縮試驗

為了真實的模擬周期性的水-巖作用對三峽庫區(qū)消落帶砂巖的劣化作用,進行室內模擬試驗.試驗選用的砂巖取自三峽庫區(qū)消落帶,制備巖樣嚴格按照規(guī)范要求,尺寸均為50 mm(直徑)×100 mm(高)圓柱體.為了減小試驗誤差,試驗之前通過測試巖樣的波速和回彈值,選擇波速相近的巖樣進行試驗.

設計的水-巖作用試驗每個周期包括4個階段:水壓力上升階段、壓力穩(wěn)定階段、壓力下降階段、自然風干階段.試驗設備使用課題組自主研發(fā)的YRK-1巖石溶解儀器.其中水壓力上升階段持續(xù)10 d,水壓力從0 MPa均勻升至0.3 MPa;壓力穩(wěn)定階段持續(xù)10 d,水壓力穩(wěn)定在0.3 MPa;壓力下降階段持續(xù)時間也為10 d,水壓力從0.3 MPa均勻下降至0 MPa;自然風干階段取出砂巖試樣,在自然狀態(tài)下進行風干10 d.每個水-巖作用周期完成之后,取出一組飽水狀態(tài)砂巖試樣進行單軸壓縮試驗.

巖樣單軸抗壓強度隨水-巖作用周期的變化如圖1所示.從圖1可以看出,砂巖的單軸抗壓強度隨水-巖作用周期的增加而衰減.衰減規(guī)律為:在前6個水-巖作用周期,砂巖單軸抗壓強度降低較為顯著;6個水-巖作用周期后,砂巖單軸抗壓強度的降低逐漸減緩,并且趨于平緩.

圖1 巖樣單軸抗壓強度隨水-巖作用周期的變化

2 顆粒流PFC2D細觀力學模型的建立

2.1 接觸模型的選擇

砂巖主要由巖石顆粒和膠結物組成,較為常見的膠結形式為基底膠結、孔隙膠結、接觸膠結和鑲嵌膠結[7].目前一些文獻中PFC模擬巖石顆粒接觸使用較多的接觸模型是parallel-bond模型.針對parallelbond模型在粘結破壞之后不能很好地限制顆粒旋轉[8],影響模擬參數(shù)的真實性,本文選用flat-joint模型,使模擬更接近真實情況.

2.2 PFC2D數(shù)值模型細觀力學參數(shù)的確定

本文運用顆粒流PFC2D軟件,通過使PFC2D模擬單軸試驗應力-應變曲線與室內試驗曲線相符合的方式,開展PFC2D數(shù)值單軸試驗.數(shù)值模型試樣尺寸大小設定為50 mm×100 mm,集合體的計算單元為圓形顆粒,由于巖石材料的不均勻性,根據(jù)實際情況,使巖石顆粒半徑在0.25 mm和0.55 mm之間隨機生成.顆?？倲?shù)為8142個,顆粒間的初始接觸數(shù)目為17 679個.本模型中單軸試驗的巖石顆粒細觀參數(shù)為:顆粒半徑Rmin=0.25 mm,Rmax=0.55 mm;顆粒密度ρ=2 600 mg/m3;顆粒集合體孔隙率n=0.14.在實際的PFC模擬過程中,結合室內試驗的真實情況,在理論依據(jù)的基礎上,進行大量的試算,從而得出砂巖試樣的細觀參數(shù)組合,見表1.不同參數(shù)隨水-巖作用周期的變化情況如圖2所示.

通過表1和圖2可以很直觀地看出,隨著水巖作用周期的增加,數(shù)值模擬的細觀參數(shù)均有相應的減小,說明巖石的細觀力學性質在不斷的劣化.整體而言,前6次水-巖作用周期下,各項細觀參數(shù)的劣化程度最大,劣化的程度占整體劣化程度的80%～90%之間,經過6期水-巖作用之后,細觀參數(shù)劣化的速率逐漸減小且趨于平緩.因此,水-巖作用的前6個周期,水巖作用對細觀參數(shù)產生的影響最大,而6個水巖作用周期后,數(shù)值模擬的細觀參數(shù)基本趨于平穩(wěn).

表1 數(shù)值模擬細觀參數(shù)表

圖2 數(shù)值模擬細觀參數(shù)隨水-巖作用周期的變化

顆粒流PFC2D數(shù)值模擬的結果與室內試驗結果相比較,數(shù)值模擬的細觀參數(shù)與室內試驗巖石的宏觀力學參數(shù)的劣化規(guī)律基本一致.這也印證了巖石的細觀參數(shù)與宏觀力學參數(shù)的緊密性.

3 水-巖作用下PFC2D模擬結果分析

3.1 應力-應變曲線模擬結果分析

PFC進行數(shù)值模擬時,由于數(shù)值模型在初始狀態(tài)時已經達到了密實狀態(tài),所以無法模擬初始壓密階段.因此,將數(shù)值模擬結果和室內試驗結果比較分析時,忽略室內試驗壓密階段產生的應變量.為了盡量使模擬結果準確,本文忽略掉實際試驗過程中的壓密階段影響,使模擬結果與室內試驗結果在彈性和峰值破壞階段保持一致.PFC2D模擬結果與室內試驗結果對比圖如圖3所示.從圖中可以看出當室內試驗曲線向左平移,消去初始壓密階段后[9],模擬曲線與試驗曲線總體吻合較好.

圖3 PFC2D模擬結果與室內試驗結果對比圖

PFC2D模擬巖樣在不同水-巖作用周期下的應力應變曲線如圖4所示,為了方便對比,圖4中室內試驗曲線已消去初始壓密階段.PFC2D數(shù)值模擬結果與室內試驗結果的對比見表2.

圖4 PFC2D模擬不同水-巖作用周期下巖樣應力-應變曲線

表2 PFC2D數(shù)值模擬結果與室內試驗結果對比

從圖4可以看出,數(shù)值模擬試樣在水-巖作用周期下單軸壓縮的應力-應變曲線有如下特征:

1)在不同水-巖作用周期下,試樣的應力-應變曲線的形態(tài)基本一致,且試樣的抗壓強度都隨著水巖作用周期的增加而逐漸衰減.

2)隨著水巖作用周期的增加,試樣的彈性模量在不斷減小,即應力-應變曲線的斜率減小比較明顯.

3)隨著水巖作用周期的增加,試樣在峰值破壞階段由脆性向塑性發(fā)展,說明在水-巖作用周期的不斷影響下,試樣的延性逐漸增強.

4)與室內試驗的應力-應變曲線相比,峰后強度有很大差別,沒有強度的陡降,原因在于PFC2D是通過模擬微觀單元體之間的力學行為來疊加生成宏觀響應的.

通過上述分析,數(shù)值模擬試樣在水-巖作用周期下的應力-應變曲線的變化特性基本與室內試驗結果吻合.從表2的數(shù)值模擬結果與室內試驗結果對比中,也可以得出PFC數(shù)值模擬的應力-應變曲線與室內試驗結果匹配良好.這也說明了本文用PFC2D模擬結果的可靠性.

3.2 破壞模式模擬結果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結果,可以得到不同水巖作用周期下試樣的破壞形態(tài)、顆粒接觸力鏈分布、裂紋分布.如圖5所示,每周期的4幅圖分別為:室內單軸壓縮破壞圖、PFC模擬試樣破壞形態(tài)圖、PFC模擬顆粒接觸力鏈圖、PFC模擬試樣裂紋圖.

從圖5(a)可以看出,初始飽水狀態(tài)下,破壞試樣出現(xiàn)了大量豎直的拉裂縫,未出現(xiàn)貫通裂隙;同時試樣內部,未形成明顯貫通的強力鏈,同時因為裂紋的出現(xiàn),部分區(qū)域可以看出力鏈空白.

從圖5(b)可以看到,經過1個水-巖作用周期后,破壞試樣出現(xiàn)的裂縫較初始狀態(tài)有所擴展和增加;巖石內部的力鏈強度進一步增加,裂紋進一步發(fā)育,力鏈空白也有所增多.

圖5 不同水-巖周期作用下巖樣破壞模式模擬圖

從圖5(c)可以看到,經過2個水-巖作用周期后,砂巖破壞試樣出現(xiàn)了縱向貫穿裂隙,較上一個水-巖作用周期,裂紋有所擴張和增加;巖石內部的力鏈強度進一步增加,隨著裂紋的發(fā)育,力鏈的空白面積增加.

從圖5(d)可以看出,4個水巖作用周期后,原有裂紋進一步擴展,破壞試樣由縱向的貫通裂隙發(fā)展成了斜向的剪切裂隙;巖石內部出現(xiàn)了明顯的貫穿型強力鏈,力鏈空白較前幾個水-巖作用周期有所增加.

從圖5(e)中看出,水-巖作用6個周期后,裂紋繼續(xù)擴展,破壞型式已經是明顯的剪切型破壞;巖石內部破壞嚴重,貫穿型裂縫處已經出現(xiàn)明顯的力鏈空白,力鏈強度降低,整體承載力降低.

圖5(f)中,8個水-巖作用周期后,破壞型式仍然剪切型破壞;巖石內部破壞明顯,貫穿型強力連仍然出現(xiàn),力鏈空白面積增加,整體承載力進一步降低.

圖5(g)中,經過10個水-巖作用周期后,巖石模型左上角裂紋和中下部裂紋整個貫通,在巖石試樣內部形成了一條明顯的斜向擴展裂紋,破壞類型為明顯的剪切型破壞;巖石內部已經出現(xiàn)了大范圍的力鏈空白區(qū)域,說明巖石微裂紋及裂隙充分發(fā)育,遍布于整個巖石試樣當中,力鏈的強度進一步減少.

與此同時,通過觀察圖5中數(shù)值模型試樣的破壞模式,可以得出,隨著水-巖作用周期的增加,試樣的破壞模式由最初的拉伸型破壞逐漸轉向剪切型破壞,并且細微裂紋逐漸增多,破壞情況愈加嚴重.與室內試驗的結果相對比,規(guī)律性也完全一致,這說明了顆粒流PFC能較好地模擬巖石真實的破壞情況,同時也驗證了實際工程中,水-巖作用對巖石的力學性質和破壞模式影響顯著,不容忽視.

4 結 論

通過PFC2D離散元軟件,采用flat-joint粘結模型,模擬分析砂巖在不同水-巖作用周期下的力學特性.并將數(shù)值模擬結果和室內試驗結果進行對比分析,得出如下結論:

1)隨著水-巖作用周期的增加,數(shù)值模擬的細觀參數(shù)均有相應的減小.水-巖作用的前6個周期,水巖作用對細觀參數(shù)產生的影響最大,而6個水巖作用周期后,數(shù)值模擬的細觀參數(shù)基本趨于平穩(wěn).室內試驗結果相比較,數(shù)值模擬的細觀參數(shù)與室內試驗巖石的宏觀力學參數(shù)的劣化規(guī)律基本一致.

2)忽略掉實際試驗過程中的壓密階段影響,PFC2D數(shù)值模擬的應力-應變曲線與室內試驗結果匹配良好,說明數(shù)值模擬方法能良好地反應巖石試樣在水-巖作用下單軸壓縮的應力-應變關系,模擬結果具有一定的工程參考價值.

3)隨著水-巖作用周期的增加,試樣的破壞模式逐漸由拉伸型破壞向剪切型破壞發(fā)展.與室內試驗的結果相對比,規(guī)律性也幾乎一致,這說明了顆粒流PFC能較好地模擬巖石真實的破壞情況,同時也驗證了實際工程中水-巖作用對巖石的力學性質和破壞模式影響顯著.