基于PFC計算的閘站移建工程粘土體堆筑料三軸力學特性研究

陳 玲

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340)

1 概述

土體材料在水利工程設計中不可忽視，土體力學性質(zhì)對水利設計具有重要參考意義，確保水利設施安全穩(wěn)定運營與土體材料力學性質(zhì)息息相關，因而研究水利工程中土體材料力學特征很有必要[1-3]。祝夢柯等[4]、徐福增等[5]、許江波等[6]采用室內(nèi)精密土工儀器，以三軸儀或其他土工儀器設備設計試驗方案，研究土體材料全過程力學破壞特性，為認識土體材料力學特征提供重要試驗依據(jù)。與宏觀試驗研究手段不同的是，李立民等[7]、謝騰飛等[8]、閻夢晴等[9]采用電鏡、聲發(fā)射、微震儀、CT掃描等細觀研究手段，研究了土體材料細觀特征與力學特性之間關系，極大推動了土體材料微觀力學研究。當處于工程現(xiàn)場時，采用包括原位測試儀器以及監(jiān)測設備在內(nèi)的儀器，對工程實際運營過程中以土體為主要材料的設施開展監(jiān)測，可為探討土體力學變化提供重要參考[10-11]。作為一種顆粒類材料，利用顆粒流離散元仿真計算平臺，設計不同研究約束條件下土體力學特征，高效解決實際工程中面臨的土體力學解[12-14]。粘土體作為一種具有粘聚力材料，研究粘土體的力學特征對水利工程安全設計具有重要意義。

2 仿真試驗介紹

2.1 試驗背景

先鋒閘站由于運營年限較長，部分基礎沉降變形較大，對閘室安全穩(wěn)定性是較大威脅，故工程管理部門考慮對閘站進行移建工程改造，增強閘室對上游水利資源調(diào)度能力。該移建工程初步設計位于河流中下游，設計定位于區(qū)域重要水利樞紐工程，承擔著地區(qū)防洪、蓄水、引水及提升水質(zhì)等作用，枯水期可為沿河生活區(qū)提供生活用水。另為提升閘室附屬相關水利設施安全運營狀態(tài)，閘門下游設置有厚度為50 cm的導墻以及消能池等水工建筑，其可與河流防洪堤壩的止水面板、防滲墻等結構構成閘站樞紐工程的防滲系統(tǒng)，保證水利工程安全運營的同時，提升水資源利用效率。針對該閘站移建工程所涉及到的節(jié)制閘以及抽水泵站，設置臨時擋水設施很有必要，可為水利工程建設提供較好施工建設環(huán)境，因此，工程設計人員考慮增設圍堰設施，確保閘站移建工程安全高效進行。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探，圍堰所需堆筑料以砂土以及粘土為主，其中粘土料占分層堆筑總量的60%，在與圍堰設施鋼管樁相互協(xié)調(diào)過程中，粘土體承載能力穩(wěn)定性極大影響了分層堆筑效果，若粘土體發(fā)生失穩(wěn)滑移，對圍堰整體安全穩(wěn)定性乃是重大威脅。因而工程設計人員考慮對粘土體基本力學特征開展研究，并主要專注于粘土體三軸力學特征，進而為粘土體分層堆筑設計提供重要力學數(shù)據(jù)參考；另一方面由于現(xiàn)場取樣室內(nèi)土工測試試驗效率較低，因而筆者利用顆粒流PFC仿真計算平臺開展粘土體三軸力學特征仿真試驗計算。

2.2 PFC試驗介紹及方案

顆粒流PFC分析軟件是研究顆粒組成物類材料力學變化的仿真計算平臺，可根據(jù)工程不同運營工況及環(huán)境荷載約束變化，在PFC中仿真分析土體實際應力變形變化特征，同時也可以提供多種不同顆粒尺寸與質(zhì)量的介質(zhì)材料，匹配工程實際中土體材料組成物理性質(zhì)。為準確模擬粘土三軸力學試驗工況，本文選取線性接觸粘結本構模型作為組成粘土體的顆粒物基本力學方程，其幾何示意如圖1所示，兩個方向的剛度系數(shù)服從以下表達式[15-16]：

(1)

(2)

圖1 顆粒線性接觸本構模型示意

在PFC3D中顆粒運動服從旋轉運動與合力矩方程，其具體表達式如下：

(3)

(4)

在上述運動方程以及物理特征參數(shù)耦合下，以一定初始邊界條件可求解獲得每一個顆粒體的運動參數(shù)，最終獲得粘土體在不同外荷載約束條件下的力學特征變化，本文以此為原理開展三軸力學特征計算。根據(jù)閘站移建工程實際運營狀態(tài)，設置粘土試驗圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，顆粒體半徑設定為0.1 mm，按照工程現(xiàn)場所測出的粘土孔隙率為12%，因而仿真計算平臺中確保顆粒體所組成的砂土孔隙率為0.15。另為研究顆粒強度特征參數(shù)對粘土體三軸力學特征影響，因而按照顆?？估瓘姸扰c抗剪強度分別進行影響性研究，由于土體抗拉能力較弱，因而顆粒的抗拉強度分別設定為10 kN、50 kN、90 kN、130 kN、170 kN，而抗剪強度按照閘站移建工程現(xiàn)場實際粘土體強度分布范圍，分別設定為20 kN、60 kN、100 kN、140 kN、180 kN，三軸力學特征影響性分析組中各粘土體顆粒參數(shù)除單一對比因素有所差異外，其余物理參數(shù)或顆粒形狀均為一致。各組具體圍壓以及其他試驗條件見表1所示。

表1 試驗方案

粘土體三軸力學試驗計算過程如下：

1) 按照既定顆粒屬性以及試驗參數(shù)要求隨機生成1 000粒圓形顆粒，顆粒間為線性粘結接觸，此1 000粒顆粒組成直徑、高度分別為60 mm、20 mm的粘土體試樣，圖2為所生成的粘土體離散元模型。

2) 按照三軸力學試驗邊界約束荷載要求，控制荷載約束條件，在粘土體模型四周施加圍壓約束條件，待達到目標試驗圍壓值后，開始按照變形速率0.001 mm/s遞進式施加兩端部軸向約束荷載，直至粘土體模型出現(xiàn)承載力衰退并失穩(wěn)破壞。

圖2 粘土體離散元模型示意

3) 停止約束條件遞進，結束仿真試驗，導出PFC所計算出的粘土體三軸全過程力學特征數(shù)據(jù)，后重復進行其他試驗組仿真試驗。

3 粘土體三軸力學特性分析

基于PFC顆粒流仿真計算，獲得不同圍壓下相同顆粒屬性參數(shù)的三軸力學特征曲線(如圖3所示)。

圖3 不同圍壓粘土體三軸應力位移曲線示意

從圖3中可知，圍壓與加載應力為正相關，在相同位移為1 mm時，圍壓100 kPa下的加載應力為23 kPa，而圍壓200 kPa、300 kPa、400 kPa下加載應力相比前者分別增大了1.05倍、2倍、4.6倍，表明圍壓愈大，粘土體可承受三軸壓縮荷載能力愈強，此實質(zhì)上與圍壓對土顆粒移動能力的束縛作用有關，當圍壓愈大，土顆粒在三軸加載過程中移動受限，無法形成較大型的裂隙，造成試樣可持續(xù)承擔較大荷載，因而加載應力顯著較高。從各個圍壓粘土體試樣變形階段特征可看出，4個試樣在初始線彈性變形階段即具有顯著性差異，以圍壓400 kPa下線彈性模量顯著較大，達 112 kPa，相比于圍壓100 kPa、200 kPa下，前者分別是后兩者的4.1倍、2.37倍，即圍壓導致粘土體在線彈性階段即產(chǎn)生顯著性差異，以圍壓較高者試樣的線彈性變形能力愈強。從峰值應力點變形值可知，圍壓愈大，粘土體位移量值愈大，圍壓100 kPa下該特征點試樣位移值達3.85 mm，而圍壓300 kPa、400 kPa下對應的位移值相比前者增大了40.3%、50.4%；當圍壓愈大，試樣顆粒在承受荷載過程中，從軸向與側向方向上均有較大的擠壓碰撞，進而造成顆粒型粘土體試樣位移量值均較高。

圖4為不同圍壓下顆?？估瓘姸炔町愋韵抡惩馏w三軸抗壓強度與殘余強度關系曲線。從圖4中可看出，三軸抗壓強度與圍壓呈正相關，顆?？估瓘姸?0 kN時，圍壓400 kPa下三軸抗壓強度達184.2 kPa，分別為圍壓100 kPa、200 kPa、300 kPa下的2.46倍、1.6倍、1.15倍；當顆?？估瓘姸仍龃笾?30 kN時，前述圍壓間三軸抗壓強度幅度關系又為2.1倍、1.4倍、1.05倍；分析表明顆?？估瓘姸扔?，可縮小圍壓對粘土體三軸抗壓強度的正向促進效應，當組成粘土體的顆?？估瓘姸仍龃螅w粒與顆粒間產(chǎn)生的碰撞以及扭轉彎曲等張拉或擠壓破壞作用，均可在一定程度上得到增強，彌補試樣受圍壓影響的強度特征差異，產(chǎn)生圍壓對粘土體三軸抗壓強度增長效應減小的現(xiàn)象。從殘余強度可看出，各圍壓下粘土體殘余強度隨圍壓遞增，隨量值較小，但增長幅度較大，顆?？估瓘姸?0 kN時，圍壓200 kPa、300 kPa、400 kPa下殘余強度相比圍壓100 kPa下增大了3.2倍、1.37倍、31.9%，平均每增大100 kPa圍壓，殘余強度增長28.5 kPa，而顆?？估瓘姸仍龃笾?30 kN后，各圍壓間差距幅度仍保持穩(wěn)定，平均每增大100 kPa圍壓，殘余強度仍僅增長29.5 kPa，即顆粒抗拉強度不影響圍壓對殘余強度的正向促進作用。

(a)顆粒抗拉強度50 kN

(b)顆?？估瓘姸?30 kN

4 顆粒強度特征參數(shù)對粘土體三軸力學特性影響分析

4.1 抗拉強度

以不同顆?？估瓘姸鹊恼惩馏w試樣開展三軸力學計算，獲得圖5所示計算結果。從圖5中可看出，在加載應力163 kPa前，4個不同顆?？估瓘姸日惩馏w的應力應變基本保持一致，無顯著性差別，但在此之后，以顆?？估瓘姸葹?70 kN的試樣三軸加載應力顯著最高，其峰值應力可達359.2 kPa，而顆?？估瓘姸葹?0 kN、90 kN、130 kN的試樣峰值應力相比前者降低了43.5%、24.1%、16.5%，表明顆?？估瓘姸葘φ惩馏w屈服塑性變形階段影響顯著，而對線彈性變形階段無顯著性影響，另從殘余應力階段亦可知，5個試樣的殘余強度均穩(wěn)定在130 kPa左右，顆?？估瓘姸葘φ惩馏w殘余強度影響較小，4個試樣殘余強度波動幅度不超過4 kPa。從變形特征來看，4個抗拉強度粘土體試樣的最大位移均為6.5 mm左右，峰值應力點位移值分別為2.99 mm、3.57 mm、3.63 mm、3.86 mm、4.79 mm，粘土體三軸峰值應力點變形隨抗拉強度稍有增長。

圖5 不同顆?？估瓘姸日惩馏w三軸應力位移曲線示意

其三軸抗壓強度與顆?？估瓘姸汝P系在圖6中亦可看出，三軸抗壓強度與顆?？估瓘姸染哂芯€性關系，當圍壓愈大，粘土體三軸抗壓強度與顆粒抗拉強度之間的線性函數(shù)斜率幾乎無較大改變，即圍壓并不改變顆粒抗拉強度對粘土體的正向促進效應，且顆粒抗拉強度對粘土體抗壓強度影響敏感程度不及圍壓效應。

(a)圍壓300 kPa

(b)圍壓400 kPa

4.2 抗剪強度

同理計算獲得顆粒抗剪強度對粘土體三軸力學特征影響曲線(如圖7所示)。從圖7中可看出，各顆?？辜魪姸炔煌恼惩馏w試樣在加載應力為142 kPa前均保持一致，此階段內(nèi)顆粒抗剪強度對粘土體并無顯著性影響，但在該加載應力后，顆?？辜魪姸扰c加載應力呈正相關，相同加載位移為2.5 mm時，顆?？辜魪姸?0 kN試樣的加載應力為176 kPa，而顆粒抗剪強度60 kN、100 kN、140 kN、180 kN粘土體加載應力相比前者分別增大了5.1%、10.8%、19.3%、27.8%；從變形特征來看，相同加載應力下以顆?？辜魪姸容^小者粘土體位移值更大，5個顆?？辜魪姸日惩馏w試樣的峰值應力點位移值分別為2.72 mm、3.28 mm、3.79 mm、3.14 mm、2.95 mm，表明顆?？辜魪姸扰c粘土體變形關系與顆粒抗拉強度類似，兩者關聯(lián)性并不顯著。

圖7 不同顆粒抗剪強度粘土體三軸應力位移曲線示意

圖8為粘土體強度特征值與顆?？辜魪姸汝P系。從圖8中可看出，試樣三軸抗壓強度、殘余強度與顆粒抗剪強度均具有線性正相關關系，且抗壓強度、殘余強度分別與顆?？辜魪姸汝P系函數(shù)式保持斜率一致；實質(zhì)上，顆?？辜魪姸扰c粘土體強度特征參數(shù)關系與顆?？估瓘姸扔绊懱匦杂兴愃?，但在同圍壓下，線性關系式斜率值低于顆?？估瓘姸扔绊?，即顆粒抗剪強度對粘土體三軸抗壓強度影響敏感度不及顆?？估瓘姸取?/p>

(a)圍壓300 kPa

(b)圍壓400 kPa

5 結語

1) 圍壓與加載應力為正相關，且圍壓愈大，粘土線彈性變形能力愈強，圍壓400 kPa下線彈性模量是圍壓100 kPa、200 kPa下的4.1倍、2.37倍；顆?？估瓘姸仍龃?，圍壓對試樣三軸抗壓強度增長效應有所減小，殘余強度與圍壓為遞增關系，顆粒抗拉強度50 kN粘土體平均每增大100 kPa圍壓，殘余強度增長28.5 kPa。

2) 加載應力163 kPa后，顆?？估瓘姸葘φ惩馏w三軸力學特征影響顯著，且顆?？估瓘姸葘φ惩馏w殘余強度影響較小，5個顆粒抗拉強度試樣的殘余強度均穩(wěn)定在130 kPa；三軸抗壓強度與顆粒抗拉強度具有線性正相關，圍壓增大，線性函數(shù)關系式斜率保持不變。

3) 粘土體三軸抗壓強度、殘余強度與顆?？辜魪姸染哂芯€性正相關關系，且粘土強度特征參數(shù)與顆?？辜魪姸汝P系函數(shù)式保持斜率一致，顆?？辜魪姸仍诩虞d應力142 kPa后對粘土體影響顯著，位移與顆?？辜魪姸汝P系不顯著，且顆粒抗剪強度對粘土體三軸抗壓強度影響敏感度不及顆?？估瓘姸?。