砂柱試驗(yàn)注水前初始有效應(yīng)力場的生成方式研究

邢 勇

(淮濱縣水利局，河南 淮濱 464400)

0 引 言

為了真實(shí)有效的實(shí)現(xiàn)對Liakopoulos砂柱試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算模擬，在采用FLAC3D軟件進(jìn)行準(zhǔn)備時(shí)，每一步都應(yīng)盡可能地與真實(shí)試驗(yàn)情況高度近似地對照起來。相關(guān)學(xué)者在應(yīng)用該有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，也同樣注重各個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)處理[1-5]。蔣中明等采用FLAC3D對極端久雨條件下的軟巖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，過程中采用Geo-studio(seep)軟件的滲流計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入FLAC3D軟件，作者正是認(rèn)識(shí)到了FLAC3D在模擬飽和-非飽和滲流場的不足，才采用另外一款在該方面有獨(dú)特優(yōu)勢的軟件的計(jì)算結(jié)果，作為初始孔壓場導(dǎo)入FLAC3D軟件中，再進(jìn)行后續(xù)的模擬計(jì)算[6]。謝強(qiáng)等深刻理解FLAC3D軟件在處理土中基質(zhì)吸力問題的缺陷后，應(yīng)用FISH程序進(jìn)行編程，開發(fā)出了一種能夠使用FLAC3D進(jìn)行飽和-非飽和問題求解的方法，為FLAC3D有限差分軟件的拓展使用開拓可一片新天地[7]。司憲志等D-PFC3D連續(xù)-非連續(xù)耦合的方法進(jìn)行泥石流地質(zhì)災(zāi)害的模擬[8]在明確了解了FLAC3D在處理顆粒類的非連續(xù)材料的局限性后，進(jìn)而采用PFC軟件與FLAC軟件結(jié)合進(jìn)行模擬計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了顆粒材料的有效模擬[9]。陳聞瀟等詳細(xì)分析了FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不能模擬材料間發(fā)生分離破壞的情況，提出了一種FLAC3。馮文凱等專門針對FLAC3D不能生成飽和-非飽和滲流場的缺點(diǎn)，提出了一種用于在FLAC3D中生成飽和-非飽和滲流場的方法。文章作者在充分理解并熟練運(yùn)用了FLAC3D中的三種生成初始有效應(yīng)力場的方法后，針對在模擬Liakopoulos砂柱模型試驗(yàn)的試驗(yàn)準(zhǔn)備階段中砂柱中填滿砂土后初始有效應(yīng)力場的不同生成進(jìn)行了詳細(xì)分析比較，學(xué)者們可參考應(yīng)用其中的方法進(jìn)行初始有效應(yīng)力場的生成。

1 FLAC3D計(jì)算準(zhǔn)備

在準(zhǔn)備進(jìn)行Liakopoulos砂柱模型試驗(yàn)時(shí)，有一個(gè)將Del Monto砂土填筑到聚四氟乙烯圓柱桶中的過程，填筑完成后一般要靜置24h以使砂土在自重作用下充分下沉固結(jié)，這一過程與采用FLAC3D對砂柱進(jìn)行模擬時(shí)，在尚未設(shè)置孔隙水壓力具體分布條件下，初始有效應(yīng)力場的生成過程相似。與沒有設(shè)置初始有效應(yīng)力情況類似，在有設(shè)置了一定初始有效應(yīng)力時(shí)，采用拉格朗日快速差分技術(shù)的FLAC3D軟件同樣提供了三種生成初始有效應(yīng)力場的方法，這主要是：①在設(shè)置了一定的有效應(yīng)力時(shí)，將砂柱中的砂土首先設(shè)置成彈性體，賦予其相應(yīng)的彈性本構(gòu)模型，再通過‘SOLVE’命令進(jìn)行求解獲得初始有效應(yīng)力場；②在設(shè)置了一定的有效應(yīng)力情況下，將砂柱中的砂土設(shè)置成真實(shí)的摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，但是分兩步求解，第一步應(yīng)用‘SOLVE’求解時(shí)，將模型材料參數(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置成較大值，求解至平衡態(tài)，第二步應(yīng)用‘SOLVE’求解時(shí)，使用與砂土材料相一致的真實(shí)的材料彈塑性參數(shù)，進(jìn)行彈塑性條件下的求解，至平衡狀態(tài)，獲得初始有效應(yīng)力場；③在設(shè)置了一定的有效應(yīng)力情況下，將砂柱中的砂土設(shè)置成真實(shí)的摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，相應(yīng)的材料參數(shù)也設(shè)置成真實(shí)的彈塑性材料參數(shù)，采用‘SOLVE ELASTIC’命令使FLAC3D軟件自動(dòng)進(jìn)行先將材料關(guān)鍵彈塑性參數(shù)設(shè)置成較大值求解至平衡態(tài)，再采用真實(shí)的彈塑性材料參數(shù)求解至平衡態(tài)的過程。

2 模型構(gòu)建

如圖1所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)際試驗(yàn)中，聚四氟乙烯管內(nèi)直徑10cm，壁厚1cm，沿側(cè)壁等間距布置測壓計(jì)對試驗(yàn)過程中的孔隙水壓力變化進(jìn)行監(jiān)測，而進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)時(shí)，主要是通過沿側(cè)壁不同高程處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，通過獲取監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力大小獲得各處的基質(zhì)吸力變化，聚四氟乙烯管內(nèi)高102cm，砂柱填筑高度為100cm，高出的2cm主要是為了在通水后，使砂柱上方始終有2cm深的水，以使其盡快達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，管中主要填筑的是Del Monte砂土，每層填筑10cm，分層填筑，每層填筑控制壓實(shí)度，填筑完成后，靜置24h，使管中的砂土在自重作用下充分變形，以避免后續(xù)試驗(yàn)過程中，由于砂土自重對試驗(yàn)結(jié)果帶來一定程度的影響。靜置后，通過在管上方通穩(wěn)定水流，而管上方與大氣接觸，但始終保持有水的狀態(tài)(高出的2cm的作用)，直到水流在自重作用下沿砂柱穩(wěn)定滲出形成穩(wěn)定滲流后，不再對砂柱上方進(jìn)行水源供應(yīng)，使柱中水在自重作用下不斷滲出，通過讀取側(cè)面不同高程處的孔壓計(jì)獲得各高程處的孔隙水壓力值。

兼顧計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，作者采用均值為0.1m邊長的三角形網(wǎng)格對模型進(jìn)行剖分。

圖1 Liakopoulos砂柱試驗(yàn)設(shè)置

3 計(jì)算結(jié)果

以下分別分析比較在設(shè)置與不設(shè)置初始有效應(yīng)力條件下，彈性模型、彈塑性模型變關(guān)鍵參數(shù)兩種方式生成初始有效應(yīng)力場結(jié)果。

3.1 彈性模型求解結(jié)果對比

在不對有效應(yīng)力給予初始值時(shí)，對材料賦予彈性模型生成的最終初始有效應(yīng)力場如圖2中(a)所示。由圖可知，在不對有效應(yīng)力給予初始值時(shí)，采用這種方法能夠獲得正確的初始有效應(yīng)力場，計(jì)算共循環(huán)進(jìn)行8195步。當(dāng)對有效應(yīng)力給予初始值時(shí)，對材料賦予彈性模型生成的最終初始有效應(yīng)力場如圖2中(b)所示。由圖可知，在對有效應(yīng)力給予初始值時(shí)，采用這種方法同樣能夠獲得正確的初始有效應(yīng)力場，計(jì)算共循環(huán)進(jìn)行143步，幾乎沒有進(jìn)行計(jì)算，模型就達(dá)到了平衡狀態(tài)?？梢姡O(shè)置或不設(shè)置初始有效應(yīng)力，采用彈性模型求解都能夠得到正確的初始有效應(yīng)力場，區(qū)別在于設(shè)置了初始有效應(yīng)力，將有效縮減模型循環(huán)次數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間，提高初始平衡效率。

3.2 彈塑性模型變參數(shù)求解結(jié)果對比

在不對有效應(yīng)力給予初始值時(shí)，對材料賦予彈塑性模型，第一步進(jìn)行彈塑性求解時(shí)，將模型彈塑性關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置成較大值，以近似彈性求解，第二步更改材料關(guān)鍵參數(shù)的值，進(jìn)行彈塑性求解，生成的最終初始有效應(yīng)力場如圖3中(a)所示。由圖可知，在不對有效應(yīng)力給予初始值時(shí)，采用這種方法能夠獲得正確的初始有效應(yīng)力場，計(jì)算共循環(huán)進(jìn)行8198步。當(dāng)對有效應(yīng)力給予初始值時(shí)，對材料賦予彈塑性模型，第一步進(jìn)行彈塑性求解時(shí)，將模型彈塑性關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置成較大值，以近似彈性求解，第二步更改材料關(guān)鍵參數(shù)的值，進(jìn)行彈塑性求解，生成的最終初始有效應(yīng)力場如圖3中(b)所示。由圖可知，在對有效應(yīng)力給予初始值時(shí)，采用這種方法同樣能夠獲得正確的初始有效應(yīng)力場，計(jì)算共循環(huán)進(jìn)行144步，幾乎沒有進(jìn)行計(jì)算，模型就達(dá)到了平衡狀態(tài)。可見，設(shè)置或不設(shè)置初始有效應(yīng)力，采用彈塑性模型變關(guān)鍵材料參數(shù)求解都能夠得到正確的初始有效應(yīng)力場，區(qū)別在于設(shè)置了初始有效應(yīng)力，將有效縮減模型循環(huán)次數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間，提高初始平衡效率。

(a)不設(shè)置初始有效應(yīng)力時(shí)求解結(jié)果 (b)設(shè)置初始有效應(yīng)力時(shí)求解結(jié)果

(a)不設(shè)置初始有效應(yīng)力時(shí)求解結(jié)果

(b)設(shè)置初始有效應(yīng)力時(shí)求解結(jié)果

4 結(jié) 論

在設(shè)置和不設(shè)置初始有效應(yīng)力時(shí)，通過對比兩種生成初始有效應(yīng)力場的方式，得出結(jié)論：

1)在設(shè)置和不設(shè)置初始有效應(yīng)力時(shí)，彈性模型、彈塑性模型變關(guān)鍵參數(shù)兩種方式均可以獲得與真實(shí)情況相符的正確初始有效應(yīng)力場。

2)相比不設(shè)置初始有效應(yīng)力時(shí)，設(shè)置初始有效應(yīng)力時(shí)的計(jì)算效率顯著提高。

3)建議采用不設(shè)置初始有效應(yīng)力、彈性或彈塑性變關(guān)鍵參數(shù)的方式生成初始有效應(yīng)力場。