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考慮顆粒破碎特性的機場高填方變形與穩定性分析

作者:未知

  摘 要: 近年來,中國西南山區的機場高填方建設進入快速發展階段,具有良好工程特性的堆石料等粗粒土廣泛應用于高填方。機場高填方內部應力較高,粗粒土等填筑材料會產生顆粒破碎,分析顆粒破碎特性對高填方變形和穩定性的影響具有重大工程意義。使用離散元顆粒流法對高填方建立數值模型,采用強度折減法模擬了高填方的變形演化過程,利用Russell和Muir Wood顆粒破碎準則,對顆粒破碎和顆粒不破碎兩種情況分別進行了離散元的數值模擬分析,對比研究了考慮顆粒破碎對高填方變形和穩定性的影響。研究結果表明:粗粒土顆粒破碎后產生的小顆粒將滑移充填顆粒間的空隙,使高填方變形量增加,高填方土體的抗剪強度降低,進而使高填方的安全系數降低,嚴重影響高填方的穩定性。
  關鍵詞: 高填方;顆粒破碎;離散元;變形;穩定性
  中圖分類號:TU433   文獻標志碼:A   文章編號:2096-6717(2020)02-0017-06
   Deformation and stability analysis of airport high coarse-granular fills considering particle breakage characteristics
  Shan Junjie1, Liu Hanlong1, Xiao Yang1, Yin Zhenyu2, Yang Zhongping1, Yao Yangping3
  (1.School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China; 2.Department of Civil and Environmental Engineering, Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, P. R. China; 3.School of Transportation Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, P. R. China)
  Abstract: In recent years, the airport high coarse-granular fill construction in the southwest mountain area of China has entered a stage of rapid development, and coarse-grained soils such as rockfill materials with comparatively good engineering characteristics are widely used in high coarse-granular fill. The internal stress of high coarse-granular fill is large, and coarse-grained soil will cause particle breakage. It is of great engineering significance to analyze the impact of particle breakage characteristics on the deformation and stability of high coarse-granular fill. Modeling high coarse-granular fills using discrete element particle flow method. The deformation evolution process of the high coarse-granular fill is simulated through the strength reduction method. Based on the Russell & Muir Wood particle breakage criterion, two cases of particle breakage and don’t breakage were simulated and analyzed respectively. In addition, we also focus on the effect of particle fragmentation on the deformation and stability of the high coarse-granular fill. DEM modelling results indicate that the small-size grains abraded from the host coarse-granular grains will slip and fill the gaps among the host grains, leading to an increase in deformation and a decrease in the shear strength, and further resulting in a decrease in safety factor and stability of high coarse-granular fill.
  Keywords: high coarse-granular fill; particle breakage; discrete element; deformation; stability
  近年來,伴隨中國基礎設施建設和西部大開發戰略,中國西南山區的機場高填方及高土石壩建設進入快速發展階段[1-3]。由于山區地形、地質條件復雜,經常需要進行高填方施工,具有良好工程特性的堆石料等粗粒土得到了廣泛應用。與一般土體相比,粗粒土具有粒徑大、顆粒破碎明顯等特征[4]。由于高填方內部應力較高,粗粒土產生顆粒破碎將對填筑體的變形、穩定性都有很大影響[5]。所以,考慮粗粒土顆粒破碎對高填方的變形及穩定性研究有重大意義。   學者們對粗粒土的顆粒破碎特性進行了大量理論分析[6-9]和室內試驗研究[10-13]。Xiao等[6]研究發現了粗粒土破碎臨界狀態線(BCSL)的位置與相對破碎有關,并提出了考慮顆粒破碎的粗粒土彈塑性模型。黃茂松等[8]重點研究了顆粒破碎的度量方法,發現了顆粒破碎對粗粒土剪脹性、臨界狀態線的影響以及相應的本構模型。劉漢龍等[12]
  利用室內大型三軸試驗對堆石等粗粒料的顆粒破碎進行了研究,發現顆粒破碎的增加將導致粗粒料抗剪強度的降低。丁艷輝等[13]通過常規三軸試驗重點研究了堆石料遇水發生顆粒破碎造成高填方濕化變形的過程、特性及發生機制。
  然而,受測量手段的限制,室內試驗無法實時監測、量化試驗過程中的粗粒土顆粒破碎現象。在數值模擬方面,目前有極限平衡法、有限元分析法等方法可以進行邊坡的變形和穩定性分析[14],但由于極限平衡法需要提前假定滑裂面的形狀和位置,這些假定和簡化可能與實際不符,且有限單元法無法動態模擬土坡的整個破壞過程。作為離散單元法之一的顆粒流方法,就可以很好地彌補上述方法所存在的弊端[15]。
  筆者采用PFC2D軟件,通過強度折減法[16]來模擬重慶某機場高填方的變形演化過程,并對比研究考慮顆粒破碎對高填方變形和穩定性的影響。
   1 離散元模型與試驗方案
  1.1 模型生成及參數選取
  采用 PFC2D軟件,生成高為100 m、寬為170 m的高填方顆粒流模型。填筑材料采用直徑為500 mm均一粒徑的顆粒,試樣初始孔隙率為0.1,高填方模型在自身重力的影響下完全處于穩定狀態。模型中顆粒初始總數為20 973個。模型由一道水平墻和兩道左右墻組成其邊界條件,阻止了范圍邊緣顆粒的逸出,墻體摩擦系數為0.5。
  模型的細觀力學參數需要通過與室內試驗對比調參獲得。首先依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)中的試驗方法,通過室內試驗獲得所需的粗粒土宏觀參數。室內試驗主要包括粗粒土含水率試驗、擊實試驗、直剪試驗等。所得到的高填方宏觀力學參數見表1。其宏觀力學參數均滿足已有資料標準。
  通過模擬雙軸試驗[17],結合室內試驗得到粗粒土宏觀力學參數,采用試錯法對顆粒細觀參數進行標定,即對細觀參數進行逐步調整并反復調參校對,得到與宏觀參數匹配的模型細觀力學參數[18]。得到的高填方模型細觀力學參數見表2。
  1.2 強度折減法基本原理
  在邊坡工程穩定性分析中,人們最關心的是邊坡是否穩定,整體穩定的安全系數有多大。Duncan[16]指出,邊坡安全系數可以定義為使邊坡剛好達到臨界破壞狀態時對土體的剪切強度進行折減的程度。整個離散系統穩定與否的關鍵因素由摩擦系數μ和粘結強度pb決定。
  強度折減法進行顆粒流模擬是把粘結強度pb與摩擦系數μ一同折減,直到整個高填方顆粒流模型達到其臨界破壞狀態時,這個折減系數則為該模擬模型的安全系數。所以,安全系數可定義為
  Fs= pb pb′ = μ μ′  (1)
  式中:pb′為折減后的邊坡模型到達臨界破壞狀態的顆粒間粘結強度;μ′為折減后的邊坡模型到達臨界破壞狀態的顆粒間摩擦系數。
  1.3 顆粒破碎準則
  真實破碎的物理過程是外界條件變化導致大顆粒變成小顆粒的過程。實際上,破碎準則是一個閥值條件,當顆粒的受力狀態超過該條件時,將發生破碎。局部應力集中是導致顆粒破碎的重要因素,筆者采用Russell & Muir Wood[19]破碎準則,在線性接觸模型下該準則可以表示為
  Flim≤σlim,0  d d0  -3/m π 4 d2sin2θ0 (2)
  式中:Flim為顆粒的極限強度;σlim,0為粒徑為d0時顆粒的平均極限強度;θ0為力的作用范圍的圓心角,取π/9;m為Weibull模量,隨強度提高而減小,取2。
  較普遍使用的Mohr-Coulomb準則是基于整個顆粒受到的平均應力,不能體現出顆粒間接觸力的應力集中現象;而現實中的破碎是顆粒在應力集中處開始產生裂紋從而引起破碎。因此,Mohr-Coulomb理論破碎準則并不能真實反映顆粒的破碎情況。而Russell & Muir Wood破碎準則是基于顆粒受集中荷載推導而來,更能反映顆粒在接觸力作用下的應力集中現象。高填方模型中顆粒的破碎過程如圖1所示。
  由圖1可知,當顆粒的受力狀態超過破碎標準時會發生破碎,生成一個稍小的顆粒及很多小顆粒,之后破碎產生的小顆粒會填充到顆粒間的空隙中,如圖1所示紅色顆粒的破碎過程。
  1.4 試驗方案
  用離散元顆粒流法建立高填方模型,檢測到有顆粒發生破碎后,將試樣狀態保存。改變顆粒接觸模型使顆粒完全彈開,記錄新生成無重疊顆粒的位置,再將之前保存的試樣重新載入。刪除破碎顆粒,將新生成的無重疊顆粒放入新試樣中繼續運行。
  將強度折減法原理引入到高填方模型的分析中,通過不斷增大強度折減系數,對比研究所建立的高填方模型在顆粒破碎和未破碎情況下的穩定性差異,得到高填方模型在顆粒破碎與未破碎情況下的安全系數。
  之后,模型選取同一強度折減系數,在高填方模型整體穩定的情況下,對比研究高填方模型在顆粒破碎與未破碎情況下的變形差異,主要包括高填方潛在滑移面的形狀和位置、累計最大位移等變形信息。
  1.5 高填方破壞的判據
  如何判定高填方模型是否達到了臨界破壞狀態,是用數值分析方法研究高填方穩定性的難題。本離散元模型計算中把收斂容許值設為10-5,當計算不收斂時,延長迭代步數以便更好地觀察高填方模型的變形情況。離散元法采用位移分析方法,每個時步下都會發生位移,因此,高填方破壞的判定依據宜選取臨界位移指標。本高填方模型離散元計算中,在累計最大位移達到3 m以上時,計算不收斂,高填方發生明顯破壞,且土體變形仍在持續。故使用高填方土體失穩的累計最大位移達到3 m以上且計算不收斂作為界定高填方破壞的依據。   2 模擬結果分析
  2.1 高填方穩定性對比分析
  對所建立的高填方模型采用強度折減法計算其安全系數。首先要確保高填方在初始狀態時處于穩定狀態,即初始的強度折減系數取1,分別分析高填方模型在顆粒不破碎和破碎情況下的穩定性。模擬結果如圖2所示(圖2中云圖為高填方模型中顆粒的位移云圖,單位為m)。由圖2可知,高填方模型在初始時均處于穩定狀態。
  逐漸增大強度折減系數至高填方模型失穩破壞。在顆粒未破碎的情況下,當強度折減系數增大至1.4時,高填方整體性良好,坡頂無裂紋,坡面未出現較大滑移,高填方土體累計最大位移為2.38 m,出現潛在滑移面,但計算收斂,說明此時高填方還未破壞,并處于穩定狀態。當折減系數增大至1.5時,坡面出現明顯滑移面,坡頂土體下沉,計算不收斂。高填方土體失穩的累計位移達到19.1 m,且延長迭代步數時,坡面土體位移變化明顯,說明此時高填方已失穩破壞。所以,在顆粒未發生破壞時,高填方模型的安全系數為1.4。顆粒未破碎時高填方模型穩定性結果如圖3所示(圖3中云圖為高填方模型中顆粒的位移云圖,單位為m)。
  在顆粒破碎的情況下,當強度折減系數增大至1.3時,高填方整體性良好,坡頂無裂紋,坡面未出現較大滑移,高填方土體累計最大位移為2.52 m,出現潛在滑移面,但計算收斂,說明此時高填方還未破壞,并處于穩定狀態。當折減系數增大至1.4時,坡面出現明顯滑移面,坡頂土體下沉,計算不收斂。高填方土體失穩的累計位移達到26.3 m,且延長迭代步數時,坡面土體位移變化明顯。說明此時高填方已失穩破壞。所以,在顆粒發生破壞時,高填方模型的安全系數為1.3。顆粒破碎時高填方模型穩定性結果如圖4所示(圖4中云圖為高填方模型中顆粒的位移云圖,單位為m)。
  通過對比分析可知,顆粒未破碎時高填方模型的安全系數為1.4,顆粒破碎時高填方模型的安全系數為1.3。說明顆粒破碎對高填方的穩定性有較大的不利影響。在強震和高應力作用下,粗粒土更易導致顆粒破碎而削弱粗粒土的強度,會嚴重影響高填方的安全性及穩定性。
  2.2 高填方變形對比分析
  高填方模型在選取同一強度折減系數且處于整體穩定狀態時,對比研究模型在顆粒破碎與未破碎情況下的變形差異,選取強度折減系數為1.3。主要對比分析高填方潛在滑移面的形狀和位置、土體累計最大位移等變形信息。變形對比如圖5所示(圖5中云圖為高填方模型中顆粒的位移云圖,單位為m)。
  由圖5可知,在強度折減系數為1.3時,高填方模型均未發生大變形破壞。但相對于顆粒不發生破碎的情況,在顆粒發生破碎的情況下,高填方模型的潛在滑移面埋深更大,約30 m,且潛在滑移面坡度更大。在顆粒破碎時,高填方的土體累計最大位移為2.52 m;而顆粒不破碎時,高填方的土體累計最大位移僅為1.4 m。通過對比可知,顆粒破碎對高填方的變形有不利影響,會增加高填方的變形破壞程度。
  2.3 顆粒破碎影響機理探究
  高填方模型的顆粒破碎細節如圖6所示。(圖6中紅色顆粒為破碎后的顆粒)。
  由圖6可知,高填方應力較大的區域主要集中在高填方內部,這些區域的土體最先發生顆粒破碎。結合圖1可知,顆粒破碎后的小顆粒會滑移充填顆粒間空隙,使高填方的變形量增加,且土體抗剪強度產生一定程度的削弱。結合圖4可知,隨著顆粒破碎的增加,粗粒料的抗剪強度會降低,導致高填方的變形增加,嚴重影響高填方的安全性及穩定性。
   3 結論
  采用離散元顆粒流法對高填方建立模型,利用強度折減法模擬了高填方的變形演化過程,并對比研究了考慮顆粒破碎對高填方變形和穩定性的影響。得到以下主要結論:
  1)Russell等[19]提出的破碎準則可以作為球形顆粒的破碎準則,并很好地應用于離散元中,能反映顆粒的真實受荷破碎情況。
  2)結合離散元顆粒流模擬,探究了顆粒破碎機理。顆粒破碎后小顆粒會滑移充填顆粒間空隙,使高填方的變形量增加,土體的抗剪強度產生一定程度的削弱。
  3)動態模擬了高填方的整個破壞過程,顆粒破碎使高填方的潛在滑移面埋深更大、坡度更大,顆粒破碎會增加高填方的變形破壞程度。
  4)定量給出了高填方的安全系數,證明顆粒破碎會降低高填方的安全性及穩定性。該離散元顆粒流模型具有普適性,對實際高填方工程具有重要指導意義。
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   (編輯 胡英奎)
   收稿日期:2019-12-01
  基金項目:  國家自然科學基金(41831282、51922024、51578096)
  作者簡介:  單軍杰(1992- ),主要從事顆粒破碎研究,E-mail:shanjunjie19@163.com。
  肖楊(通信作者),教授,博士生導師,E-mail:hhuxyanson@163.com。
  Received: 2019-12-01
  Foundation items:  National Natural Science Foundation of China (No. 41831282, 51922024, 51578096)
  Author brief:  Shan Junjie(1992- ), main research interest: particle breakage, E-mail:shanjunjie19@163.com.
  Xiao Yang(corresponding author), professor, doctorial supervisor, E-mail:hhuxyanson@163.com.
轉載注明來源:http://588tuan.com/8/view-15203622.htm

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