冰碛土体强度值的合理选取

冰碛土体强度值的合理选取

1利用计算机模拟试验求取动力参数的方法在计算和分析岩石边坡的稳定性时，岩石强度参数是一个非常重要的问题，但其合理性一直是岩石工程领域的难题。在传统的试验方法中,人们曾试图从取样方法、试验方法以及测量精度等多方面进行改进,以期获得相对精确的取值,并且取得了大量成果。不过无法回避的事实是:(1)取样时,取不扰动样难。以目前的科学和试验水平,在取样过程中想避免应力释放和土体结构的扰动是不可能的。(2)试样不具备代表性。相对整个工程对象而言,试样的选取数量微不足道,以工程对象极小部分的强度特性表征整个工程对象的强度特性,明显不合理。扩大取样数量和取样地点,需耗费大量的人力、物力和财力,且不能从根本上解决这个问题。(3)试样尺寸太小。囿于试验仪器规格和试验条件,试样尺寸往往偏小,因此,必然要舍弃许多地质信息,试验结果自然无法反映岩、土体的宏观力学性质。曾经有人采用现场调查和室内试验相结合的方法——地质强度指标(GSI)法来评估岩体力学强度,并被广泛接受。GSI法是一个半经验、半试验方法,它通过现场调查对工程岩体进行分级,依据广义HOEK-BROWN准则,采用室内试验得出的岩石强度参数求取岩体的强度参数。由于岩体分级主要依据经验判断,难以避免主观性和随意性,导致获取的岩体强度参数因人而异。近十年来,随着计算机和计算技术的进步,计算机“模拟试验”逐渐成为热门研究课题。在三峡水利枢纽工程几个关键问题的应用基础研究中,董学晟等采用计算机模拟岩体力学试验,求取宏观的岩体力学参数,在国内较早地将计算机模拟试验方法推向工程应用;王学滨等采用直径为5cm“花岗岩试件”模拟了抗压应力-应变全过程,采用5cm×1cm试件研究了变形局部化的剪切带图案和演化规律;郭志华等进行了水平层状2m×2m×2m岩体“三轴压缩试验”,分析了岩层倾角对变形参数的影响。混凝土骨料形状、分布以及骨料剖分方法方面的研究也取得了可喜进展,他们采用的基本方法是:骨料形状和大小采用随机模拟方法,分布依据“互不靠”规则,能较好地反映搅拌后的混凝土结构特性。冰碛土沉积过程是极复杂的动力过程,至今无法用非线性方程来描述。面对这样一个纯天然沉积、粗细悬殊且具有砾石随机“聚团”结构特性的全级配冰碛土体,难以估计“砾石空间分布”的概率密度函数,很难实现冰碛土结构的随机模拟,由此导致三轴模拟试验成为“无米之炊”,无法进行。元胞自动机(CA)是空间、时间和状态都离散的动力系统,无需构造复杂的数学模型,只需由一些极简单的局部相互作用规则来驱动整个系统的演化。元胞的状态变化只取决于自身及其邻居的状态,而对元胞自动机整个空间来说,元胞更新是彼此独立的,作用规则是通用的。因此,本研究首先采用元胞自动机模型来模拟冰碛土的沉积结构,为三轴数值模拟试验“制备”任意尺寸的试样;然后,借助FLAC3D实现冰碛土的三轴试验数值模拟,依据常规三轴试验的力学公式求取冰碛土的强度参数;最后,藉此提出笔者心中解决岩、土体材料强度问题的“虚拟岩土实验室”构想。2冰字土结构的元胞自动机模拟通过试验方法获取工程对象的强度参数指标,首先要确保试样的代表性。现实困难在于实验室和现场试验方法都不能从数量、尺寸和原状性等方面满足这个要求,GSI方法则遭遇岩体结构如何精确量化的瓶颈。数值模拟方法由于具有可控性、无破坏性、安全性和可重复性等特点,可有效弥补这些缺点。常规的有限元方法通常将岩土体当作各向同性的均质体处理。不过对于冰碛土,这样处理显然忽略了冰碛土中黏土和砾石这两种材料各自对冰碛土体强度指标作出的贡献,而且冰碛土自身组成和结构有其鲜明的特点,与混凝土有本质的区别。冰碛土结构的元胞自动机模拟方法,是指在指定的二维空间内,以方形网格形式,根据砾石在冰碛土沉积过程的动力特性,以及工程现场勘察所描述和测定的砾石级配、分布以及结构特性,拟定砾石“沉积”的演化规则,通过元胞自动机演化,随机生成冰碛土的结构图。它能从总体上、近似现场观察结果中描述冰碛土结构特性,充分反映砾石分布的随机性,以及砾石沉积过程“聚团”的疑似成层性。虽不能具体表示出每块砾石的“可能形状”,但因“砾石土”的特定组成所决定,并不会因此而影响模拟的最终结果。依据这一方法,开发了能量化描述砾石沉积结构特性的元胞自动机程序GTSM。程序可在试件尺寸、单位长度、初始条件以及砾石含量(确定性的和不确定性的)等多方面为用户提供选择来“制备”三轴试验试样。图1为砾石含量在10%~60%区间内,随机选择砾石含量生成的试件尺寸为0.2m×10m×16m时的2幅冰碛土结构图。从其外观上看,砾石“团聚”几何形态与现场观察结果颇为相似,表明采用该程序“制备”试样是十分合适的。3试验原理、方法和结果3.1本构模型的建立三轴数值模拟试验的基本原理是以计算机为操作平台,借助相关软件建立切合试验岩土体实际的结构模型,施加合理的位移、力学边界条件替代试件周围的约束,以本构模型表达加载条件下岩土体的应力-应变关系,借此来模拟真实的三轴试验。3.2轴压应力-位移关系试验基于这一原理,冰碛土三轴数值模拟模拟试验的基本步骤如下:(1)采用元胞自动机程序GTSM“制备”试样;(2)将冰碛土的元胞自动机模型导入FLAC3D,进行网格剖分,得到网格模型;(3)选取“试件”的一个方向作为轴压方向,其他方向作为围压方向,施加约束条件;(4)保持加载速度不变,直至“试件”屈服破坏,记录轴压方向和侧压方向多个测点的应力和位移值并绘制轴压方向的应力-位移关系曲线;(5)对同一“试件”,改变施加的围压大小,重复步骤(4),以3次模拟试验为一组;(6)数据处理:在Autocad中绘制应力-位移关系曲线上的“屈服点”对应的主应力莫尔圆,求取抗剪强度参数;取各测点的应变增量平均值,绘制应力差与应变增量的关系曲线,根据该曲线计算弹性模量;取轴压方向测点与侧压方向测点的应变平均值,计算泊松比。3.3土体及砾石的物理力学性质以重钢集团太和铁矿采场边坡冰碛土为例,模拟冰碛土试件在刚性压力机下的三轴压缩试验。对于该工程场地的冰碛土,文献提供的试验数据和工程经验表明:黏土强度低于砾石-黏土间接触面强度(摩擦力和黏结力),砾石-黏土间接触面强度低于砾石间接触面强度(摩擦力),砾石间接触面强度低于完整砾石强度。简言之,冰碛土的力学行为在很大程度上决定于黏土与砾石的相对含量,至于砾石是多块体,还是完整体,相对于基质黏土而言是一样的。因此,选取莫尔-库仑模型这一通用但较为简单的本构模型来表达受压作用下土体和砾石的应力-应变关系不会对计算结果产生重大影响。土体和砾石物理力学参数指标以文献提供的实验室数据为准,并参考文献的参数取值作了一定的修正,具体取值见表1。计算模型如图2所示,在z=0端面施加法向约束,z=c的端面施加常速度;在x=0和x=a的两平面施加法向约束;在y=0和y=b两平面施加侧向压力p。为考虑同一砾石含量(本文选取的含量为47.5%)下冰碛土的强度影响因素,制定了4组试验方案,见表2。图3为某次模拟试验轴压方向上的应力-位移关系曲线图,图4为不同砾石含量下试件剪切带的剪切应变率云图。依据3.2节所述的数据处理方式,对三轴模拟试验结果数据进行处理,可获得冰碛土的抗剪强度(见图5)和其他参数。由三轴数值模拟试验获得的冰碛土强度和变形参数列于表3。4抗剪强度参数对冰改性试件整体的影响(1)考虑冰碛土强度时,不能忽略冰碛土体和砾石的各自贡献。从47.5%砾石含量下冰碛土“试件”的轴压方向应力-位移关系曲线图(见图3)可以看出,冰碛土表现出明显的“欺软怕硬”特性:加载初期,由于砾石与土强度特性差异巨大,砾石只作为传递外力给土体的载体,土体承担绝大多数变形,直至其发生屈服;随后由于砾石位置发生偏移,彼此间相互挤压、咬合,重新组合,构成了继续承受加载的骨架,承担变形,直至试件整体发生屈服破坏。(2)砾石的展布形态对冰碛土的变形和破坏形式的存在巨大影响。从图4(b)可以看出,由于冰碛土的“欺软怕硬”强度特性,表征试件破坏的剪切带的贯通、闭合,完全由砾石的分布控制,而非将其当作均质体处理时,呈现的对称“X”形,见图4(a);同时,砾石分布也会影响砾石间的相互挤压、咬合,使得砾石骨架的构建阶段出现较大的差异,从而对应力-位移关系曲线的形态产生重要影响,导致该曲线可能出现如图3所示的两次或两次以上的爬坡。(3)由表3可看出,砾石含量较高(47.5%)时,冰碛土抗剪强度参数中的黏结力对围压、加载速率以及门限砾石直径较为敏感。提高围压和门限砾石直径,黏结力增大,而摩擦角几乎不发生变化,这是因为在这种高砾石含量下,砾石分布相对较均匀,冰碛土的抗剪强度参数由砾石决定所致。表3还表明,冰碛土的摩擦角在加载速率小时要比加载速率大时高一些。之所以出现这种现象,是因为加载速率较小时,砾石间的作用以相互错动、填塞和咬合为主,冰碛土的整体性得到加强;加载速率较大时,砾石间作用主要表现为挤压作用,砾石被压碎,相互错动和咬合作用没有加载速率低时那么充分。相对小加载速率时的情况而言,冰碛土的整体性要低一些。(4)冰碛土强度的影响因素众多,强度参数离散性大,采用确定性方法处理不能充分反映这些因素的影响,因而更适合采用概率方法进行处理。5建立模拟实验室的可行性(1)数值模拟方法由于具有可控性、无破坏性、安全性和可重复性等特点,可有效弥补冰碛土室内及现场试验的不足。采用数值模拟方法模拟冰碛土三轴试验,可不受试验条件、经费的限制,从多方面讨论冰碛土的工程强度特性,加深对冰碛土变形机制的规律性认识,甚至可获得供工程设计使用的强度参数,更好地服务于工程实际。(2)冰碛土三轴数值模拟试验的处理方式表明:任何一种新的计算方法、分析方法和设计方法的出现,都必然有“先进工具”和“环境学科”的支持。从这个意义上讲,每个时代的新方法都必然会打上时代工具的烙印。计算机科学的发展,促进了仿真技术和数值算法的发展,为建立现代虚拟岩土实验室的提供了可能。通过仿真技术模拟材料的组成和