冰磧土體強(qiáng)度值的合理選取

冰磧土體強(qiáng)度值的合理選取

1利用計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)求取動(dòng)力參數(shù)的方法在計(jì)算和分析巖石邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，巖石強(qiáng)度參數(shù)是一個(gè)非常重要的問題，但其合理性一直是巖石工程領(lǐng)域的難題。在傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法中,人們曾試圖從取樣方法、試驗(yàn)方法以及測量精度等多方面進(jìn)行改進(jìn),以期獲得相對精確的取值,并且取得了大量成果。不過無法回避的事實(shí)是:(1)取樣時(shí),取不擾動(dòng)樣難。以目前的科學(xué)和試驗(yàn)水平,在取樣過程中想避免應(yīng)力釋放和土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)是不可能的。(2)試樣不具備代表性。相對整個(gè)工程對象而言,試樣的選取數(shù)量微不足道,以工程對象極小部分的強(qiáng)度特性表征整個(gè)工程對象的強(qiáng)度特性,明顯不合理。擴(kuò)大取樣數(shù)量和取樣地點(diǎn),需耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力,且不能從根本上解決這個(gè)問題。(3)試樣尺寸太小。囿于試驗(yàn)儀器規(guī)格和試驗(yàn)條件,試樣尺寸往往偏小,因此,必然要舍棄許多地質(zhì)信息,試驗(yàn)結(jié)果自然無法反映巖、土體的宏觀力學(xué)性質(zhì)。曾經(jīng)有人采用現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法——地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)法來評估巖體力學(xué)強(qiáng)度,并被廣泛接受。GSI法是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)、半試驗(yàn)方法,它通過現(xiàn)場調(diào)查對工程巖體進(jìn)行分級,依據(jù)廣義HOEK-BROWN準(zhǔn)則,采用室內(nèi)試驗(yàn)得出的巖石強(qiáng)度參數(shù)求取巖體的強(qiáng)度參數(shù)。由于巖體分級主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷,難以避免主觀性和隨意性,導(dǎo)致獲取的巖體強(qiáng)度參數(shù)因人而異。近十年來,隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步,計(jì)算機(jī)“模擬試驗(yàn)”逐漸成為熱門研究課題。在三峽水利樞紐工程幾個(gè)關(guān)鍵問題的應(yīng)用基礎(chǔ)研究中,董學(xué)晟等采用計(jì)算機(jī)模擬巖體力學(xué)試驗(yàn),求取宏觀的巖體力學(xué)參數(shù),在國內(nèi)較早地將計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)方法推向工程應(yīng)用;王學(xué)濱等采用直徑為5cm“花崗巖試件”模擬了抗壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程,采用5cm×1cm試件研究了變形局部化的剪切帶圖案和演化規(guī)律;郭志華等進(jìn)行了水平層狀2m×2m×2m巖體“三軸壓縮試驗(yàn)”,分析了巖層傾角對變形參數(shù)的影響?；炷凉橇闲螤睢⒎植家约肮橇掀史址椒ǚ矫娴难芯恳踩〉昧丝上策M(jìn)展,他們采用的基本方法是:骨料形狀和大小采用隨機(jī)模擬方法,分布依據(jù)“互不靠”規(guī)則,能較好地反映攪拌后的混凝土結(jié)構(gòu)特性。冰磧土沉積過程是極復(fù)雜的動(dòng)力過程,至今無法用非線性方程來描述。面對這樣一個(gè)純天然沉積、粗細(xì)懸殊且具有礫石隨機(jī)“聚團(tuán)”結(jié)構(gòu)特性的全級配冰磧土體,難以估計(jì)“礫石空間分布”的概率密度函數(shù),很難實(shí)現(xiàn)冰磧土結(jié)構(gòu)的隨機(jī)模擬,由此導(dǎo)致三軸模擬試驗(yàn)成為“無米之炊”,無法進(jìn)行。元胞自動(dòng)機(jī)(CA)是空間、時(shí)間和狀態(tài)都離散的動(dòng)力系統(tǒng),無需構(gòu)造復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,只需由一些極簡單的局部相互作用規(guī)則來驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的演化。元胞的狀態(tài)變化只取決于自身及其鄰居的狀態(tài),而對元胞自動(dòng)機(jī)整個(gè)空間來說,元胞更新是彼此獨(dú)立的,作用規(guī)則是通用的。因此,本研究首先采用元胞自動(dòng)機(jī)模型來模擬冰磧土的沉積結(jié)構(gòu),為三軸數(shù)值模擬試驗(yàn)“制備”任意尺寸的試樣;然后,借助FLAC3D實(shí)現(xiàn)冰磧土的三軸試驗(yàn)數(shù)值模擬,依據(jù)常規(guī)三軸試驗(yàn)的力學(xué)公式求取冰磧土的強(qiáng)度參數(shù);最后,藉此提出筆者心中解決巖、土體材料強(qiáng)度問題的“虛擬巖土實(shí)驗(yàn)室”構(gòu)想。2冰字土結(jié)構(gòu)的元胞自動(dòng)機(jī)模擬通過試驗(yàn)方法獲取工程對象的強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo),首先要確保試樣的代表性。現(xiàn)實(shí)困難在于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)方法都不能從數(shù)量、尺寸和原狀性等方面滿足這個(gè)要求,GSI方法則遭遇巖體結(jié)構(gòu)如何精確量化的瓶頸。數(shù)值模擬方法由于具有可控性、無破壞性、安全性和可重復(fù)性等特點(diǎn),可有效彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)。常規(guī)的有限元方法通常將巖土體當(dāng)作各向同性的均質(zhì)體處理。不過對于冰磧土,這樣處理顯然忽略了冰磧土中黏土和礫石這兩種材料各自對冰磧土體強(qiáng)度指標(biāo)作出的貢獻(xiàn),而且冰磧土自身組成和結(jié)構(gòu)有其鮮明的特點(diǎn),與混凝土有本質(zhì)的區(qū)別。冰磧土結(jié)構(gòu)的元胞自動(dòng)機(jī)模擬方法,是指在指定的二維空間內(nèi),以方形網(wǎng)格形式,根據(jù)礫石在冰磧土沉積過程的動(dòng)力特性,以及工程現(xiàn)場勘察所描述和測定的礫石級配、分布以及結(jié)構(gòu)特性,擬定礫石“沉積”的演化規(guī)則,通過元胞自動(dòng)機(jī)演化,隨機(jī)生成冰磧土的結(jié)構(gòu)圖。它能從總體上、近似現(xiàn)場觀察結(jié)果中描述冰磧土結(jié)構(gòu)特性,充分反映礫石分布的隨機(jī)性,以及礫石沉積過程“聚團(tuán)”的疑似成層性。雖不能具體表示出每塊礫石的“可能形狀”,但因“礫石土”的特定組成所決定,并不會(huì)因此而影響模擬的最終結(jié)果。依據(jù)這一方法,開發(fā)了能量化描述礫石沉積結(jié)構(gòu)特性的元胞自動(dòng)機(jī)程序GTSM。程序可在試件尺寸、單位長度、初始條件以及礫石含量(確定性的和不確定性的)等多方面為用戶提供選擇來“制備”三軸試驗(yàn)試樣。圖1為礫石含量在10%~60%區(qū)間內(nèi),隨機(jī)選擇礫石含量生成的試件尺寸為0.2m×10m×16m時(shí)的2幅冰磧土結(jié)構(gòu)圖。從其外觀上看,礫石“團(tuán)聚”幾何形態(tài)與現(xiàn)場觀察結(jié)果頗為相似,表明采用該程序“制備”試樣是十分合適的。3試驗(yàn)原理、方法和結(jié)果3.1本構(gòu)模型的建立三軸數(shù)值模擬試驗(yàn)的基本原理是以計(jì)算機(jī)為操作平臺(tái),借助相關(guān)軟件建立切合試驗(yàn)巖土體實(shí)際的結(jié)構(gòu)模型,施加合理的位移、力學(xué)邊界條件替代試件周圍的約束,以本構(gòu)模型表達(dá)加載條件下巖土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,借此來模擬真實(shí)的三軸試驗(yàn)。3.2軸壓應(yīng)力-位移關(guān)系試驗(yàn)基于這一原理,冰磧土三軸數(shù)值模擬模擬試驗(yàn)的基本步驟如下:(1)采用元胞自動(dòng)機(jī)程序GTSM“制備”試樣;(2)將冰磧土的元胞自動(dòng)機(jī)模型導(dǎo)入FLAC3D,進(jìn)行網(wǎng)格剖分,得到網(wǎng)格模型;(3)選取“試件”的一個(gè)方向作為軸壓方向,其他方向作為圍壓方向,施加約束條件;(4)保持加載速度不變,直至“試件”屈服破壞,記錄軸壓方向和側(cè)壓方向多個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力和位移值并繪制軸壓方向的應(yīng)力-位移關(guān)系曲線;(5)對同一“試件”,改變施加的圍壓大小,重復(fù)步驟(4),以3次模擬試驗(yàn)為一組;(6)數(shù)據(jù)處理:在Autocad中繪制應(yīng)力-位移關(guān)系曲線上的“屈服點(diǎn)”對應(yīng)的主應(yīng)力莫爾圓,求取抗剪強(qiáng)度參數(shù);取各測點(diǎn)的應(yīng)變增量平均值,繪制應(yīng)力差與應(yīng)變增量的關(guān)系曲線,根據(jù)該曲線計(jì)算彈性模量;取軸壓方向測點(diǎn)與側(cè)壓方向測點(diǎn)的應(yīng)變平均值,計(jì)算泊松比。3.3土體及礫石的物理力學(xué)性質(zhì)以重鋼集團(tuán)太和鐵礦采場邊坡冰磧土為例,模擬冰磧土試件在剛性壓力機(jī)下的三軸壓縮試驗(yàn)。對于該工程場地的冰磧土,文獻(xiàn)提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)表明:黏土強(qiáng)度低于礫石-黏土間接觸面強(qiáng)度(摩擦力和黏結(jié)力),礫石-黏土間接觸面強(qiáng)度低于礫石間接觸面強(qiáng)度(摩擦力),礫石間接觸面強(qiáng)度低于完整礫石強(qiáng)度。簡言之,冰磧土的力學(xué)行為在很大程度上決定于黏土與礫石的相對含量,至于礫石是多塊體,還是完整體,相對于基質(zhì)黏土而言是一樣的。因此,選取莫爾-庫侖模型這一通用但較為簡單的本構(gòu)模型來表達(dá)受壓作用下土體和礫石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不會(huì)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生重大影響。土體和礫石物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)以文獻(xiàn)提供的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)為準(zhǔn),并參考文獻(xiàn)的參數(shù)取值作了一定的修正,具體取值見表1。計(jì)算模型如圖2所示,在z=0端面施加法向約束,z=c的端面施加常速度;在x=0和x=a的兩平面施加法向約束;在y=0和y=b兩平面施加側(cè)向壓力p。為考慮同一礫石含量(本文選取的含量為47.5%)下冰磧土的強(qiáng)度影響因素,制定了4組試驗(yàn)方案,見表2。圖3為某次模擬試驗(yàn)軸壓方向上的應(yīng)力-位移關(guān)系曲線圖,圖4為不同礫石含量下試件剪切帶的剪切應(yīng)變率云圖。依據(jù)3.2節(jié)所述的數(shù)據(jù)處理方式,對三軸模擬試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可獲得冰磧土的抗剪強(qiáng)度(見圖5)和其他參數(shù)。由三軸數(shù)值模擬試驗(yàn)獲得的冰磧土強(qiáng)度和變形參數(shù)列于表3。4抗剪強(qiáng)度參數(shù)對冰改性試件整體的影響(1)考慮冰磧土強(qiáng)度時(shí),不能忽略冰磧土體和礫石的各自貢獻(xiàn)。從47.5%礫石含量下冰磧土“試件”的軸壓方向應(yīng)力-位移關(guān)系曲線圖(見圖3)可以看出,冰磧土表現(xiàn)出明顯的“欺軟怕硬”特性:加載初期,由于礫石與土強(qiáng)度特性差異巨大,礫石只作為傳遞外力給土體的載體,土體承擔(dān)絕大多數(shù)變形,直至其發(fā)生屈服;隨后由于礫石位置發(fā)生偏移,彼此間相互擠壓、咬合,重新組合,構(gòu)成了繼續(xù)承受加載的骨架,承擔(dān)變形,直至試件整體發(fā)生屈服破壞。(2)礫石的展布形態(tài)對冰磧土的變形和破壞形式的存在巨大影響。從圖4(b)可以看出,由于冰磧土的“欺軟怕硬”強(qiáng)度特性,表征試件破壞的剪切帶的貫通、閉合,完全由礫石的分布控制,而非將其當(dāng)作均質(zhì)體處理時(shí),呈現(xiàn)的對稱“X”形,見圖4(a);同時(shí),礫石分布也會(huì)影響礫石間的相互擠壓、咬合,使得礫石骨架的構(gòu)建階段出現(xiàn)較大的差異,從而對應(yīng)力-位移關(guān)系曲線的形態(tài)產(chǎn)生重要影響,導(dǎo)致該曲線可能出現(xiàn)如圖3所示的兩次或兩次以上的爬坡。(3)由表3可看出,礫石含量較高(47.5%)時(shí),冰磧土抗剪強(qiáng)度參數(shù)中的黏結(jié)力對圍壓、加載速率以及門限礫石直徑較為敏感。提高圍壓和門限礫石直徑,黏結(jié)力增大,而摩擦角幾乎不發(fā)生變化,這是因?yàn)樵谶@種高礫石含量下,礫石分布相對較均勻,冰磧土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)由礫石決定所致。表3還表明,冰磧土的摩擦角在加載速率小時(shí)要比加載速率大時(shí)高一些。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象,是因?yàn)榧虞d速率較小時(shí),礫石間的作用以相互錯(cuò)動(dòng)、填塞和咬合為主,冰磧土的整體性得到加強(qiáng);加載速率較大時(shí),礫石間作用主要表現(xiàn)為擠壓作用,礫石被壓碎,相互錯(cuò)動(dòng)和咬合作用沒有加載速率低時(shí)那么充分。相對小加載速率時(shí)的情況而言,冰磧土的整體性要低一些。(4)冰磧土強(qiáng)度的影響因素眾多,強(qiáng)度參數(shù)離散性大,采用確定性方法處理不能充分反映這些因素的影響,因而更適合采用概率方法進(jìn)行處理。5建立模擬實(shí)驗(yàn)室的可行性(1)數(shù)值模擬方法由于具有可控性、無破壞性、安全性和可重復(fù)性等特點(diǎn),可有效彌補(bǔ)冰磧土室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)的不足。采用數(shù)值模擬方法模擬冰磧土三軸試驗(yàn),可不受試驗(yàn)條件、經(jīng)費(fèi)的限制,從多方面討論冰磧土的工程強(qiáng)度特性,加深對冰磧土變形機(jī)制的規(guī)律性認(rèn)識(shí),甚至可獲得供工程設(shè)計(jì)使用的強(qiáng)度參數(shù),更好地服務(wù)于工程實(shí)際。(2)冰磧土三軸數(shù)值模擬試驗(yàn)的處理方式表明:任何一種新的計(jì)算方法、分析方法和設(shè)計(jì)方法的出現(xiàn),都必然有“先進(jìn)工具”和“環(huán)境學(xué)科”的支持。從這個(gè)意義上講,每個(gè)時(shí)代的新方法都必然會(huì)打上時(shí)代工具的烙印。計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,促進(jìn)了仿真技術(shù)和數(shù)值算法的發(fā)展,為建立現(xiàn)代虛擬巖土實(shí)驗(yàn)室的提供了可能。通過仿真技術(shù)模擬材料的組成和