基于離散元方法的直剪試驗下鹽漬土細觀形變特性研究

王婭娟

（河西學院土木工程學院，甘肅 張掖 734000）

1 引言

鹽漬土對工程危害大，工程中對于鹽漬土少的地區可通過換填土對地基進行處理，張掖有些地區鹽漬土分布不均勻且分布面積非常廣，用換填的方式對鹽漬土進行處理會增加工程造價。文中對不同含鹽量的土進行剪切試驗，觀察土顆粒的速度方向，內部黏結力的分布，以及受剪過程中土體面上破壞趨勢和抗剪強度的大小。

張莎莎等[1]為了明確影響典型粗粒硫酸鹽漬土路基鹽脹特征的敏感參數，提出相關的敏感參數量化分析模型及其影響因素和因素之間交互作用的量化指標。秦國俊[2]依托連霍高速（G30）新疆境內小草湖至烏魯木齊段改擴建工程，結合PDCA（計劃，執行，檢查，行動）循環找出了鹽漬土路基施工質量控制的關鍵環節，確定了該地區鹽漬土路基標準施工方法。劉輝[3]以我國西南部某不良地質區的公路項目為例，針對季節性凍土區與鹽漬土路基的處置方法進行分析，以期為不良地質條件下的路基施工提供參考。王莉杰[4]通過室內人工配制氯鹽漬土對不同含鹽量鹽漬土，對鹽漬土中水鹽遷移特性進行分析研究。王亞強等[5]對不同細粒含量和鹽分供給源的水鹽遷移及時空分布特性研究，得出粗粒鹽漬土地區道路工程宜通過控制細粒土含量來抑制粗粒鹽漬土水鹽遷移。龔雨[6]對鹽漬土地基的特性，通過對國內外相關研究現狀的分析，系統地總結了鹽漬土地基處理方法。黃雪峰[7]為了研究外界自然條件下的鹽漬土鹽脹特性與水熱傳遞變化特征，進行了含鹽量和干密度單向控制下的室內膨脹變形試驗和為期一年的地基變形、地溫和含水率綜合監測現場試驗，得出一系列相關結論。謝瀟[8]提到鹽漬土的分布范圍有可能會進一步擴大，需要鹽漬土的特性進行研究并對其提出防治。鹽漬土的鹽分含量與土的壓縮性、抗剪強度等密切相關[9，10]。

自上世紀80年代以來，專家和學者對鹽漬土的微觀結構和物質組成以及鹽漬土地基的溶陷性、鹽脹性和腐蝕性等巖土工程特性作了多方面的研究[11]，在頗多的鹽漬土特性研究中，針對張掖本地鹽漬土特性的研究甚少，基于此，文中對張掖本地區存在的鹽漬土進行細觀形變的研究，對探索張掖地區工程鹽漬土防治措施提供一定的參考。

2 試驗模擬

2.1 離散元模擬

選取甘肅張掖地區的特殊土體鹽漬土作為研究對象，由于測定的土顆粒粒徑較小，常規的直剪試驗無法直觀分析土顆粒的內部運動情況、土體剪切面的受力特點以及細觀受力分析等，所以，需要采用模擬試驗的方式進行研究與分析。PFC 5.02d軟件采用離散元法研究實際物體在外部因素的影響下的內在受力、分布及形變特征等，采用PFC 5.02d，可通過編寫程序代碼，以及運行代碼進行外部演示，以此分析土體等的內部受力情況。

2.2 模擬試驗的方案

①鹽漬土均采用0.16的孔隙率，鹽漬土的粒徑大小設置在0.1mm～0.3mm之間，鹽漬土中的含鹽量采用2%、4%、6%、8%，并設置對照組，與0含鹽量的土體對比。

②得到剪應力-剪切位移的關系，得出鹽漬土的抗剪強度隨含鹽量的變化。

2.3 顆粒模型和接觸模型

由于5.0版本的PFC中只能賦予模型一種接觸，考慮到該地區的鹽漬土特點為粘性土質，接觸模型的類型均采用平行粘結模型，鹽漬土中的土顆粒與鹽顆粒均采用ball模擬。其中，鹽漬土中的鹽采用ball模擬，由于暫時沒有較好的方法完全體現鹽漬土中鹽的特性，只是減小了鹽顆粒的剛度，以滿足含鹽量過多將導致土體不良而發生沉陷的特性。

3 鹽漬土的直剪試驗模型

由于本文采用的是二維軟件，根據直剪試驗中土樣的大小，以實際土樣的側面剖面為基準，設置模擬土樣的大小為長61.8mm，高20mm，如圖1所示。

采用PFC中特有的墻體命令，參照實際試樣大小比例生成剪力盒，以便于進行剪切的伺服控制，如圖2所示。

通過編程，進行伺服控制，給予上部分墻體施加一定的速度以及一定圍壓（本文圍壓設置為200kPa），使墻體推移上部分土體，以達到剪切效果。圖3為剪切后的模型外觀。

圖1 鹽漬土虛擬模型

圖2 置于剪力盒的土體模型

圖3 受剪切后的模型

圖4為剪切過程中的顆粒速度云圖，可以看出上部分土體的位移方向整體向右，顏色較淺且一致，表明具有一定大小的速度，而下部分土體兩側顏色較深，且運動方向不固定，說明是受到了墻體的限制，并且也有向右運動的趨勢，說明上下土體間具有一定的剪應力，通過墻體模擬的剪力盒是可行的。

圖4 剪切過程的顆粒速度方向云圖

圖5為粘結模型總的接觸力分布情況，圖中顏色越淺，表明粘結力越大，該處受破壞的程度就較大，則可以由粘結鍵的變化情況看出土體剪切面的破壞趨勢方向，這點將有助于對受剪土體的破壞方式做進一步研究。

圖5 剪切過程中粘結接觸力的分布云圖

4 鹽漬土的抗剪強度分析

通過上述模型的修改，得到0%、2%、4%、6%、8%的不同含鹽量的鹽漬土試件模型如圖6所示。

圖6 不同含鹽量的鹽漬土模型

編寫history命令程序，對土體模型的內部剪應力進行監測、記錄并導出，得到0、2%、4%、6%、8%的不同含鹽量下，剪應力隨剪切位移的關系曲線如圖7所示。

圖7 不同含鹽量的剪應力與剪切位移關系曲線

可以看出，剪應力在前期隨剪切位移的增加而增加，剪切位移0～0.5之間其增幅很大，說明在剪切過程中，剪應力是需要經過一段剪切位移后才能達到較大的值。原因在于土中存在一定的孔隙，經過一段位移，孔隙被逐漸壓密后，土體受到的剪力才會較大。而在之后，曲線開始下降，不再大幅度上升；在后期的曲線略有一定波動，但變化幅度較小，說明剪切過程中土體的孔隙被壓密，剪切過程較為穩定。

而對于不同含鹽量的關系曲線，可以明顯地看出，當曲線進入第一處波峰時，峰值大小是不同的，其大到小的順序為：0＞2%＞4%＞6%＞8%。根據土的抗剪強度理論分析，通過導出模擬曲線中各曲線的峰值，得到（表1）鹽漬土的剪應力與含鹽量的關系，并將其整理為如圖8所示。

表1 不同含鹽量下的鹽漬土剪應力大小

圖8 剪應力峰值隨含鹽量的變化關系曲線

土體受到的剪應力越大，其抗剪強度相對越大。從圖8中可以看出，抗剪強度大小隨含鹽量的關系為：0＞2%＞4%＞6%＞8%，即鹽含量越多，抗剪強度相對越小。結果可推導至實際工程中，由于鹽易溶解，造成土體的強度與剛度降低，鹽分的溶解，造成土中孔隙增加，使得土體的強度與密實性下降，抗剪強度降低。

5 結語

①選擇甘肅地區的鹽漬土為研究對象，通過編寫程序，生成了直接剪切試驗的鹽漬土離散元模型，并分析了土樣在剪切過程中土顆粒的速度方向、內部粘結力的分布，得到在受剪過程中土體的破壞面的破壞趨勢。

②通過對0、2%、4%、6%、8%含鹽量的鹽漬土的剪應力與剪切位移的關系曲線分析，得出抗剪強度大小隨含鹽量的關系為：0>2%>4%>6%>8%，即鹽含量越多，抗剪強度相對越小。

③對鹽漬土細觀形變特性研究，為實際工程提供一些參考。