高含石量堆積體剪切特性研究

楊繼紅，王晶瑩，楊興隆，劉佳賓，劉曉廣

(1.華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南 鄭州 450046；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

目前國內滑坡時有發生，威脅著人民的生命安全。尤其是斜坡遭遇庫水位升降、持續降雨等情況，滑坡發生的概率要遠大于平時。我國西南地區存在大量自然邊坡，多雨季節滑坡時有發生。據統計，我國85%以上的滑坡為堆積體滑坡[1]，因此，深入研究堆積體的物理力學性質對滑坡的預報及治理具有重要意義。堆積體的應變軟化現象會加速斜坡失穩的過程，而Weibull模型能很好地描述巖石的脆性破壞特性[2-3]。應變軟化邊坡的失穩是一個逐漸變化的過程，即應力大的點先超過峰值強度而軟化，軟化后強度降低，此時超額的剪應力轉移給相鄰巖土體，使得相鄰巖土體的剪應力超過其峰值強度，隨之發生軟化，如此延續，直至邊坡的破壞。進行邊坡的穩定性分析時，如果按照峰值剪應力計算，則比較危險[4]，因此考慮應變軟化的邊坡穩定性分析方法對于此類邊坡的評價與治理具有重大的意義。

楊繼紅等[5]通過室內大型直剪試驗得出，高含石量的土石混合體在較低法向應力下顯示出應變硬化特性，而在高法向應力下則顯示出應變軟化的特性；薛亞東等[6]通過試驗得出土石混合物在低法向應力時表現為剪脹，高法向應力時表現為剪縮；楊忠平等[7]通過數值模擬計算得出高含石量條件下，法向應力越高，應變軟化越明顯；賈學明等[8]通過數值模擬得出軟巖混合料在高法向應力作用下產生剪縮和軟化現象，硬巖混合料在高法向應力條件下表現為剪脹和塑性。已有的研究成果表明堆積體中含石量的多少以及石塊的種類對剪應力-位移曲線的峰值和曲線形狀都具有較大影響，但對于如何描述堆積體的剪切特性卻研究甚少。本文運用PFC顆粒流技術計算得出高含石量堆積體的直剪試驗剪應力-位移曲線，運用Weibull模型描述該剪應力-位移曲線。

1 堆積體的大型直剪試驗

對于土石混合介質堆積體而言，可采用三軸試驗和大型直剪試驗獲得其抗剪強度。但三軸試驗操作復雜，試驗歷時長，試樣制作困難且受設備限制，試樣中堆積體的最大粒徑較小，不利用于對土石混合介質堆積體進行大量的試驗研究。相比之下，大型直剪試驗設備構造簡單，制樣方便，固結速度快，試驗歷時短，操作方便，對粒徑限制小。因此，利用大型應變控制式直剪儀，結合三峽庫區典型的土石混合介質堆積體邊坡，進行了不同含石量條件下室內重塑樣的大型直剪試驗，試驗儀器如圖1所示。

圖1 大型應變控制式直剪儀

根據試驗研究內容，定義小于5 mm的顆粒是“土”，大于5 mm的顆粒是“石塊”，直剪儀適用的最大控制粒徑為80 mm，因此碎石粒徑為5～80 mm，碎石所占堆積體總質量的百分比為“含石量”，試樣尺寸為φ504.6 mm×400 mm。此次試驗是用某滑坡現場取回的堆積體土樣，堆積體為紫紅色的黏土夾紫紅色碎塊石，土石比約為3∶7，碎塊巖性為粉砂巖。整個試驗配置了不同含石量的土體，如圖2所示。

圖2 不同含石量的試樣

根據不同含石量，在法向應力為300 kPa的條件下進行試驗，剪切速率為0.4～1.2 mm/min，不同含石量堆積體的剪應力-位移曲線如圖3所示，隨著含石量的增加，土體出現應變軟化現象。

圖3 σ1=300 kPa時不同含石量堆積體的剪應力-位移曲線

由圖3可知，在300 kPa豎向壓力下，不同含石量的剪應力-位移關系曲線均表現出非線性關系，并且含石量在10%～60%時，剪應力-位移關系曲線表現出應變硬化的特性，而含石量在70%～80%時，剪應力-位移關系曲線表現出應變軟化特性。因此采用Weibull模型來表征堆積體的應變軟化特性。

2 Weibull模型

Weibull模型(即應變軟化介質的本構模型[2])為

(1)

式中，Gs為初始剪切模量；h為剪切帶的厚度；u為剪切位移；u0為平均位移的測度；m為Weibull分布的形狀參數。

3 堆積體大型直剪試驗的PFC數值模擬

離散元是專門解決不連續介質的一種數值計算方法，顆粒離散元法(PFC)主要模擬有限尺寸的顆粒，允許顆粒產生位移和轉動，能很好地反映顆粒的運動機理、運動過程和結果。

3.1 剪切盒模型

本次模擬的剪切盒尺寸和原模型一致[10]，在整個模擬過程中保持上剪切盒不動，推動下剪切盒向右移動，通過伺服加載機制使正應力保持不變。模擬過程中認為球和墻體都是剛性的，設置的墻體剛度遠遠大于球體。

3.2 顆粒生成及參數設置

此次模擬的是土石混合體的直剪，在模擬過程中為了保持計算機高速運轉，使用ball模擬土石塊，在參數設置時，將其摩擦系數適當放大，以此來抵消土石塊棱角帶來的影響[8]。模擬中，按顆粒級配生成含石量為80%的土石混合體，級配情況如表1所示。此次模擬生成的顆粒范圍是1～80 mm，生成的顆粒有可能是重疊的，通過伺服機制使球體顆粒彈開。伺服之后的土石混合體模型如圖4所示。經過前期的正交試驗設計試算、試驗數據以及參考文獻[6- 8，10-11]，數值模擬中的主要參數取值如表2所示。

圖4 伺服之后土石混合體模型

表1 顆粒級配

表2 數值模擬中的主要參數設置

3.3 模擬結果

PFC數值模擬試驗結果如圖5所示，數值模擬生成的曲線如圖6所示。由圖6可知，隨著剪切位移的增大，模擬出的剪應力先增大后減小，表現出應變軟化特性，其峰值剪應力為317 kPa，對應的剪切位移為40.9 mm。與試驗得出的剪應力曲線相比，峰值降低，而在峰值出現時對應的剪切位移與試驗一致。

圖5 剪切結束圖像

圖6 數值模擬結果與試驗結果

圖7 剪切過程中某一時刻顆粒的旋轉角速度

圖8 數據擬合

4 結 論

對堆積體進行大型直剪試驗，試驗結果可知，當堆積體的含石量<60%時，堆積體的剪切特性表現為應變硬化；當堆積體的含石量>70%時，堆積體表現為應變軟化特性，且堆積體的抗剪強度隨含石量的增大而增大。在高含石量下，堆積體剪應力-位移曲線具有明顯的應變軟化特征，模擬試驗得出的剪應力-位移曲線采用Weibull模型擬合，結果表明Weibull模型對堆積體的應變軟化具有很好的擬合效果。