1. 引言
岩堆体是指松散岩石堆积体,广泛分布于第四系坡积层、崩积层、残积层等地层中 [1]。在我国红土高原的云南地区存在一种岩土混合体,组成物质复杂,粒径跨度大,呈碎裂、松散状,节理、裂隙极其发育,自稳能力差,属于特殊软弱围岩体,为区别于一般岩堆体,将其命名为“类岩堆体”。类岩堆体既不属于岩体,也不属于土体,且不同的类岩堆体物理力学性质差异较大。现有研究多针对于普通土石混合体,对于类岩堆体这样特殊的岩土体材料深入研究较少。
在国内,油新华等 [2] 在对三峡库区蓄水边坡进行工程地质调查的基础上,提出了土石混合体的概念,并根据含石量、土体性质和颗粒级配对其进行了分类。对于土石混合体,国外常称“bimrocks”,最早由Medley [3] [4] 提出,他将其定义为“岩石的混合物,由具有良好质地的胶结基质内的岩土工程学上重要的块体组成”。表述中“岩土工程学上重要的块体”是指在块体与基质之间存在力学性质差异,并且块体的体积和大小会在工程尺度上影响岩体性质。
研究土石混合体,需明确土和石粒径界限,目前国内外主要存在3种土石阈值取值方法,常用的土石阈值为2 mm和5 mm [5],除此之外,Medley [3] 对美国Franciscan地区分布的melange (bimrocks的一种)进行统计分析,发现其粒度分维曲线在
处出现明显转折点,因而定义土石阈值为
。针对土石混合体的力学性质,国内外学者开展了大量研究,Lindquist [6] 通过物理模型试验发现,在bimrocks变形模量相对于含石率的图中,几乎所有的数据点都落在基质的平均模量(下限)和基质、块体加权(根据体积比例)模量(上限)之间。Lin [7] 等对多组不同特征的高含石率(65%以上)胶结型bimrocks试件进行测试,结果显示动态弹性模量是含石率(VBP)和基质强度的函数。bimrocks的变形模量主要受基体变形模量的影响,强度受基体内聚力的影响更大 [8]。大量研究表明,控制bimrocks强度特性的参数有体积含石率(VBP)、基质和块体强度、块体形状和空间分布 [7] [8] [9] [10] [11]。使用不同方法的研究都表明,影响土石混合体物理力学性质最显著的参数是含石率,不同含石率下土石混合体受力之后的力学反应差别很大。
在土石混合体的剪切特性方面,景宏君等 [12] 对土石混合比为3:7的土石混合填料进行大型三轴剪切试验,发现在低围压下,应力应变曲线为应变硬化型,在高围压下,试样表现为弱应变软化。江强强等 [13] 开展了不同含石量条件下的土石混合体剪切变形特性试验研究,结果表明:在低含石率下,试样呈应变硬化特性;在高含石率下,试样呈应变软化特性。金磊等 [14] 对含石量为50%的土石混合体三维离散元模型进行三轴试验数值模拟,发现试样微裂纹最初在土–石界面处产生,随后绕过块石在土体中扩展,最后联通形成剪切带。胡瑞林等 [15] 对土石混合体细观损伤开裂过程进行研究,发现在低含石率下(30%以下),土体强度是决定抗压强度最主要因素,界面强度对其影响不大;在高含石量下,界面胶结强度增大会使块石间的接触咬合变强,从而造成试样的抗压强度有所提高。严颖等 [16] 采用离散元模型对土石混合体的直剪过程进行了数值模拟,结果表明,在低含石量下,土石混合体的抗剪强度随含石量增加而增加;在中含石量下,抗剪强度波动性较大;在高含石量下,抗剪强度显著增强。无论是直剪试验还是数值模拟,都表明土石混合体剪切特性受含石率影响较大,在剪切过程中裂纹产生有明显的绕石效应。
前述研究对象为土石混合体,而类岩堆体作为红土高原地区特有的地质材料,其剪切力学特性尚未被研究过,综上所述,参照土石混合体的研究,对于类岩堆体,含石率对其影响较大。研究不同含石率的类岩堆体物理力学特性,对于指导实际工程施工具有重要意义。本文通过直剪试验,研究了含石率为100%的类岩堆体在竖向压力为200 kPa下的抗剪强度,并应用PFC对其进行数值仿真模拟,以期为红土高原地区隧道开挖过程中参数的合理选取提供一定参考。
2. 类岩堆体直剪试验
2.1 试验设备
试验设备采用同济大学自主研制的大型接触面剪切仪,如图1所示。该设备由上下剪切盒、油压控制系统、计算机控制系统组成。剪切盒净空尺寸为600 mm × 400 mm × 200 mm (长 × 宽 × 高)。水平和竖向荷载均通过油压控制,最大可达100 kN,试验过程中,上剪切盒固定,切向最大位移达75 mm。
测定材料级配采用新标准方孔试验筛(JGJ52-2006)和顶击式标准振筛机(ZBSX-92A型),如图2所示。振筛机震幅为8 mm,震击次数为147次/分。
2.2试验材料
试验材料取自云南建(个)元高速公路他依隧道左洞Z5K64+575.4桩号附近。考虑试验筛孔径,选取5 mm作为土石阈值,同时,为了消除尺寸效应,根据剪切盒尺寸以及材料装填高度确定材料最大粒径,一般取(1/6) H,(1/7~1/5) H和(1/8~1/4) H等(H为剪切盒的高度) [5]。本试验所用设备的剪切盒净空高度为200 mm,根据上述标准,考虑试验筛孔径,选定31.5 mm (约(1/6.35) H)为本试验材料的最大粒径。利用振筛机将类岩堆体按照粒径大小筛分成5~10 mm,10~16 mm,16~20 mm,20~25 mm,25~31.5 mm共5个粒组,部分粒组如图3所示,试样级配如图4所示。
Figure 1. Large-scale interface shearing apparatus
图1. 大型接触面剪切仪图
Figure 2. Top strike type standard vibrating sieving machine and new standard square hole test sieves
图2. 顶击式标准振筛机和新标准方孔试验筛
2.3试验方案
根据试验方案设计,试验基本过程与操作步骤如下所述:
1、配料:试验材料质量恒定为76.2 kg,根据设定的级配曲线计算出不同粒径颗粒的质量,称重之后将准备好的粗集料混合搅拌均匀;
2、装填:为使试验材料分布相对均匀,采用分层装样的方法,分4层进行装样,每层高度控制在50 mm左右,将材料摊铺均匀,静置20分钟,使其在重力作用下沉降;
3、剪切:装样后检查平整度和密实度,随后进行竖向加载固结,在达到预定竖向压力后,持续加压20 min。达到预定压力200 kPa后,持续加压20分钟,然后以1.6 mm/min的速度开始剪切,达到70~90 mm的剪切位移后停止剪切进行卸载;
4、筛分:剪切完成后,将材料小心取出,再次通过标准筛进行筛分,记录各粒径颗粒质量,获得剪切后材料的级配曲线。
Figure 3. Part of the grain group of talus-like rock mass
图3. 类岩堆体部分粒组
3. 试验结果及分析
通过室内直剪试验得到的类岩堆体剪应力-位移曲线如图5所示。由图5可知,试样在200 kPa下随着剪切位移的增大,剪应力不断增大,表现为应变硬化,达到塑性屈服移后,应力基本保持不变,应力位移曲线趋势与文献 [17] 基本一致。整个曲线可划分为三个阶段:① 剪密段,类岩堆体内部空隙被挤压,材料逐渐密实,剪应力快速增加,曲线近似为线性;② 硬化段,随着剪切位移的增加,剪应力增长速率逐渐变小,慢慢达到峰值强度,材料继续被压密,同时伴随材料内部块石翻转、摩擦等作用导致曲线出现明显的波动;③ 塑性流动段,剪应力达到峰值强度后,曲线基本保持平稳状态,材料内部出现明显剪切破坏面。
4. 数值模拟
4.1数值模型
为了观察块石破碎情况,本文选用离散元软件PFC2D作为数值模拟工具。采用PFC2D中的Wall单元作为剪切盒边界,参照直剪试验条件,剪切盒尺寸设置为600 mm × 200 mm (长 × 高)。在PFC2D中用重力沉降法生成均匀颗粒体系,颗粒半径为0.6~0.9 mm,采用文献 [18] 中所述方法在CAD中生成随机不规则多边形,导入PFC2D中,对ball进行分组,生成cluster,数值模型如图6所示,颗粒密度为2900 kg/m3。块石之间采用线性模型,块石内部颗粒之间则采用平行黏结模型,相比于线性模型,平行黏结模型可以传递力矩,一旦应力超过设定的黏结强度,颗粒之间的黏结会破坏,因而可以模拟块石的破碎情况。
4.2模拟参数分析
宏观参数与细观参数之间缺乏相互转换的成熟理论,一般通过试错尽量使模拟结果接近真实试验结果,本文通过多次尝试得到颗粒细观参数如表1所示。由图7数值模拟和直剪试验的对比结果可知,数值试验获得的剪应力–剪切位移曲线与室内试验的吻合度较好。
Figure 5. Shear-displacement relations for talus-like rock mass
图5. 类岩堆体剪应力–位移曲线
含石率为100%的类岩堆体内部充满较大的空隙,块石相互搭接形成骨架,在剪切过程中骨架承担传力的作用,一般来说,孔隙率越小,形成的骨架越稳定。在保证级配、细观参数相同的情况下,比较孔隙率为0.17、0.2的数值模型获得的剪应力–位移曲线,如图8所示,曲线整体趋势一致,开始剪切阶段,孔隙率越小,剪应力越大,随着块石破碎、压密,剪应力得到强化,两者剪应力差值缩小。
Figure 7. Stress-displacement curves of numerical simulation and direct shear test
图7. 数值模拟与直剪试验的剪应力–位移曲线
Figure 8. Stress-displacement curves of talus-like rock mass with different porosity
图8. 不同孔隙率的类岩堆体剪应力–位移曲线
5. 结论
本文以红土高原的云南地区存在的特殊岩土混合体–类岩堆体为研究对象,通过大型室内直剪试验和数值模拟,研究类岩堆体的剪切特性,得到如下结论:
1) 含石率为100%的类岩堆体在200 kPa竖向压力下剪切时呈现应变硬化特性,整个应力位移曲线可划分为剪密段、硬化段和塑性流动段;
2) 通过PFC离散元软件建立起数值模型,采用cluster模拟块石破碎特性,多次尝试确定了类岩堆体中块石的细观参数;
3) 在保证级配、含石率、细观参数相同的情况下,比较不同孔隙率的类岩堆体数值模型获得的剪应力–位移曲线,揭示了孔隙率对类岩堆体剪切强度的影响。