不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究_王亮.pdf

第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 9;修订日期:2 0 2 3-0 3-1 3 基金资助:国家自然科学基金项目(5 2 0 6 8 0 0 4);广西重点研发计划项目(A B 1 9 2 4 5 0 1 8)通讯作者:江杰(1 9 7 9),男,湖北麻城人,广西大学教授,博士生导师,博士;E-m a i l:j i e_j i a n g 0 0 11 2 6.c o m。引文格式:王亮,胡海宾,潘彬涛,等.不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):4 9 5-5 0 5.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 4 9 5不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究王亮1,胡海宾1,潘彬涛1,江杰2,3*,罗豪豪2,3,刘顺凯4,龚健2,3(1.中铁一局集团有限公司第三工程分公司,陕西 宝鸡7 2 1 0 0 6;2.广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁5 3 0 0 0 4;3.工程防灾与结构安全教育部重点实验室,广西 南宁5 3 0 0 0 4;4.湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭4 1 1 2 0 1)摘要:为了研究土石混合体混合度是否影响其作为填料的振动压实效果,采用离散元法对不同混合度土石混合体开展了数值模拟。研究结果表明:相同振动荷载周期时,土石混合体的压实效果随混合度增加而变好,且增加效果对高含石量土石混合体更显著,建议采用含石量体积分数为7 0%左右混合均匀的土石混合体为填筑料。另外,从能量耗散角度对振动压实过程中的压实机制进行分析,发现加载过程中阻尼耗能、滑动耗能和滚动耗能是促进土石混合体孔隙比减小的主要因素,其他耗能形式对孔隙比的影响较小;阻尼耗能、滑动耗能和滚动耗能随荷载周期的变化趋势相似,即加载初始耗能快速增加,耗能增速随荷载周期逐渐变缓,直至加载后期趋于稳定,该演变趋势与振动压实过程中土石混合体内部结构变化密切相关。关键词:土石混合体;混合度;振动压实;离散元;能量耗散中图分类号:TU 4 7 3.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 4 9 5-1 1S t u d yo nt h e e n e r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i s mo f v i b r a t i n gc o m p a c t i o nb e h a v i o ro f s o i l-r o c k-m i x t u r ew i t hd i f f e r e n tm i x i n gd e g r e eWANGL i a n g1,HU H a i b i n1,P ANB i n t a o1,J I ANGJ i e2,3*,L UO H a o h a o2,3,L I US h u n k a i4,GON GJ i a n2,3(1.C h i n aR a i l w a yF i r s tG r o u pT h i r dE n g i n e e r i n gC o.,L t d.,B a o j i 7 2 1 0 0 6,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a;3.K e yL a b o r a t o r yo fD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dS t r u c t u r a lS a f e t yo fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a;4.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,H u n a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,X i a n g t a n4 1 1 2 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e rt o s t u d y w h e t h e rt h e m i x i n g d e g r e e w i l li n f l u e n c e t h e v i b r a t i n gc o m p a c t i o nb e h a v i o ro fs o i l-r o c k-m i x t u r e s(S RM s),t h ed i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d(D EM)s i m u l a t i o n so f S RM sw i t hd i f f e r e n tm i x i n gd e g r e ew e r e c o n d u c t e d.T h e r e s e a r c hr e s u l t s s h o w广西大学学报(自然科学版)第4 8卷t h a t t h ec o m p a c t i o ne f f e c t i v e n e s so fS RMi n c r e a s e sa st h em i x i n gd e g r e ei n c r e a s e sa tt h es a m e l o a d i n gc y c l e.F u r t h e r m o r e,t h i s i n c r e a s e e f f e c t i sm o r e s i g n i f i c a n t l y f o rS RMw i t hh i g hr o c kc o n t e n t s.O u r s i m u l a t i o n s s u g g e s t t h a t t h eu n i f o r mS RMw i t hn e a r l y7 0%r o c kc o n t e n t si sar e c o mm e n d e df i l l i n g.A d d i t i o n a l l y,t h ec o m p a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fS RM su n d e rv i b r a t i o ne f f e c t a r ee x p l a i n e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fe n e r g yd i s s i p a t i o n.I t i s f o u n dt h a t t h ed a m p i n ge n e r g yd i s s i p a t i o n,f r i c t i o ne n e r g yd i s s i p a t i o na n dr o l l i n ge n e r g yd i s s i p a t i o na r et h em a i ne n e r g yi t e m st or e s u l ti nt h ed e c r e a s i n gt h ev o i dr a t i oo fS RM s,a n de f f e c t so fo t h e r se n e r g yi t e m sc a n b ei g n o r e d.F u r t h e r m o r e,t h ee v o l u t i o n s o fd a m p i n g e n e r g yd i s s i p a t i o n,f r i c t i o ne n e r g yd i s s i p a t i o na n dr o l l i n ge n e r g yd i s s i p a t i o nw i t hl o a d i n gc y c l ea r es i m i l a r.S p e c i f i c a l l y,a tt h ei n i t i a l l o a d i n gc y c l e,t h e s ee n e r g yi t e m sr a p i d l yi n c r e a s e,t h e nt h eg r o w t hs l o wd o w na n db e c o m es t a b l ea t t h ee n do f l o a d i n gc y c l e.T h i se v o l u t i o nt r e n d i sc l o s e l yr e l a t e dt o t h ev a r i a t i o no f i n t e r n a l s t r u c t u r eo fS RM sd u r i n g t h ev i b r a t i n gc o m p a c t i o np r o c e s s.K e y w o r d s:s o i l-r o c k-m i x t u r e;m i x i n g d e g r e e;v i b r a t i n g c o m p a c t i o n;d i s c r e t e e l e m e n tm e t h o d;e n e r g yd i s s i p a t i o n.0 引言土石混合体是指第四纪以来由不同原因形成的、由强度较高的块石和强度较低的细粒土以及分布其间的孔隙构成的极端不均匀的岩土体1。土石混合体在我国分布广泛。例如,广东、福建和香港等地分布的花岗岩残积土,长江三峡库区和黄河中上游分布的古滑坡和崩积层,西藏等地分布的冰水堆积体等2-3。土石混合体具有强度高、压实密度大、沉降变形小、透水性能好、抗冲刷性能强以及可就地取材等优点,因此被作为填料广泛应用于路基工程中。土石混合体属于典型的岩土混合颗粒材料,其显著特征是当2种或多种颗粒粒径、形状和材料性能不同时很难实现均匀混合。这种混合不均匀现象在自然界和工程建设中均十分常见。例如,实际摊铺土体过程中,由于土石混合体粗粒料具有更高势能,因此粗粒料更易滚动到底部而形成不同混合度的土体。混合度是用于量化混合颗粒材料不均匀程度指标。现有关于混合度指标的定义先前主要应用于化工、农业、建筑和医药等领域,用来指导工业产品的生产和质量的评价,但在岩土领域的应用较少。已有的研究表明,混合度会明显影响颗粒材料的局部和全局性能4-5。针对土石混合体,混合度是否会影响其作为填料的振动压实效果,进而对路基的长期服役造成不良影响,目前对该问题的研究尚十分缺乏。路基压实是指采用静压、强夯或振动压实,即通过机械对土体做功而压密土体。通过外界能量输入,土体内部颗粒作相应运动,能量将转化和耗散于颗粒重排(势能)、颗粒间滑动和转动过程中。颗粒体在外荷载作用下的能量转化和耗散是土体压实的本质原因,因此,通过对压实过程中能耗统计分析,从能量耗散的角度来研究振动荷载作用下土石混合体的压实特性,能够更直观地揭示压实机理。依据以上研究背景,本文将基于离散元法开展混合度对土石混合体振动压实效果的相关研究,并从能量角度揭示混合度对振动压实效果的能量耗散机制。这将有助于研究者更好地理解土石混合体填料的振动压实机理,为施工过程中填料的选取、路基振动压实质量和承载特性以及其稳定性评价提供更为合理的途径。1 离散元模型1.1 混合度指标对于不同的混合颗粒材料应用领域,人们注意到通过固定比例配制出来的成品,往往达不到预期效果或者产品性质并不一致6-7。这是由于即使固定某一颗粒组分,混合体仍可能对应不同的空间分布状694第3期王亮,等:不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究态。这种不同的颗粒分布状态可用混合度(即混合颗粒材料的不均匀程度)进行反映。以往研究者针对混合度提出了多种不同计算方法。例如,L a c e y8最早对二元混合体颗粒间混合均匀性进行了定量表征,通过对混合样品中特定颗粒某一参数标准方差进行统计获得颗粒间的混合均匀程度,但该指标只能对同一尺寸的混合颗粒进行计算。之后,众多研究者9-1 2在L a c e y提出混合度计算方法的基础上进行改进,提出了不同的混合度计算方法。这类混合度指标可总结为对二元混合体中特定颗粒含量的标准差、方差或变异系数的统计分析,然而,这些混合度指标在实际计算混合度时均存在一定缺陷,如限定了2种颗粒的性质相同(如尺寸、体积、密度),或指标超出了传统指标范围(即指标表征区间不在01)。土石混合体形成过程中,由于成因不同,因此粗细颗粒分布状态在各方向上均存在明显区别,导致土石混合体粗细颗粒混合均匀性变异性较大,前述混合度指标难以对土石混合体的真实混合均匀程度进行准确量化。L i u等1 3考虑了前述混合度指标的缺点,提出了一种新的混合度指标。混合度指标计算原理图如图1所示,该混合度指标I是将粗颗粒含量(粗颗粒占总体的质量比)随深度的变化曲线(曲线f1)、完全均匀混合线(粗实线A D G)以及完全离析线(虚线B C D E F)围成的面积进行计算:图1 混合度指标计算原理图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fo b t a i n i n gm i x i n gd e g r e e i no u r s i m u l a t i o n sI=1-AsAi+Ai i,(1)式中:AS表示图中阴影部分面积;Ai表示图中A B C D所围面积;Ai i表示图中D E F G所围面积。I值反映了特定粗颗粒含量下混合材料的粗细颗粒的混合均匀程度。需要说明的是,本文粗颗粒主要模拟砾粒、卵石及漂石,而细粒主要模拟砂粒。不同混合度土石混合体如图2所示,图中描述了含石量体积分数为5 0%时,不同混合度土石混合体数值模型,从左至右I值分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。当I为0时,表明粗、细颗粒是完全离析的,如图3(a)所示;当I为1.0时,表明粗、细颗粒是完全混合均匀的,如图2(f)所示,I值增大表示粗、细颗粒间的混合均匀程度逐渐增加。图2 不同混合度土石混合体F i g.2 S RM sw i t hd i f f e r e n tm i x i n gd e g r e e s794广西大学学报(自然科学版)第4 8卷1.2 离散元模型构建本文拟采用离散元法开展数值模拟,探明不同混合度下土石混合体在振动压实过程中不同能量的耗散途径,拟从能量角度揭示混合度对振动压实效果的能量耗散机制。文中采用I t a s c aP F C5.0 3 D开展相关试验。试样粗颗粒体积分数为5 0%,混合度I值分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。6组试样不同I值下粗颗粒随归一化深度变化曲线如图3所示,其中H表示距离试样底部的特定高度,HW指试样的总高度。试样尺寸为8 0 0mm8 0 0mm6 0 0mm(长度宽度高度),由五面刚性墙体构成。制样过程如下:首先沿试样盒高度方向等分为1 0等分,按初始孔隙比0.7结合图3中每层粗细颗粒的相对成分,生成相互重叠的特定数量粗细颗粒;随后对粒间接触力和颗粒速度每循环5次进行一次清零处理,直至达到2 00 0 0次循环,以此消除粒间的过大的接触力;最后让颗粒在重力作用下堆积生成加载前的初始试样。经测试,初始试样的I值与目标I值基本一致。6组不同的I值体积分数为5 0%含石量初始试样如图4所示。初始试样上部的加载板由62 4 1个半径为1mm的子球构成的颗粒簇组成。加载板的尺寸为8 0 0mm8 0 0mm2mm(长度宽度厚度)。图3 不同I值下粗颗粒随归一化深度变化曲线F i g.3 V a r i a t i o no f c o a r s ep a r t i c l e sw i t hn o r m a l i z e dd e p t hc u r v e s f o rd i f f e r e n tIv a l u e s图4 体积分数为5 0%含石量初始试样F i g.4 S RM sw i t h5 0%c o a r s ep a r t i c l ec o n t e n t894第3期王亮,等:不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究数值模拟试验中激振力大小和频率与室内试验一致,以余弦波的形式施加在荷载板上,其具体形式为F=-F0(c o s(2 ft)+1),(2)式中:F表示实际激振力;负号表示向下加载;F0为设定值,取值为5k N;f为加载频率;t为加载时间。由于本文后续分析将针对颗粒运动量以及能量耗散等方面展开,因此,相对关键的参数主要是阻尼系数、滑动摩擦系数和滚动摩擦系数。颗粒接触刚度等参数选取直接选用三轴模型验证后的结果。需要指出的是,在验证试验中,为确保试验速度,将只选取部分工况与室内试验结果进行对比。本文数值模拟中,颗粒 颗粒间采用线性接触模型。Z h a o等1 4指出线性接触模型和赫兹非线性接触模型均能正确得到颗粒材料的力学响应。颗粒的法向刚度为kn=Ecr(r1+r2),(3)式中:Ec为颗粒的有效接触模量,本文土体颗粒的有效接触模量Ec b为1.2 41 08P a,加载板颗粒的有效接触模量Ec l为3.3 11 09P a;r1和r2为相接触的两颗粒的半径,r为两颗粒半径r1和r2中的较小值。颗粒的切向刚度依据刚度比k*=kn/ks获得。G o l d e n b e r g等1 5指出对于实际颗粒材料,k*=1.01.5,因此,本文k*采用4.0/3。颗粒密度为26 5 0k g/m3,与实际岩土颗粒材料的密度基本一致。在制样和加载过程中需设置阻尼来消耗颗粒集合体的能量。常用的阻尼模型包括局部阻尼模型和黏滞阻尼模型。局部阻尼通过调节颗粒不平衡力(Fi,i=1,2,6)来降低颗粒的速度和角速度,具体可表达为Fdi=-DP(Fi)s i g n(vi),(4)式中:Fdi为阻尼力;Dp为局部阻尼系数;s i g n为符号函数;vi,i=1,2,3分别表示3个方向的线速度;i=4,5,6表示3个方向的角速度。黏滞阻尼模型通过调节颗粒间的法向和切向接触力来降低颗粒的速度和角速度,具体可表达为Fdj=(2jm kj)j,(5)式中:j=n,s分别表示颗粒接触法向和切向方向;j为黏滞阻尼系数,其中n=s=0.7;m为接触两颗粒的等效质量,可表示为m=m1m2/(m1+m2);kj为法向和切向方向的刚度;j为法向和切向方向的位移。颗粒接触间满足库伦摩擦定律,即fsbfn,其中fs和fn分别表示切向和法向接触力,滑动摩擦系数b为0.6。另外,为了考虑颗粒的形状效应,在球体上加入了抗转动模型。球体上的转动力矩M需满足MrR fn,(6)式中:R=r1r2/(r1+r2)表示接触颗粒的有效半径;转动摩擦系数r为0.2 5。本文数值模拟所采用的细观参数见表1。表1 数值模拟所采用的细观参数T a b.1 M i c r o s c a l ep a r a m e t e r s i no u r s i m u l a t i o n s参数选取值颗粒密度s/(k gm-3)26 5 0局部阻尼Dp0.0 1法向黏滞阻尼n0.7 0切向黏滞阻尼s0.7 0滑动摩擦系数b0.6 0转动摩擦系数r0.2 5颗粒有效接触模量Ec b/P a1.2 41 08加载板颗粒有效接触模量Ec l/P a3.3 11 09刚度比k*4.0/3粗颗粒粒径dc/mm4 06 0粗颗粒粒径df/mm51 5994广西大学学报(自然科学版)第4 8卷 另外,本文粗颗粒的直径dc与细颗粒的直径df之比为5.0。以往的研究1 6-1 8表明,当粗、细颗粒粒径比大于4.4 4时,单个细颗粒可刚好被位于粗颗粒骨架形成的孔隙中,进一步增加粒径比(即缩小细颗粒粒径)对混合体的力学行为影响较小。表明尽管本文颗粒粒径与实际尺寸有差别,但对研究问题的影响较小。2 试验结果分析2.1 宏观沉降规律和能量耗散验证振动压实过程中,每1/4个周期记录一次荷载板的竖向位移(沉降量)以及孔隙比的变化。将每个周期结束后的荷载板位移减去上一周期结束后的荷载板位移,与当前周期荷载板位移进行比较。当连续出现1 0次及以上周期的比值在1以下时,认为颗粒系统达到稳定,此时结束加载。不同I值试样加载板颗粒沉降量和孔隙比随荷载周期的变化如图5所示。(a)沉降量(b)孔隙比图5 颗粒系统沉降量和孔隙比随荷载周期的变化F i g.5 V a r i a t i o n so f s e t t l e m e n t a n dv o i dr a t i ow i t hl o a d i n gc y c l e从图中可看出,不同I值颗粒系统沉降量和孔隙比随荷载周期的变化趋势基本一致,变化过程主要分成2个阶段:快速变化阶段和平稳阶段。当荷载周期在2 5T以内时,颗粒系统的沉降量迅速增大,伴随着孔隙比的急剧减小;而当荷载周期大于2 5T后,沉降量和孔隙比的变化均趋于平缓直至稳定。图5(a)内嵌图对比了2 5T和1 2 5T时沉降量随I值的发展规律。从图中可看出,2 5T和1 2 5T时沉降量随I值变化趋势基本一致:试样沉降量随着I值增大而逐渐减小。同时从图5(b)内嵌图中可看到,孔隙比的变化量e和最终孔隙比ef均随I值增大而逐渐减小。表明土石混合体在振动压实作用下,均匀度将会影响其压实效果,且随着均匀度增加,压实效果逐渐变好。上述结果表明在实际工程中应尽量避免土石混合离析现象,并可通过提高均匀度来增加压实效果。为体现不同含石量时混合度对土石混合体压实效果的影响规律,绘制出不同含石量土石混合体最终孔隙比和孔隙比变化量随混合度的变化趋势如图6所示。图中纵坐标为不同混合度下,最终孔隙比和孔隙比变化量与均匀试样之比,其中ef-I=1.0、eI=1.0分别表示均匀试样I为1.0时各试样的最终孔隙比和孔隙比的变化。从图中可看出,不同含石量土石混合体的最终孔隙比和孔隙比变化量均随混合度增加而逐渐减小,但不同含石量的变化趋势并不相同,这表明混合度对土石混合体填料压实效果的影响程度与含石量相关。当含石量体积分数为5 0%时,试样孔隙比变化量随I值变化最显著,完全离析时(I=0.0)试样孔隙比变化量为均匀混合时(I=1.0)试样孔隙比变化量的2.1 5倍;而含石量体积分数为2 5%时这一比例降到了1.8 8,含石量为7 5%时这一比例进一步下降为1.4 9,表明土石混合体的混合度对含石量体积分数为5 0%试样可压实性影响最大,对含石量体积分数为2 5%和7 5%试样影响较005第3期王亮,等:不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究小。对于试样最终孔隙比ef/ef-I=1.0,含石量体积分数为5 0%和7 5%试样接近,均在1.6 0左右,而当含石量体积分数为2 5%时,该值降到了1.2 8以下,且当I0.4,该值均趋近于1.0。上述结果表明混合度对含石量较高(5 0%和7 5%)的土石混合体压实效果影响更为明显,而对于较低含石量试样(2 5%),当I0.4时压实效果受到的影响较小。以往的众多物理试验1 9-2 0和数值模拟2 1-2 2表明,当含石量体积分数为7 0%左右时,土石混合体孔隙比达到最小值。结合本文的研究结果,建议实际工程中采用含石量体积分数为7 0%左右混合均匀的土石混合体为填筑料。图6 不同含石量土石混合体最终孔隙比和孔隙比变化量随混合度的变化趋势F i g.6 E v o l u t i o n so f f i n a l v o i dr a t i oa n dc h a n g eo f v o i dr a t i ow i t hr e s p e c t t oIf o rS RM sw i t hd i f f e r e n t r o c kc o n t e n t s2.2 颗粒系统能量耗散验证本文数值模拟中荷载以余弦波形式 式(2)周期性施加在加载板上。颗粒系统输入能量Ei n p通过荷载板上的力 位移曲线进行计算,即Ei n p=Ti=1AoFd,(7)式中:T表示荷载的周期数;F表示荷载大小;0表示第i个周期起始处的位移;A表示该周期内荷载最大时的位移。颗粒系统内部总耗散能Et o t包括阻尼耗能E、滑动耗能E、滚动耗能Er、滑动应变能Es t、滚动应变能Er s t、颗粒动能Ek、颗粒重力势能Eg以及弹性耗能Ea r t(包括法向弹性耗能Wn和切向弹性耗能Wt,即Ea r t=Wn+Wt)。各项能量耗能随荷载周期的变化如图7所示。对比图中总耗散能Et o t和输入能量Ei n p可发现,二者吻合良好,验证了各能量耗散值的准确性。此外,从图中也可发现,颗粒系统的主要耗能包括滑动耗能E、阻尼耗能E和滚动耗能Er次之;弹性耗能Ea r t在2 5T前占总耗能比例204060801001200123456EEgErstEkEstEEtotEinpEartEr10-4/JT图7 各项能量耗能随荷载周期的变化F i g.7 V a r i a t i o no f e a c he n e r g yd i s s i p a t i o nw i t h l o a d i n gc y c l e105广西大学学报(自然科学版)第4 8卷较大,随后逐渐降低;而滑动应变能Es t、滚动应变能Er s t、颗粒动能Ek以及颗粒重力势能Eg值较小,可忽略不计。输入能量随荷载周期的变化如图8所示。从图中可看出,累积输入能量均随荷载周期的增加而增大,但增加幅度逐渐减少,这与图5中呈现的沉降量和孔隙比的变化趋势一致。具体而言,当T2 5时累积输入能量迅速增加,表明振动压实初始阶段,外界荷载做功能大量输入到颗粒系统中。但随着荷载周期增加,能量输入到颗粒系统逐渐减少。这可能是由于荷载初期颗粒系统相对疏松,其内部结构更容易调整,耗散效率较高,但随着荷载周期增加,颗粒系统逐渐密实,此时颗粒系统耗散效率随之降低。输入能量和孔隙比变化量随混合度的变化如图9所示。从图中可看出,Ei n p与e均随I增大而逐渐减小,表明颗粒系统孔隙比的变化与输入颗粒系统的能量密切相关。综上,从能量耗散的角度去研究颗粒系统的压实机制是合理的。图8 输入能量随荷载周期的变化F i g.8 V a r i a t i o no f i n p u t e n e r g yw i t h l o a d i n gc y c l e图9 输入能量和孔隙比变化量随混合度的变化F i g.9 V a r i a t i o no f i n p u t e n e r g ya n dp o r o s i t yv a r i a b i l i t yw i t hm i x i n gd e g r e e2.3 各能量耗散项的演化规律25507510012502.04.06.08.01.01.2I=1.0I=0E10-4/J I=0 I=0.2 I=0.4 I=0.6 I=0.8 I=1.0T图1 0 不同混合度试样阻尼耗能E随荷载周期的变化F i g.1 0 V a r i a t i o no fd a m p i n gd i s s i p a t i o nEo f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n tIv a l u e sw i t hr e s p e c t t o l o a d i n gc y c l e由图7可知,振动压实作用下土石混合体内部总耗散能Et o t主要由阻尼耗能E、滑动耗能E和滚动耗能Er组成。下文主要围绕E、E和Er展开分析。不同混合度试样阻尼耗能E随荷载周期的变化如图1 0所示。从图中可看出,所有试样阻尼耗能均随荷载周期的增加而逐渐提高,但其增长速率明显分为2个阶段。在加载初始,阻尼耗能快速增加,但增长速率逐渐变缓;随着荷载周期的增加,特别是加载的中后期,阻尼耗能的增长速率趋于稳定。以往的研究2 3表明,阻尼耗能若仅考虑非弹性接触碰撞部分,当颗粒的孔隙比小于其最优耗能孔隙比时(一般远大于本文初始孔隙比),孔隙比的降低会减少颗粒之间的相对运动,其阻尼耗能会逐渐减小。另外,有研究2 4表明当颗粒系统体积不再变化时,其耗散效率将趋近特定常数,这与图1 0显示后期阻尼耗能的增长速率会减缓到趋于稳定的状态也是一致的。振动压实过程中,振动源位于颗粒系统上部,力由上至下逐渐传递,阻尼耗能在上部的效率会明显高于下部。上部粗颗粒数量随着混合度增加而增加,而等体积范围内颗粒数量的增加对阻尼耗能的效果是正向的,因此阻尼耗能的效果会将随混合度的增大而提高。205第3期王亮,等:不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究滑动耗能是指颗粒产生相对滑动过程中克服粒间摩擦所消耗的能量。颗粒滑动是导致颗粒系统孔隙比变化的主要原因之一,而对应的滑动耗能是导致振动压密的深层原因之一。不同混合度试样滑动耗能E随荷载周期的变化如图1 1所示。从图1 1(a)可看出,各试样滑动耗能随I增加而逐渐减小,表明对于混合越均匀的试样,因颗粒间相对滑动引起的能量耗散越低。另外,图1 1(a)显示不同试样中滑动耗能随荷载周期增加而增加,但增加的幅度逐渐放缓,但不同混合度试样在不同时间段增幅的变化趋势有明显区别。图1 1(b)显示了图1 1(a)方框内局部荷载周期内的滑动耗能情况。图中显示前58个荷载周期内,混合度高的试样滑动耗能增长速度更快,滑动耗能随混合度增加而增加;当超过8个荷载周期后,滑动耗能的增长速度随混合度增加而逐渐放缓,滑动耗能随混合度增加而减小。在加载初期,试样较松散,在振动压密过程中,接触随之发生滑动,此时滑动耗能较多。随着荷载周期增加,试样逐渐变得密实,颗粒间咬合更紧密,接触滑动相对困难,因此滑动能耗增幅逐渐减小。25507510012504.08.01.21.62.02.42.83.23.64.04.4I=1.0I=0 I=0 I=0.2 I=0.4 I=0.6 I=0.8 I=1.0E10-4/JT(a)全荷载周期51015202505.01.01.52.02.5I=0I=1.0I=0I=1.0 I=0 I=0.2 I=0.4 I=0.6 I=0.8 I=1.0E10-4/JT(b)局部荷载周期图1 1 不同混合度试样滑动耗能E随荷载周期的变化F i g.1 1 V a r i a t i o no f s l i d i n ge n e r g yd i s s i p a t i o nEo f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n tIv a l u e sw i t hr e s p e c t t o l o a d i n gc y c l e滚动耗能是指颗粒产生转动的过程中,克服粒间滚动摩擦时所消耗的能量。不同混合度试样滚动耗能Er随荷载周期的变化如图1 2所示。与图1 1(a)中滑动耗能变化趋势相似,当振动压实结束,试样内总滚动耗能值随混合度的增加而逐渐减小,该变化趋势与孔隙比的变化趋势一致,表明滚动耗能将促使颗粒系统密实,与以往的研究结论一致2 5。从图1 2(a)中可以看出,不同混合度试样滚动耗能均随着25507510012502.04.06.08.01.01.2I=1.0I=0 I=0 I=0.2 I=0.4 I=0.6 I=0.8 I=1.0Er10-4/JT(a)全荷载周期051015202512345678910I=1.0I=0I=1.0 I=0 I=0.2 I=0.4 I=0.6 I=0.8 I=1.0I=0Er10-4/JT(b)局部荷载周期图1 2 不同混合度试样滚动耗能Er随荷载周期的变化F i g.1 2 V a r i a t i o no f r o l l i n ge n e r g yd i s s i p a t i o nEro f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n tIv a l u e sw i t hr e s p e c t t o l o a d i n gc y c l e305广西大学学报(自然科学版)第4 8卷荷载周期的增加而增加。不同试样在荷载前期滚动耗能的增幅都较大,而荷载后期逐渐变缓。结合孔隙比变化趋势,表明荷载前期试样内孔隙比迅速减小的过程中伴随着大量的颗粒转动耗能。随着试样密度增加,颗粒周围接触数增加,转动量逐渐变小,因此荷载后期颗粒系统密度趋于稳定时,颗粒系统内滚动耗能也逐渐趋于一较低常量。图1 2(b)显示了图1 2(a)方框内局部荷载周期内的滚动耗能情况。图中显示在前51 2个荷载周期内,高混合度试样滚动耗能增长速度更快,且滚动耗能随混合度增加而增大;在1 22 5个荷载周期中,高混合度试样滚动耗能的增长速度逐渐放缓,且滚动耗能随混合度增加而减小。3 结论本文基于离散元法分析了混合度对土石混合体振动压实过程中能量耗散的影响,从能量耗散角度研究了土石混合体填料的振动压实机制。结论如下:相同振动荷载周期时,土石混合体的压实效果随混合度增加而增加,且增加效果对高含石量土石混合体更显著,建议采用含石量体积分数为7 0%左右混合均匀的土石混合体为填筑料。振动压实过程中外部荷载输入能与土石混合体填料内部耗能基本一致。输入能随荷载周期增加而增加,但增加幅度逐渐下降,直至稳定。累积输入能与孔隙比变化量随土石混合体混合度的变化趋势一致,表明从能量耗散角度分析土石混合体填料的振动压实机制是合理的。相同振动荷载周期时,土石混合体压实效果随混合度增加而增加。土石混合体振动压实过程中,阻尼耗能、滑动耗能和滚动耗能是促进孔隙比减小的主要因素,其他耗能形式对孔隙比的影响较小。以上3种耗能形式随荷载周期的变化趋势相似:加载初始时耗能快速增加,增长速率随荷载周期逐渐变缓,直至荷载后期耗能增长速率趋于稳定。该耗能演变趋势主要与振动压实过程中土石混合体内部结构变化密切相关。参考文献:1 徐文杰,胡瑞林.土石混合体概念、分类及意义J.水文地质工程地质,2 0 0 9,3 6(4):5 0-5 6.2 徐文杰,王永刚.土石混合体细观结构渗流数值试验研究J.岩土工程学报,2 0 1 0,3 2(4):5 4 2-5 5 0.3 龚健,刘君.基于P I V分析的含石量对土石混合体边坡破坏过程及模式的影响J.岩土力学,2 0 1 7,3 8(3):6 9 6-7 0 4.4 A Z EMA E,P R E E CHAWUT T I P ON GI,R A D J A IF.B i n a r y m i x t u r e so fd i s k sa n de l o n g a t e dp a r t i c l e s:t e x t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sJ.P h y s i c a lR e v i e wE,2 0 1 6,9 4(4):1-1 2.5 B I