基于PFC3D软件的原级配砂砾石料三轴试验研究.pdf

砂砾石是一种在实际工程中广泛应用的岩土材料，具有较高的研究价值和实用价值。采用室内三轴试验和基于PFC3D软件的数值模拟试验对缩尺之后的试验级配砂砾石料的强度参数进行研究，在此基础上对原级配砂砾石料开展数值模拟研究。结果表明，S1S3（试验级配）砂砾石料的模拟试验与室内试验所得的强度参数C值和值基本一致，验证PFC3D软件具有较好的数值模拟效果。S1S3（原级配）砂砾石料数值模拟试验的（1-3）1关系曲线整体呈现高-低双峰曲线特征，且试样呈塑性破坏。从强度参数值来看，砂砾石料经缩尺处理后C值降低，而值基本不受影响。关键词：砂砾石料；三轴试验；数值模拟；试验级配；原级配中图分类号：TU411.7文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.046收稿日期：2023-02-08作者简介：常玉鹏（1995），男，河南周口人，中级工程师，硕士，研究方向为岩土工程检测与工程地质E-mail：1引言砂砾石是一种无黏性材料，具有较高的磨圆度，在工程中被广泛应用，开展砂砾石的力学性质和工程特性等方面的研究对有关工程建设具有重要的指导意义。砂砾石的非单一岩性特点导致其力学性质比较复杂，所受影响因素较多。众多学者对砂砾石的力学性质研究主要从室内试验、数值模拟2个方面入手。在室内试验方面，宁保辉等1采用三轴、流变等试验分析了人工扰动砂砾石料的力学性质。在数值模拟方面，张治军等2利用ABAQUS有限元软件对砂砾石料与结构物所形成的接触面进行了单剪模拟试验研究。然而，在目前众多研究中，针对原级配砂砾石料力学性质的研究较少。在一些堆石坝实际工程中，原级配砂砾石料往往会被直接应用，因此研究原级配砂砾石料的力学性质具有重要意义。本文采用室内三轴试验和PFC3D软件，对原级配砂砾石料的力学性质和工程特性进行研究，以期为实际工程提供理论指导。2室内试验方法2.1试验仪器试验所用设备为成都东华卓越科技有限公司研制的SZ30-4DA型粗粒土大型三轴试验机，该试验机最大轴向荷载为3 000 kN，最大围压为4 MPa，轴向最大位移为300 mm，最大体变量为8 000 mL，轴向加载速度为0.013 mm/min。2.2试样制备试验所用材料为某面板砂砾石坝过渡区的砂砾石料（编号为S1S3），其料源为天然砂砾料场。受试验室设备最大试样尺寸限制，本次试验材料最大允许粒径为60 mm，依据 土工试验方法标准（GB 501232019）和 水电水利工程土工试验规程（DL/T 53552006）对试样超粒径部分进行级配缩尺，采用相似级配法和等量替代法对S1砂砾石料进行级配缩尺处理，采用等量替代法对S2、S3砂砾石料进行级配缩尺处理。3种砂砾石料的试验级配、原级配曲线见图1。2.3试验方案预制备试样尺寸为30 cm60 cm，首先按预制备试样干密度称重砂砾石料，将砂砾石料分为6层，每层厚10 cm，利用振捣器击实后试样成形，再依次完成安装压力室、抽气、饱和等操作，其中试样饱和采用抽真空法饱和法和水头饱和法，两种方法均采用自下而上进水方式，试样饱和后对试样施加预定围压进行固结。固结完成后进行剪切试验，剪切速率设置为0.33%/min。试验级配S1、S2、S3砂砾石料干密度分别为2.28、2.28、2.06 g/cm3，围压均设置为400、800、1 500、2 500 kPa。3室内试验结果分析对S1S3（试验级配）砂砾石料进行室内三轴试验，得到主应力差（1-3）与轴向应变1的关系曲线，见图2。可以看出，3种试验级配砂砾石料的（1-3）1关系曲线均呈现直线快速上升段、屈服段、峰值强度段、残余强度段4个阶段，试样多属软化型。通过对比各级围压状态下的（1-3）1关系曲线，可以发现在轴向应变小于1%时各级围压状态下主应力差值相近，并未出现明显分化；在轴向应变大于1%时高围压状态下主应力差基本呈线性迅速增大，而在低围压状态下（1-3）1关系曲线直接进入屈服增长阶段。随着围压的增大，（1-3）1关系曲线的峰值强度点出现右移，表明在高围压状态下砂砾石料具有较高的峰值强度。4PFC3D数值模拟试验4.1模型建立利用PFC3D软件进行数值模拟试验，基于砂砾石料磨圆度较高的特点，采用Ball模型作为数值模拟的颗粒模型，颗粒粒径组成依据上述的砂砾石料试验级配和原级配数据生成。考虑到计算机运算能力有限等因素，将颗粒模型中粒径小于5 mm的颗粒粒径统一设置为45 mm。模型尺寸直径和高度分别为最大颗粒粒径的 5 倍和 10 倍，在本次模拟试验中依据颗粒最大粒径设置了4种模型尺寸分别为30 cm60 cm、50 cm100 cm、75 cm150 cm、150 cm300 cm。在颗粒上下以及四周设置边界墙体，防止颗粒在加载过程中发生溃散。4.2模型参数选定生成的模型中Ball颗粒数量均不小于100 000个，利用CMAT接触模型模拟颗粒间的相互作用。数值模拟试验参数见表1。4.3室内试验与数值模拟试验结果对比在数值模拟试验中，模型Ball颗粒级配由试验级配数据生成，围压设置同室内试验分别为400、800、1 500、2 500 kPa，剪切速率为 0.33%/min，当模型的轴向应变为 15%20%时停止剪切。图1砂砾石料的试验级配、原级配曲线 90人 民 黄 河2023年S1（c）S3（b）S2（a）S1图2S1S3（试验级配）数值模拟试验与室内试验的（1-3）1关系曲线表1数值模拟试验参数砂砾石料编号S1（试验级配）S2（试验级配）S3（试验级配）S1（原级配）S2（原级配）S3（原级配）模型尺寸/cm3060306030601503007515050100模型颗粒密度/（g cm-3）2.282.282.062.282.282.06模型孔隙比0.160.160.200.160.160.20颗粒最大粒径/mm606060300150100颗粒切向刚度/（N m-1）1.0106颗粒法向刚度/（N m-1）1.0106颗粒摩擦系数0.5S1S3（试验级配）砂砾石料数值模拟试验与室内试验的（1-3）1关系曲线对比仍见图2。模拟试验和室内试验的（1-3）1关系曲线在形态上存在一定差别，模拟试验的（1-3）1关系曲线主要表现出直线平缓上升段、屈服段、峰值强度段3个阶段。峰值强度段出现相对滞后，试样呈塑性破坏特征。通过对比模拟试验和室内试验的（1-3）1关系曲线峰值强度可以发现，两者取值极为相近。模拟试验和室内试验所得的S1S3（试验级配）砂砾石料的凝聚力C和内摩擦角相差不大。由此表明，本次的数值模拟试验效果较好。5原级配砂砾石料数值模拟结果分析在上述研究基础上，继续运用PFC3D软件开展S1S3（原级配）砂砾石料的试验研究。此次数值模拟中模型Ball颗粒级配由原级配数据生成，各项模型参数见表1。数值模拟试验围压设置和加载条件同上述研究试验级配砂砾石料的围压设置和加载条件保持一致。S1S3（原级配）砂砾石料数值模拟试验的（1-3）1关系曲线见图3。（1-3）1关系曲线整体上表现出在剪切初始阶段迅速上升至第一个峰值强度点，随后下降，然后再次平缓上升，呈现出高-低双峰强度曲线特征，且试样同样表现为塑性破坏。本次的S1S3（原级配）数值模拟试验中，粗颗粒与细颗粒的粒径相差较大。在剪切开始阶段，粗颗粒的骨架支撑作用致使第一个峰值强度点出现，但随着轴向位移的增加，粗颗粒之间发生相对位移，模型试样强度短暂下降，但此时细颗粒也进入粗颗粒的骨架空隙中，使得颗粒排列更为紧密，模型试样强度得到提高。（b）S2（a）S1（c）S3图3S1S3（原级配）PFC3D数值模拟（1-3）1关系曲线将S1S3（原级配）砂砾石料与S1S3（试验级配）砂砾石料的室内试验和数值模拟试验强度参数进行对比，可以发现S1S3（原级配）砂砾石料试验结果的C值远高于S1S3（试验级配）砂砾石料试验结果的C值，而两者的值非常相近。由此表明，砂砾石料经缩尺处理后强度参数C值降低，而值基本不受影响。6结论（1）S1S3（试验级配）砂砾石料的（1-3）1关系曲线大致表现为直线快速上升段、屈服段、峰值强度段、残余强度段4个阶段，试料呈现软化型。在高围压状态下，3种不同级配的砂砾石料均具有较高的峰值强度。（2）S1S3（试验级配）砂砾石料数值模拟试验的（1-3）1关系曲线主要表现出直线平缓上升段、屈服段、峰值强度段3个阶段，试样具有明显塑性破坏特征。通过模拟试验和室内试验所得的S1S3（试验级配）砂砾石料强度参数C值和值基本一致，表明数值模拟试验效果较好。（3）S1S3（原级配）砂砾石料数值模拟试验的（1-3）1关系曲线整体上呈现高-低双峰强度曲线特征，且试样表现为塑性破坏。从强度参数值来看，砂砾石经缩尺处理后的强度参数C值降低，而值基本不受影响。参考文献：1 宁保辉，董振锋，韦哲，等.前坪水库人工扰动砂砾石料特性研究 J.人民黄河，2021，43（3）：131-134，139.2 张治军，饶锡保，苏华.大型叠环式接触面单剪试验及数值模拟 J.水电能源科学，2008，26（2）：116-118.【责任编辑栗铭】91