張必雙

(湖南省懷化路橋建設(shè)總公司,湖南懷化 419502)

在滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的相互耦合作用下,巖土體的破壞過(guò)程是與其內(nèi)部微裂縫的萌生、演化與發(fā)展密切相關(guān)的。即在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的作用下,巖土材料本身的材料特性會(huì)逐步降低,而不是一成不變的。目前國(guó)內(nèi)外引入損傷理論對(duì)巖土體進(jìn)行流固耦合分析的研究開(kāi)展很少。因此,在前人的研究基礎(chǔ)上,本文意圖在流固耦合分析時(shí),引入損傷理論對(duì)巖土體的變形破壞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,這將對(duì)巖土體滑坡的預(yù)報(bào)與治理都有巨大的理論指導(dǎo)意義[1,2]。

1 損傷原理

采用損傷力學(xué)研究巖土體結(jié)構(gòu)破損的優(yōu)勢(shì)在于可用損傷來(lái)描述土體微觀結(jié)構(gòu)的破損過(guò)程,找到損傷的演化規(guī)律,建立起基于損傷變量的本構(gòu)模型,從而更加切合實(shí)際地描述巖土體受力后到破損的過(guò)程。然而損傷理論最初由金屬材料發(fā)展而來(lái),由于巖土材料的不規(guī)則性,如何定義損傷變量成為將損傷理論應(yīng)用于巖土工程的難點(diǎn)[3,4]。沈珠江[5]在20世紀(jì)80年代,最早提出了土體損傷理論。沈珠江建議的損傷比ω=1-e-(αεv+εs)(其中:εv=ε1+ε2+考慮因素雖較全面,但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)參數(shù)確定假設(shè)條件較多,試驗(yàn)方法也較繁瑣,不易于應(yīng)用。

根據(jù)沈珠江(1993)提出的土體損傷理論[6-8],天然土體可看作由理想的原狀土和完全損傷土(重塑土)組合而成。土體在受荷作用之下的變形過(guò)程可看作是由原狀土向損傷土的演變過(guò)程,其力學(xué)特性是變形過(guò)程中2種土特性的綜合反映,因此其力學(xué)參數(shù)可由下式表示:

式中,S為天然土體的力學(xué)參數(shù);Si為原狀土的力學(xué)參數(shù);Sd為損傷土的相應(yīng)力學(xué)參數(shù);ω為損傷比,即損傷部分在整個(gè)土體中所占的比重。

2 工程概況

選取某高速公路邊坡為依托工程進(jìn)行模擬,其邊坡土層分為上下兩層,上層系以第四系松散堆積物(Qdl+el)為主體的坡體,厚12～16m,下層基巖系以中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主體的上二迭系龍?zhí)督M(P2l)煤系地層。在室內(nèi)外試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)勘察資料的基礎(chǔ)上,選取邊坡巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

FLAC3D可以模擬多孔介質(zhì)中的流體流動(dòng),比如地下水在土體中的滲流問(wèn)題。FLAC3D既可以單獨(dú)進(jìn)行流體計(jì)算,只考慮滲流的作用,也可以將流體計(jì)算與力學(xué)計(jì)算進(jìn)行耦合,具有強(qiáng)大的滲流計(jì)算功能,因此本文選用FLAC3D作為模擬工具。

位移邊界條件:固定模型左右邊界x方向的位移,固定底面基巖x、y、z方向的位移,固定模型y方向的位移。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

滲流邊界條件:模型左右兩側(cè)均為不透水邊界,頂部坡面為自由透水面。

初始應(yīng)力場(chǎng):采用FLAC3D中的彈性求解法生成初始應(yīng)力場(chǎng)。

3 模擬結(jié)果

圖1、圖2為巖土體邊坡在考慮流固耦合的水平X方向及豎直Z方向位移云圖,通過(guò)對(duì)比不同損傷比情況下的云圖,可以得到以下結(jié)果:

圖1 水平X方向位移云圖(單位:m)

圖2 豎直Z方向位移云圖(單位:m)

1)水平X方向的最大位移出現(xiàn)在坡面的下半部分,即坡腳處并有向內(nèi)部延伸趨勢(shì)。其最大值在未考慮損傷的情況下為7.0mm;損傷比為10%時(shí)為12.8mm;損傷比為20%時(shí)為40.0mm;損傷比為30%時(shí)為65.3mm。在工況2情況下,其最大值在未考慮損傷的情況下為735.2mm;損傷比為10%時(shí)為817.7mm;損傷比為20%時(shí)為919.2 mm;損傷比為30%時(shí)為1 026.6mm。為了更直觀的表明其X向位移與損傷的關(guān)系,見(jiàn)圖3。

圖3 X向最大位移

2)豎直方向在坡頂處出現(xiàn)了較大的下沉位移,并且隨著損傷比的增大,其下沉值也越大。其最大值在未考慮損傷時(shí)為8.0mm;損傷比為10%時(shí)為25.1mm;損傷比為20%時(shí)為39.8mm;損傷比為30%時(shí)為59.6 mm。

在坡腳處則出現(xiàn)了上升位移,即坡腳出現(xiàn)了隆起。這是因?yàn)樵谄马斖料鲁恋挠绊懴?坡腳處土體收到內(nèi)部土體的推力,因此出現(xiàn)了向上的隆起,如果位移過(guò)大的則會(huì)出現(xiàn)坡體失穩(wěn)或滑坡。上升位移集中分布在坡腳處,分布范圍不是很大。其最大值在未考慮損傷時(shí)為12.5mm;在損傷比為10%時(shí)為44.4mm;損傷比為20%時(shí)為67.4mm;損傷比為30%時(shí)為108.4 mm。見(jiàn)圖4。

圖4 Z向最大位移

可以看出,隨著損傷比的增大,坡體的水平和豎向位移也隨之增大,并且在損傷比達(dá)到20%時(shí),水平位移的最大值出現(xiàn)了較大幅度的增大;豎向位移在損傷比達(dá)到30%時(shí),其坡腳處的位移增大明顯,并且在巖層分界面處也出現(xiàn)了較大位移。

4 結(jié)論

基于不同的損傷比應(yīng)用FLAC3D對(duì)土石混合體邊坡進(jìn)行流固耦合分析,結(jié)果表明:損傷比對(duì)位移場(chǎng)影響比較明顯,隨著損傷比的增大,坡體的水平位移和豎向位移也隨之增大,并且在損傷比達(dá)到20%～30%時(shí),位移的最大值出現(xiàn)了較大幅度的增大。從模擬結(jié)果來(lái)看損傷發(fā)展對(duì)坡體結(jié)構(gòu)性起到了弱化的作用,因此,在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)給予重視。

[1]吳小策.降雨入滲對(duì)土石混合體邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)理研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010.

[2]周 中.土石混合體滑坡的流-固耦合特性及其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2006.

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