江　松， 唐垠斐， 張　敏

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,山區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)的興起,路基的高填深挖很普遍。出于對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)的考慮,遵循因地制宜、就地取材的原則,路堤填筑多是就地選取深挖路塹和隧道施工產(chǎn)生的棄碴作為填料,因而大量路堤填筑不可避免采用了土石混合填料。填料來(lái)源的不確定性,導(dǎo)致了土石混合填料的工程性質(zhì)復(fù)雜,填筑質(zhì)量不易控制。現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范[1]僅對(duì)土石混填路堤的施工作了些原則性的規(guī)定,而實(shí)際操作過(guò)程中主要還是依靠施工單位的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。因此有必要對(duì)不同土石混合填料的壓實(shí)性質(zhì)進(jìn)行研究。

關(guān)于采用顆粒流離散元軟件PFC2D對(duì)土石料的模擬研究。朱晟、王永明等[2-3]針對(duì)筑壩粗粒材料縮尺效應(yīng)問(wèn)題,利用PFC2D對(duì)各縮尺級(jí)配進(jìn)行了多組數(shù)值試驗(yàn),分析了縮尺效應(yīng)對(duì)粗粒料各物理力學(xué)性質(zhì)的不同影響規(guī)律,拓展了研究粗粒料縮尺效應(yīng)的粒徑和思路。何春燦等[4]利用PFC2D建立了軟硬石模板庫(kù),并進(jìn)行不同含石量土石混合體的單軸壓縮顆粒流模擬。從細(xì)觀角度探究了含軟、硬兩種巖性碎塊石土石混合體的變形破壞力學(xué)性質(zhì)。孔祥呈等[5]利用PFC2D模擬了不同土石比土石混合料的振動(dòng)擊實(shí),探討了土石混合料振動(dòng)擊實(shí)中顆粒的微觀運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)性能。程曉明等[6]利用PFC2D模擬了土石混合料的振動(dòng)壓實(shí),分析了模型參數(shù)及填料物理性質(zhì)對(duì)壓實(shí)效果的影響。

本文利用顆粒流離散元軟件PFC2D模擬了與現(xiàn)場(chǎng)相似尺寸及重力的大粒徑無(wú)粘性土石混合填料填筑壓實(shí)過(guò)程,以沉降及孔隙率為指標(biāo)對(duì)比分析了不同填料不同過(guò)程的壓實(shí)效果。

1　顆粒流離散元軟件PFC的基本原理

PFC模型中以三維或二維的球或圓盤(pán)作為基本顆粒單元,假定顆粒單元為剛性,且允許相互之間有較小重合量,可通過(guò)設(shè)定顆粒單元的密度、半徑、位置、數(shù)量、集合、接觸方式等,建立顆粒間的細(xì)觀結(jié)構(gòu),進(jìn)而模擬宏觀物質(zhì)組成；以有限平面或線段形式的墻作為基本邊界單元,假定墻體無(wú)重度,可通過(guò)設(shè)定墻的尺寸、數(shù)量、位置來(lái)模擬模型邊界,可通過(guò)設(shè)定墻或顆粒的速度、位移及所受外力來(lái)模擬荷載作用。在模型中可通過(guò)設(shè)定顆粒單元之間的接觸剛度、摩擦系數(shù)、粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)半徑等接觸參數(shù),或自定義接觸模型,以反映宏觀物質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)。

PFC既可解決靜態(tài)問(wèn)題也可解決動(dòng)態(tài)問(wèn)題[7]。其求解方法為動(dòng)態(tài)求解法,即采用中心差分法在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分,是一種顯式解法。在求解過(guò)程中通過(guò)設(shè)置局部阻尼使系統(tǒng)振動(dòng)快速消失,使函數(shù)收斂于靜態(tài)值,得到準(zhǔn)靜解[8]。

2　模擬計(jì)算方案

本文模擬計(jì)算結(jié)合某高填方路堤的土石混合填料分層壓實(shí)施工,考慮其所用填料含有大粒徑塊石與無(wú)粘性砂礫土混合的特點(diǎn),建立相似尺寸及重度,且能考慮不同大粒徑顆粒含量及不同層厚的土石混合填料二維離散元模型。施加重力荷載及振動(dòng)荷載,觀察加載前后填料性質(zhì)變化,以分析含大粒徑塊石砂礫土混合料的壓實(shí)特性。

現(xiàn)場(chǎng)松鋪土石混合填料如圖1所示,考慮到土石混合填料的大粒徑塊石含量與碾壓層厚對(duì)填料的壓實(shí)性質(zhì)影響較大。由現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易篩分情況(表1)可見(jiàn),現(xiàn)場(chǎng)采用土石混合填料粒徑大于20 cm的塊石[9]含量與小于6 cm的砂礫含量變化較大,而大于6 cm小于20 cm的小塊石含量變化較小,因此模擬方案假定小塊石含量不變,考慮按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種粒徑范圍在模型中投放顆粒,塊石含量考慮A、B、C、D四個(gè)水平,分別對(duì)應(yīng)40 %、30 %、20 %、10 %,如表2所示。現(xiàn)場(chǎng)塊石最大粒徑一般為40～50 cm,層厚一般在40～70 cm之間,因此模型建立考慮塊石顆粒粒徑范圍Ⅰ為20～40 cm,模擬方案考慮層厚為a、b、c、d四種水平,分別對(duì)應(yīng)層厚為40 cm、50 cm、60 cm、70 cm。由此對(duì)4種塊石含量及層厚水平組成的16種工況進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖1 　現(xiàn)場(chǎng)松鋪填料

粒徑范圍/cm中風(fēng)化巖石強(qiáng)風(fēng)化巖石開(kāi)挖破碎現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)松鋪現(xiàn)場(chǎng)>2033%24%10%<20,>632%28%24%<635%48%66%

表2　模擬方案各水平顆粒含量

3　模型建立及加載過(guò)程

3.1　模型建立

將現(xiàn)場(chǎng)土石混合填料簡(jiǎn)化為二維顆粒流模型,以二維圓盤(pán)(ball)為基本顆粒單元,在邊界范圍內(nèi)用三種粒徑范圍隨機(jī)均勻生成一定數(shù)量不同粒徑的顆粒,并使其自重下落,建立路基橫斷面范圍內(nèi)的單層土石混合填料二維堆積模型,如圖2所示。綜合考慮加載板尺寸、顆粒尺寸及數(shù)量,取模型寬度4 m,高度2 m,以3組墻(wall)單元構(gòu)成模型邊界。

顆粒之間及顆粒與墻之間設(shè)置接觸剛度模型,并設(shè)置摩擦系數(shù),以模擬無(wú)粘性土石之間的接觸。綜合考慮設(shè)置顆粒法向及切向接觸剛度均為1×108N/m,摩擦系數(shù)為1.0,墻體剛度為1×1010N/m。據(jù)工程資料,現(xiàn)場(chǎng)采用填料中中風(fēng)化花崗片麻巖的平均密度為2.66 g/cm3,簡(jiǎn)化分析取模型中所有填料顆粒密度均為2 660 kg/m2。求解過(guò)程設(shè)置垂直向下的重力加速度9.81 m/s2,局部阻尼系數(shù)0.7,設(shè)置平均不平衡接觸力小于平均接觸力的0.03 %為計(jì)算終止條件。

圖2　工況a-A、a-D、d-A、d-D顆粒自重堆積模型

3.2　加載過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)土石混合填料壓實(shí)過(guò)程中采用振動(dòng)壓路機(jī)自重有18～32 t。以柳工6126E為例,其自重26 t,振動(dòng)輪寬2.13 m,質(zhì)量13 t；強(qiáng)振情況下頻率28 Hz,振幅1.95 mm,激振力430 kN,行駛速度3 km/h。在顆粒流模型中將壓路機(jī)的碾壓過(guò)程簡(jiǎn)化為二維加載過(guò)程。用剛性連接的顆粒塊(clump),建立與壓路機(jī)振動(dòng)輪質(zhì)量與寬度相似的矩形加載板。由于顆粒塊不能直接施加速度,因此在內(nèi)部設(shè)置加載顆粒,給加載顆粒施加周期變化的速度以產(chǎn)生振動(dòng)荷載。

在重力加載過(guò)程中分別設(shè)置加載板質(zhì)量9～16 t,寬度為2.1 m,加載板顆粒法向及切向剛度均設(shè)為1×1010N/m,使加載板自重下落加載。顆粒流模型中生成加載板總質(zhì)量為13 t,內(nèi)部加載顆粒質(zhì)量為2 238 kg,以施加振動(dòng)荷載。模型振動(dòng)荷載的施加為給加載板內(nèi)部顆粒設(shè)置隨時(shí)間呈正弦周期變化的速度,如式(1)所示。振動(dòng)荷載考慮設(shè)置與壓路機(jī)相同頻率f=28 Hz,綜合考慮施加速度振幅A=10 m/s,設(shè)置加載時(shí)間為0.5 s。加載過(guò)程工況b-C加載板及加載顆粒的速度隨時(shí)間變化如圖3所示。

yvel=Asin(2πft)

(1)

式中：yvel為加載顆粒垂向速度；t為時(shí)間。

圖3　加載速度-時(shí)間曲線

4　結(jié)果分析

4.1　工況b-C計(jì)算結(jié)果

工況b-C施加13 t重力荷載及0.5 s振動(dòng)荷載后靜力平衡,填料模型如圖4所示。

圖4　工況b-C施加重力荷載及振動(dòng)荷載后

在模型計(jì)算過(guò)程中可觀察到,在重力荷載作用下顆粒逐漸向下轉(zhuǎn)移,使表面壓平,并填充空隙,使孔隙率減小。而振動(dòng)加載過(guò)程可觀察到,顆粒整體松動(dòng),接觸力重新分布,顆粒位置重新排列,填充孔隙,加載板下方顆粒向下方及兩側(cè)移動(dòng)導(dǎo)至兩側(cè)隆起,加載板兩側(cè)小顆粒出現(xiàn)躍起現(xiàn)象。這與現(xiàn)場(chǎng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中的情況是相似的,現(xiàn)場(chǎng)碾壓情況如圖5所示。

圖5　現(xiàn)場(chǎng)碾壓情況

工況b-C在振動(dòng)荷載作用下加載板位移及下方孔隙率隨時(shí)間變化如圖6所示,可見(jiàn)孔隙率不斷波動(dòng),幅度逐漸減小,孔隙率逐漸減小,填料更加密實(shí),而位移變化則與其速度相關(guān)。

圖6　工況b-C加載板位移及下方孔隙率變化

實(shí)際上土石顆粒并非剛性且具有一定強(qiáng)度,且土石顆粒表面極不規(guī)則,這樣在壓實(shí)過(guò)程中會(huì)伴隨土石顆粒的整體或局部破碎,土石顆粒之間產(chǎn)生較大咬合力,當(dāng)大粒徑顆粒數(shù)量多時(shí)顆粒之間會(huì)形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),而且實(shí)際壓實(shí)過(guò)程中振動(dòng)輪下方松鋪填料的邊界為巖土體,可繼續(xù)向外擠壓填充。因此在實(shí)際壓實(shí)過(guò)程中,不僅僅有顆粒的重排列,振動(dòng)輪下方土石還會(huì)產(chǎn)生永久殘余變形而密實(shí)。可見(jiàn)巖土介質(zhì)是很難準(zhǔn)確模擬的,而用剛性圓盤(pán)設(shè)置接觸剛度與摩擦系數(shù)模擬土石混合填料雖與實(shí)際有出入,但卻可以模擬出一些相似的過(guò)程及現(xiàn)象,分析不同類型填料的壓實(shí)效果,且可以快速模擬多種工況,得出有益的結(jié)論。

4.2　各工況沉降及孔隙率變化

各工況在不同加載板重力作用下其位置高度及振動(dòng)作用下沉降如圖7所示?？梢?jiàn)不同重力作用下,加載板高度基本持平,振動(dòng)作用下沉降除工況b-A外相差不大。分析其原因?yàn)橛捎谠O(shè)置顆粒剛度較大,未考慮破壞殘余變形,模型中沉降并不能有效反映出不同重力壓實(shí)效果；本文由于僅施加一種振動(dòng)荷載不能反映出不同層厚填料的壓實(shí)性質(zhì)。

圖7　加載板位置及模型沉降

計(jì)算得各工況在13 t加載板重力加載及振動(dòng)作用后模型孔隙率值如圖8所示,總體來(lái)看除工況b-A外,大致可以看出孔隙率值隨著塊石含量的減小而增大。分析其原因?yàn)橛捎陬w粒在一定粒徑范圍內(nèi)均勻生成,因此生成粗粒組范圍內(nèi)級(jí)配相同,且小塊石含量相同,而隨著塊石含量的減小,顆粒數(shù)量增加,總表面積增大,顆粒間不完全接觸增多,導(dǎo)致孔隙率增大。

圖8　各工況重力加載及振動(dòng)作用后孔隙率

工況b-A及c-A振動(dòng)作用后模型如圖9所示,對(duì)比可見(jiàn)由于工況b-A塊石含量大而層厚不足,其大顆粒含量高,小顆粒含量較少,導(dǎo)致大顆粒間孔隙不能足夠填充,導(dǎo)致孔隙率較大,這類似于填石路基。

圖9　工況b-A及c-A振動(dòng)作用后

因此在實(shí)際選取土石混合填料時(shí)可增加填料塊石含量,以降低其孔隙率,若繼續(xù)增大塊石含量,孔隙率可能增大,也可形成工程性質(zhì)更好的填石路堤。而修筑填石路堤時(shí),必須滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)最大粒徑及孔隙率等指標(biāo)的規(guī)定。對(duì)于工程中土石混填路基與填石路堤的分類,一般通過(guò)確定土/石閥值[10],控制含石量是否在30 %～70 %之間來(lái)確定[11],而不同工程難以確定相同的標(biāo)準(zhǔn)?；诖?本文建議可采用填料能達(dá)到的最小孔隙率值來(lái)定量區(qū)分,即取當(dāng)繼續(xù)增加或減小塊石含量時(shí),孔隙率值均增加的當(dāng)前孔隙率值作為分類界限。

5　結(jié)論及不足

綜上所述得出以下結(jié)論：

(1)填料壓實(shí)過(guò)程中振動(dòng)作用能使影響范圍內(nèi)顆粒整體松動(dòng)重新排列,從而更有效壓實(shí)填料,而靜力作用僅是擠壓表面顆粒向下填充孔隙,對(duì)填料的壓實(shí)效果有限。

(2)在大粒徑無(wú)粘性土石混合填料中,當(dāng)小粒徑顆粒足夠填充大粒徑顆粒間孔隙時(shí),塊石含量越大,填料孔隙率越小。

(3)對(duì)于大粒徑無(wú)粘性土石混合路基及填石路基的分類,本文提出一種新的思路,即可考慮采用填料所能達(dá)到的最小孔隙率值作為界限區(qū)分。

如前所述,由于含大粒徑土石混合填料性質(zhì)極為復(fù)雜,本文并未考慮填料的三維壓實(shí)過(guò)程,塊石的形狀及破碎性質(zhì)等,也并未將模擬參數(shù)與實(shí)際試驗(yàn)對(duì)應(yīng)起來(lái),僅模擬出相似的壓實(shí)過(guò)程及現(xiàn)象。在模擬計(jì)算中限于篇幅,僅對(duì)一種質(zhì)量加載板施加一種振動(dòng)荷載進(jìn)行模擬計(jì)算,在后續(xù)研究中可施加不同振動(dòng)能量以分析不同填料的不同壓實(shí)效果。