王 偉，張志義，趙 博

(新疆大學 地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

新疆作為中國新批的第14個億噸級的大型煤炭基地，預測資源占有率約為全國的40%[1－2].然而，新疆聚煤區(qū)域地表多為干旱半干旱的沙漠或戈壁地帶，水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境異常脆弱[3－4].采用垮落法處理采空區(qū)時，覆巖移動和破壞更加強烈，大規(guī)模采礦活動勢必會對地表植被、地下水資源造成嚴重影響和破壞，危及該地區(qū)脆弱的生態(tài)平衡[5－6].風積沙是新疆荒漠化礦區(qū)最常見的原材料，其來源廣、價格低，是該地區(qū)理想的采空區(qū)固體充填材料[7].但是，對采空區(qū)進行干法充填時，由于風積沙內(nèi)聚力幾乎為零，導致無法與頂板有效接觸，這很大程度削弱了充填體對頂板巖層的控制效果.利用由金屬網(wǎng)箱和土工布組成的封閉外圍約束來克服風積沙自身的流動性，減小風積沙干式充填時的欠接頂量，可保證充填體接頂效果（圖1）.此外，外圍約束箱體還可為風積沙充填體的初步壓實提供側(cè)向約束，提高充填體的抗壓強度，有效減小充填體后期壓縮變形量，保證充填體對頂板巖層移動的控制效果.

圖1 風積沙箱式充填體填充示意圖

散狀充填體密實度是影響承載性能的關鍵參數(shù)（圖2），學者們對此進行了大量研究，主要結(jié)論如下：張生輝、楊人鳳等利用試驗室標準擊實試驗研究了風積沙作路基填料在靜壓力作用下的壓實特性，并提出了沙基干壓實方法[8－9].曹源文等通過對比風積沙在振動方式和擊實方式下的壓實效果，發(fā)現(xiàn)風積沙的振動壓實效果優(yōu)于擊實壓實效果[10].袁玉卿等對烏蘭布和沙漠風積沙進行了振動壓實試驗，結(jié)果表明振動頻率為45～50 Hz時對風積沙壓實效果最好[11].龐瀛洲等通過變量控制法得出榆林某處風積沙的最佳振動頻率為70 Hz[12].張選剛等對騰格里沙漠地區(qū)風積沙進行了表面振動和振動臺壓實試驗，分析了不同振動參數(shù)對風積沙最大干密度的影響，認為表面振動法所得最大干密度與現(xiàn)場試驗結(jié)果較為接近，并提出了風積沙填料現(xiàn)場振動壓實參數(shù)和施工工藝[13].張宏等進一步探究了不同試驗方法（擊實試驗、振動臺法、表面振動壓實儀法）與試驗控制條件下，風積沙干密度的變化規(guī)律與壓實特征，得出風積沙擊實曲線與振動壓實曲線均呈現(xiàn)“振實-振松-再振實”造成的“多峰”特征，振動法所得干密度一般優(yōu)于對應含水率條件下?lián)魧嵲囼炈酶擅芏鹊慕Y(jié)論[14].張浩等通過不同的室內(nèi)試驗，對風積沙的壓實特性、壓實原理以及工程特性和特點進行分析，結(jié)果表明：在干燥狀態(tài)和最優(yōu)含水率狀態(tài)下，風積沙都可被壓實，最佳振動頻率均為44 Hz[15].劉大鵬等通過動三軸試驗研究了風積沙在循環(huán)荷載作用下的累積塑性應變特點，分析了圍壓、循環(huán)荷載大小、偏壓固結(jié)比、初始靜偏應力和循環(huán)荷載作用頻率對累積塑性應變的影響，得出了風積沙的累積塑性應變隨著循環(huán)荷載大小、初始靜偏應力的增加而增大，隨著圍壓、偏壓固結(jié)比和荷載作用頻率的增加而減小[16].

圖2 風積沙網(wǎng)箱充填效果圖

盡管對散狀充填體密實度進行了非常多有價值的研究，但從微觀角度出發(fā)研究風積沙箱體約束調(diào)控機制的較少.本文研究了箱體約束對風積沙壓實的影響規(guī)律，通過宏微觀層面探究風積沙的箱體約束調(diào)控機制.

1 試驗方案

1.1 選取參數(shù)

對風積沙進行固結(jié)試驗數(shù)值模擬，參考前人研究成果，利用PFC3D按照真實級配將粒徑放大20倍模擬風積沙[17－21]，得到風積沙的細觀參數(shù).利用FLAC3D中shell結(jié)構(gòu)模擬不同類型的金屬網(wǎng)箱[22－25]，如表1和圖3所示.

表1 風積沙細觀參數(shù)

圖3 數(shù)值模擬

1.2 建立模型

使用PFC3D-FLAC3D耦合，對不同箱體約束下風積沙進行振動（頻率40 Hz，激振力0.3 MPa，振幅40 kPa，振動時間3 s）[26]壓實效果數(shù)值模擬.由于FLAC中shell單元與箱體受力過程十分相似，所以采用shell單元模擬箱體結(jié)構(gòu)（圖4）.對不同箱體約束條件下的試驗方案如表2和圖4所示：選取形狀、尺寸、強度三個因素進行試驗，每個因素設置不同的水平（形狀：正方體、圓柱體；正方體：邊長分別為5 cm、6 cm、7 cm；圓柱體：半徑×高分別為2.8 cm×5 cm、3.4 cm×6 cm、4.0 cm×7 cm；強度：30 kPa、50 kPa、70 kPa)，對每個因素進行單一試驗.

表2 試驗方案

圖4 數(shù)值模擬方案

2 試驗結(jié)果及分析

壓力波在風積沙內(nèi)部沿著縱深方向傳播，在其作用下不同位置顆粒產(chǎn)生不同的速度.由于振動是循環(huán)反復運動，當一個循環(huán)結(jié)束后所產(chǎn)生的凈速度V 會導致風積沙產(chǎn)生相應的累計塑性變形.研究相同振動參數(shù)不同網(wǎng)箱約束（形狀、尺寸和強度）條件下風積沙內(nèi)部的影響規(guī)律，以壓實度和接觸力鏈為指標，通過宏微觀層面探究風積沙箱式充填體的側(cè)向約束調(diào)控機制，揭示箱體約束對風積沙壓實的外在作用機理.

2.1 不同箱體類型對風積沙壓實的影響規(guī)律

由圖5可知，隨著時間增長，正方體與圓柱體中風積沙壓實量都隨之增長，在尺寸大小和箱體強度相同的情況下，正方體中風積沙壓實量大于圓柱體中風積沙壓實量.時間為1 s時，正方體網(wǎng)箱風積沙壓實量是圓柱體網(wǎng)箱的2.38倍.時間為2 s時，正方體網(wǎng)箱風積沙壓實量是圓柱體網(wǎng)箱的2.7倍.時間為3 s時，正方體網(wǎng)箱風積沙壓實量是圓柱體網(wǎng)箱的2.78倍.從位移云圖中可以看出正方體網(wǎng)箱最先變形的部位是四條棱邊，而圓柱體網(wǎng)箱的變形比較均勻.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：材質(zhì)的抗變形能力與它的形狀有關，圓柱體網(wǎng)箱比正方體網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)更強.圓柱體中心較接近重力的中心，支撐力可以完全發(fā)揮作用，且圓柱體沒有轉(zhuǎn)角處與接角處，所以支撐力大于正方體.另外，圓柱體有很好的受力特性，其各處所受到的力是十分均勻?qū)ΨQ的，這樣可以保證金屬網(wǎng)箱不易損壞和變形.當受到上部力的加載時，圓柱體網(wǎng)箱內(nèi)部風積沙相互擠壓和嵌擠，加上圓柱體本身的結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)固，所以可以承受更大的力.而正方體網(wǎng)箱在受到力的加載時，各處的受力并不均勻，主要集中在四條棱邊上，棱角處受到的力會特別大，容易破裂的地方也在這里.

圖5 不同網(wǎng)箱類型風積沙壓實量

2.2 不同箱體尺寸對風積沙壓實的影響規(guī)律

由圖6（a）可知，隨著網(wǎng)箱尺寸的增加，正方體網(wǎng)箱中風積沙的壓實量在不斷增加.網(wǎng)箱強度為30 kPa時，7 cm網(wǎng)箱中風積沙壓實量是6 cm網(wǎng)箱中風積沙壓實量的7.66倍，7 cm網(wǎng)箱中風積沙壓實量是5 cm網(wǎng)箱中風積沙壓實量的93.22倍.由圖6（b）可知，隨著網(wǎng)箱尺寸的增加，圓柱體網(wǎng)箱中風積沙的壓實量在不斷減少.網(wǎng)箱強度為30 kPa時，5 cm網(wǎng)箱中風積沙壓實量是6 cm網(wǎng)箱中風積沙壓實量的12.87倍，5 cm網(wǎng)箱中風積沙壓實量是7 cm網(wǎng)箱中風積沙壓實量的106.41倍.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：正方體網(wǎng)箱棱邊越長，對網(wǎng)箱施加振動荷載時應力在棱邊處大幅增加，網(wǎng)箱越容易變形.而圓柱體網(wǎng)箱由于整體受力均勻，施加振動荷載時，傳遞到中間部分的能量越小，尺寸越大，整體越不容易變形.

圖6 不同類型箱體尺寸風積沙壓實量

2.3 不同箱體強度對風積沙壓實的影響規(guī)律

由圖7可知，正方體網(wǎng)箱和圓柱體網(wǎng)箱隨著強度的增加，風積沙壓實量都在不同程度的減小.正方體網(wǎng)箱在強度由30 kPa至70 kPa的過程中，7 cm網(wǎng)箱壓實量由2.75 mm減少為2.15 mm，減小幅度為22%.圓柱體網(wǎng)箱在強度由30 kPa至70 kPa的過程中，5 cm網(wǎng)箱壓實量由0.166 mm減少為0.116 mm，減小幅度為30%.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：當風積沙被金屬網(wǎng)箱完全束縛時，側(cè)壁約束對風積沙顆粒產(chǎn)生圍箍效應[27].相同的振動荷載下，圓柱體網(wǎng)箱和正方體網(wǎng)箱中風積沙的壓實量隨著箱體強度的增大而減小，箱體強度在一定程度上限制了風積沙的側(cè)向變形.箱體強度越大，側(cè)壁對風積沙顆粒的側(cè)向位移束縛越大，振動效果較差.而且由于圓柱體網(wǎng)箱比正方體網(wǎng)箱受力更加穩(wěn)定，當網(wǎng)箱的強度逐漸增加時，圓柱體網(wǎng)箱中風積沙的壓實量也更小.

圖7 不同箱體強度風積沙壓實量

2.4 側(cè)向約束對風積沙箱式充填體接觸力鏈的影響規(guī)律

風積沙是由不同粒徑級配構(gòu)成的顆粒集結(jié)體，通過顆粒間的接觸進行力的傳遞，形成力鏈網(wǎng)絡.力鏈網(wǎng)絡可以清楚地了解網(wǎng)箱對于風積沙的約束作用，更加直觀地表征風積沙與網(wǎng)箱之間力的傳遞.因此，顆粒間的力鏈網(wǎng)絡既可以表征風積沙的細觀結(jié)構(gòu)特征，也可以對風積沙的宏觀力學特性有明顯影響.力鏈的粗細和顏色均與接觸力的大小成正比，研究風積沙網(wǎng)箱充填體力鏈變化，可以從微觀層面揭示側(cè)向約束對風積沙與網(wǎng)箱之間力的相互作用.由圖8可知，圓柱體網(wǎng)箱中風積沙與網(wǎng)箱接觸力鏈均勻地分布在側(cè)壁四周，強力鏈作為風積沙的骨架呈長條形態(tài)貫穿網(wǎng)箱內(nèi)部.而正方體網(wǎng)箱中風積沙與網(wǎng)箱較大接觸力鏈分布在四條棱邊附近，其余較小力鏈分布于各面上，強力鏈呈樹枝狀形態(tài)貫穿網(wǎng)箱內(nèi)部，弱力鏈穿插于強力鏈內(nèi)部.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：圓柱體的受力十分均勻?qū)ΨQ，風積沙顆粒與網(wǎng)箱接觸力也十分均勻，沒有局部接觸力異常的情況，可以承受更大的支撐力[28].而正方體網(wǎng)箱是六面體，當受到力的荷載時，有明顯局部應力集中的現(xiàn)象.并且棱角處受到的力會特別大，風積沙顆粒與網(wǎng)箱接觸時所形成的力鏈，主要集中在正方體網(wǎng)箱的棱邊處.

圖8 不同網(wǎng)箱類型顆粒力鏈圖

由圖9可知，隨著網(wǎng)箱強度的增大，側(cè)壁四周接觸力鏈的強度在不斷增加.風積沙內(nèi)部強力鏈不斷發(fā)育，由均勻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲?弱力鏈不斷減少且分布在強力鏈的周圍.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：網(wǎng)箱強度越大，側(cè)壁對風積沙顆粒的側(cè)向位移束縛越大.網(wǎng)箱對于風積沙約束越強，風積沙作用于網(wǎng)箱的作用力越大，顆粒接觸力也越大.隨著網(wǎng)箱強度的增加，風積沙內(nèi)部變得更加穩(wěn)定，顆粒骨架力鏈也越穩(wěn)定[29].

圖9 不同箱體強度顆粒力鏈圖

3 結(jié)論

（1）對不同類型風積沙網(wǎng)箱施加振動荷載，發(fā)現(xiàn)圓柱體網(wǎng)箱的抗壓強度高于正方體網(wǎng)箱.正方體網(wǎng)箱在荷載的作用下，應力主要集中在四條棱邊上，而圓柱體網(wǎng)箱的變形比較均勻.

（2）隨著不同類型網(wǎng)箱尺寸的增加，正方體網(wǎng)箱中風積沙的壓實量在不斷增加，圓柱體網(wǎng)箱中風積沙的壓實量在不斷減少.且在兩種類型網(wǎng)箱相同尺寸的情況下，圓柱體網(wǎng)箱的風積沙壓實量要低于正方體網(wǎng)箱.

（3）隨著網(wǎng)箱強度的增加，不同類型網(wǎng)箱中風積沙壓實量都在不同程度地減小.網(wǎng)箱強度越大，對于風積沙的束縛力越強，網(wǎng)箱越不容易變形，風積沙的壓實量就越小.整體而言，相同強度不同類型的網(wǎng)箱，圓柱體網(wǎng)箱更加穩(wěn)定.

（4）分析了試驗中風積沙試樣顆粒與網(wǎng)箱接觸力鏈網(wǎng)絡細觀結(jié)構(gòu)特征指標的典型演化過程，從微觀層面揭示了側(cè)向約束對風積沙壓實效果的影響規(guī)律.