基于損傷理論對巖土邊坡的流固耦合分析

張必雙

(湖南省懷化路橋建設總公司,湖南懷化 419502)

在滲流場及應力場的相互耦合作用下,巖土體的破壞過程是與其內部微裂縫的萌生、演化與發展密切相關的。即在滲流場和應力場的作用下,巖土材料本身的材料特性會逐步降低,而不是一成不變的。目前國內外引入損傷理論對巖土體進行流固耦合分析的研究開展很少。因此,在前人的研究基礎上,本文意圖在流固耦合分析時,引入損傷理論對巖土體的變形破壞過程進行數值模擬分析,這將對巖土體滑坡的預報與治理都有巨大的理論指導意義[1,2]。

1 損傷原理

采用損傷力學研究巖土體結構破損的優勢在于可用損傷來描述土體微觀結構的破損過程,找到損傷的演化規律,建立起基于損傷變量的本構模型,從而更加切合實際地描述巖土體受力后到破損的過程。然而損傷理論最初由金屬材料發展而來,由于巖土材料的不規則性,如何定義損傷變量成為將損傷理論應用于巖土工程的難點[3,4]。沈珠江[5]在20世紀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,但在實際應用時參數確定假設條件較多,試驗方法也較繁瑣,不易于應用。

根據沈珠江(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程可看作是由原狀土向損傷土的演變過程,其力學特性是變形過程中2種土特性的綜合反映,因此其力學參數可由下式表示:

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

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,下層基巖系以中風化泥質粉砂巖為主體的上二迭系龍潭組(P2l)煤系地層。在室內外試驗及現場勘察資料的基礎上,選取邊坡巖土力學參數如表1所示。

FLAC3D可以模擬多孔介質中的流體流動,比如地下水在土體中的滲流問題。FLAC3D既可以單獨進行流體計算,只考慮滲流的作用,也可以將流體計算與力學計算進行耦合,具有強大的滲流計算功能,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 巖土力學參數

滲流邊界條件:模型左右兩側均為不透水邊界,頂部坡面為自由透水面。

初始應力場:采用FLAC3D中的彈性求解法生成初始應力場。

3 模擬結果

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,通過對比不同損傷比情況下的云圖,可以得到以下結果:

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在坡面的下半部分,即坡腳處并有向內部延伸趨勢。其最大值在未考慮損傷的情況下為7.0mm;損傷比為10%時為12.8mm;損傷比為20%時為40.0mm;損傷比為30%時為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%時為817.7mm;損傷比為20%時為919.2 mm;損傷比為30%時為1 026.6mm。為了更直觀的表明其X向位移與損傷的關系,見圖3。

圖3 X向最大位移

2)豎直方向在坡頂處出現了較大的下沉位移,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為8.0mm;損傷比為10%時為25.1mm;損傷比為20%時為39.8mm;損傷比為30%時為59.6 mm。

在坡腳處則出現了上升位移,即坡腳出現了隆起。這是因為在坡頂土下沉的影響下,坡腳處土體收到內部土體的推力,因此出現了向上的隆起,如果位移過大的則會出現坡體失穩或滑坡。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為12.5mm;在損傷比為10%時為44.4mm;損傷比為20%時為67.4mm;損傷比為30%時為108.4 mm。見圖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,并且在損傷比達到20%時,水平位移的最大值出現了較大幅度的增大;豎向位移在損傷比達到30%時,其坡腳處的位移增大明顯,并且在巖層分界面處也出現了較大位移。

4 結論

基于不同的損傷比應用FLAC3D對土石混合體邊坡進行流固耦合分析,結果表明:損傷比對位移場影響比較明顯,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,并且在損傷比達到20%～30%時,位移的最大值出現了較大幅度的增大。從模擬結果來看損傷發展對坡體結構性起到了弱化的作用,因此,在邊坡穩定性分析中應給予重視。

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