砂柱試驗注水前初始有效應力場的生成方式研究

邢 勇

(淮濱縣水利局，河南 淮濱 464400)

0 引 言

為了真實有效的實現對Liakopoulos砂柱試驗模型的計算模擬，在采用FLAC3D軟件進行準備時，每一步都應盡可能地與真實試驗情況高度近似地對照起來。相關學者在應用該有限差分軟件進行數值模擬時，也同樣注重各個環節的細節處理[1-5]。蔣中明等采用FLAC3D對極端久雨條件下的軟巖邊坡的穩定性進行了分析研究，過程中采用Geo-studio(seep)軟件的滲流計算結果導入FLAC3D軟件，作者正是認識到了FLAC3D在模擬飽和-非飽和滲流場的不足，才采用另外一款在該方面有獨特優勢的軟件的計算結果，作為初始孔壓場導入FLAC3D軟件中，再進行后續的模擬計算[6]。謝強等深刻理解FLAC3D軟件在處理土中基質吸力問題的缺陷后，應用FISH程序進行編程，開發出了一種能夠使用FLAC3D進行飽和-非飽和問題求解的方法，為FLAC3D有限差分軟件的拓展使用開拓可一片新天地[7]。司憲志等D-PFC3D連續-非連續耦合的方法進行泥石流地質災害的模擬[8]在明確了解了FLAC3D在處理顆粒類的非連續材料的局限性后，進而采用PFC軟件與FLAC軟件結合進行模擬計算，從而實現了顆粒材料的有效模擬[9]。陳聞瀟等詳細分析了FLAC3D軟件進行計算時，不能模擬材料間發生分離破壞的情況，提出了一種FLAC3。馮文凱等專門針對FLAC3D不能生成飽和-非飽和滲流場的缺點，提出了一種用于在FLAC3D中生成飽和-非飽和滲流場的方法。文章作者在充分理解并熟練運用了FLAC3D中的三種生成初始有效應力場的方法后，針對在模擬Liakopoulos砂柱模型試驗的試驗準備階段中砂柱中填滿砂土后初始有效應力場的不同生成進行了詳細分析比較，學者們可參考應用其中的方法進行初始有效應力場的生成。

1 FLAC3D計算準備

在準備進行Liakopoulos砂柱模型試驗時，有一個將Del Monto砂土填筑到聚四氟乙烯圓柱桶中的過程，填筑完成后一般要靜置24h以使砂土在自重作用下充分下沉固結，這一過程與采用FLAC3D對砂柱進行模擬時，在尚未設置孔隙水壓力具體分布條件下，初始有效應力場的生成過程相似。與沒有設置初始有效應力情況類似，在有設置了一定初始有效應力時，采用拉格朗日快速差分技術的FLAC3D軟件同樣提供了三種生成初始有效應力場的方法，這主要是：①在設置了一定的有效應力時，將砂柱中的砂土首先設置成彈性體，賦予其相應的彈性本構模型，再通過‘SOLVE’命令進行求解獲得初始有效應力場；②在設置了一定的有效應力情況下，將砂柱中的砂土設置成真實的摩爾庫倫彈塑性本構模型，但是分兩步求解，第一步應用‘SOLVE’求解時，將模型材料參數中的關鍵參數設置成較大值，求解至平衡態，第二步應用‘SOLVE’求解時，使用與砂土材料相一致的真實的材料彈塑性參數，進行彈塑性條件下的求解，至平衡狀態，獲得初始有效應力場；③在設置了一定的有效應力情況下，將砂柱中的砂土設置成真實的摩爾庫倫彈塑性本構模型，相應的材料參數也設置成真實的彈塑性材料參數，采用‘SOLVE ELASTIC’命令使FLAC3D軟件自動進行先將材料關鍵彈塑性參數設置成較大值求解至平衡態，再采用真實的彈塑性材料參數求解至平衡態的過程。

2 模型構建

如圖1所示的試驗模型，實際試驗中，聚四氟乙烯管內直徑10cm，壁厚1cm，沿側壁等間距布置測壓計對試驗過程中的孔隙水壓力變化進行監測，而進行數值模擬試驗時，主要是通過沿側壁不同高程處設置監測點，通過獲取監測點的孔隙水壓力大小獲得各處的基質吸力變化，聚四氟乙烯管內高102cm，砂柱填筑高度為100cm，高出的2cm主要是為了在通水后，使砂柱上方始終有2cm深的水，以使其盡快達到穩定滲流狀態。試驗準備時，管中主要填筑的是Del Monte砂土，每層填筑10cm，分層填筑，每層填筑控制壓實度，填筑完成后，靜置24h，使管中的砂土在自重作用下充分變形，以避免后續試驗過程中，由于砂土自重對試驗結果帶來一定程度的影響。靜置后，通過在管上方通穩定水流，而管上方與大氣接觸，但始終保持有水的狀態(高出的2cm的作用)，直到水流在自重作用下沿砂柱穩定滲出形成穩定滲流后，不再對砂柱上方進行水源供應，使柱中水在自重作用下不斷滲出，通過讀取側面不同高程處的孔壓計獲得各高程處的孔隙水壓力值。

兼顧計算精度和計算時間，作者采用均值為0.1m邊長的三角形網格對模型進行剖分。

圖1 Liakopoulos砂柱試驗設置

3 計算結果

以下分別分析比較在設置與不設置初始有效應力條件下，彈性模型、彈塑性模型變關鍵參數兩種方式生成初始有效應力場結果。

3.1 彈性模型求解結果對比

在不對有效應力給予初始值時，對材料賦予彈性模型生成的最終初始有效應力場如圖2中(a)所示。由圖可知，在不對有效應力給予初始值時，采用這種方法能夠獲得正確的初始有效應力場，計算共循環進行8195步。當對有效應力給予初始值時，對材料賦予彈性模型生成的最終初始有效應力場如圖2中(b)所示。由圖可知，在對有效應力給予初始值時，采用這種方法同樣能夠獲得正確的初始有效應力場，計算共循環進行143步，幾乎沒有進行計算，模型就達到了平衡狀態。可見，設置或不設置初始有效應力，采用彈性模型求解都能夠得到正確的初始有效應力場，區別在于設置了初始有效應力，將有效縮減模型循環次數，縮短計算時間，提高初始平衡效率。

3.2 彈塑性模型變參數求解結果對比

在不對有效應力給予初始值時，對材料賦予彈塑性模型，第一步進行彈塑性求解時，將模型彈塑性關鍵參數設置成較大值，以近似彈性求解，第二步更改材料關鍵參數的值，進行彈塑性求解，生成的最終初始有效應力場如圖3中(a)所示。由圖可知，在不對有效應力給予初始值時，采用這種方法能夠獲得正確的初始有效應力場，計算共循環進行8198步。當對有效應力給予初始值時，對材料賦予彈塑性模型，第一步進行彈塑性求解時，將模型彈塑性關鍵參數設置成較大值，以近似彈性求解，第二步更改材料關鍵參數的值，進行彈塑性求解，生成的最終初始有效應力場如圖3中(b)所示。由圖可知，在對有效應力給予初始值時，采用這種方法同樣能夠獲得正確的初始有效應力場，計算共循環進行144步，幾乎沒有進行計算，模型就達到了平衡狀態?？梢姡O置或不設置初始有效應力，采用彈塑性模型變關鍵材料參數求解都能夠得到正確的初始有效應力場，區別在于設置了初始有效應力，將有效縮減模型循環次數，縮短計算時間，提高初始平衡效率。

(a)不設置初始有效應力時求解結果 (b)設置初始有效應力時求解結果

(a)不設置初始有效應力時求解結果

(b)設置初始有效應力時求解結果

4 結 論

在設置和不設置初始有效應力時，通過對比兩種生成初始有效應力場的方式，得出結論：

1)在設置和不設置初始有效應力時，彈性模型、彈塑性模型變關鍵參數兩種方式均可以獲得與真實情況相符的正確初始有效應力場。

2)相比不設置初始有效應力時，設置初始有效應力時的計算效率顯著提高。

3)建議采用不設置初始有效應力、彈性或彈塑性變關鍵參數的方式生成初始有效應力場。