水-岩相互作用对砂岩劣化效应的离散元模拟

骆祚森 陈将宏 邓华锋

(三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

随着我国水利水电工程建设的发展和大型水库的建成,水-岩作用对库岸边坡稳定性的影响不容忽视.较多学者对水-岩作用下岩石力学特性开展了广泛的研究,分析了岩石宏观力学性质的劣化规律,并从微细观角度来解释分析了水-岩作用下岩石力学性质的劣化机理[1-3].水-岩作用下岩石的一些宏观的力学参数劣化规律往往可以从室内试验中获取,但是岩石的微细观参数的变化往往是室内试验无法获取的.由于离散元模型比连续介质模型更能反映岩石微细观的物理机制,一些学者通过借助PFC数值模拟的方法,对岩石进行细观参数的分析研究:周杰[4]以重庆地区砂岩的三轴压缩试验应力-应变曲线为基准,完成了二维颗粒流PFC2D数值砂岩试样的细观参数标定;刘新荣[5]基于离散元软件PFC2D,研究了干湿循环对泥质砂岩颗粒的接触网络,力链分布和裂纹分布的影响;Williams[6]通过PFC2D双轴压缩试验,研究了颗粒的形状对材料压缩性能影响.

针对以往研究中,利用岩石微细观参数的响应来研究水-岩作用对岩石的劣化效应的相对较少,本文运用PFC2D,通过使PFC2D模拟单轴试验应力-应变曲线与室内周期性水-岩作用试验曲线相符合的方式,以此为基础,研究岩石微观力学参数的变化规律,结合数值模拟结果进行岩石试样在单轴加载作用下内部破坏模式的细观分析,揭示水-岩作用下岩石宏观力学性质的劣化机理.

1 水-岩作用下砂岩的单轴压缩试验

为了真实的模拟周期性的水-岩作用对三峡库区消落带砂岩的劣化作用,进行室内模拟试验.试验选用的砂岩取自三峡库区消落带,制备岩样严格按照规范要求,尺寸均为50 mm(直径)×100 mm(高)圆柱体.为了减小试验误差,试验之前通过测试岩样的波速和回弹值,选择波速相近的岩样进行试验.

设计的水-岩作用试验每个周期包括4个阶段:水压力上升阶段、压力稳定阶段、压力下降阶段、自然风干阶段.试验设备使用课题组自主研发的YRK-1岩石溶解仪器.其中水压力上升阶段持续10 d,水压力从0 MPa均匀升至0.3 MPa;压力稳定阶段持续10 d,水压力稳定在0.3 MPa;压力下降阶段持续时间也为10 d,水压力从0.3 MPa均匀下降至0 MPa;自然风干阶段取出砂岩试样,在自然状态下进行风干10 d.每个水-岩作用周期完成之后,取出一组饱水状态砂岩试样进行单轴压缩试验.

岩样单轴抗压强度随水-岩作用周期的变化如图1所示.从图1可以看出,砂岩的单轴抗压强度随水-岩作用周期的增加而衰减.衰减规律为:在前6个水-岩作用周期,砂岩单轴抗压强度降低较为显著;6个水-岩作用周期后,砂岩单轴抗压强度的降低逐渐减缓,并且趋于平缓.

图1 岩样单轴抗压强度随水-岩作用周期的变化

2 颗粒流PFC2D细观力学模型的建立

2.1 接触模型的选择

砂岩主要由岩石颗粒和胶结物组成,较为常见的胶结形式为基底胶结、孔隙胶结、接触胶结和镶嵌胶结[7].目前一些文献中PFC模拟岩石颗粒接触使用较多的接触模型是parallel-bond模型.针对parallelbond模型在粘结破坏之后不能很好地限制颗粒旋转[8],影响模拟参数的真实性,本文选用flat-joint模型,使模拟更接近真实情况.

2.2 PFC2D数值模型细观力学参数的确定

本文运用颗粒流PFC2D软件,通过使PFC2D模拟单轴试验应力-应变曲线与室内试验曲线相符合的方式,开展PFC2D数值单轴试验.数值模型试样尺寸大小设定为50 mm×100 mm,集合体的计算单元为圆形颗粒,由于岩石材料的不均匀性,根据实际情况,使岩石颗粒半径在0.25 mm和0.55 mm之间随机生成.颗粒总数为8142个,颗粒间的初始接触数目为17 679个.本模型中单轴试验的岩石颗粒细观参数为:颗粒半径Rmin=0.25 mm,Rmax=0.55 mm;颗粒密度ρ=2 600 mg/m3;颗粒集合体孔隙率n=0.14.在实际的PFC模拟过程中,结合室内试验的真实情况,在理论依据的基础上,进行大量的试算,从而得出砂岩试样的细观参数组合,见表1.不同参数随水-岩作用周期的变化情况如图2所示.

通过表1和图2可以很直观地看出,随着水岩作用周期的增加,数值模拟的细观参数均有相应的减小,说明岩石的细观力学性质在不断的劣化.整体而言,前6次水-岩作用周期下,各项细观参数的劣化程度最大,劣化的程度占整体劣化程度的80%～90%之间,经过6期水-岩作用之后,细观参数劣化的速率逐渐减小且趋于平缓.因此,水-岩作用的前6个周期,水岩作用对细观参数产生的影响最大,而6个水岩作用周期后,数值模拟的细观参数基本趋于平稳.

表1 数值模拟细观参数表

图2 数值模拟细观参数随水-岩作用周期的变化

颗粒流PFC2D数值模拟的结果与室内试验结果相比较,数值模拟的细观参数与室内试验岩石的宏观力学参数的劣化规律基本一致.这也印证了岩石的细观参数与宏观力学参数的紧密性.

3 水-岩作用下PFC2D模拟结果分析

3.1 应力-应变曲线模拟结果分析

PFC进行数值模拟时,由于数值模型在初始状态时已经达到了密实状态,所以无法模拟初始压密阶段.因此,将数值模拟结果和室内试验结果比较分析时,忽略室内试验压密阶段产生的应变量.为了尽量使模拟结果准确,本文忽略掉实际试验过程中的压密阶段影响,使模拟结果与室内试验结果在弹性和峰值破坏阶段保持一致.PFC2D模拟结果与室内试验结果对比图如图3所示.从图中可以看出当室内试验曲线向左平移,消去初始压密阶段后[9],模拟曲线与试验曲线总体吻合较好.

图3 PFC2D模拟结果与室内试验结果对比图

PFC2D模拟岩样在不同水-岩作用周期下的应力应变曲线如图4所示,为了方便对比,图4中室内试验曲线已消去初始压密阶段.PFC2D数值模拟结果与室内试验结果的对比见表2.

图4 PFC2D模拟不同水-岩作用周期下岩样应力-应变曲线

表2 PFC2D数值模拟结果与室内试验结果对比

从图4可以看出,数值模拟试样在水-岩作用周期下单轴压缩的应力-应变曲线有如下特征:

1)在不同水-岩作用周期下,试样的应力-应变曲线的形态基本一致,且试样的抗压强度都随着水岩作用周期的增加而逐渐衰减.

2)随着水岩作用周期的增加,试样的弹性模量在不断减小,即应力-应变曲线的斜率减小比较明显.

3)随着水岩作用周期的增加,试样在峰值破坏阶段由脆性向塑性发展,说明在水-岩作用周期的不断影响下,试样的延性逐渐增强.

4)与室内试验的应力-应变曲线相比,峰后强度有很大差别,没有强度的陡降,原因在于PFC2D是通过模拟微观单元体之间的力学行为来叠加生成宏观响应的.

通过上述分析,数值模拟试样在水-岩作用周期下的应力-应变曲线的变化特性基本与室内试验结果吻合.从表2的数值模拟结果与室内试验结果对比中,也可以得出PFC数值模拟的应力-应变曲线与室内试验结果匹配良好.这也说明了本文用PFC2D模拟结果的可靠性.

3.2 破坏模式模拟结果分析

根据数值模拟结果,可以得到不同水岩作用周期下试样的破坏形态、颗粒接触力链分布、裂纹分布.如图5所示,每周期的4幅图分别为:室内单轴压缩破坏图、PFC模拟试样破坏形态图、PFC模拟颗粒接触力链图、PFC模拟试样裂纹图.

从图5(a)可以看出,初始饱水状态下,破坏试样出现了大量竖直的拉裂缝,未出现贯通裂隙;同时试样内部,未形成明显贯通的强力链,同时因为裂纹的出现,部分区域可以看出力链空白.

从图5(b)可以看到,经过1个水-岩作用周期后,破坏试样出现的裂缝较初始状态有所扩展和增加;岩石内部的力链强度进一步增加,裂纹进一步发育,力链空白也有所增多.

图5 不同水-岩周期作用下岩样破坏模式模拟图

从图5(c)可以看到,经过2个水-岩作用周期后,砂岩破坏试样出现了纵向贯穿裂隙,较上一个水-岩作用周期,裂纹有所扩张和增加;岩石内部的力链强度进一步增加,随着裂纹的发育,力链的空白面积增加.

从图5(d)可以看出,4个水岩作用周期后,原有裂纹进一步扩展,破坏试样由纵向的贯通裂隙发展成了斜向的剪切裂隙;岩石内部出现了明显的贯穿型强力链,力链空白较前几个水-岩作用周期有所增加.

从图5(e)中看出,水-岩作用6个周期后,裂纹继续扩展,破坏型式已经是明显的剪切型破坏;岩石内部破坏严重,贯穿型裂缝处已经出现明显的力链空白,力链强度降低,整体承载力降低.

图5(f)中,8个水-岩作用周期后,破坏型式仍然剪切型破坏;岩石内部破坏明显,贯穿型强力连仍然出现,力链空白面积增加,整体承载力进一步降低.

图5(g)中,经过10个水-岩作用周期后,岩石模型左上角裂纹和中下部裂纹整个贯通,在岩石试样内部形成了一条明显的斜向扩展裂纹,破坏类型为明显的剪切型破坏;岩石内部已经出现了大范围的力链空白区域,说明岩石微裂纹及裂隙充分发育,遍布于整个岩石试样当中,力链的强度进一步减少.

与此同时,通过观察图5中数值模型试样的破坏模式,可以得出,随着水-岩作用周期的增加,试样的破坏模式由最初的拉伸型破坏逐渐转向剪切型破坏,并且细微裂纹逐渐增多,破坏情况愈加严重.与室内试验的结果相对比,规律性也完全一致,这说明了颗粒流PFC能较好地模拟岩石真实的破坏情况,同时也验证了实际工程中,水-岩作用对岩石的力学性质和破坏模式影响显著,不容忽视.

4 结 论

通过PFC2D离散元软件,采用flat-joint粘结模型,模拟分析砂岩在不同水-岩作用周期下的力学特性.并将数值模拟结果和室内试验结果进行对比分析,得出如下结论:

1)随着水-岩作用周期的增加,数值模拟的细观参数均有相应的减小.水-岩作用的前6个周期,水岩作用对细观参数产生的影响最大,而6个水岩作用周期后,数值模拟的细观参数基本趋于平稳.室内试验结果相比较,数值模拟的细观参数与室内试验岩石的宏观力学参数的劣化规律基本一致.

2)忽略掉实际试验过程中的压密阶段影响,PFC2D数值模拟的应力-应变曲线与室内试验结果匹配良好,说明数值模拟方法能良好地反应岩石试样在水-岩作用下单轴压缩的应力-应变关系,模拟结果具有一定的工程参考价值.

3)随着水-岩作用周期的增加,试样的破坏模式逐渐由拉伸型破坏向剪切型破坏发展.与室内试验的结果相对比,规律性也几乎一致,这说明了颗粒流PFC能较好地模拟岩石真实的破坏情况,同时也验证了实际工程中水-岩作用对岩石的力学性质和破坏模式影响显著.