基于DEM法的胶凝砂砾石材料宏细观破坏特征分析

摘 要：【目的】探究胶凝砂砾石（CSG）材料宏细观力学特性及破坏特征。【方法】对不同水胶比（1.5、1.2、1.0）下的胶凝砂砾石材料进行室内单轴压缩试验，基于试验结果建立精细化CSG离散元（DEM）模型，采用宏-细观跨尺度结合的研究方法，探究CSG材料变形破坏特征。【结果】研究表明，当水胶比为1.0时，试件抗压强度最大，初始压密阶段最短。随着加载过程的持续，颗粒的侧向位移趋势逐渐增大，当进入裂纹发展阶段时，颗粒速度矢量出现明显的分隔线，最终发展为贯穿裂缝。整个加载过程，孔隙率表现为先减小后增大。【结论】研究成果揭示了CSG材料在不同加载阶段的力学特性及失效破坏时的宏细观特征。

关键词：胶凝砂砾石；水胶比；离散元法；细观力学

中图分类号：TV43      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）07-0033-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.07.007

Analysis of Macro-Meso Failure Characteristics of CSG Materials Based on DEM Method

SONG Yuanxiang

（North China University of Water Conservancy and Hydroelectric Power， Zhengzhou 450046，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the macro-fine mechanical properties and damage characteristics of cemented sand gravel （CSG） materials. [Methods] Indoor uniaxial compression tests were carried out on cemented gravel materials with different water-to-cement ratios （1.5， 1.2， and 1.0）， and a refined discrete element model （DEM） of CSG was established based on the experimental results， and a macro-fine cross-scale combination of research methods was adopted to investigate the deformation and damage characteristics of CSG materials. [Findings] The study shows that when the water-cement ratio is 1.0， the compressive strength of the specimen is the greatest， and the initial compression-density stage is the shortest. With the continuation of the loading process， the lateral displacement tendency of the particles gradually increased， and when entering the crack development stage， the particle velocity vector appeared obvious separating lines， which eventually developed into penetrating cracks.Throughout the loading process， the porosity showed the characteristics of decreasing and then increasing. [Conclusions] The results reveal the mechanical properties of CSG materials at different loading stages and the macroscopic and microscopic characteristics during failure damage are revealed.

Keywords： cemented sand and grave; water-cement ratio; discrete element method; fine mechanics

0 引言

胶凝砂砾石（Cemented Sand and Gravel，CSG）是由水泥、粉煤灰作为胶凝材料，与水、河道开挖砾石等废料按一定比例混合后充分拌和得到的一种新型筑坝材料。因其具有胶凝材料用量少、水化热低、施工较为便捷、施工过程对环境的影响小等特点［1］，受到国内外工程界的青睐，具有广阔的发展前景。

国内外诸多学者在试验的基础上对CSG材料的力学特性展开了研究。李娜等［2］对不同龄期、不同围压下的CSG试件进行了大型三軸试验，结果表明，CSG材料的应力—应变曲线具有非线性与软化特征，其强度随着龄期与围压的增加而增大。冯炜［3］系统地研究了砂率、水胶比等参数对CSG材料强度的影响，结果表明，水胶比范围为0.7～1.3、砂率范围为18%～32%较合适。目前，相关学者主要从水泥含量、围压、龄期等方面对CSG材料宏观力学特性影响的角度进行了研究，然而宏观层面的分析无法探究材料内部的变形破坏机理。

随着数值模拟技术的发展，离散元法（Discrete Element Method，DEM）在研究非连续介质细观特性方面展现出独特的优势［3-4］。本研究针对不同水胶比下CSG材料展开室内单轴压缩试验，基于室内试验结果精细化建立CSG离散元模型，采用宏-细观跨尺度结合的研究方法探究CSG材料的力学特性，并揭示CSG失效破坏的细观特征。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与试件制备

CSG材料由胶凝材料、砂砾料和水等按比例拌和而成。根据《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）对胶凝砂砾石材料用料的要求：胶凝材料由P.0.42.5普通硅酸盐水泥和热电厂干排粉煤灰按一定比例组成；粗骨料选用粒径5～40 mm的砾石，从河南省林州市现场土样筛分后获得；细骨料选用细度模数为2.94的中砂；试验用水为自来水。本研究针对不同水胶比下CSG材料具体三种配合比，具体参数见表1。

试件的制备及养护主要参照《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）和《水工混凝土试验规程》（SL/T 352—2020）进行，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，试件主要用于单轴压缩试验，具体制备流程如图1所示。试件制备完成后用湿布覆盖，在 20 °C±5 °C的室内静置 48 h 后拆模，对拆模后的试块进行编号并放入养护室进行养护，养护至规定龄期28 d。

1.2 试验方法

本研究采用YAW-5000微机控制电液伺服压力试验机进行单轴压缩试验，最大压力5 000 kN，将养护好的试块放置在压力机下压板正中间，压板与试件之间放置钢垫板，压力机以0.3～0.5 MPa/s的速度连续均匀地加载。当试件接近破坏而开始迅速变形时，停止调整油门，直至试件破坏，记录破坏荷载。

1.3 试验结果分析

试验结果如图2所示。由图2可知，不同水胶比下CSG材料应力—应变曲线变化趋势一致，整个压缩过程可分为压实、弹性变形、裂纹扩展、峰后破坏等四个阶段。一是压实阶段，由于试样内部存在原生孔隙，在加载过程中孔隙闭合，曲线呈非线性增大趋势，材料密实性增大；二是弹性变形阶段，曲线呈线性增大趋势，试件发生弹性变形；三是裂纹扩展阶段，曲线呈非线性上升，试件表现为塑性变形，表明CSG材料存在弹性极限强度，此阶段是材料发生失效破坏的主要阶段，胶结体破坏导致裂纹不断发育、扩展；四是峰后破坏阶段，阶段试件承载力持续降低，承载力主要由骨料间的摩擦力提供，试件出现贯穿性裂缝。

对比不同水胶比下CSG材料的应力—应变曲线不难看出，当水胶比为1.0时，材料的峰值强度最大，相较于水胶比1.2、1.5的试件，强度分别提升21.40%、14.13%。其压密阶段更短，原生孔隙相较于其他配比更少；裂纹扩展阶段材料产生的塑性变形更小，发生的不可逆损伤相较于其他配比更少。由此可知，水泥用量70 kg/m3、粉煤灰用量30 kg/m3、砂率为30%的CSG材料的最优水胶比为1.0。

2 CSG材料细观力学特性

2.1 建立离散元模型

离散元模型利用颗粒流软件PFC3D建立，采用ball单元模拟细骨料（砂）和clump单元模拟粒径较大的粗骨料（砾石），砾石形状会对模型的计算结果产生较大影响，本研究对实际的砾石形状进行统计后，归纳出6种典型形状，通过建模软件绘制三维模型，利用FISH语言编程将模型导入PFC，建立大小、形状不同的砾石clump单元，砾石模型如图3所示。

试样中含有大量细小颗粒，全部按照真实粒径建模会产生数百万的球颗粒，严重影响计算效率，因此引入了局部粗粒化的方法［5］，将细小颗粒用一种粒径颗粒代替，最终生成模型球的颗粒数量为12 611，簇单元数量为13 991。

选用水胶比为1.0的应力—应变曲线对模型进行参数标定，CSG材料作为一种贫胶材料，其胶结作用是影响材料力学性能的关键因素，因此将细骨料视为被胶凝材料包裹，其接触模型采用平行黏结模型。粗骨料由于接触面积较大，胶凝材料附着较少，接触模型采用线性接触模型。标定结果如图4所示。

由于压密阶段在模型初始平衡阶段就已完成，因此离散元模型的应力—应变曲线及孔隙率演化曲线均直接从弹性阶段开始。

2.2 变形破坏特征演化分析

不同加载阶段颗粒运移速度矢量图如图5所示。由图5可知，加载初期，在骨料与胶结体的作用下，颗粒运移速度由上到下逐级递减，运移方向由竖向逐渐向水平向发展；随着轴向应变的增加，颗粒运移的水平向趋势逐渐增大，试件侧向变形逐渐增大，颗粒的速度矢量出现明显的分隔线；分隔线左右两侧速度方向、大小均不相同，进而导致试件裂缝不断扩展，最终形成贯穿裂缝；胶结作用失效，试件发生破坏，破坏形式为倒锥形。室内试验与离散元模型破坏特征对比如图6所示。

2.3 孔隙率演化分析

试件加载过程的孔隙率演化曲线如图7所示。由图7可知，在弹性变形阶段，孔隙率先减小后趋于平稳，表明CSG材料在此阶段虽有微小裂隙产生，但仍表现为线弹性变形。随着弹性阶段进入后期裂隙的增长速度加快，开始向裂纹扩展阶段进行过渡。裂纹扩展阶段，孔隙率开始上升且上升速率逐渐提高，说明此时胶结体的大量断裂使得裂隙不断扩展发育，试件逐渐发生侧向变形；在峰后破坏阶段，孔隙率持续上升，试件内裂隙逐渐发育为贯穿裂缝，CSG材料中的膠结体承载力基本丧失，试件破坏，主要承载力由胶结力变为骨料间的摩擦力。

3 结论

本研究对不同水胶比（1.5、1.2、1.0）的胶凝砂砾石材料进行室内单轴压缩试验，研究表明，当水胶比为1.0时，试件抗压强度最大，初始压密阶段最短，裂纹扩展阶段产生的塑性变形最小。基于试验结果，通过建立水胶比1.0的CSG离散元模型，发现随着加载过程的持续，颗粒的侧向位移趋势逐渐增大，当进入裂纹扩展阶段时，颗粒速度矢量出现明显的分隔线，最终发展为贯穿裂缝。整个加载过程，孔隙率呈现先减小后增大状态。

参考文献：

［1］贾金生，马锋玲，李新宇，等. 胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用［J］.水利学报，2006（5）：578-582.

［2］李娜，何鲜峰，张斌，等.基于大型三轴试验的胶凝堆石料力学特性试验研究［J］.水力发电学报，2014，33（6）： 202-208.

［3］冯炜.胶凝砂砾石坝筑坝材料特性研究与工程应用［D］. 北京：中国水利水电科学研究院，2013.

［4］胡世兴，靳晓光，孙国栋，等. 土石混合体材料大型三轴试验及PFC-FLAC耦合仿真研究［J］.岩石力学与工程学报，2021，40（S2）：3344-3356.

［5］谢亦朋，张聪，阳军生，等.基于局部粗粒化离散元的冰水堆积体隧道围岩破坏特征与加固措施研究［J］.岩石力学与工程学报，2021，40（3）：576-589.

收稿日期：2024-01-24

作者简介：宋元翔（1999—），男，硕士生，研究方向：水工结构工程。