不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究_王亮.pdf
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1、第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 9;修订日期:2 0 2 3-0 3-1 3 基金资助:国家自然科学基金项目(5 2 0 6 8 0 0 4);广西重点研发计划项目(A B 1 9 2 4 5 0 1 8)通讯作者:江杰(1 9 7 9),男,湖北麻城人,广西大学教授,博士生导师,博士;E-
2、m a i l:j i e_j i a n g 0 0 11 2 6.c o m。引文格式:王亮,胡海宾,潘彬涛,等.不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):4 9 5-5 0 5.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 4 9 5不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究王亮1,胡海宾1,潘彬涛1,江杰2,3*,罗豪豪2,3,刘顺凯4,龚健2,3(1.中铁一局集团有限公司第三工程分公司,陕西 宝鸡7 2 1 0 0 6;2.广西大学 土木
3、建筑工程学院,广西 南宁5 3 0 0 0 4;3.工程防灾与结构安全教育部重点实验室,广西 南宁5 3 0 0 0 4;4.湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭4 1 1 2 0 1)摘要:为了研究土石混合体混合度是否影响其作为填料的振动压实效果,采用离散元法对不同混合度土石混合体开展了数值模拟。研究结果表明:相同振动荷载周期时,土石混合体的压实效果随混合度增加而变好,且增加效果对高含石量土石混合体更显著,建议采用含石量体积分数为7 0%左右混合均匀的土石混合体为填筑料。另外,从能量耗散角度对振动压实过程中的压实机制进行分析,发现加载过程中阻尼耗能、滑动耗能和滚动耗能是促进土石混合体孔隙比
4、减小的主要因素,其他耗能形式对孔隙比的影响较小;阻尼耗能、滑动耗能和滚动耗能随荷载周期的变化趋势相似,即加载初始耗能快速增加,耗能增速随荷载周期逐渐变缓,直至加载后期趋于稳定,该演变趋势与振动压实过程中土石混合体内部结构变化密切相关。关键词:土石混合体;混合度;振动压实;离散元;能量耗散中图分类号:TU 4 7 3.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 4 9 5-1 1S t u d yo nt h e e n e r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i s mo f v i b r a t i n
5、gc o m p a c t i o nb e h a v i o ro f s o i l-r o c k-m i x t u r ew i t hd i f f e r e n tm i x i n gd e g r e eWANGL i a n g1,HU H a i b i n1,P ANB i n t a o1,J I ANGJ i e2,3*,L UO H a o h a o2,3,L I US h u n k a i4,GON GJ i a n2,3(1.C h i n aR a i l w a yF i r s tG r o u pT h i r dE n g i n e e
6、r i n gC o.,L t d.,B a o j i 7 2 1 0 0 6,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a;3.K e yL a b o r a t o r yo fD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dS t r u c t u r a lS a f e t yo fM i
7、n i s t r yo fE d u c a t i o n,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a;4.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,H u n a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,X i a n g t a n4 1 1 2 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e rt o s t u d y w h e t h e rt h e m i x i n g d e g
8、 r e e w i l li n f l u e n c e t h e v i b r a t i n gc o m p a c t i o nb e h a v i o ro fs o i l-r o c k-m i x t u r e s(S RM s),t h ed i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d(D EM)s i m u l a t i o n so f S RM sw i t hd i f f e r e n tm i x i n gd e g r e ew e r e c o n d u c t e d.T h e r e s e a
9、 r c hr e s u l t s s h o w广西大学学报(自然科学版)第4 8卷t h a t t h ec o m p a c t i o ne f f e c t i v e n e s so fS RMi n c r e a s e sa st h em i x i n gd e g r e ei n c r e a s e sa tt h es a m e l o a d i n gc y c l e.F u r t h e r m o r e,t h i s i n c r e a s e e f f e c t i sm o r e s i g n i f i c a n
10、 t l y f o rS RMw i t hh i g hr o c kc o n t e n t s.O u r s i m u l a t i o n s s u g g e s t t h a t t h eu n i f o r mS RMw i t hn e a r l y7 0%r o c kc o n t e n t si sar e c o mm e n d e df i l l i n g.A d d i t i o n a l l y,t h ec o m p a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fS RM su n d
11、e rv i b r a t i o ne f f e c t a r ee x p l a i n e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fe n e r g yd i s s i p a t i o n.I t i s f o u n dt h a t t h ed a m p i n ge n e r g yd i s s i p a t i o n,f r i c t i o ne n e r g yd i s s i p a t i o na n dr o l l i n ge n e r g yd i s s i p a t i o na r
12、et h em a i ne n e r g yi t e m st or e s u l ti nt h ed e c r e a s i n gt h ev o i dr a t i oo fS RM s,a n de f f e c t so fo t h e r se n e r g yi t e m sc a n b ei g n o r e d.F u r t h e r m o r e,t h ee v o l u t i o n s o fd a m p i n g e n e r g yd i s s i p a t i o n,f r i c t i o ne n e r
13、g yd i s s i p a t i o na n dr o l l i n ge n e r g yd i s s i p a t i o nw i t hl o a d i n gc y c l ea r es i m i l a r.S p e c i f i c a l l y,a tt h ei n i t i a l l o a d i n gc y c l e,t h e s ee n e r g yi t e m sr a p i d l yi n c r e a s e,t h e nt h eg r o w t hs l o wd o w na n db e c o m
14、 es t a b l ea t t h ee n do f l o a d i n gc y c l e.T h i se v o l u t i o nt r e n d i sc l o s e l yr e l a t e dt o t h ev a r i a t i o no f i n t e r n a l s t r u c t u r eo fS RM sd u r i n g t h ev i b r a t i n gc o m p a c t i o np r o c e s s.K e y w o r d s:s o i l-r o c k-m i x t u r
15、e;m i x i n g d e g r e e;v i b r a t i n g c o m p a c t i o n;d i s c r e t e e l e m e n tm e t h o d;e n e r g yd i s s i p a t i o n.0 引言土石混合体是指第四纪以来由不同原因形成的、由强度较高的块石和强度较低的细粒土以及分布其间的孔隙构成的极端不均匀的岩土体1。土石混合体在我国分布广泛。例如,广东、福建和香港等地分布的花岗岩残积土,长江三峡库区和黄河中上游分布的古滑坡和崩积层,西藏等地分布的冰水堆积体等2-3。土石混合体具有强度高、压实密度大、沉降变形
16、小、透水性能好、抗冲刷性能强以及可就地取材等优点,因此被作为填料广泛应用于路基工程中。土石混合体属于典型的岩土混合颗粒材料,其显著特征是当2种或多种颗粒粒径、形状和材料性能不同时很难实现均匀混合。这种混合不均匀现象在自然界和工程建设中均十分常见。例如,实际摊铺土体过程中,由于土石混合体粗粒料具有更高势能,因此粗粒料更易滚动到底部而形成不同混合度的土体。混合度是用于量化混合颗粒材料不均匀程度指标。现有关于混合度指标的定义先前主要应用于化工、农业、建筑和医药等领域,用来指导工业产品的生产和质量的评价,但在岩土领域的应用较少。已有的研究表明,混合度会明显影响颗粒材料的局部和全局性能4-5。针对土石混
17、合体,混合度是否会影响其作为填料的振动压实效果,进而对路基的长期服役造成不良影响,目前对该问题的研究尚十分缺乏。路基压实是指采用静压、强夯或振动压实,即通过机械对土体做功而压密土体。通过外界能量输入,土体内部颗粒作相应运动,能量将转化和耗散于颗粒重排(势能)、颗粒间滑动和转动过程中。颗粒体在外荷载作用下的能量转化和耗散是土体压实的本质原因,因此,通过对压实过程中能耗统计分析,从能量耗散的角度来研究振动荷载作用下土石混合体的压实特性,能够更直观地揭示压实机理。依据以上研究背景,本文将基于离散元法开展混合度对土石混合体振动压实效果的相关研究,并从能量角度揭示混合度对振动压实效果的能量耗散机制。这将
18、有助于研究者更好地理解土石混合体填料的振动压实机理,为施工过程中填料的选取、路基振动压实质量和承载特性以及其稳定性评价提供更为合理的途径。1 离散元模型1.1 混合度指标对于不同的混合颗粒材料应用领域,人们注意到通过固定比例配制出来的成品,往往达不到预期效果或者产品性质并不一致6-7。这是由于即使固定某一颗粒组分,混合体仍可能对应不同的空间分布状694第3期王亮,等:不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究态。这种不同的颗粒分布状态可用混合度(即混合颗粒材料的不均匀程度)进行反映。以往研究者针对混合度提出了多种不同计算方法。例如,L a c e y8最早对二元混合体颗粒间混合均匀性进行了定
19、量表征,通过对混合样品中特定颗粒某一参数标准方差进行统计获得颗粒间的混合均匀程度,但该指标只能对同一尺寸的混合颗粒进行计算。之后,众多研究者9-1 2在L a c e y提出混合度计算方法的基础上进行改进,提出了不同的混合度计算方法。这类混合度指标可总结为对二元混合体中特定颗粒含量的标准差、方差或变异系数的统计分析,然而,这些混合度指标在实际计算混合度时均存在一定缺陷,如限定了2种颗粒的性质相同(如尺寸、体积、密度),或指标超出了传统指标范围(即指标表征区间不在01)。土石混合体形成过程中,由于成因不同,因此粗细颗粒分布状态在各方向上均存在明显区别,导致土石混合体粗细颗粒混合均匀性变异性较大,
20、前述混合度指标难以对土石混合体的真实混合均匀程度进行准确量化。L i u等1 3考虑了前述混合度指标的缺点,提出了一种新的混合度指标。混合度指标计算原理图如图1所示,该混合度指标I是将粗颗粒含量(粗颗粒占总体的质量比)随深度的变化曲线(曲线f1)、完全均匀混合线(粗实线A D G)以及完全离析线(虚线B C D E F)围成的面积进行计算:图1 混合度指标计算原理图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fo b t a i n i n gm i x i n gd e g r e e i no u r s i m u l a t i o n sI=1-A
21、sAi+Ai i,(1)式中:AS表示图中阴影部分面积;Ai表示图中A B C D所围面积;Ai i表示图中D E F G所围面积。I值反映了特定粗颗粒含量下混合材料的粗细颗粒的混合均匀程度。需要说明的是,本文粗颗粒主要模拟砾粒、卵石及漂石,而细粒主要模拟砂粒。不同混合度土石混合体如图2所示,图中描述了含石量体积分数为5 0%时,不同混合度土石混合体数值模型,从左至右I值分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。当I为0时,表明粗、细颗粒是完全离析的,如图3(a)所示;当I为1.0时,表明粗、细颗粒是完全混合均匀的,如图2(f)所示,I值增大表示粗、细颗粒间的混合均匀程度逐渐增加。图2
22、 不同混合度土石混合体F i g.2 S RM sw i t hd i f f e r e n tm i x i n gd e g r e e s794广西大学学报(自然科学版)第4 8卷1.2 离散元模型构建本文拟采用离散元法开展数值模拟,探明不同混合度下土石混合体在振动压实过程中不同能量的耗散途径,拟从能量角度揭示混合度对振动压实效果的能量耗散机制。文中采用I t a s c aP F C5.0 3 D开展相关试验。试样粗颗粒体积分数为5 0%,混合度I值分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。6组试样不同I值下粗颗粒随归一化深度变化曲线如图3所示,其中H表示距离试样底部的特定高
23、度,HW指试样的总高度。试样尺寸为8 0 0mm8 0 0mm6 0 0mm(长度宽度高度),由五面刚性墙体构成。制样过程如下:首先沿试样盒高度方向等分为1 0等分,按初始孔隙比0.7结合图3中每层粗细颗粒的相对成分,生成相互重叠的特定数量粗细颗粒;随后对粒间接触力和颗粒速度每循环5次进行一次清零处理,直至达到2 00 0 0次循环,以此消除粒间的过大的接触力;最后让颗粒在重力作用下堆积生成加载前的初始试样。经测试,初始试样的I值与目标I值基本一致。6组不同的I值体积分数为5 0%含石量初始试样如图4所示。初始试样上部的加载板由62 4 1个半径为1mm的子球构成的颗粒簇组成。加载板的尺寸为8
24、 0 0mm8 0 0mm2mm(长度宽度厚度)。图3 不同I值下粗颗粒随归一化深度变化曲线F i g.3 V a r i a t i o no f c o a r s ep a r t i c l e sw i t hn o r m a l i z e dd e p t hc u r v e s f o rd i f f e r e n tIv a l u e s图4 体积分数为5 0%含石量初始试样F i g.4 S RM sw i t h5 0%c o a r s ep a r t i c l ec o n t e n t894第3期王亮,等:不同混合度土石混合体振动压实能量耗散机制研究
25、数值模拟试验中激振力大小和频率与室内试验一致,以余弦波的形式施加在荷载板上,其具体形式为F=-F0(c o s(2 ft)+1),(2)式中:F表示实际激振力;负号表示向下加载;F0为设定值,取值为5k N;f为加载频率;t为加载时间。由于本文后续分析将针对颗粒运动量以及能量耗散等方面展开,因此,相对关键的参数主要是阻尼系数、滑动摩擦系数和滚动摩擦系数。颗粒接触刚度等参数选取直接选用三轴模型验证后的结果。需要指出的是,在验证试验中,为确保试验速度,将只选取部分工况与室内试验结果进行对比。本文数值模拟中,颗粒 颗粒间采用线性接触模型。Z h a o等1 4指出线性接触模型和赫兹非线性接触模型均能
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