砂土双轴试验的颗粒流模拟_周健

黏性土宏—细观参数关系的PFC2D模拟研究作者：徐松来源：《中国水运》2017年第08期关键词： PFC2D；黏性土；双轴试验；宏-细观参数中图分类号：O59 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）08-0074-031 引言PFC2D作为一种离散元数值模拟方法，克服了传统宏观力学模型连续性假设的弊端，但在现有实验水平条件下，PFC2D数值模拟所需的细观参数无法直接获取。

针对这一问题，国内外学者作了大量研究，Huang选用黏结模型对PFC2D样本宏观力学性质的比例法作了研究。

周健对砂土进行数值双轴试验，探讨了颗粒粒径、摩擦系数等细观参数变化对砂土宏观性质的影响。

5 结论（1）采用PFC2D数值双轴试验研究黏性土宏-细观参数关系是可行的，获得的细观参数能够很好地反映土体原有的宏观力学性能。

（2）决定黏性土内摩擦角的细观参数是颗粒的摩擦系数，两者呈线性关系；颗粒切向黏结强度和颗粒接触强度比是影响黏性土粘聚力的最主要因素。

（3）上述研究成果均是在特定的颗粒粒径、级配、初始应力状态、加载速度等条件下获得的，因此具体模型试验的细观参数选择时，上述公式、结论等只能作为一种定性的参考。

参考文献：[1] HUANG H Y. Discrete element modeling of took-rock interaction[D].Minneapolis：University of Minnesata，1999.[2] 周健，池毓蔚，池永等.砂土双轴试验的颗粒流模拟[J].岩土工程学报， 2000， 22（6）： 701-704.[3] 徐小敏，凌道盛，陈云敏等. 基于线性接触模型的颗粒材料细-宏观弹性常数相关关系研究[J].岩土工程学报， 2010， 32（7）： 991-998.[4] 赵国彦，戴兵等.平行黏结模型中细观参数对宏观特性影响研究[J].岩石力学与工程学报， 2012， 31（7）： 1491-1498.[5] 周健，池永.土的工程力学性质的颗粒流模拟[J].固体力学学报， 2004， 25（4）：377-382.[6] 陈亚东，于艳等.PFC3D模型中砂土细观参数的确定方法[J].2013， 35（2）： 88-93.[7] 周博，汪华斌等. 黏性土细观与宏观力学参数相关性研究[J].岩土力学， 2012， 33（10）： 3171-3178.[8] 陆祖煜. 土质边坡稳定性分析原理、方法和程序[M].北京：中国水利水电出版社，2003.。

《魏曼！！篇星第２章砂土的稳态强度试验研究三轴仪主要由主机、轴向力测量系统、轴向变形测量系统、轴向控制系统、围压控制系统、反压控制系统、孔隙水压力测量系统、计算机系统等几部分组成，其中轴向力测量、轴向变形测量、轴向控制等单元都装在一个控制箱内，而主机由围压室、轴向加载系统构成，另外围压控制系统及反压控制系统分别连接两个体积控制器。

该仪器最突出的优点就是它的加载及压力控制系统．通过调整上帽及底座的压力，可对土体施加压缩或拉伸荷载。

通过使用计算机控制系统，该设备可自动完成如下操作：（１）反压饱和／测量Ｂ值（２）各向同性固结（３）单调加载试验（４）循环加载试验（５）动态加载试验（６）Ｋｏ固结（７）应力路径试验以上所有试验都可以由应变控制或应力控制完成。

试验机配置的计算机系统，所有操作步骤均由计算机进行控制，同时计算机自动对试验数据进行采集和处理，试验曲线可同步在显示器上显示，便于及时发现问题。

试样直径可分别选用３￥ｍｍ、７５ｒａｍ、１００ｍｍ三种类型。

本试验采用的是直图２．２英国ＧＤＳ土体多功能三轴试验仪Ｆｉｇ．２．２ＧＤＳｔｒｉａｘｉａｌｔｅｓｔａｐｇａｍｓｔｕｓ１９！塞蜜怒！：妻罴第２鬻骖±豹稳悫强度试验研究径为３８ｍｍ，黼度为７６ｍｍ的试样。

２．１．２三皴辫切试验原理格瑶场取潮来得蟊柱髂瓣主（蒙敬榉）套在橡皮壤游或者在橡皮骥露装±成样（重塑样），放在密封的压力室中。

橡皮膜下端用橡皮嘲固定在底座上，上端同样用橡皮圈嗣定在试撑楼上，爱试撵内戆魏骧承与压力室内驰水完全隔开。

安装完成的试样如黼２．３所示。

张燎水通过试群下端懿逶窳石与魏隙水压力量测系统连通，绒者通过上端透水石与摊水管连通。

然露角压力黧内施加压力ｆ瘩压或气臌），使试件备向受到周嗣搓力以，压力在整个瓣续过覆孛操持不变，这时试件内各向的三个主图＂试簸用试样威力都相等，媳种情况为Ｆｉｇ·２·３Ｓａｍｐｌｅｆｏｒｔｒｉａｘｉａｌｔｅｓｔ等向固结，整个圈结过程笼编痊力＜赘藏秀）产垒。

第27卷 第1期岩石力学与工程学报 V ol.27 No.12008年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2008收稿日期：2007–01–01；修回日期：2007–12–11基金项目：重庆市科学基金重点资助项目(035679)；2002年高等学校博士学科点专项科研资助项目(20020183061)作者简介：张 三(1960–)，男，博士，1983年毕业于后勤工程学院建筑工程系工业与民用建筑专业，现任教授，主要从事岩石力学试验研究方面的工作。

E-mail ：zhangmail@ 。

砂土中单桩静载的室内模型试验及颗粒流模拟周 健1，郭建军2，张 昭1(1. 后勤工程学院 建筑工程系，重庆 400041；2. 中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)摘要：介绍了论文格式和书写，作者可以按此短文的格式排版。

关键词：论文；修改；格式中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：REVIEW SUGGESTION TO TECHNICAL PAPERZHANG San 1，LI Si 2，WANG Laowu 1(1. Department of Architectural Engineering ，Logistical Engineering University of PLA ，Chongqing 400041，China ；2. Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan ，Hubei 430071，China )Abstract ：A form of short paper is presented to show the review suggestion. The technical papers can be revised by authors according to the suggestion ，and it can also be processed in the form of this short paper. Key words ：technical paper ；revision ；form1 引 言砂土中桩端荷载－沉降关系的研究一直是岩土工程领域中的一个重要课题。

收稿日期:2006-05-08基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578122)作者简介:周　健(1957-),男,浙江临海人,教授,博士生导师,工学博士.E 2mail :tjuzj @砂土单调剪切力学性状的颗粒流模拟周　健1,2,史旦达1,3,贾敏才1,2,闫东霄4(1.同济大学地下建筑与工程系,上海　200092;2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海　200092;3.上海海事大学交通运输学院,上海　200135;4.中国公路工程咨询集团有限公司,北京　100097)摘要:利用离散单元法中的二维颗粒流方法(PFC 2D ),采用了两种不同接触刚度模型对福建标准砂常规三轴试验结果进行了细观数值模拟,并探讨了不同围压水平下两种接触刚度模型的适用性.研究结果表明:对于Hertz 2Mindlin 接触模型,细观剪切模量影响数值试样的宏观变形模量,颗粒摩擦系数影响试样的峰值强度,细观泊松比变化对试样宏观响应影响不大.当考虑一个确定围压水平下的三轴试验模拟时,两种接触刚度模型均能得到较理想的结果;而当考虑不同围压条件时,由Hertz 2Mindlin 接触模型得到的结果要比线性接触模型更加符合实际砂土的性质.关键词:二维颗粒流;接触刚度模型;福建标准砂;常规三轴试验;数值模拟中图分类号:TU 411.3 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2007)10-1299-06Numerical Simulation of Mechanical Response on Sand UnderMonotonic Loading by Particle Flow CodeZHOU Jian1,2,S HI Danda1,3,J IA M i ncai1,2,YA N Dongxiao4(1.Department of G eotechnical Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China ;2.K ey lab oratory of G eotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education ,T ongji University ,Shanghai 200092,China ;3.Department of Communications and Trans portation ,Shanghai Maritime University ,Shanghai 200135,China ;4.China Highway Engineering Consulting Group Ltd.,Beijing 100097,China )Abstract:The paper presents a discrete element method named particle flow code in 22dimension (PFC 2D ).Two different contact stiffness models were used to simulate the behavior of Fujian standard sand under conventional triaxial compression condition.The validity of these two contact models in dif 2ferent confining stress level was also studied by comparison with the results of laboratory test.The study result shows that as for Hertz 2Mindlin contact model (abbreviated to H 2M contact model ),the micro shear modulus and the friction coefficient affect the macro modulus and the macro strength of numerical sample respectively ,and the micro Poisson ’s ratio has little effect on macro response.The be 2havior of standard sand under triaxial monotonic loading in a certain stress level can be sucessfully mod 2elled by either liner contact model or H 2M contact model.However when a wide confining stress range is considered ,the H 2M contact model is more suitable than the liner model.Key words :particle flow code in 22dimension ;contact stiffness model ;Fujian standard sand ;conven 2tional triaxial test ;numerical simulation第35卷第10期2007年10月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.35No.10　Oct.2007 常规三轴试验是研究土体单调剪切性状的重要试验手段,然而,由于试验设备的局限性,通过三轴试验一般只能得到土体宏观的力学表现,而无法探明土体变形及强度特性的真正细观力学本质.土是由散粒状介质组成的颗粒集合体,外加荷载是通过颗粒之间的接触力承受并在其内部相互传递,外荷载作用下,土体微细观组构的变化是引发土体宏观变形及强度变化的真正内因.从颗粒介质水平出发,研究土体细观组构变化对宏观力学响应的影响,建立土体的细观本构关系,已经成为土力学研究的一个重要方向.数值分析法可以保证制样的完全“同一性”,可以获得任意加荷时刻试样内部组构参量的空间分布与统计信息,已经成为土体细观力学研究领域令人瞩目的方法[1].数值分析法中应用最广泛的是Cundall[2]1971年提出的离散单元法(discrete element mothod, DEM).离散单元法最早用于岩石边坡的破坏问题分析,1979年Cundall等[3]将其推广至颗粒介质的细观力学研究.本文采用的二维颗粒流方法(PFC2D)属于离散元法的一种,它采用二维圆盘来模拟颗粒介质的运动及其相互作用,对于砂土,常采用接触刚度模型来表述颗粒之间的接触本构关系.周健等[4]较早在国内介绍了PFC2D理论及其计算程序,并成功用于砂土剪切带形成及发展规律的细观力学研究[5].刘文白等[6]利用PFC2D进行了上拔荷载作用下扩展基础的细观数值模拟,促进了PFC2D 的实际应用.本文利用PFC2D方法,在分析接触刚度模型细观参数变化对宏观响应影响基础上,采用两种不同接触刚度模型对福建标准砂常规三轴试验结果进行细观数值模拟;并从标准砂室内试验结果出发,探讨不同围压条件下两种接触刚度模型的适用性.1　数值模拟方法离散元法的基本思想是将不连续体分离成若干离散单元的集合,单元之间无须满足位移连续与变形协调条件,运动方程的迭代采用显式的中心差分格式,速度快,所需空间小,适用于求解大变形和非连续问题.离散元法按其单元的几何形状特征可以分为块体离散元与颗粒离散元.PFC2D属于颗粒离散元的一种,采用二维圆盘单元.PFC2D的计算过程主要有以下四步:①接触检索;②利用接触本构关系计算作用于颗粒上的不平衡力与不平衡力矩;③颗粒满足运动方程(即牛顿第二运动定律);④更新颗粒位置,进行下一步迭代.2　细观参数影响分析PFC2D提供的接触刚度模型有线性接触模型和Hertz2Mindlin接触模型(简称H2M接触模型)两类.线性接触模型的主要细观参数有法向接触刚度k n、切向接触刚度k s及颗粒摩擦系数f c.文献[5]对线性接触模型、细观参数变化对数值试样宏观力学响应的影响进行了分析.结果表明:颗粒之间的接触刚度影响试样的宏观变形模量及破坏应变大小,颗粒摩擦系数控制峰值强度大小,法向接触刚度与切向接触刚度的比值影响宏观泊松比大小.H2M接触模型是基于Hertz及Mindlin和Deresiewicz理论得出的一种非线性接触模型.与线性接触模型不同,它可以体现颗粒接触力与相对位移之间的近似非线性关系,其法向割线刚度K n及切向切线刚度K s的表达式分别为K n=2G u2R—3(1-νu)U n(1) K s=2(3G u2(1-νu)R—)1/32-νu|F n i|1/3(2)式(1),(2)中:U n为颗粒接触重叠量;F n i为法向接触力;G u,νu分别为颗粒细观剪切模量和细观泊松比;R—为两个接触颗粒的平均半径.在H2M接触模型中,需要确定的细观参数有细观剪切模量G u、细观泊松比νu及颗粒摩擦系数f c.下面通过PFC2D双轴试验条件,对H2M接触模型细观参数变化对数值试样宏观力学响应的影响进行分析.数值试样粒径采用均匀分布,固结采用均等固结方式,围压为200kPa.试样参数列于表1.表1　PFC2D双轴试样参数汇总表T ab.1　S ample paremeters for PFC2D biaxial sample试样尺寸/(mm×mm)颗粒密度/(kg・m-3)初始孔隙率最大粒径/mm最小粒径/mm颗粒数量40×8526500.15 1.20.64542 2.1　细观剪切模量的影响分析细观剪切模量G u的影响时,固定细观泊松比νu=0.3,颗粒摩擦系数f c=0.5.图1为G u在100～900GPa范围内变化时,试样应力(σ1-σ3)—0031 同济大学学报(自然科学版)第35卷　应变(ε1)、体变(εv )—轴变(ε1)关系曲线(图中体变坐标轴,体积压缩为正,膨胀为负,下同).由图1a 可见,G u 对试样宏观变形模量的影响十分显著.随着G u 的增大,试样的平均变形模量(对应峰值强度一半处应力—应变曲线的割线斜率)明显增大;同时,峰值强度也有一定程度的提高,且峰值出现时的应变变小.图1　G u 对试样宏观力学响应的影响Fig.1　E ffect of G u on macro response of numerical sample 由图1b 可见,G u 对试样的剪切胀缩特性影响较大.随着G u 的增大,加荷初期试样发生的体积剪缩变形量明显减小,且试样在较小轴向应变时即出现体积剪胀趋势,但发生剪胀后其体变—轴变近似直线段的斜率变化不大.2.2　细观泊松比的影响分析细观泊松比νu 的影响时,固定G u =400GPa ,f c =0.5.图2给出了νu 在0.05～0.45范围内变化时,试样的宏观应力—应变、体变—轴变关系曲线.图2　νu 对试样宏观力学响应的影响Fig.2　E ffect of νu on macro response of numerical sample 由图2a 可见,随着νu 的增大,试样的宏观变形模量及峰值强度均略有增加,但变化并不显著.由图2b 可见,除发生剪胀时的轴向应变随着νu 的增大略有减小外,在不同νu 条件下,其体变—轴变曲线的形状均非常接近.以上分析结果表明,细观泊松比νu 变化对试样宏观力学响应的影响不大.2.3　颗粒摩擦系数的影响分析颗粒摩擦系数f c 的影响时,固定G u =400GPa ,νu =0.3.图3为f c 在0.2～0.9范围内变化时,试样的宏观应力—应变、体变—轴变关系曲线.由图3a 可见,f c 对试样的峰值强度影响较大.随着f c 的增大,峰值强度的增加十分明显,但f c 对变形模量的影响并不显著.由图3b 可见,f c 影响试样的剪胀势,随着f c 的增大,试样剪胀后其体变—轴变近似直线段的斜率逐渐增大.图3　f c 对试样宏观力学响应的影响Fig.3　E ffect of f c on macro response of numerical sample3　对标准砂三轴试验的模拟3.1　数值试样的颗粒级配福建标准砂是一种级配均匀的中砂,其平均粒径d 50=0.34mm ,不均匀系数C u =1.542,曲率系数C c =1.104.数值模拟中,由于计算机水平的限制,通常采用将实际砂土平均粒径适当放大的办法来减少颗粒的数量,同时通过对最大、最小粒径比的控制,使数值试样的级配(C u ,C c )接近于实际标准砂.图4为数值试样与标准砂的级配曲线对比图.由图4可得,数值试样d 50=0.9mm ,C u =1.529,C c =1.095;与标准砂的级配相比,除d 50增大外,C u ,C c 值均与标准砂相接近.3.2　标准砂常规三轴试验结果针对相对密度D r =60%的福建标准砂,进行一组常规三轴固结排水剪切试验(简称CD 试验).试样制备采用水中落雨法,施加各向均等固结围压200kPa .试样饱和、固结及加载按照《土工试验方法标准》(G B/T50123—1999)进行.1031　第10期周　健,等:砂土单调剪切力学性状的颗粒流模拟图4　数值试样与福建标准砂颗粒级配对比Fig.4　Comparison of grade curves betw een numericalsample and Fujian stand ard sand 图5为CD 试验得到的密砂典型应力—应变、体变—轴变关系曲线.图5　福建标准砂三轴固结排水剪切试验结果Fig.5　R esults of CD test of Fujian stand ard sand 描述三轴试样宏观力学特性的参数主要有变形模量、泊松比、内摩擦角及剪胀角.通常的方法是取对应峰值强度一半处应力—应变曲线的割线斜率计算变形模量E 50,取对应峰值强度一半处体变—轴变曲线的割线斜率计算泊松比ν50,取应力—应变曲线的峰值强度计算内摩擦角φ,取剪胀发生时体变—轴变关系近似直线段的斜率计算剪胀角ψ.3.3　采用线性接触模型情况采用线性接触模型时,通过调整法向接触刚度k n 控制试样宏观变形模量,调整kn /k s 值控制泊松比,调整f c 控制峰值强度和剪胀角.数值试样初始孔隙率为0.15,固结围压为200kPa ,其他试样参数详见表1.在对标准砂三轴试验结果进行模拟时,需要不断调整k n ,k n /k s 及f c 的大小,使数值试样的宏观力学表现逐渐逼近实际标准砂结果.经过多次试验后,可以找到一组较为理想的细观参数组合,具体数值为:k n =200MPa ,k n /k s =2,f c =0.5.图6为数值试样宏观应力—应变、体变—轴变关系曲线.图6　采用线性接触模型时试样的宏观力学响应Fig.6　Macro response of numerical sample usingthe liner model3.4　采用H 2M 接触模型情况通过上文H 2M 接触模型细观参数影响分析可知,G u 影响试样的宏观变形模量,f c 影响峰值强度,νu 变化对试样宏观力学响应影响不大.采用H 2M 接触模型时,通过调整G u 控制试样宏观变形模量,调整f c 控制试样峰值强度,νu 取0.25～0.45.数值试样初始孔隙率为0.15,固结围压为200kPa ,其他试样参数详见表1.与采用线性接触模型时的方法相同,当采用H 2M 接触模型对标准砂三轴试验结果进行模拟时,需要不断调整细观参数数值使试样表现出的宏观响应逼近实际标准砂结果.经过多次试验后,得到一组较理想的细观参数组合,具体数值为:G u =500GPa ,νu =0.35,f c =0.8.图7为数值试样宏观应力—应变、体变—轴变关系曲线.图7　采用H 2M 接触模型时试样的宏观力学响应Fig.7　Macro response of numerical sampleusing the H 2M model3.5　数值模拟与室内试验结果的对比分析3.5.1　宏观力学响应曲线对比将采用两种不同接触刚度模型得到的数值试样宏观力学响应曲线(图6、图7)与标准砂试验结果(图5)绘于一起,如图8所示.2031 同济大学学报(自然科学版)第35卷　图8　数值模拟与室内试验结果对比Fig.8　Comparison of macro response curves betw eennumerical simulation and laboratory test 分析图8可知,数值模拟能够较好地再现密砂在排水剪切条件下的应变软化与体积膨胀特性,由数值模拟得到的宏观力学响应曲线在变化趋势上与室内试验结果一致.从图6～8可以发现,数值模拟得到的应力—应变曲线在峰值强度后的应变软化段会发生波动现象,.这主要是试样应变软化后会伴随应变局部化的出现,从而导致试样内部应力分布的不均匀.关于这一点文献[5]做过相关研究.3.5.2　宏观力学特性参数对比利用3.2节所述的方法,对数值试样宏观变形模量E50、泊松比ν50、内摩擦角φ、剪胀角ψ进行计算,结果列于表2.表2　数值模拟与室内试验宏观力学特性参数对比T ab.2　Comparison of macro parameters betw eennumerical simulation and laboratory test 方法E50/MPaν50φ/(°)ψ/(°)常规三轴试验44.30.3041.210.9线性接触模型48.40.3441.013.2H2M接触模型43.80.2541.114.8 对比表2结果可见,与标准砂三轴试验得到的宏观力学特性参数相比,采用两种不同接触刚度模型时,其各个宏观参数指标均接近标准砂结果.说明两种接触刚度模型均适用于标准砂力学特性的模拟.然而,以上分析均是针对一个确定围压水平(围压200kPa)进行的.考虑到不同围压水平下,颗粒之间的接触特性会发生变化,下文将对两种不同接触刚度模型在不同围压条件下的适用性进行研究.4　讨论分析由以上分析可知,在一个确定的围压水平下,线性接触模型和H2M接触模型均可适用于标准砂力学特性的模拟.但对于实际土体,特别是当考虑其现场不同埋深条件时,需要对不同围压条件下土体的力学性质进行分析.土体在不同围压条件下表现出的最显著特性是土的压硬性.由于土是由碎散颗粒组成的集合体,围压所提供的约束是影响土体强度和刚度特征的重要因素.Janbu[7]最早对土在三轴试验条件下的初始变形模量E i与围压σ3之间的关系进行了研究,得到了如下关系式:E i=Kp r(σ3/p r)n(3)式中:K,n分别为变形模量系数与变形模量指数; p r为参考压力,计算时取100kPa.为了分析不同围压条件下两种接触刚度模型的适用性,对采用两种不同模型情况,均进行了围压0.2,0.5,1.0,2.0,5.0MPa五组数值模拟试验,并对不同围压条件下的E50进行计算,结果列于表3中.表3　不同围压下采用不同模型得到的E50 T ab.3　V alues of E50by using different models underdifferent conf ining stress level MPa 模型0.20.5 1.0 2.0 5.0线性接触模型48.465.276.882.192.6 H2M接触模型43.874.286.3123.6152.3 分析表3结果可知,随着围压的增大,采用两种不同接触刚度模型得到的E50值差异越大.在围压5MPa条件下,两者的差异可达65%左右.引入Janbu公式对E50进行分析,将数值模拟得到的E50/p r—σ3/p r关系绘于双对数坐标上,如图9所示.由图9可知,采用不同接触刚度模型得到的E50/p r—σ3/p r结果在双对数坐标上均呈现较好的线性关系,但拟合直线的斜率差异较大.拟合得到的变形模量参数K,n及相关系数R列于表4中.表4　采用不同模型时的变形模量参数K,nT ab.4　V alues of K and n for different models模型K n R 线性接触模型4540.200.975H2M接触模型3630.380.991 根据文献[8]的试验研究,标准砂的变形模量指数n在0.4～0.5左右.分析表4数值模拟得到的n 值大小可知,当采用线性接触模型时,n值仅为0.2,与标准砂相比差异较大;当采用H2M接触模型时, n值为0.38,接近于标准砂结果.这一对比分析表明,当考虑不同围压水平下砂土的力学性质模拟时,3031　第10期周　健,等:砂土单调剪切力学性状的颗粒流模拟 H 2M 接触模型的适用性要比线性接触模型强,由其得到的结果也更加符合实际砂土的性质.图9　E 50/p r —σ3/p r 关系对比Fig.9　Comparison of E 50/p r —σ3/p r relation 下面从两种模型的不同细观接触刚度特性出发分析其原因.在线性接触模型中,其法向割线刚度K n 及切向切线刚度K s 的大小不会随着围压水平的增加而发生变化,体现的是一种初始常刚度的性质.其宏观变形模量随着围压水平的增加而增大的现象仅是由于大围压下颗粒之间的接触密度(颗粒的接触数)增加的结果.在H 2M 接触模型中,由式(1),(2)可知,其K n 与U n ,以及K s 与F n i 之间均存在非线性关系.当围压水平增加时,除了颗粒之间的接触密度增加外,U n 及F n i 均会增加,从而引起K n 及K s 的增加,表现出一种初始变刚度的特性.这一特性在一定程度上体现了围压对土体刚度影响的细观机理,与线性接触模型相比,其结果更加真实合理.5　结论(1)在H 2M 接触模型中,细观剪切模量G u 影响数值试样的宏观变形模量,颗粒摩擦系数f c 影响试样的峰值强度,细观泊松比νu 变化对试样的宏观力学响应影响不大.(2)在对标准砂常规三轴试验结果进行模拟时,对于一个确定的围压水平条件,采用线性接触模型和H 2M 接触模型均可得到较满意的结果. (3)随着围压水平的增加,由两种不同接触刚度模型得到的变形模量E 50的差异增大.在围压为5MPa 条件下,两者的差异可达65%左右.(4)数值模拟与室内试验对比结果表明,当考虑不同围压水平下砂土力学性质模拟时,H 2M 接触模型的适用性要比线性接触模型强,其原因与两种模型的不同细观接触刚度特性有关.参考文献:[1]　张建民,谢定义.饱和砂土动本构理论研究进展[J ].力学进展,1994,24(2):187.ZHAN G Jianmin ,XIE Dingyi.Advances on the research of dy 2namic constitutive theory of saturated sand[J ].Advances in Me 2chanics ,1994,24(2):187.[2]　Cundall P A.A computer model for simulating progressive largescale movements in blocky rock systems[C ]∥Proceeding of the symposium of the international society for rock mechanics.Nancy :ISRM ,1971:11-18.[3]　Cundall P A ,Strack O D L.A discrete numerical model for granu 2lar assemblies[J ].G eotechnique ,1979,29(1):47.[4]　周健,池永,池毓蔚,等.颗粒流方法及PFC 2D 程序[J ].岩土力学,2000,21(3):271.ZHOU Jian ,CHI Y ong ,CHI Yuwei ,et al.The method of particle flow and PFC 2D code[J ].Rock and Soil Mechanics ,2000,21(3):271.[5]　池永.土的工程力学性质的细观研究[D ].上海:同济大学土木工程学院,2002.CHI Y ong.Micromechanical research on soil properties [D ].Shanghai :School of Civil Engineering ,Tongji University ,2002.[6]　刘文白,周健.上拔荷载作用下扩展基础的颗粒流数值模拟[J ].水利学报,2004,35(12):69.L IU Wenbai ,ZHOU Jian.Particle flow code numerical simulation of extended foundation under the action of uplift loading[J ].Jour 2nal of Hydraulic Engineering ,2004,35(12):69.[7]　Janbu N.Soil compressibility as determined by oedometer and tri 2axial tests[C]∥Proceeding of 3rd Europe conference on soil me 2chanics.Wiesbaden :ISSM GE ,1963:19-26.[8]　郭莹,栾茂田,史旦达,等.初始应力条件对松砂动力变形特性影响的试验研究[J ].岩土力学,2005,26(8):1195.GUO Y ing ,LUAN Maotian ,SHI Danda ,et al.Experimental study on effect of initial stress condition on dynamic behavior and defor 2mation parameters of loose sands [J ].Rock and Soil Mechanics ,2005,26(8):1195.(编辑:曲俊延)4031 同济大学学报(自然科学版)第35卷　。

土石混合体双轴压缩颗粒流模拟成国文;赫建明;李晓;狄帮让;李守定【摘要】通过三维空间随机点生成与颗粒绑定技术,利用颗粒流软件PFC3D,结合工程实际建立了不同含石率的颗粒流三维模型,对模型进行了双轴模拟试验.结果表明,低含石率时,土石混合体与土体的力学性质类似;同一含石率的土石混合体强度随着围压的增大而增大,并有明显的残余强度;随着含石率的增加,双轴抗压强度随之增高,块石骨架效应越发明显,表现出显著的非均质、非连续性特征.【期刊名称】《矿冶工程》【年(卷),期】2010(030)004【总页数】5页(P1-4,8)【关键词】土石混合体;双轴压缩;颗粒流;含石率;应力;应变【作者】成国文;赫建明;李晓;狄帮让;李守定【作者单位】中国石油大学(北京)CNPC物探重点实验室,北京,102249;中国科学院,工程地质力学重点实验室,中国科学院,地质与地球物理研究所,北京,100029;中国科学院,工程地质力学重点实验室,中国科学院,地质与地球物理研究所,北京,100029;中国科学院,工程地质力学重点实验室,中国科学院,地质与地球物理研究所,北京,100029;中国石油大学(北京)CNPC物探重点实验室,北京,102249;中国科学院,工程地质力学重点实验室,中国科学院,地质与地球物理研究所,北京,100029【正文语种】中文【中图分类】TU431Abstract:W ith the technology of generating random points and granular combination,3D model has been established for particle flow with different percentage of stone based on engineering practice by using Particle Flow Code(PFC3D).A biaxial simulation testwas conducted for thismodel.Results show that,while the percentage of stone is lower,the mechanical properties of rock-soil aggregate(RSA)is si milar to that of soil body.The strength of RSA with the same percentage of stone will increase with the increase of confining pressure,showing an obvious residual strength.W ith an increase in the percentage of stone,biaxial compressive strength will increase,with skeleton construction effect beingmore obvious,indicating remarkable properties of inhomogeneity and discontinuity.Key words:rock-soil aggregate(RSA);biaxial compression;particleflow;percentage of stone;stress;strain土石混合体作为一种非连续、非均匀介质,常见于岩土工程与地质工程中,如滑坡治理、基坑、路基及桥基工程等,了解土石混合体的力学特性对于工程实际有重要意义。

颗粒组分对泥石流形成形态影响研究周健;王连欣;贾敏才;李业勋【摘要】An experiment of debris flow was carried out to study the influence of grain size distribution on starting progress mode by using the self-developed small-scale model flume under the condition of artificial rainfall.By using coarse sand (1~2 mm)and fine sand (0.075~0.25 mm),the model was made according to the quality ratio.Model test study finds that,with fine content increasing from 20%to 100%,failure pattern changes from layered and clumpy slide to fluidized flow.By using GeoDog software to analyze displacement and a pore pressure gauge to measure pore pressure changes,we have found sliding plane developing in layered and clumpy slide,and pore pressure decreasing with crack generation,and increasing with water seeping into crack.There is no crack development in fluidized flow, and pore pressure momentarily drops to a small value when damage occurs.The average volume of the starting for flu-idized flow is bigger than that for layered and clumpy slide.The formation mechanism for layered and clumpy slide is that water penetrates quickly,causing slope foot damage,and the slope collapses for losing support.For fluidized flow,the permeability coefficient is small,the soil of the back is highly saturated,and liquid causes the slope to de-cline rapidly.Based on the indoor model test of rainfall-induced debris flow,the formation mechanisms of debris flow modes were summarized.%利用自主设计的小比例尺模型槽，采用粗砂(1~2 mm)和细砂(0.075~0.25 mm)按照不同质量比例制作模型，在人工降雨条件下研究了不同的颗粒组分对砂性土泥石流形成形态的影响.模型试验研究发现，随着细砂含量由20%增加至100%，泥石流破坏形态由分级块体滑落向整体流滑型转变.利用GeoDog软件分析位移场，利用孔压计测量孔压变化.研究发现：分级块体滑落破坏过程存在明显的潜在滑动面的发展，孔压随裂缝的产生而耗散、随雨水渗入裂缝而升高，呈波浪式下降；整体流滑型突发性强，破坏前没有明显滑动面出现，孔压呈一次性陡降.通过测定启动过程单位时间启动量发现，流滑型破坏单位时间启动量大于分级块体滑落型.分层块体滑落形成机理为土体渗透系数大，雨水快速渗透破坏坡脚，使上部土体失去支撑而分层坍塌；流滑型破坏机理为土体渗透系数小，后部高度饱和呈流态化推动坡脚土体快速下滑.基于室内模型试验，初步分析了缩尺试验条件下降雨诱发泥石流形成形态机理，为降雨诱发泥石流的进一步研究提供参考.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】7页(P8-14)【关键词】泥石流;颗粒组分;降雨【作者】周健;王连欣;贾敏才;李业勋【作者单位】同济大学地下建筑与工程系，上海 200092; 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092;同济大学地下建筑与工程系，上海 200092;同济大学地下建筑与工程系，上海 200092; 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092;同济大学地下建筑与工程系，上海 200092【正文语种】中文【中图分类】P64我国幅员辽阔，山川河流众多，地形地貌复杂，泥石流危害也就较为严重.泥石流能够携带大量泥砂和砾石，水土混合物携带着巨大能量汹涌而下，极具破坏性.特别是云贵川等地，山川众多，泥石流灾害频频发生，给人民的生命财产造成非常严重的损失.泥石流研究有重大的现实意义.国内外学者对泥石流进行了许多研究并取得了一定成果.Hungr O［1］对泥石流、碎屑崩、流滑3种自然现象进行了区分.陈晓清［2］把泥石流全过程划分为启动过程、流动过程和堆积过程：启动就是准泥石流体转化为泥石流体.Wang G和Sassa K［3］对不同粒径的两种硅砂（D50＝0.13mm和D50＝0.05 mm）进行降雨诱发泥石流试验，分析滑动距离与土体内孔压的关系.Yang W M等［4］基于野外调查和室内测试分析，从坡面型泥石流形成的影响因素、运动学特征、动力条件、形成与演化过程等方面，探讨了降雨诱发坡面型泥石流的形成机理.本文利用自主设计的小比例尺室内模型槽试验，用砂土制作模型，在降雨条件下研究颗粒组分对砂性土泥石流形成形态的影响.利用GeoDog程序分析数码相机拍摄的土体破坏过程图像，分析土体位移场、滑动带形成位置和演化规律.利用孔压计跟踪土体破坏过程孔隙水压力的变化，从水土相互作用角度分析土体不同破坏形态.通过测量启动过程单位时间启动量，分析了颗粒组分对单位时间启动量影响.通过小比例尺室内模型试验，探究了降雨条件下颗粒组分对泥石流形成形态影响机理.1 模型试验1.1 试验土样模型试验采用1～2mm和0.075～0.25mm两种颗粒粒径砂土按不同质量比例配比制作模型.试验降雨量强度4mL／min.参照高冰［5］等学者的研究，本次试验土体选用初始含水量5%、密实度0.43制作模型，土体自稳能力强、试样松散防止结块.模型试验进行细砂含量20%～100%共8组试验.土样级配曲线以及渗透系数见图1和图2.图1 砂土试样粒径分布曲线Fig.1 The grading curve of sandy sample图2 不同细砂含量渗透系数Fig.2 The permeability coefficient of differentfine contents1.2 试验模型根据《中国泥石流研究》［6］，坡体坡度＞45°多发生崩塌型破坏，坡度为25°～45°多发生滑坡型破坏.本文主要研究滑坡型泥石流，因此设定坡度25°.制作试验模型高度H＝100mm，宽度B＝250mm，长度L＝300mm＋250mm＝550mm.加工制作模型槽，尺寸为1 500mm×400mm×250mm，模型槽两侧和后壁均采用光滑钢化玻璃，底部用木板模拟坡体基岩，并用聚氨酯在底部粘结砂土颗粒模拟边界.模型试验装置示意图如图3.降雨器通过空气压缩器加压，由流量计控制出水量，降雨喷头采用雾化喷头，雨滴细小、降雨均匀，减小了雨滴对表层土体的侵蚀. Lourenco［7］认为在人工降雨作用下，土体破坏模式受到边界条件影响.本文重点研究浅层砂土在降雨条件下发生破坏并产生流动下滑的泥石流形态.为防止降雨直接冲刷坡脚，采用三角斜坡的方式固定上部浅层土体以阻止其下滑，达到简化研究对象的目的.试验中人工降雨只发生在上部土体表面，没有降落至三角斜坡坡面. 图3 模型试验装置示意图Fig.3 The device sketche of modeling experiment2 不同颗粒组分泥石流模型试验结果本次共进行8组土体不同颗粒组分试验，破坏形态如图4所示.细砂含量20%土体未形成泥石流；30%～40%为分级块体滑落；60%～100%表现为整体流滑型破坏；50%破坏形式复杂，为过渡形态.图4 不同颗粒组分土体破坏形态Fig.4 The failure modes of grain size distribution细砂20%土体渗透系数大（7.4×10－2 cm／s），在降雨条件下土体排水通畅，由此可见渗透系数大、排水通畅的土体难以形成泥石流.30%～40%渗透系数较大（5.1×10－2～3.9×10－2 cm／s），雨水渗入坡脚使坡脚首先发生渗透破坏，上部土体失去坡脚支撑发生坍塌，分层分块滑落，为分级块体滑落破坏模式.60%～100%土体渗透系数小（2.2×10－2～1.7×10－2 cm／s），降雨开始后雨水不能迅速渗透，使得表层土体出现暂态饱和区并对表层造成冲刷，使得后部土体变薄、前部土体变厚，破坏时后部土体推动前部土体快速向前滑动，滑动体规模大、速度快，为整体流滑型破坏.50%破坏形式相对复杂，为分层块体滑落和整体流滑型之间的过渡形态，破坏时既有明显裂缝出现也带有一定的突发性.由模型试验现象可以发现随着细砂含量由20%增大至100%，模型土体破坏形态由分级块体滑落向整体流滑型破坏转变.分层块体滑落和整体流滑型破坏为泥石流两种典型破坏形态.以下章节将针对这两种典型破坏形态进行深入研究.3 颗粒组分对泥石流破坏形态影响室内模型试验发现随着颗粒组分变化，泥石流有两种典型破坏形态：分层块体滑落和整体流滑型破坏.以下分别通过细砂30%和70%分析颗粒组分对泥石流典型破坏形态影响.3.1 试验过程土体典型破坏形态图5和图6分别为试验过程拍摄的细砂含量30%和细砂含量70%土体侧面破坏现象照片.图5 细砂30%破坏现象Fig.5 The failure phenomena of 30%fine sand图6 细砂70%破坏现象Fig.6 The failure phenomena of 70%fine sand图5细砂含量30%土体破坏现象，为分层块体滑落破坏.细砂30%土体渗透系数大（5.1×10－2 cm／s），降雨160s雨水入渗到达坡脚，如图5（a）.降雨190s 时坡脚处渗出少量细颗粒，坡脚土体发生渗透变形，如图5（b）.降雨280s坡脚发生破坏，坡脚上部土体失去原有支撑，在雨水渗透和重力的作用下产生裂缝继而坍塌、滑落，如图5（c）.降雨320 s后部土体出现新裂缝，并分层向下滑动，如图5（d）.破坏后的土体颗粒与雨水形成混合物，并快速下滑形成泥石流.这种破坏形态为分层块体滑落，特征是分层破坏，滑落体破碎、松散.图6细砂含量70%土体破坏现象，为整体流滑型破坏.由于渗透系数较小（2.0×10－2 cm／s），雨水不能全部向下渗透，表层含水量很高.降雨350s土体表面形成暂态饱和区并对表层土体产生冲刷，使土体后部变薄、前部变厚，如图6（b），且这种变化会越加明显，如图6（c）.随着降雨继续土体在385s时发生突发性破坏，后部土体推动前部三角区域土体快速向前滑动，形成典型的泥石流波浪状断面，如图6（d）.整个破坏过程没有出现明显的张拉裂缝和滑动面.这种破坏模式称为流滑型破坏，特征是突发性、流动的快速性以及流动距离较长.对比图5和图6可见，细砂含量70%土体破坏前浸润线没有超出坡脚，这与细砂含量30%土体不同.原因是细砂含量30%土样渗透系数较大（5.1×10－2 cm／s），160s雨水渗透就已到达坡脚，此时还未达到泥石流启动条件.而细砂70%土样渗透系数较小（2.0×10－2 cm／s），降雨375s雨水渗透仍未渗透到坡脚，后部土体在长时间雨水作用下饱和程度大、流动性强、渗透力不断增大，土体τf减小，继而发生整体流滑.3.2 降雨条件下位移场分析利用高清数码相机从侧面追踪试验坡体的破坏过程，截取部分时刻图片（见图7），将角度旋转后，通过geoDog软件分析位移场变化.图7 泥石流坡体位移场分析区域Fig.7 The displacement analysis area of debris flow图8和图9分别为细砂含量30%和70%土体位移云图.图8细砂30%位移云图表明：土体破坏前有明显的潜在滑动面的发展，土体分层块体滑落，破坏后滑落土体破碎松散.开启降雨160s时，坡体中潜在滑动面出现并逐渐向土体底部发展，局部土体的最大位移达到2mm，如图8（a）.随着降雨的进行，降雨220s时滑动面以上土体位移越来越大，如图8（b）所示，最大位移9mm.降雨240s时出现块状红色大位移区域，土体开始分块分层下滑，如图8（c）.降雨260s时后面土体失去原有土体的支撑，并在雨水渗透、重力的作用下形成新的滑动面，如图8（d）所示.图8 细砂30%位移云图Fig.8 The cloud picture of displacement of 30%fine sand图9细砂70%位移云图表明：土体破坏特征为整体瞬时滑动，后部土体位移大，推动前部土体滑动，与细砂30%位移场明显不同.开启降雨300s时，试样处于雨水入渗阶段，土体主要发生竖向位移，最大位移达到2.3mm，如图9（a）.降雨350s时雨水已经达到底部，并开始在水平方向的渗透如图9（b）.降雨365s时中部土体剪切变形不断扩大，最大9mm，如图9（c）.随着降雨继续，坡脚三角区域土体强度降低，后部矩形区域渗透力不断增大，土体产生大变形，呈流态状，推动前部土体快速向下滑动，从而发生流滑现象.整个位移场分析中，未见到明显的滑动面.图9 细砂70%位移云图Fig.9 The cloud picture of displacement of 70%fine sand3.3 试验过程孔压分析在模型底部布设3个孔隙水压力计P1，P2和P3，分别距坡脚250mm，350mm 和450mm，研究泥石流模型试验破坏过程土体孔隙水压力的变化规律，如图10所示.图10 孔压计布置示意图Fig.10 Sketche of the arrangement of pore water pressure gauge细砂含量30%的土体在降雨条件下的孔压变化呈现出明显的波浪式下降特点，如图11所示.降雨190s时，P1首先出现孔压数据下降，这一时刻坡脚发生破坏.降雨230s时坡脚严重破坏、土体上部出现张拉裂缝，导致P1，P2和P3孔压计数据的下降，其中P1，P2距裂缝近，下降最为明显.雨水渗入裂缝后，孔压P2，P3数据开始回升.降雨250s上部土体张拉裂缝不断扩大，P2，P3孔压再次下降.P2附近土体大范围滑落，P3附近土体裂缝尚未充分发展，随着雨水的渗入，P3孔压再次回升.根据孔压变化曲线，孔压数值P1最大0.67kPa，P2最大0.81kPa，P3最大0.80kPa，孔压数据均小于1.0 kPa，土体始终处于一种非饱和状态.图11 细砂含量30%孔压变化曲线Fig.11 The pore water pressure curve of 30%fine sand细砂含量70%土体在降雨条件下的孔压变化呈一次瞬时陡降变化，如图12所示.在开启降雨380s时，P1，P2，P3孔压达到最大值，其中P1最大值0.75kPa，P2为0.92kPa，P3为1.02kPa.降雨385s时孔压数据发生突然陡降，分别下降至0.23 kPa，0.16kPa和0.13kPa.根据模型试验现象，降雨385s时坡体发生瞬时性破坏，后部土体推动坡脚土体快速向下滑动，形成泥石流.图12 细砂含量70%孔压变化曲线Fig.12 The pore water pressure curve of 70%fine sand对比图11和图12孔压变化曲线，分别呈波浪式下降和一次瞬时陡降.原因是细砂30%土体渗透系数大（5.1×10－2 cm／s），雨水快速入渗到达坡脚，坡脚渗透破坏后坡体出现裂缝，发生分层块体滑落，孔压降低，雨水渗入裂缝孔压再次积聚、回升，孔压数据波浪式下降.而细砂70%土体渗透系数小（2.0×10－2 cm／s），破坏时雨水没有完全渗入坡脚，P1处土体未饱和，上部P2，P3处土体饱和，孔压积聚大、能量大，土体呈流态化.坡脚三角区域土体在雨水渗透作用下抗滑力不断减小.当上部土体下滑力大于自身抗滑力和坡脚三角区域抗滑力之和时，上部土体推动下部土体快速下滑，孔压数据陡降.3.4 不同颗粒组分土体单位时间启动量分析试验中，通过测量启动过程［2］单位时间内破坏土体下滑量来表示堆积土体的单位时间启动量，单位时间启动量越大，破坏性越强.结果汇总于图13.模型试验发现，细砂含量小于30%时，坡脚发生轻微破坏，泥石流不发生；细砂30%～70%单位时间启动量不断增大，大于70%后又出现减小趋势.由模型试验结果可知，细砂30%～40%土体单位时间启动量小于60%～100%土体滑动量，分别对应的是分级块体滑落和整体流滑型破坏形态.图13 单位时间启动量Fig.13 Per unit time of the sliding mass其原因可从泥石流的形成因素考虑.在降雨条件下，一方面孔压升高，土体基质吸力减小，土体强度减弱；另一方面，雨水持续在土体中渗透，渗透力不断增大.细砂含量较小土体渗透系数大，渗透作用强，但是饱和程度小，流动性差；细砂含量较大土体渗透系数小，而饱和程度大，孔压高、基质吸力小，流动性强.细砂含量70%附近土体处于渗透力相对较大同时基质吸力减小也相对较大的情况，使得土体处于一种稳定性最不利的情况.颗粒组分存在一个最优组成，使得泥石流容易形成.4 降雨诱发泥石流典型破坏形态机理室内模型试验发现：随着细砂含量逐渐增大，降雨诱发泥石流破坏形态由分级块体滑落向整体流滑型转变.两种破坏形态的形成机理不同.根据极限平衡理论和非饱和土理论，砂土非饱和、饱和状态土体的剪切强度和抗剪强度可表达为：试验中降雨开启后，浸润线不断下移，雨水向下入渗期间，各组坡体表层都有一些沉降.原因是雨水入渗使得孔隙水压力增大、基质吸力减小，式（1）中c′和（uα－uw）tanφb项减小，土体强度τf减小，颗粒骨架的稳定性下降.4.1 分层块体滑落破坏模式机理分析细砂含量30%～40%土体为分层块体滑落破坏（图14），渗透系数较大（5.1×10－2～3.9×10－2 cm／s）.根据试验中拍摄到的土体浸润线变化现象，雨水在土体上部主要沿竖向渗透，底面木板（基岩）不透水，雨水渗透由竖向转向基岩方向，如图15.根据孔压数据检测，土体始终处于非饱和状态（细砂30%土体孔压最大0.81kPa）.坡脚处含水量不断增大，孔压升高，有效应力和基质吸力减小，式（1）中（uα－uw）tanφb项减小，导致土体τf减小，在渗透力作用下，当下滑力大于坡脚τf，坡脚土体发生渗透破坏，上部土体失去坡脚支撑，发生分层块体滑落，由于土体未饱和，滑落物破碎松散，与雨水混合快速下滑形成泥石流.图14 分层块体滑落破坏模式Fig.14 Layered and clumpy slide failure mode图15 细砂30%土体雨水渗透示意图Fig.15 The rain infiltration sketche of 30%fine sand根据细砂含量30%～40%土体模型试验结果，分层块体滑落破坏机理为土体渗透系数大，坡脚土体产生渗透破坏后上部土体失去支撑而产生分层块体滑落，形成水土混合物快速下滑进而形成泥石流.4.2 整体流滑型破坏机理分析细砂60%～100%土体为整体流滑型式（图16），渗透系数较小（2.2×10－2～1.7×10－2 cm／s），根据试验中拍摄到的土体浸润线变化现象，强降雨条件下雨水不能完全向下渗透，导致表面出现局部积水，在土体表层达到暂态饱和状态，沿基岩方向渗透，使表层产生冲刷，如图17.根据试验测得孔压数据显示，随着降雨继续，后部矩形区域土体基本饱和，uw升高，c′减小，土体τf基本丧失，呈现流态化；雨水向三角形区域入渗，式（1）中（uα－uw）tanφb项减小，坡脚基质吸力减小，τf逐渐减小，土体破坏前雨水渗透仍未到达坡脚，为非饱和状态.当上部土体下滑力大于三角形区域抗滑力时，后部土体推动前部土体整体快速下滑.由于上部土体含水量高、流动性大，而坡脚干燥流动性差，上部土体快速流动越过坡脚三角形区域，呈现出明显的流滑型破坏现象.图16 流滑型整体破坏模式Fig.16 The fluidized flow failure mode图17 细砂70%土体雨水渗透示意图Fig.17 The rain infiltration sketche of 70%fine sand根据细砂含量60%～100%土体模型试验结果可知，整体流滑型破坏机理为土体渗透系数小，坡脚上部土体高度饱和、呈流态化，推动下部坡脚土体快速流动形成泥石流.对比两种破坏形态，雨水在土体中的入渗速度对土体破坏影响明显，而入渗速度取决于土体的渗透系数.渗透系数是泥石流形成的关键影响因素.本次模型试验分析了颗粒组分对泥石流形成形态的影响.模型试验土层厚度薄，还不能完全反映现实情况下泥石流的形成，但是可以定性分析泥石流形成机理，在泥石流破坏形态和破坏机理研究中能够提供一些有意义的借鉴.5 结语通过自主设计研发的小比例尺室内模型槽试验，借助相关测量设备，研究了人工降雨条件下颗粒组分对泥石流形成形态影响，得到以下结论：1）降雨条件下，细颗粒含量小于30%时，雨水可以较好地从土体排除，从而形成稳定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%发生分级块体滑落；60%～100%土体发生整体流滑型破坏；40%～60%破坏形式复杂，为过渡形式.2）发生分级块体滑落试验土体试验中有明显的裂缝的出现和发展，裂缝出现伴随着孔压的耗散和减小，雨水渗入裂缝导致孔压再次升高，孔压呈现出波浪起伏减小特点；整体流滑破坏土体试验中没有明显裂缝的发展，孔压变化呈一次性瞬时陡降.3）流滑型破坏单位时间启动量大于分级块体滑动破坏，并且存在一个最优的颗粒组分，在降雨条件下渗透力相对较大同时基质吸力减小也相对较大，从而使得泥石流最容易发生，灾害规模最大.4）随着颗粒组分变化，泥石流有两种典型破坏形态：分层块体滑落和整体流滑型破坏.分级块体滑落破坏形成机理是土体渗透系数较大，雨水快速渗透使坡脚发生破坏，上部土体失去坡脚支撑发生坍塌，发生分层块体滑落.整体流滑型破坏形成机理是土体渗透系数小，坡脚干燥而坡脚后部土体高度饱和呈流态化，后部土体推动前部坡脚土体快速流动而形成整体流滑破坏.参考文献［1］HUNGR O，EVANS S G，BOVIS M，et al.Review of the classification of landslides of the flow type［J］.Environmental and Engineering Geoscience，2001，（Ⅶ）：221－238.［2］陈晓清.滑坡转化泥石流起动机理试验研究［D］.成都：西南交通大学，2006：21－25.CHEN 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