基于PFC3D的三轴数值试验模型在建筑垃圾堆填体稳定性分析中的应用

苗 雨 陈海滨

(1.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

基于PFC3D的三轴数值试验模型在建筑垃圾堆填体稳定性分析中的应用

苗 雨1陈海滨2

(1.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

随着我国的城镇化进程加速显著，建筑垃圾堆填体数量急剧增加，存在失稳滑坡的潜在危险，现有研究对于建筑垃圾堆填体稳定性的研究缺乏理论支撑。为此，本文首先选取典型建筑垃圾堆填材料进行了室内三轴试验，确定与该三轴试验对应的颗粒流数值模拟细观参数；然后建立基于PFC3D三轴数值试验模型，得到较为统一的强度参数；最后利用FLAC3D软件和计算得到的强度参数分析了实际建筑垃圾堆填体的稳定性。数值算例表明，应用本文方法判断建筑垃圾堆填体的安全系数，具有一定的普适性，可用于分析同类工程在堆填过程中的坡体稳定性。

建筑垃圾；离散元理论；颗粒流；三轴试验；稳定性

随着我国城市化加速发展和大规模的旧城改造，巨量的“建筑垃圾”相伴而生。我国的建筑垃圾排放量逐年上升，据统计已占城市垃圾总量的30%～40%[1]。以武汉市为例，目前每年产生大宗固体废弃物7616万吨，其中建筑垃圾占比达66%[2]。目前针对垃圾问题，研究较多的是卫生填埋场，但不同于生活垃圾，建筑垃圾因运输不方便，且诸多城市几乎没有或存在较少的建筑垃圾消纳场，绝大部分建筑垃圾未经过任何处理，便直接被建造施工单位运往城市外围郊区附近，采用露天填埋或堆放的方式进行简单处理，形成了建筑垃圾堆填体，这种堆填体常靠近建筑场地或居住区，一旦失稳，将会对周边环境造成较大的危害。

关于建筑垃圾堆填体的稳定性问题，国内外相关研究较少，主要是因为建筑垃圾土是由废旧混凝土、渣土、碎石块及其它废弃物组成的一种成分多样多相和结构复杂的特殊土[3]，如图1所示，具有较大的离散性，远不同于传统意义上的均质土。目前对建筑垃圾土的研究主要集中在建筑垃圾的可循环利用上，极少有对建筑垃圾土力学特性方面的研究。由于建筑垃圾土和矿山排土场粗粒土具有类似的性质，因此应该可以按照粗粒土的力学性能试验进行研究。常规室内三轴试验是土工试验中的一种较为重要的力学特性试验，被广泛应用于粗粒土的特性研究试验中[4-6]。然而，三轴试验的直径应大于土料最大粒径的4～6倍，即dmax=(1/4～1/6)D，D为三轴试验试样直径，由于建筑垃圾土中存在混凝土块等大粒径成分，目前尚无超大直径三轴仪[7]。因此，目前研究多为室内缩尺试验，即将原模型的每一粒组按固定的比例缩小若干倍，但是其缺点是通常会将堆石料变成砂砾料，最终因边界条件、径径比(试验仪器直径与试样颗粒最大直径D之比)和颗粒强度等因素导致得出的力学性能与实际有差距[8]。同时常规三轴试验有耗时长、操作繁琐和费用昂贵的缺点，开发相关三维数值试验模型势在必行。同时，数值模拟试验则可根据试验目的灵活的选择试验条件及控制因素，使其能灵活处理试验数据，从而突破了常规三轴试验仪器设备能力和试验条件的局限性[9]。

图1 建筑垃圾土的组成

本文将某建筑垃圾堆填体中垃圾土进行室内三轴缩尺试验，通过调整数值模型试验试算分析结果，确定与该三轴试验对应的颗粒流数值模拟细观参数，建立基于PFC3D的三轴数值试验模型，得到了较为统一的强度参数，将强度参数直接应用于某实际建筑垃圾堆填体中，用FLAC3D软件来模拟并判断该堆填体的稳定性。

1 工程概况

表1 地基土的主要物理力学性能指标

目前建筑垃圾土厚度约为40～50m，该垃圾土的成分主要有废弃混凝土、渣土、碎石块、沙土和灰土等，其特点是粒径差异较为明显，粒径较大的混凝土砌块运输较为困难，粒径较小的灰土等会在风季形成扬尘。

2 PFC3D基本原理

PFC3D是利用离散元理论和显式差分算法开发的细观力学程序，通过介质基本粒子结构的角度来考虑其基本力学特性，并认为给定介质的基本特性往往取决于微粒之间的接触状态，适用于研究颗粒集合体的破裂及流动等大位移问题[10-12]。PFC3D程序中力的传递是通过颗粒与颗粒之间的接触点实现，并定义了阐述接触点物理力学行为的接触模型。颗粒之间接触和颗粒与墙接触可以通过位移与力的关系式进行表达。

3 建筑垃圾土三轴数值试验模型

3.1 建筑垃圾土的力学性能数值模拟细观参数

此次室内三轴试验的建筑垃圾土取自某建筑垃圾堆填体，由于建筑垃圾土粒径的限制，需要对其进行缩尺试验，即将原模型的每一粒组按固定的比例缩小若干倍，根据试样直径D与颗粒最大粒径之比为5时，试验结果对抗剪强度最小，取最大粒径为60mm，按照原粒径等比例缩小4倍。试验干密度为1.78g/cm3，其建筑垃圾颗粒级配表如表2所示。

表2 试样建筑垃圾土颗粒级配

本次室内三轴试验所用仪器为YLSZ30-3型应力式大型三轴试验机。该仪器由变形应力测量系统、压力控制系统和CT实时扫描可视化系统等组成。试样规格为Φ300×600mm，最大轴向应力为21MPa，最大垂直荷载1500kN，最大围压3.0MPa，最大轴向行程为300mm。

以该建筑垃圾土进行的室内三轴试验为基础，由PFC3D内嵌FISH语言根据表2试验的颗粒级配及基本材料参数采用CLUMP模型[13]生成程序，随机生成得到与室内三轴试验材料级配一样的颗粒集合体，建立了基于PFC3D的三轴数值试验模型，主要由施加轴荷载的上下加载板、施加围压的柔性墙体和建筑垃圾土PFC3D试样组成(如图2所示)。PFC3D程序中，由伺服控制系统通过上下加载板做相对运动进行等压固结，且加载板的移动速率控制在0.2mm/s以内，进而实现基于PFC3D的建筑垃圾土三轴数值模拟试验。

图2 建筑垃圾土PFC3D数值模型

为了研究该建筑垃圾堆填体的强度和变形特性，通过伺服控制系统对数值模型进行严格控制，对应于室内三轴试验，在饱和状态下，分别针对围压为0.2MPa，0.4MPa，0.8MPa，1.6MPa时的应力应变曲线进行模拟，通过以图3流程图对颗粒流数值模拟细观参数进行确定。

图3 颗粒细观力学参数的确定过程

根据大量的数值模型试验试算分析结果，最终确定了与该三轴试验对应的颗粒流数值模拟细观参数，主要包括：标定颗粒弹性模量EC，法向强度与切向刚度比值kn/ks，标定颗粒间黏结强度σc、τc，黏结强度标准差与均值的比值σs/σm，密度ρ，摩擦系数μ及试样初始孔隙率n。如表3所示。

表3 颗粒流数值模拟细观参数

3.2 建筑垃圾土的应力-应变特性数值结果与室内试验结果对比

通过分析引入CLUMP颗粒的PFC3D模型的三轴数值模拟试验和室内三轴试验的应力-应变特性曲线(如图4所示)，结果表明，基于离散元理论的三维数值试验应力-应变关系与室内常规三轴试验的应力-应变关系结果虽有一定误差，但曲线变化规律基本一致，在不同围压下，其主应力差(σ1-σ3)均随轴应变εa的增加而增加，且随着轴应变的增加初始段线性程度和应力-应变曲线切线斜率有较大增加，呈现出明显的准弹性性质。即从微观上可以体现PFC3D程序中CLUMP颗粒因考虑颗粒形状的因素，可以近似模拟建筑垃圾堆填体颗粒的不规则性，且颗粒间接触越多，嵌固及咬合作用越强，进而从宏观上证明了基于PFC3D的三轴数值模型试验可以精确模拟室内三轴试验的合理性。

图4 不同围压下数值模拟与室内试验应力-应变关系曲线

因此，我们可以通过建立基于PFC3D三轴数值试验模型得到较为统一的稳定的强度参数，并将强度参数直接应用于该实际建筑垃圾堆填体中，最后用FLAC3D软件来模拟并判断该堆填体的稳定性。

4 建筑垃圾堆填体稳定性分析

4.1 基于FLAC3D的建筑垃圾堆填体数值模型

通过根据上述PFC3D的三轴数值试验模型得到的该建筑垃圾土的强度参数，运用FLAC3D软件来模拟并判断该堆填体的稳定性。为方便起见，取典型断面作为研究对象，因此在FLAC3D分析中，Z方向只采用一个单元宽度(取为10m)，并对模型中所有节点的Z方向速度进行约束，以便等效地进行平面应变分析。图5表示由FLAC3D软件构建的该建筑垃圾堆填体有限元模型，该模型底边为固定约束，模型两侧边约束其X方向的位移。表4为建筑垃圾堆填土的物理力学指标。

图5 建筑垃圾堆填体模型网格划分示意图

4.2 数值模型结果分析

运用PFC3D软件根据有限元强度折减法计算该建筑垃圾堆填体，得到的坡体内水平和竖向位移图。通过分析计算结果，得出如下结论，一方面，由模型的水平位移云图可知，潜在滑动面的形状为圆弧形，这与极限分析的假定圆弧潜在滑动面一致。另一方面，建筑垃圾坡体的水平位移云图比竖向位移云图更能反映建筑垃圾堆填体的潜在滑动面形状，因而，如果要监测该建筑垃圾堆填体的稳定性，监测坡体的水平位移比竖向位移更有意义。分析其原因，竖向位移有可能是由于建筑垃圾的堆积体在自重作用下而产生沉降所致。

图6是用有限元强度折减法计算得到的堆填体的安全系数。运用有限元强度折减法计算出该建筑垃圾堆填体的安全系数为1.417，说明该堆填体是稳定的。

表4 建筑垃圾堆填土的物理力学指标

图6 有限元强度折减法计算分析结果

5 结 论

众所周知，建筑垃圾土具有较大的离散性，远不同于传统意义上的均质土。为了分析某建筑垃圾堆填体的稳定性，本文着眼于研究建筑垃圾土的物理力学性能，在室内三轴试验的基础上，从细观角度出发，以PFC3D离散元程序为工具，通过调整数值模型试验试算分析结果，确定了与该三轴试验对应的颗粒流数值模拟细观参数，然后建立了基于PFC3D三轴数值试验模型，得到较为统一的强度参数，最后利用FLAC3D软件和计算得到的强度参数分析了实际建筑垃圾堆填体的稳定性。得出如下结论：

(1) 建筑垃圾土作为成分多样多相和结构复杂的特殊土，为研究其力学特性，可以采用基于离散元理论的三轴数值试验模型替代室内三轴试验，以弥补室内试验的耗时长、操作繁琐和费用昂贵的缺点。

(2) 本文首先通过室内三轴缩尺试验和基于PFC3D

离散元理论的三轴数值模型试验研究分析了建筑垃圾土的细观力学特性，然后将得到较为统一的稳定的强度参数应用于某实际建筑垃圾堆填体中，用FLAC3D软件来模拟，运用有限元强度折减法得出安全系数为1.417，说明该堆填体是稳定的。

(3) 运用该方法判断建筑垃圾堆填体的安全系数，具有一定的普适性，可用于分析同类工程在堆填过程中坡体的稳定性。

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Application of Numerical Simulation of Triaxial Tests on Stability Analysis of Construction Waste Slope Based on PFC3D

MIAO Yu1CHEN Haibin2

(1.School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 China；2.School of Environment Science & Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 China)

With rapid progress of urbanization in China，the quantity of construction waste accumulation has increased dramatically，and there is a potential danger of destabilizing landslide.The existing research lacks theoretical support for the study of the stability of construction waste accumulation.In this paper，we first carried out an indoor triaxial scaled test for typical construction waste material，and the numerical parameters of the particle flow code corresponding to the triaxial test were determined.A numerical simulation of triaxial tests based on PFC3Dwas established，and a more uniform and stable strength parameters were obtained.Finally，the stability of an actual construction waste accumulation was analysed according to the calculated strength parameters by FLAC3Dsoftware. The numerical example shows that，it has certain applicability and can be used to analyze the stability of the slope of the similar project in the process of landfill by using the method in this paper to judge the safety factor of the construction waste accumulation engineering.

construction waste；discrete element method；particle flow code；triaxial test；stability

项目资助：国家自然科学基金面上项目(NO.51378234)

苗雨，博士，教授，博士生导师，主要从事环境岩土工程方面的研究工作

陈海滨，教授，博士生导师，主要从事固体废物处理及资源化方面的研究

X21

A

1673-288X(2017)03-0074-04

引用文献格式：苗 雨 等.基于PFC3D的三轴数值试验模型在建筑垃圾堆填体稳定性分析中的应用[J].环境与可持续发展，2017，42(3)：74-77.