基于离散元方法的直剪试验下盐渍土细观形变特性研究

王娅娟

（河西学院土木工程学院，甘肃 张掖 734000）

1 引言

盐渍土对工程危害大，工程中对于盐渍土少的地区可通过换填土对地基进行处理，张掖有些地区盐渍土分布不均匀且分布面积非常广，用换填的方式对盐渍土进行处理会增加工程造价。文中对不同含盐量的土进行剪切试验，观察土颗粒的速度方向，内部黏结力的分布，以及受剪过程中土体面上破坏趋势和抗剪强度的大小。

张莎莎等[1]为了明确影响典型粗粒硫酸盐渍土路基盐胀特征的敏感参数，提出相关的敏感参数量化分析模型及其影响因素和因素之间交互作用的量化指标。秦国俊[2]依托连霍高速（G30）新疆境内小草湖至乌鲁木齐段改扩建工程，结合PDCA（计划，执行，检查，行动）循环找出了盐渍土路基施工质量控制的关键环节，确定了该地区盐渍土路基标准施工方法。刘辉[3]以我国西南部某不良地质区的公路项目为例，针对季节性冻土区与盐渍土路基的处置方法进行分析，以期为不良地质条件下的路基施工提供参考。王莉杰[4]通过室内人工配制氯盐渍土对不同含盐量盐渍土，对盐渍土中水盐迁移特性进行分析研究。王亚强等[5]对不同细粒含量和盐分供给源的水盐迁移及时空分布特性研究，得出粗粒盐渍土地区道路工程宜通过控制细粒土含量来抑制粗粒盐渍土水盐迁移。龚雨[6]对盐渍土地基的特性，通过对国内外相关研究现状的分析，系统地总结了盐渍土地基处理方法。黄雪峰[7]为了研究外界自然条件下的盐渍土盐胀特性与水热传递变化特征，进行了含盐量和干密度单向控制下的室内膨胀变形试验和为期一年的地基变形、地温和含水率综合监测现场试验，得出一系列相关结论。谢潇[8]提到盐渍土的分布范围有可能会进一步扩大，需要盐渍土的特性进行研究并对其提出防治。盐渍土的盐分含量与土的压缩性、抗剪强度等密切相关[9，10]。

自上世纪80年代以来，专家和学者对盐渍土的微观结构和物质组成以及盐渍土地基的溶陷性、盐胀性和腐蚀性等岩土工程特性作了多方面的研究[11]，在颇多的盐渍土特性研究中，针对张掖本地盐渍土特性的研究甚少，基于此，文中对张掖本地区存在的盐渍土进行细观形变的研究，对探索张掖地区工程盐渍土防治措施提供一定的参考。

2 试验模拟

2.1 离散元模拟

选取甘肃张掖地区的特殊土体盐渍土作为研究对象，由于测定的土颗粒粒径较小，常规的直剪试验无法直观分析土颗粒的内部运动情况、土体剪切面的受力特点以及细观受力分析等，所以，需要采用模拟试验的方式进行研究与分析。PFC 5.02d软件采用离散元法研究实际物体在外部因素的影响下的内在受力、分布及形变特征等，采用PFC 5.02d，可通过编写程序代码，以及运行代码进行外部演示，以此分析土体等的内部受力情况。

2.2 模拟试验的方案

①盐渍土均采用0.16的孔隙率，盐渍土的粒径大小设置在0.1mm～0.3mm之间，盐渍土中的含盐量采用2%、4%、6%、8%，并设置对照组，与0含盐量的土体对比。

②得到剪应力-剪切位移的关系，得出盐渍土的抗剪强度随含盐量的变化。

2.3 颗粒模型和接触模型

由于5.0版本的PFC中只能赋予模型一种接触，考虑到该地区的盐渍土特点为粘性土质，接触模型的类型均采用平行粘结模型，盐渍土中的土颗粒与盐颗粒均采用ball模拟。其中，盐渍土中的盐采用ball模拟，由于暂时没有较好的方法完全体现盐渍土中盐的特性，只是减小了盐颗粒的刚度，以满足含盐量过多将导致土体不良而发生沉陷的特性。

3 盐渍土的直剪试验模型

由于本文采用的是二维软件，根据直剪试验中土样的大小，以实际土样的侧面剖面为基准，设置模拟土样的大小为长61.8mm，高20mm，如图1所示。

采用PFC中特有的墙体命令，参照实际试样大小比例生成剪力盒，以便于进行剪切的伺服控制，如图2所示。

通过编程，进行伺服控制，给予上部分墙体施加一定的速度以及一定围压（本文围压设置为200kPa），使墙体推移上部分土体，以达到剪切效果。图3为剪切后的模型外观。

图1 盐渍土虚拟模型

图2 置于剪力盒的土体模型

图3 受剪切后的模型

图4为剪切过程中的颗粒速度云图，可以看出上部分土体的位移方向整体向右，颜色较浅且一致，表明具有一定大小的速度，而下部分土体两侧颜色较深，且运动方向不固定，说明是受到了墙体的限制，并且也有向右运动的趋势，说明上下土体间具有一定的剪应力，通过墙体模拟的剪力盒是可行的。

图4 剪切过程的颗粒速度方向云图

图5为粘结模型总的接触力分布情况，图中颜色越浅，表明粘结力越大，该处受破坏的程度就较大，则可以由粘结键的变化情况看出土体剪切面的破坏趋势方向，这点将有助于对受剪土体的破坏方式做进一步研究。

图5 剪切过程中粘结接触力的分布云图

4 盐渍土的抗剪强度分析

通过上述模型的修改，得到0%、2%、4%、6%、8%的不同含盐量的盐渍土试件模型如图6所示。

图6 不同含盐量的盐渍土模型

编写history命令程序，对土体模型的内部剪应力进行监测、记录并导出，得到0、2%、4%、6%、8%的不同含盐量下，剪应力随剪切位移的关系曲线如图7所示。

图7 不同含盐量的剪应力与剪切位移关系曲线

可以看出，剪应力在前期随剪切位移的增加而增加，剪切位移0～0.5之间其增幅很大，说明在剪切过程中，剪应力是需要经过一段剪切位移后才能达到较大的值。原因在于土中存在一定的孔隙，经过一段位移，孔隙被逐渐压密后，土体受到的剪力才会较大。而在之后，曲线开始下降，不再大幅度上升；在后期的曲线略有一定波动，但变化幅度较小，说明剪切过程中土体的孔隙被压密，剪切过程较为稳定。

而对于不同含盐量的关系曲线，可以明显地看出，当曲线进入第一处波峰时，峰值大小是不同的，其大到小的顺序为：0＞2%＞4%＞6%＞8%。根据土的抗剪强度理论分析，通过导出模拟曲线中各曲线的峰值，得到（表1）盐渍土的剪应力与含盐量的关系，并将其整理为如图8所示。

表1 不同含盐量下的盐渍土剪应力大小

图8 剪应力峰值随含盐量的变化关系曲线

土体受到的剪应力越大，其抗剪强度相对越大。从图8中可以看出，抗剪强度大小随含盐量的关系为：0＞2%＞4%＞6%＞8%，即盐含量越多，抗剪强度相对越小。结果可推导至实际工程中，由于盐易溶解，造成土体的强度与刚度降低，盐分的溶解，造成土中孔隙增加，使得土体的强度与密实性下降，抗剪强度降低。

5 结语

①选择甘肃地区的盐渍土为研究对象，通过编写程序，生成了直接剪切试验的盐渍土离散元模型，并分析了土样在剪切过程中土颗粒的速度方向、内部粘结力的分布，得到在受剪过程中土体的破坏面的破坏趋势。

②通过对0、2%、4%、6%、8%含盐量的盐渍土的剪应力与剪切位移的关系曲线分析，得出抗剪强度大小随含盐量的关系为：0>2%>4%>6%>8%，即盐含量越多，抗剪强度相对越小。

③对盐渍土细观形变特性研究，为实际工程提供一些参考。