基于离散元算法的基坑土体变形破坏规律研究

第1期 邓益兵，等. 三维离散元大尺度模拟中变粒径方法的优化及其应用1

基于离散元算法的基坑土体变形破坏规律研究

翟巍1，张会娟2，姜龙*3，

(1. 北京建工四建工程建设有限公司，北京 100075；2. 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094；3.中国水利水电科学研究院，北京 1000445)

摘 要：在基坑开挖过程中，土体的受力特性较为复杂，不能简单地认为某个土体单元卸荷或加载。考虑刚性和柔性两种围压加载方式，采用颗粒流程序（PFC2D）开展了不同含石量和块石空间分布下基坑土体的数值试验研究，从宏细观上探究了基坑土体在不同加载方式下的变形破坏规律。数值模拟表明：基坑周围在刚性或柔性约束下，呈复杂的多叉型或对称的单叉型变形破坏模式，总体表现为基坑土体的颗粒间接触力的传递演化规律。

关键词：离散元；基坑；变形破坏；颗粒间接触力

中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2017)01–0062–09

作者简介：翟巍(1982–)，男，工程师，本科，主要从事工程施工建设与管理。E-mail: 13911198052@163.com

0 引 言

随着城市建设的快速发展，土地资源日趋紧张，尤其是在北京、上海等一线城市中，新开发项目周边往往面临着既有建筑、地铁隧道以及各种管线等复杂环境。为确保周边环境及基坑安全，复杂周边环境下基坑开挖引起的变形控制显得尤为重要。本文基于离散元数值试验，研究基坑土体在不同围压加载方式下的变形破坏规律，重点从细观上对比分析基坑土体在不同加载方向下局部化剪切带的形成演化过程及土石颗粒间接触力的传递演化规律，以揭示不同加载方式下基坑土体变形破坏的细观力学机理，为基坑土体滑塌提供科学依据。

1 基坑土体试样构建

1.1 基坑土体子模型

基坑土体有些较为均匀，有些含有大量碎石，且分布较为复杂，采用三维细观结构随机重构，开展试样构建。基本以棱角或次棱角状占优，一般采用多面体、不规则凸多面体以及球体或椭球体等描述。其主要的步骤：（1）基于给定的椭球体基元，在基元表面上选择一定数目的随机点作为多面体的顶点；（2）根据凸多面体的顶点和面之间的拓扑关系，将选取的随机点连接起来构成不规则的多面体。如图1所示。

（1）椭球体基元 （2）不规则多面体

图1 土体试样构建子模型

1.2 基坑土体试样模型

基坑土体采用颗粒离散元进行模拟。其中，土体采用ball单元，碎石采用clump单元模拟。圆盘颗粒（ball）模拟，块石采用圆盘颗粒簇（clump）模拟。为了消除纯土体颗粒模型对研究结果的影响，文中所有土石混合体试样的离散元模型均是在同一个纯土体颗粒模型基础上建立的。如图2所示。

（3）细观结构 （4）S-RM模型

图2基坑土体离散元模型建立过程

2 基坑土体变形破坏规律模拟

2.1 应力应变关系

图3显示为基坑土体在不同加载方式下的应力应变曲线。

图3基坑土体试样的应力应关系

在不同围压加载方式下，即使同一基坑土体试样也表现出了不同的应力应变特性，且差异主要表现在峰后阶段；而在相同围压加载方式下，不同试样也表现出了不同的应力应变特性。

2.2 变形破坏演化规律

图4所示了试样在不同加载方式下土石颗粒的转动量云图。

图4基坑土体变形破坏演化过程

在不同围压加载方式下，受侧向变形约束不同的影响，在加载过程中，试样内部剪切带经历了不同的形成演化过程，表现在剪切带的发育部位、破坏型式和形态上不同，而且在围压柔性加载下，试样表现出了鼓胀破坏形态。土石混合体变形破坏的实质由于土石成分的变形不协调，引起土石颗粒发生差异性转动，且颗粒间差异性转动由局部逐渐发展到整体，并伴随局部化剪切带的形成而最终发生破坏，变形破坏呈现为一个渐进破坏过程。

图5中给出了在同轴向应变下试样内部颗粒的位移云图。

图5 不同轴向应变下基坑土体的位移云图

基坑土体内部颗粒不仅会发生一定的平移运动，而且局部部位的颗粒还发生一定的转动。剪切带内部块石的转动幅度小于土体颗粒的转动幅度，由此不仅说明了在变形破坏过程中剪切带内部的土石颗粒会发生一定的差异性转动，而且也说明了剪切带的形成过程会出现一定的绕石现象。

3 基坑变形破坏规律分析

图6所示了基坑土体变形破坏演化过程。伴随着剪切带的形成与演化，基坑土体内部细观接触结构将会发生显著的变化，主要表现在细观接触结构中的部分低阶数Loops（主要是L3）在压缩过程中逐渐演化为了高阶数Loops（L6、L7+），导致高阶数Loops在细观接触结构中所占的比例在不断增加，而且试样的含石量越高，在压缩过程中，细观接触结构中低阶数Loops向高阶数Loops演化的比例也越多，而且Loops的演化主要发生在剪切带部位。基坑整体在开挖和支护共同作用下，沿深度一定范围内发生内部轴向受力和侧向力，出现侧向变形，直至破坏。

图6基坑土体变形破坏演化过程

3 结论与建议

本文采用离散元算法，开展了基坑土体变形破坏规律研究，取得了一些有益的结论与建议：

（1）基坑变形破坏演化模拟采用离散元算法是可行的，且建议土体采用ball单元，碎石采用clump单元模拟。

（2）基坑周围在刚性或柔性约束下，呈复杂的多叉型或对称的单叉型变形破坏模式，总体表现为基坑土体的颗粒间接触力的传递演化规律。

参考文献：

[1] 张强, 汪小刚, 赵宇飞,等. 石混合体三维细观结构随机重构及其力学特性颗粒流数值模拟研究[J]. 岩土工程学报, 2019, 41(1): 60－69.

[2] 李世海, 汪远年. 三维离散元土石混合体随机计算模型及单向加载试验数值模拟[J]. 岩土工程学报, 2004, 26(2): 172-177.

[3] 马 刚, 周 伟, 常晓林, 等. 堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(5): 746-753.

[4] 刘洋, 李爽. 散粒介质临界状态细观力学结构特征的数值模拟与分析[J]. 岩土力学, 2018, 39(6): 2237－248.