基于PF

摘要

针对富水砂卵石层地下连续墙成槽过程中槽壁易发生失稳的问题，通过分析相关的研究资料，在明确失稳形式及机理的基础上，设计了改变流速和粒径比的两种模拟试验方案，采用PFC^3D颗粒流软件分析了渗流对土颗粒间性质变化的影响。数值模拟结果表明：流速对于颗粒的位移有很大的影响。流速越快，颗粒位移越大，孔隙率越高，墙体所受应力也越大；粒径比对于颗粒的位移同样有很大影响，其表现的作用与流速相似；在有侧限的情况下，颗粒的x向位移在达到极限后会产生z向的分量，使得颗粒向上位移。在实际工程中就意味着在颗粒位移达到一定程度，必然会突破泥膜，导致土体内细颗粒的流失，土体孔隙率增大，最终使得槽壁发生垮塌。

关键词

PFC^3D; 富水砂卵石层; 槽壁稳定性; 数值模拟; 地下连续墙

0 引言

地下连续墙因其优良的挡土、防渗、刚度大、对环境影响小等优点，在基坑的支护过程中已被广泛使用^［1］。在地下连续墙的施工过程中，成槽是十分重要的工序，直接影响着地下连续墙的质量。然而，在富水卵石层等恶劣地层施工时，槽壁往往会发生垮塌，导致邻近建筑物或人民生命财产遭受损失。地下连续墙槽壁稳定性的问题一直为工程界所重视。

针对地下连续墙槽壁稳定性的问题，相关学者进行了大量研究。李小青等^［2］着重研究了泥浆对于槽壁稳定性的影响，并解释了泥浆护壁的机理。张涛等^［3］根据泥浆防塌机理自制泥浆，将其应用于工程实践，维持了槽壁的稳定，有力地促进了工程进度和保障了工程质量。孙立宝^［4］从施工的角度阐述了避免槽壁发生垮塌的方法，即加高导墙、严格控制成槽时间、减少上部荷载、控制槽壁垂直度。孙晓科^［5］结合实际工程，采用有限元数值模拟，对富水含砂层地区地下连续墙槽壁稳定性进行了分析。丁勇春等^［6］采用理论分析的方法，分别从槽壁稳定性影响因素、槽壁失稳机制和各施工阶段应力路径3个方法进行了分析，得出了相关的结论。同样的，曹豪荣等^［7］也采用理论分析的方法，对广泛的文献资料进行了总结，重点分析了槽壁破坏模式、理论分析方法及影响规律。类似通过力学模型，对影响槽壁稳定性的因素研究成果还有许多，如李志文等^［8］、刘杨等^［9］、李毅阳等^［10］、姜厚停等^［11］，着重对地下水及泥浆这一影响因素进行了分析，得出的结论有效地指导了工程实际。

以上的研究都表明，地下连续墙的失稳主要为整体、局部失稳。泥浆、土质、地下水位、上覆荷载等多项因素都会影响槽壁的稳定性。许多学者利用数值模拟建立相关模型，进行了进一步的模拟分析。殷超凡等^［12］利用有限元仿真软件，建立了地连墙三维模型，分析了泥浆、槽幅尺寸、上覆荷载的影响。周忠群等^［13］利用ABAQUS分析了渗流作用对槽壁稳定性的影响。邱明明等^［14］利用PLAXIS2D建立了模型，分析了各项因素对槽壁稳定性的影响。这些数值模拟研究大多采用有限元法，不能体现颗粒间的复杂相互作用，不能真实刻画散体材料的流动变形特征^［15］。同时，这些研究很少从渗流的角度考虑流体对土颗粒的作用，进而影响槽壁稳定性。

因此，本文从渗流的角度，基于流体对土颗粒的作用，采用PFC^3D颗粒流软件分析了渗流对土颗粒间性质变化的影响。研究结果能够反映出富水砂卵地层中，土颗粒间的细观变化对槽壁稳定性的影响。

1 计算模型及参数的确定

地下连续墙槽壁失稳通常发生在垂深0~20 m左右，由于计算能力的限制，完整模拟显然是不现实的。选择生成50 mm×100 mm×100 mm的墙体，限制颗粒的生成范围，以墙的边界模拟槽壁的一小段。颗粒的运动同样都限定在墙的范围内。

1.1 模型的建立

已有研究表明^［16］，最大最小粒径比对于计算效率有很大的影响，通常把粒径比控制在10以内。同时为了避免大小颗粒间粒径相差过大，导致流固耦合计算难以收敛。本文选择d_max/d_min=1.75、2.25、2.75三种粒径比进行研究。建立的模型如图1所示，当d_max/d_min=1.75时，生成的颗粒如图2所示，右侧墙体即表示槽壁。施加的流体网格如图3所示。

图1  物理模型示意

Fig.1  Physical model

图2  生成的d_max/d_min=1.75的颗粒示意

Fig.2  Generated particles with d_max/d_min=1.75

图3  流体网格示意

Fig.3  Fluid grid

1.2 参数的检测

为了记录模拟过程中的一些关键参数，需要添加测量圆及记录部分墙体、颗粒的运动状态。测量圆主要记录孔隙率的变化，墙体记录x向应力变化，颗粒则是记录应力及位移的变化。测量圆的位置如图4所示，被记录的颗粒如图5所示。

图4  测量圆的位置分布

Fig.4  Position distribution of the measuring circle

图5  被检测的颗粒位置

Fig.5  Position of detected particles

其中4号颗粒位于右侧表层。同时，为了保证模拟的合理性，需要设置流体及颗粒的各项性质。由于本文立足于富水砂卵石层的槽壁稳定性问题，砂卵石层间胶结较差，故而颗粒间选择线性接触连接。通过对比已有研究成果所模拟的砂卵石层性质及颗粒间参数设定^［17-19］，针对本文模拟对象作相应调整后，将参数设置如表1所示。

表1  材料参数的设置

Table 1  Setting of material parameters

材料	密度/（kg∙m-3）	小粒径/mm	大粒径/mm	粘滞系数/（Pa∙s）	法向刚度/（N∙m-1）	切向刚度/（N∙m-1）
dmax/dmin=1.75	2600	1.2~1.4	1.8~2.1		1×107	1×107
dmax/dmin=2.25	2600	1.2~1.4	2.5~2.7		1×107	1×107
dmax/dmin=2.75	2600	1.2~1.4	3.1~3.3		1×107	1×107
流体	1000			1×10-3

2 数值模拟结果分析

2.1 不同位置的变化

设置流体速度为4 mm/s进行模拟分析。分别记录在模拟过程中各个测量圆（1#、2#、3#、4#、5#）、记录颗粒（1*、2*、3*、4*）的相关参数，试验结果如图6所示。

图6  同一流速下各测量圆/点参数变化

Fig.6  Parameter change of each measuring

circle/point at the same flow rate

从图6（a）可以看到，在右侧有限制颗粒x向位移的墙体存在时，靠近右侧测量圆的孔隙率都是逐渐降低的，说明在流体的作用下，颗粒渐渐向右移动，压缩了之间的空隙，使得孔隙率都有所降低。而最左侧的5#测量圆由于没有颗粒补充，导致了孔隙率逐渐升高。而1#测量圆孔隙率最低是因为右侧有墙体，限制了颗粒的x向位移，使得颗粒产生向上、下两个方向运动的分量，向下再次压密了1#测量圆。从图6（b）可以看到，颗粒间的x向位移都是呈逐渐增加的趋势，而4*颗粒初始位置就靠近墙，在位移一段时间后，x向位移就已接近极限，z向位移逐渐占据主要地位（图7c）。

图7  不同流速/粒径比模拟试验结果

Fig.7  Simulation test results at different flow velocity / particle size ratio

2.2 不同流速的影响

地下水在颗粒间隙中的渗流速度是偏慢的，为了加快计算过程，设置了2.5、4、5 mm/s三挡速度进行模拟。试验结果如图7所示。

由图7（a）可以看到，在不同流速下2#、4#测量圆孔隙率的总体变化趋势与前文所述相近。不同之处在于各曲线斜率的变化。很明显，流速越快斜率也就越大。图7（b）中，右侧墙体的x向应力呈上升趋势，在流速为2.5和4 mm/s时，曲线逐渐稳定，说明颗粒的x向运动已经接近极限，作用在墙上的力变化减小。在存在右、下侧极限的条件下，表层颗粒的z向位移就可相当于颗粒达到x向极限后的受力的延续。结合图7（b）和图7（c）中，用4*颗粒的x向位移在1500时步时就已接近极限，后续时步就主要以z轴方向上的分力和位移为主。该处所得的结论与已有研究的结论相同，即地下水位与泥浆水位的相对高度对槽壁稳定性有重要影响。若地下水位与泥浆水头差越大，土颗粒间流体的渗流速度也就加快，槽壁也就越易失稳。因此，实际施工过程中一般要保证泥浆水位高于地下水位0.5 m。

2.3 粒径比的影响

为了探究不同粒径比对模型的影响，简化了实验组，在流速为4 mm/s时，设置了3种粒径比进行模拟实验。从图7（d）中可以看出，粒径比越大，相同时间下对墙所造成的压力也就越大。孔隙率方面，从图7（e）可以看出，粒径比越大，初始孔隙就越小，测量圆的孔隙率与粒径比成反比。分析原因认为，粒径比越大，小颗粒就越能填补大颗粒之间的孔隙。在流体的作用下，小颗粒更容易被流体带动，随着时间的进行，逐渐向右侧墙体压密，孔隙率也就随之减小。联系实际可推测，粒径比较大的模型更像是槽壁中的级配不均的软弱夹层，粒径较小的土颗粒在渗流作用下运移，导致大颗粒土失去胶结、支撑，从而造成局部失稳的发生。从2次模拟的最终结果（图7f、图8）可以看到，流速与粒径比对颗粒的位移都有影响，在无右侧墙体限制的情况下，颗粒必然会由槽壁脱落，造成内部土颗粒流失，最终使得上覆土层失去支撑，导致槽壁发生垮塌失稳。

图8  z向最终位置比较

Fig.8  Final position comparison in z direction

3 结论

通过调整流体流速和颗粒的粒径比大小进行了2种类型的模拟试验，得出了以下结论：

（1）颗粒的位移与流体的速度成正比，颗粒在流体的作用下会向x正方向即槽壁方向运移，导致模型内侧孔隙率增加，墙体所受应力增加。

（2）颗粒的最大最小粒径比与颗粒位移成正比，粒径差异越大，小颗粒的位移越快速，墙体所受应力越大，孔隙率同样是增加的，但小颗粒会填补大颗粒间的空隙，这也就使得孔隙率增加程度相对小粒径比较小。

（3）在有墙体限制的情况下，颗粒的x向位移会在达到极限后转而产生z向的分量，使得颗粒会逐渐向上抬升。意味着在实际情况中，土颗粒的位移在无侧限或达到突破泥膜的压力后，会进入泥浆内，导致土体孔隙率增加，上覆土体失去支撑，也就使得槽壁发生失稳。

（4）渗流速度（地下水位高度）、土颗粒粒径比（胶结程度）对于地下连续墙槽壁稳定性有很大的影响。地下水位越高，土颗粒胶结程度越差，土颗粒在渗流的作用下被裹携向槽内运移速度越快，土颗粒损失累积到一定程度后，对上层土体承载力不足，诱发槽壁周围土体发生垮塌。