水利工程中岩土体材料的力学特性对工程设计具有重要价值，因而许多水利工程师开展过关于岩土类材料力学特征的探讨，从而推动水利设计发展[1-3]。韩雪等[4]、杨芊等[5]、平永庆等[6]通过类比岩石类材料设计室内单、单轴试验，研究了土体等水利材料力学特征，并开展相关影响性分析，为认知土体材料力学水平提供依据。与室内试验形成鲜明对比的是，在现场利用微震，或在室内利用电镜、CT等细观研究手段，可探知土体微观上力学特征变化，进而为土体宏观上力学解探讨提供支撑[7-9]。不可忽视，数值仿真手段应用较为广泛，作为颗粒类组成材料，以颗粒流离散元仿真手段，可高效解决黏土类材料力学特征求解，为认识土体材料力学特征以及其影响参数提供快捷高效的手段，目前在王瑶等[10]、潘远阳等[11]、李远征等[12]研究中已得到体现。本文基于先锋闸站移建工程围堰设施黏土体堆筑料的背景，以PFC仿真计算系统为研究手段，设计不同因素的试验方案，为了解黏土这类材料三轴力学特性影响因素提供重要参考。

1 试验概况

1.1 工程背景

先锋闸站乃是钟楼区重要水利枢纽设施，其安全可靠性对提升区域用水安全以及防洪安全均具有重要作用，但现由于闸站设计运营年限较长，部分水利设施老化严重，闸室安全性受到巨大挑战，管理部门考虑对闸站开展移建工程设计，继续使闸站工程成为区域内重要的水利设施，在地区防洪、蓄水、引水及提升水质等重大领域承担关键作用。目前由于闸站移建工程中所涉及到的节制闸以及抽水泵站施工，均需确保上、下游水位不应处于过高状态，因而设置临时挡水设施很有必要，故工程设计部门考虑增设围堰设施，确保闸站移建工程安全高效进行。根据现场地质勘探，围堰所需堆筑料以砂土以及黏土为主，其中黏土料占分层堆筑总量的60%，在与围堰设施钢管桩相互协调过程中，黏土承载能力稳定性极大影响了分层堆筑效果，若黏土体发生失稳滑移，对围堰整体安全稳定性乃是重大威胁。因而，工程设计部门考虑对黏土体基本力学特征开展研究，并专注于黏土体三轴力学特征，进而为黏土体分层堆筑设计提供重要力学数据参考，为确保工程设计效率，本文主要利用颗粒流PFC仿真计算平台开展黏土体三轴力学特征仿真试验计算。

1.2 试验方案

颗粒流PFC分析软件乃是研究颗粒组成物类材料力学变化的仿真计算平台，可根据闸站移建工程所处施工环境以及荷载变化条件，利用PFC可设定相关约束状态，进而仿真计算出土体实际应力变形变化特征。另一方面，为确保黏土三轴力学仿真计算准确性，本文选取线性接触黏结本构模型作为组成黏土体的颗粒物基本力学方程，其几何示意图如图1所示，两个方向的刚度系数服从式(1)～式(2)[13-14]：

式中：Kn、Ks分别指法向、切向刚度；分别指颗粒A、B的法向割线刚度；分别指颗粒A、B的切向切线。

图1 颗粒线性接触本构模型示意图

在PFC 3D中颗粒运动服从旋转运动与合力矩方程，其具体表达如式(3)～式(4)：

式中:分别指颗粒运动中法向、切向荷载向量变化量；分别指颗粒法向、切向力矩向量变化量；分别指颗粒法向、切向割线刚度向量式； ΔUi指总位移变化量；分别指法向、切向位移变化量； Δθi指总转角变化量；分别指法向、切向转角变化量；分别指颗粒B、A的角速度；Vi指颗粒运动速度； Δt指颗粒运动时间；A、I、J分别指面积、惯性矩、极惯性矩；ni指颗粒尺寸半径。

基于上述颗粒运动方程以及物理参数条件，设定不同的边界条件，求解计算出黏土颗粒流模型中每个颗粒的力学特征参数，进而在PFC软件中耦合计算出黏土在不同外荷载约束条件下的力学特征变化，本文以此为原理开展三轴力学特征计算。根据闸站移建工程实际状态，设置试验围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，颗粒体半径设定为0.1 mm，按照工程现场所测出的黏土孔隙率为12%，因而仿真计算平台中确保颗粒体所组成的砂土孔隙率为15%。按照黏土影响因素划分，本文从黏土自身刚度参数以及颗粒力学特征参数两方面开展分析，其中刚度参数以刚度比作为衡量指标，分别设定为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0，而颗粒力学特征参数分别为弹性模量与内摩擦角，其中弹性模量设定为1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa，内摩擦角分别设定为10°、20°、30°、40°、50°，三轴力学特征影响性分析组中各黏土体颗粒参数除单一对比因素有所差异外，其余物理参数或颗粒形状均为一致。各组具体围压以及其他试验条件如表1试验方案所示。