基金项目:国家重点研发计划基金资助项目(2017YFC1501000); 国家自然科学基金项目资助(42072303)
第一作者:高 智(1996-),男,硕士研究生,主要从事地质工程方向研究.E-mail:gaozhi96@163.com 通信作者:魏玉峰(1979-),男,博士后,副教授,主要从事地质工程、岩土工程的科研和教学工作.E-mail: weiyufeng@cdut.edu.cn
(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室 成都理工大学,四川 成都 610059)
(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)
coarse grained soil; permutation entropy; M-C model; shearing test; permutation distribution
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2020.06.014
考虑颗粒分布的不确定性,在排列熵计算过程中引入蒙特卡罗(Monte-Carlo, 简称M-C)方法,用以表征排列混乱程度.为探究粗粒土剪切过程中排列熵的演化规律,以粗颗粒含量P5为指标,设立4种不同类型的粗粒土结构为研究对象,结合常法向应力下的剪切试验(CNL)试验结果,运用Image Pro Plus等图像处理软件,同时通过室内剪切试验和数值模拟双向验证所揭示规律的可靠性.在206 kPa的法向应力下对4种结构的粗粒土进行剪切试验,以一组骨架密实结构数据为算例,利用多项式拟合试验结果,对比分析数值模拟和室内剪切试验排列熵变化结果.研究结果表明:剪切初期,粗粒土的排列熵随剪应力的增加呈先增大后减小的趋势,在达到峰值后随着剪应力的缓慢减小表现为先增大后减小的趋势.随着粗颗粒含量的升高,粗粒土结构发生变化,排列熵值增大,同时其排列分布的有序性受剪切作用的影响越大.
Considering the uncertainty of particle distribution, M-C method is introduced in the calculation of permutation entropy to characterize the degree of permutation chaos. To explore the coarse grained soil shear permutation entropy evolution rule, in the process of P5 coarse particle content as indexes, four different types of coarse grained soil structure were set up as the research object, in combination with shear test under normal stress(CNL)test results, using the image processing software, such as the Image Pro Plus through indoor shear test and numerical simulation of two-way authentication at the same time reveals the reliability of the law. Under the normal stress of 206 kPa, shear tests were carried out on coarse grained soil with four kinds of structures. A set of dense skeleton structure data is taken as an example, and polynomial fitting test results are used to compare and analyze the results of permutation entropy change in numerical simulation and laboratory shear test. Results show that the permutation entropy of coarse-grained soil increases first and then decreases with the increase of shear stress at the initial stage of shear stress, and increases first and then decreases with the slow decrease of shear stress after reaching the peak. With the increase of coarse grain content, the structure of coarse grain soil changs, the permutation entropy increases. Meanwhile the ordering of its permutation distribution is greatly affected by shear.
粗粒土作为一种非连续介质,是地质灾害的重要物质组成.受地震、小区域地质构造作用等影响,粗粒土通常会发生颗粒重排,而结构则是影响土体颗粒排列的决定性因素.当粗粒土受到外力扰动时,其内部颗粒的排列分布将发生剧烈的变化,这种变化将对土体颗粒的排列熵值产生直接的影响.
随着土力学的发展,土体结构的研究受到越来越多学者的关注,早在20世纪20年代,土力学奠基人太沙基就首次提出土体微观结构的概念[1].近年来众多学者对土体颗粒几何形态及颗粒排列分布特征进行量化研究时,依托于物理实验[2]、CT扫描[3]、扫描电子显微镜[4]、光学显微镜[5]、数值模拟[6]等方法开展土体结构参数量化研究,已取得了一定的成果.相较于黏性土而言,粗粒土由于组成颗粒的粒径较大,粒间作用力以重力为主,因而粗粒土的结构研究实际上就是对粗粒土组成颗粒的几何形态和空间分布特征的研究[7-10].
而随着现代信息系统论不断发展,Shannon于1948年将熵引入其中,并定义信息熵H[11].Shannon所定义的信息熵是指参数不确定性大小.随着统计物理学的引入,信息熵被定义为排列熵,且作为物理性质用于描述土体颗粒混乱程度.在排列熵的研究上,施斌等[12]提出和分析了排列熵这一指标和计算公式,并基于SEM进行实例分析.一些学者以排列熵为基础,推导出基础熵参数表达式以及参数和级配曲线信息合并成一对基于熵的参数,用于量化颗粒破碎行为并建立了内部稳定性规则的物理基础[13-14].根据已有研究不难看出,排列熵计算大都是单一地公式套用和推导,并未考虑颗粒排列熵参数分布不确定性.
而蒙特卡罗[15](Monte-Carlo, 简称M-C)方法则是解决不确定参数最优化问题的一种重要的手段,已在岩土工程的可靠性分析[15]、岩体质量分类[16-17]等方面得到了相应的运用.
基于此,本文以粗颗粒含量P5为指标,设立4种不同类型的粗粒土结构为研究对象,通过粗粒土可视化室内剪切试验和颗粒流(PFC2D)数值模拟剪切试验,然后结合Matlab、Image Pro Plus等软件对图像进行处理分析,最后基于M-C方法计算粗粒土剪切过程中排列熵,并研究其变化规律.
粗粒土颗粒形成的稳定结构常表现出一定的定向性(如图1(a)所示),剪切过程中在外荷载作用下原有平衡状态被打破,颗粒发生运动,颗粒呈无序分布; 随着应力的重分布,颗粒逐渐达到新的平衡,颗粒长轴重新呈现出定向性(如图1(b)所示).在分析模型中建立笛卡尔直角坐标系XOY,假设剪切试验中剪切盒的尺寸为200 mm×200 mm,粗粒土颗粒在剪切盒中呈一定随机性分布,选取剪切过程中颗粒排列熵变化建立分析模型(如图1所示).
严格意义上讲,颗粒剪切运动属于三维空间运动,影响因素非常复杂.为方便研究,进行以下假设:
(1)上剪切盒在剪切过程中沿x轴正方向运动.
(2)二维空间颗粒剪切运动仍然成立.
(3)计算排列熵时,仅考虑分析模型内有完整形态的颗粒.
M-C方法是解决各种参数不确定性问题的有效手段.概率论的大数法则和中心极限定理为蒙特卡罗方法的数学基础[15].
颗粒上距离最远的两点的连线被定义为长轴[18],椭球状粗粒土颗粒通常都有较明显的长轴方向(如图2所示).分析模型设第k个颗粒长轴向量为vk(k=1,2,…,Q),主定向角αk为
αk=〈vk,(1,0)〉(1)
图2 颗粒主定向角示意图[18]
Fig.2 Schematic diagram of particle main orientation angle
主定向角取值:0~9°,10~19°,…,170~179°.令Ki(i=1,2,…,N)表示第i次随机数结果,并记下Ki属于哪一个取值范畴.在N个随机数参数生成完毕后,假设0~9°取值范畴内出现的随机数参数为M个,则可计算获得该取值范畴在实验中的失效概率为
Pi=M/N(2)
在现代信息系统论中,常用信息熵这个指标来反映一个系统内结构单元体的有序性.C. E. Shannon[11]将信息排列熵H定义为
H=-∑ni-1PilnPi(3)
式中:Pi表示某种信号出现的概率,n表示信号的种类.H反映信息源发出的每个代码含有的信息量.
施斌等[11]结合信息熵的定义引入排列熵S反映粗粒土颗粒单元体排列的有序性.由于排列熵反映了颗粒排列的有序化程度, S的取值范围为[0,1],则定义如下
S=-∑ni=1Pilognpi(4)
式中:S为颗粒单元体排列的排列熵,其中Pi为颗粒单元定向性在某一区间中出现的概率.将水平坐标轴正向与颗粒长轴方向的夹角定义为颗粒的倾角,其值域为[0,π].将10°作为分度值,n即为颗粒单元倾角[0~π]中等分数,即n=18.S越大,说明颗粒排列越混乱,有序性越低.
由于压力表的读数表示的为千斤顶油缸内的油压,而油缸面积与受力面积不同,因此需要对油缸内的液压进行换算才能得到实际受力面上的应力.根据力学原理可知读表压力和实际应力之间的转换关系如公式(5)所示
P'A'=PA(5)
式中:P'和P分别表示读表压力和实际应力; A'和A分别表示千斤顶油缸面积和受力部分的试样面积.
选定剪切试验法向应力条件,分别设定法向应力为103 kPa(2.0 MPa)、206 kPa(4.0 MPa)和308 kPa(6.0 MPa)三种条件下开展剪切试验(括号内为竖向千斤顶油表直接读数).通过整理试验数据、作室内试验与数值模拟剪应力-位移对比曲线图(如图3所示),得出以下结论:
(1)数值试验与室内试验剪切过程中的曲线变化趋势较为一致,剪应力均表现为先增加后达到残余强度,具有典型粗粒土的剪切性状;
(2)低法向压力条件下,粗粒土的剪应力-剪位移关系曲线的剪切峰值不明显,表现出硬化曲线的特征;
(3)高法向压力条件下,剪切盒承受正压力过大,导致剪切过程中粗粒土颗粒向外膨胀,影响试验数据的真实性.考虑到低法向应力下曲线峰值不明显和高法向应力下可能发生破碎,最终确定剪切试验法向应力206 kPa为试验最佳法向应力条件.
已有研究结果表明[19-20]:首先根据不同的粗粒土结构设计级配含量,将5~20 mm粒径范围内的颗粒均匀混合配制成粗粒料.然后按照粗粒料百分含量P5别为25%、45%、65%、85%,将对应质量的粗细粒料混合并搅拌均匀,尽可能保证制成后试样中颗粒分布的均匀性,配制成具有悬浮密实结构、骨架松散结构、骨架密实结构、骨架孔隙结构4种结构类型的粗粒土试样.4种结构类型粗粒土试样中不同粒径颗粒的百分含量如表1所示,不同结构类型粗粒土试样的特征如图4所示.
本文将选取上述配制的粗粒料作为研究对象(如图5(a)所示).为了便于采集剪切过程中图像数据,主要通过在中型可视化剪切仪剪切盒侧壁有机玻璃材质面布置一台高清数码相机(如图5(b)所示),对剪切全过程进行实时拍摄,来获取剪切过程中粗粒土形态变化的影像资料(如图5(c)所示).利用MATLAB软件绘制研究区域的二值化图像(如图5(d)所示),为了记录颗粒形态等方面的信息,利用IPP软件中提供的count测量工具,可以提取土体结构图像中所包含的结构参数信息.运用count测量工具进行颗粒形态参数测量时主要包括:①图像识别(如图5(e)所示)、②图像测量(如图5(f)所示)两部分.
颗粒流方法PFC(Particle Flow Code)是离散单元法中进行细观随机性模拟研究最常用的方法之一.因此,开展PFC2D数值模拟试验能更好的体现排列熵随机性的特点.由于粗粒土是由粒径较大的单颗粒碎屑物质组成的集合体,往往具有不同的颗粒形态特征,颗粒形态对粗粒土颗粒间作用力大小和咬合作用强弱有一定程度影响.因而粗粒土数值模拟室内剪切试验过程中,为了尽可能的还原室内剪切试验中粗粒土的颗粒形态特征,在对室内剪切试验中所用粗粒土试样的颗粒形态进行归纳总结的基础上,结合PFC2D软件中的clump功能模拟建立了4种形态类型的颗粒如图6所示.
设计试验方案首先要确定土体材料的细观力学参数,通过总结前人研究中土体细观参数设置的经验[9],大致确定土体相应细观参数的设置范围,进而不断调整各细观参数的取值开展大量试算,使模拟剪切试验结果尽可能与室内剪切试验结果相吻合,从而最终确定了土体各细观参数的取值如表2所示.根据室内试验方案设计级配生成不同结构类型粗粒土试样时,确保在每个粒组中4种形态类型颗粒的含量相同且均匀分布,从而最大程度上模拟了粗粒土的实际组成状态,确保了对不同结构类型粗粒土模拟剪切试验结果的可靠性.PFC2D数值剪切试验模型中实际生成不同结构类型粗粒土试样的颗粒信息,确定了不同结构类型粗粒土试样的颗粒.
本文以一组室内试验数据样本(颗粒数=200个)为例阐述基于M-C的排列熵计算步骤.该样本数据由土体颗粒识别标记、形态测量流程(如图6所示)计算的骨架密实结构峰值应力前主定向角分布数据.通过公式(2)对样本数据进行区间概率测定并统计概率数据,从而得到区间概率分布图如图7所示.
则样本数据中概率Pi(i=1,2,…,18)分别为:{0.09,0.02,0.07,0.01,0.02,0.08,0.02,0.09,0.12,0.08,0.03,0.07,0.04,0.08,0.05,0.02,0.03,0.10}.根据公式(4)可得:
S=-∑18i=1Pilog18Pi=0.934 12(6)
为了分析剪切过程中土体颗粒排列特征的变化规律,探究土体结构对其排列特征的影响,对数值模拟过程中获取的不同剪切时刻4种结构类型粗粒土的结构图像,分别进行如图5所示的结构图像处理分析,并计算排列熵S,获得了206 kPa法向应力条件下不同结构类型粗粒土不同剪切时刻的排列熵数据.剪切过程中土体结构的变化具有一定的阶段性,以剪切峰值为界,整理试验数据分别作剪切峰值应力前后排列熵与剪应力的拟合曲线.为了更好的使试验数据与拟合函数之间吻合(R2值越接近1,二者越吻合),各结构类型粗粒土排列熵随剪应力的变化关系采用多项式进行拟合,如图8所示.
由图8(a)可知,在达到峰值应力前,各结构类型粗粒土排列熵随剪应力的增加表现出先增大后减小的变化趋势.由拟合曲线的斜率可知,剪切过程中土体排列熵随剪应力增加而变化的幅度一直在变化,且在不同剪切时刻排列熵的变化幅度因粗粒土结构类型的不同而不同.整体而言,剪切过程中骨架密实结构和骨架孔隙结构粗粒土的排列熵随剪应力增加而变化的幅度比悬浮密实结构和骨架松散结构粗粒土的变化幅度要大.
由图8(b)可知,在达到峰值应力后,随着剪应力的减小,不同结构类型粗粒土的排列熵表现出先增大后减小的趋势.分析拟合曲线斜率的变化情况可知,峰值应力后剪应力开始下降时,骨架孔隙结构粗粒土的排列熵随剪应力减小而增大的幅度最大,其次为骨架密实结构粗粒土,骨架松散结构和悬浮密实结构粗粒土排列熵随剪应力减小而增大的幅度相近.
为了进一步验证剪切过程中土体结构对粗粒土排列熵的影响规律,在相同法向应力条件下运用上述方法得到4种粗粒土土体结构在数值模拟过程中排列熵变化规律,并拟合曲线,如图9所示.
结合室内剪切试验和数值模拟试验排列熵变化曲线可得到以下结论:
(1)数值模拟与室内剪切试验中排列熵随剪应力的变化规律基本相同,室内剪切试验的结果在一定程度上验证了数值模拟中土体结构变化规律研究成果的可靠性.由图9(a)可知:在剪切初始阶段,4种结构类型粗粒土的排列熵随剪应力的增加而增大的幅度较大.表明在剪切初始时刻土体颗粒排列分布的有序性相对大幅降低,颗粒间排列分布的混乱程度增加.接近峰值应力时,4种结构类型粗粒土的排列熵随剪应力增加而变化的趋势相对稳定.
(2)由图9(b)可知:同峰值应力前一样,峰值应力后数值模拟和室内剪切试验的规律也较为吻合,两种试验条件下不同结构类型粗粒土的结构参数与剪应力间的拟合曲线表现出相似的规律性.在峰值应力后的一定位移范围内,4种结构类型粗粒土的排列熵发生了较大的变化,骨架密实结构和骨架孔隙结构粗粒土在剪切破坏时,土体结构量化参数随剪应力降低而变化的幅度明显比悬浮密实结构和骨架松散结构粗粒土的要大.表明剪切破坏时骨架密实结构和骨架孔隙结构粗粒土原始结构的破坏程度较大.
(3)数值模拟和室内剪切试验的结果均表明,骨架密实结构粗粒土的排列熵比其他3种结构类型粗粒土的都要大.剪切初始时刻骨架密实结构和骨架孔隙结构粗粒土的排列熵随剪应力增加而增大的幅度明显比悬浮密实结构和骨架松散结构粗粒土的要大.剪切过程中骨架密实结构和骨架孔隙结构粗粒土排列熵的变化幅度也要比悬浮密实结构和骨架松散结构粗粒土的要大.反映出剪切过程中随着粗颗粒含量的增加,粗粒土排列熵变化幅度增大,同时表明了颗粒排列分布的有序性受剪切作用的影响越大.
由于骨架密实结构粗粒土试样在剪切过程中的排列熵变化率最大,反映出土体颗粒排列分布的规律更加明显,因此选取骨架密实结构粗粒土的应力-位移及排列熵-位移数据进行分析,可得到土体在各阶段的相应关系曲线图(如图 10所示).由图 10可知:(1)初始剪切阶段,粗粒土试样的排列熵随着剪应力的增大而缓慢增加,表明了土体颗粒在剪切过程中的排列分布混乱程度发生一定的变化;(2)稳定剪切变形阶段,随着剪应力的持续增大,土体颗粒的排列熵值增加的趋势有所减小且达到最大值,随后逐步减小,这表明当剪切力稳定增大时,颗粒混乱程度有所增大,而后颗粒排列分布逐渐呈现有序性;(3)剪切峰值阶段,当剪应力达到峰值应力时,土体的排列熵值减小到极小值,可看出此阶段粗粒土颗粒排列分布的定向性越来越好;(4)峰值后剪切阶段,峰值应力后土体颗粒的排列熵呈现出增大的趋势,当剪切达到残余状态时,试样的排列熵值再次达到极大值,随后便以稳定减少的趋势发展演化,表现出剪切后期,颗粒排列分布定向性有所减弱.因此在剪切过程中,颗粒排列分布与剪应力变化是紧密相连的.
本文通过室内直剪试验和数值模拟相结合的方法,并引入M-C理论对土体的排列熵演化机理进行研究,探讨排列熵变化和土体排列特征的影响规律,主要得到以下结论:
(1)仅采用信息熵的定义对土体的排列熵进行计算具有很大的随机不确定性.本文引入M-C方法可以很好的避免这一问题,同时根据多项式的拟合曲线进行深入分析,对于揭示土体在剪切过程中的排列熵演化规律具有良好的可靠性.
(2)对4种不同结构类型的粗粒土试样在法向应力为206 kPa条件下进行剪切试验; 试验结果表明:数值模拟试验与室内直剪试验中土体的排列分布演化规律具有良好的一致性,反映出利用数值模拟试验开展土体结构变化规律研究具有较好的可靠性.
(3)剪切过程中颗粒排列熵的变化具有一定的阶段性,且排列熵上下浮动范围较窄.在达到峰值应力前,各结构类型粗粒土排列熵随剪应力的增加均表现出先增大后减小的变化趋势; 在达到峰值应力后,不同结构类型粗粒土的排列熵随着剪应力的减小均表现出先增大后减小的变化趋势.表明剪切初始阶段,粗粒土颗粒排列分布的有序性增大后相对大幅降低; 剪切后期,土体颗粒排列分布的有序性缓慢增大后逐步缓慢降低.整个剪切过程,粗粒土颗粒间排列分布的混乱程度相对降低.
(4)随着粗颗粒含量的增加,粗粒土试样的结构发生明显的变化,土体系统的排列熵值不断增大,这反映出粗粒土颗粒排列分布的有序性受剪切作用的影响较为强烈.