粗粒土與人造粗糙鋼板接觸面的三維力學(xué)特性

粗粒土與人造粗糙鋼板接觸面的三維力學(xué)特性

土-結(jié)構(gòu)接觸面三維力學(xué)特性的研究土壤和結(jié)構(gòu)的結(jié)合面在土木工程、水利、市政和交通等實(shí)際工程中廣泛存在。土壤和結(jié)構(gòu)的結(jié)合面在支護(hù)墻和擋土墻之間，樁周圍的土壤和滲透墻之間，板層和墊層材料在地鐵地下結(jié)構(gòu)和周圍土壤之間。接觸面由于受到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈約束作用而表現(xiàn)出特有的力學(xué)響應(yīng),這對(duì)土體和結(jié)構(gòu)物的受力變形及其相互作用會(huì)產(chǎn)生重要影響。接觸面力學(xué)規(guī)律的研究和總結(jié)對(duì)其本構(gòu)模型科學(xué)合理的建立和驗(yàn)證及土與結(jié)構(gòu)相互作用分析具有重要意義,受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視,并進(jìn)行了大量的研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。實(shí)際工程中,土與結(jié)構(gòu)接觸面大多是三維的。然而由于試驗(yàn)設(shè)備的限制,已有的接觸面研究多將其簡(jiǎn)化成二維問(wèn)題。Fakharian對(duì)其三維力學(xué)特性進(jìn)行了單剪試驗(yàn)研究,但主要集中于砂土,對(duì)工程中常用的粗粒土與結(jié)構(gòu)形成的接觸面未進(jìn)行研究。隨著土石壩、城市地鐵、海岸港口等工程的大量興建,粗粒土以其良好的工程力學(xué)特性及在自然界中的廣泛分布得到了較多應(yīng)用,其與結(jié)構(gòu)形成的接觸面的力學(xué)特性也受到了重視,張嘎等對(duì)粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面進(jìn)行了研究,但主要針對(duì)二維力學(xué)特性。目前,對(duì)粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面三維力學(xué)特性的研究還較少。作者運(yùn)用自主研制的80t三維多功能土工試驗(yàn)機(jī),對(duì)粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的三維力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文主要介紹該類接觸面在等幅切向位移控制三維直剪條件下的典型試驗(yàn)成果,對(duì)其三維力學(xué)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)和探討。1結(jié)構(gòu)面為三維非織造材料的粗粒土接觸面試驗(yàn)采用80t三維多功能土工試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)具有三維化、大尺寸、高加載、多功能、自動(dòng)化、高精度、模塊化等特點(diǎn)。容器為鋼制圓筒形直剪容器,試樣直徑50cm,高25cm。該設(shè)備適合研究各類接觸面在三維復(fù)雜加載條件下的靜動(dòng)力學(xué)特性,尤其適用于粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面研究。試驗(yàn)用粗粒土為北京龍泉麥子峪采石場(chǎng)天然開(kāi)采料,有一定的尖角銳緣;粒徑范圍5~16mm,平均粒徑9.0mm,為不良級(jí)配粗粒土(Cu=1.8,Cc=0.9);制樣時(shí),控制其干密度為1.78g/cm3。常規(guī)三軸試驗(yàn)表明,該粗粒土應(yīng)變軟化程度小,內(nèi)摩擦角滿足φ=50°-8°lg(σ3/pa);低圍壓下剪脹明顯,高圍壓下主要為體縮。結(jié)構(gòu)面為三維人造粗糙鋼板,其表面齒形為高2mm的正四棱臺(tái),并用正四棱臺(tái)的高度(結(jié)構(gòu)面的峰谷距)來(lái)表征結(jié)構(gòu)面的粗糙度R。剪切路徑包括較為典型的直線和圓形等三維剪切路徑,兩者在一定程度上可組合成實(shí)際工程中部分剪切路徑。直線形路徑為十字剪切路徑,如圖1(a)中(1)—(2)—(3)—(4)—(5)—(6)—(7)—(8)—(1)—…所示,規(guī)定(1)—(2)—(3)—(4)和(5)—(6)—(7)—(8)各為一完整循環(huán)。圓形路徑包括單向圓形和往返圓形路徑,前者如圖1(b)中(2)—(3)—(4)—(5)—(2)—…所示,后者如圖1(b)中(2)—(3)—(4)—(5)—(6)—(7)—(8)—(9)—(2)—…所示。為便于比較分析,規(guī)定(2)—(3)—(4)—(5)和(6)—(7)—(8)—(9)各為一完整循環(huán)。上述三種循環(huán)剪切路徑均為等幅位移控制,幅值ur=20mm。2剪切體變的演化及其與法向應(yīng)力的關(guān)系圖2給出常法向應(yīng)力條件下(法向應(yīng)力σ=200kPa、400kPa、700kPa、1000kPa)接觸面單調(diào)直線剪切試驗(yàn)結(jié)果,包括切向應(yīng)力τ、法向位移v與切向位移u的關(guān)系曲線。由于接觸面面積在剪切過(guò)程中保持不變,因此接觸面法向位移可定性代表其剪切體變規(guī)律,并按照土力學(xué)習(xí)慣,規(guī)定接觸面剪切體變以壓縮為正、膨脹為負(fù)。單調(diào)直線剪切時(shí),接觸面產(chǎn)生了明顯的法向位移,這說(shuō)明接觸面發(fā)生了體變。在法向常應(yīng)力條件下,法向應(yīng)力恒定,故接觸面體變主要由剪切引起。在不同法向應(yīng)力下,起始剪切時(shí),接觸面均先剪縮。在切向位移發(fā)展到一定程度后,接觸面剪切體變表現(xiàn)出與法向應(yīng)力相關(guān)的變化趨勢(shì):法向應(yīng)力較低時(shí)(如200kPa、400kPa),接觸面會(huì)逐漸剪脹,剪脹發(fā)展速率隨切向位移增大而逐漸減小;法向應(yīng)力較高時(shí)(如1.0MPa),接觸面主要為剪縮。這表明法向應(yīng)力對(duì)接觸面剪切體變規(guī)律有重要影響,隨法向應(yīng)力的增加:(1)起始剪切段接觸面剪縮速率及數(shù)值增大;(2)剪切體變由剪縮轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘洉r(shí),對(duì)應(yīng)的切向位移增大;(3)接觸面出現(xiàn)剪脹時(shí),剪脹速率隨法向應(yīng)力增加而減小。單調(diào)剪切時(shí)接觸面應(yīng)變軟化程度很小,且其切向剛度(切向應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率)在起始剪切時(shí)較大,隨切向位移的增加逐漸減小,切向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出顯著的非線性特征;起始切向剛度隨法向應(yīng)力的增加而增大。法向應(yīng)力越高,切向應(yīng)力峰值越大,其對(duì)應(yīng)的切向位移也越大。同時(shí),接觸面切向應(yīng)力和體變隨切向位移的變化不同步,當(dāng)切向應(yīng)力達(dá)到峰值并基本穩(wěn)定時(shí),體變?nèi)栽诎l(fā)展,接觸面體變達(dá)到基本穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的切向位移較切向應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定時(shí)大得多。將單調(diào)剪切時(shí)接觸面達(dá)到的峰值切向應(yīng)力定義為接觸面靜抗剪強(qiáng)度τf。圖3給出接觸面靜抗剪強(qiáng)度τf與法向應(yīng)力σ的關(guān)系?？梢钥闯?在本文試驗(yàn)的法向應(yīng)力范圍內(nèi),接觸面靜抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,可用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則τf=σtanφi描述,式中φi為接觸面靜摩擦角。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,確定本文接觸面靜摩擦角約為φi=35°,比粗粒土本身的內(nèi)摩擦角小。3循環(huán)力學(xué)規(guī)律的分析3.1剪切體變和切向應(yīng)力圖4給出常法向應(yīng)力條件(σ=400kPa)、三種剪切路徑下接觸面循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果,包括x向應(yīng)力τx、y向應(yīng)力τy、法向位移v等隨循環(huán)周次N的時(shí)程變化曲線。三種剪切路徑下,粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面表現(xiàn)出了不同的力學(xué)響應(yīng)。接觸面在循環(huán)剪切條件下均出現(xiàn)了明顯的體變。初始幾個(gè)循環(huán)內(nèi),接觸面剪切體變?cè)黾铀俾瘦^快,隨后逐漸減慢;N=50時(shí),接觸面剪切體變,單向和往返圓形路徑較為相近,且明顯較十字剪切路徑為大。對(duì)于十字和往返圓形路徑,接觸面剪切體變?cè)谘h(huán)剪切時(shí)出現(xiàn)了有規(guī)律的增大和減小,但總體上呈剪縮現(xiàn)象;而對(duì)于單向圓形路徑,接觸面則基本上一直在剪縮,波動(dòng)現(xiàn)象不明顯。在循環(huán)剪切時(shí),接觸面切向應(yīng)力也發(fā)生了有規(guī)律的變化。十字剪切路徑下,切向應(yīng)力交替增大和減小,但切向應(yīng)力峰值隨循環(huán)周次變化不大。單向圓形路徑下,切向應(yīng)力也有規(guī)律地增大和減小,變化形式與十字剪切路徑不同;其x向和y向應(yīng)力的變化形式相似,但存在相位差;各循環(huán)周次達(dá)到的切向應(yīng)力峰值亦隨循環(huán)周次變化不大。往返圓形路徑下,y向應(yīng)力變化形式與單向圓形路徑類似,x向應(yīng)力在每個(gè)循環(huán)末出現(xiàn)了反向,從而使其變化形式與單向圓形路徑不同,但切向應(yīng)力峰值相差不大。3.2循環(huán)周次對(duì)接觸面摩擦角的影響對(duì)于圓形路徑,單個(gè)切向(x或y向)應(yīng)力已無(wú)法完整定義接觸面強(qiáng)度,需用主應(yīng)力比η(η=τ/σ)達(dá)到峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的主剪應(yīng)力來(lái)定義接觸面抗剪強(qiáng)度,主應(yīng)力比峰值即為接觸面抗剪強(qiáng)度指標(biāo),達(dá)到強(qiáng)度時(shí)接觸面即處于破壞狀態(tài)。十字剪切路徑也同樣適合于該定義。在常法向應(yīng)力條件下,法向應(yīng)力在循環(huán)剪切過(guò)程中基本保持不變,因此接觸面主剪應(yīng)力與主應(yīng)力比隨循環(huán)周次的變化形式基本一致。但法向應(yīng)力在剪切過(guò)程中或多或少地會(huì)有微小波動(dòng),主應(yīng)力比則消除了法向應(yīng)力波動(dòng)的影響。圖5給出了三種循環(huán)剪切路徑下接觸面主應(yīng)力比時(shí)程曲線。三種剪切路徑下,接觸面主應(yīng)力比時(shí)程曲線形式差異較大。十字剪切路徑下,主應(yīng)力比隨循環(huán)剪切的進(jìn)行呈現(xiàn)有規(guī)律的增大和減小,且在一個(gè)循環(huán)內(nèi)兩次達(dá)到峰值,這說(shuō)明接觸面兩次達(dá)到破壞狀態(tài)。往返圓形路徑下,接觸面主應(yīng)力比則只達(dá)到峰值一次,即接觸面在一個(gè)循環(huán)內(nèi)達(dá)到破壞狀態(tài)一次。而對(duì)于單向圓形路徑,接觸面主應(yīng)力比沒(méi)有大幅減小和增大,基本上圍繞某個(gè)值在波動(dòng),接觸面一直處于破壞狀態(tài)。這說(shuō)明接觸面一個(gè)循環(huán)內(nèi)達(dá)到抗剪強(qiáng)度的次數(shù)及是否處于破壞狀態(tài)與剪切路徑有很大關(guān)系。由圖5還可看出,十字剪切路徑下,主應(yīng)力比峰值大約為0.7,接觸面摩擦角約為φi=35°,與單調(diào)直線剪切時(shí)接觸面摩擦角基本一樣;隨循環(huán)剪切的進(jìn)行,由于結(jié)構(gòu)面附近土體被壓密,接觸面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)稍有增加,但數(shù)值很小。單向和往返圓形路徑下,接觸面的主應(yīng)力比峰值約為0.65,即摩擦角約為φi=33°,其隨循環(huán)周次而增加的數(shù)值亦很小。這說(shuō)明剪切路徑對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有一定影響,但不是很大。3.3剪切路徑下接觸面切向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖6給出特定循環(huán)周次(1、10、50循環(huán))接觸面切向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。圖7為相應(yīng)的主剪應(yīng)力-主切向位移關(guān)系圖,其中十字剪切路徑給出的是各循環(huán)周次后1/4部分(圖1a中的(8)),往返圓形路徑給出的是各循環(huán)周次前1/4部分(圖1b中的(2)),兩者剪切方向均突然反向,加載條件基本一致。對(duì)于十字剪切路徑,每個(gè)循環(huán)接觸面切向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系變化形式基本一致,且加載段與單調(diào)直線剪切時(shí)類似:切向應(yīng)力隨切向位移迅速增大,隨后逐漸減慢、達(dá)到峰值并趨于穩(wěn)定,接觸面處于破壞狀態(tài);循環(huán)剪切條件下接觸面亦未出現(xiàn)明顯軟化。在位移達(dá)到幅值、剪切方向反向、接觸面卸載時(shí),切向應(yīng)力迅速減小,曲線出現(xiàn)尖點(diǎn)。每個(gè)循環(huán)中,起始加載時(shí)的切向剛度比其他兩個(gè)加載段稍大一些,這主要受正交切向應(yīng)力歷史的影響。隨循環(huán)剪切的進(jìn)行,接觸面加載段切向剛度逐漸增大,說(shuō)明在循環(huán)剪切作用下,接觸面在不斷剪切硬化,加載段接觸面切向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由雙曲線形式向理想彈塑性模式轉(zhuǎn)變。x向和y向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本一致,峰值切向應(yīng)力也基本一致。對(duì)于圓形路徑,接觸面切向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系形式與十字剪切路徑明顯不同。單向圓形路徑下,除第一循環(huán)x向應(yīng)力需從零開(kāi)始增加外,其他循環(huán)的x向應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式基本一致,且x向和y向的也基本相同。兩個(gè)切向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈橢圓形平滑過(guò)渡。切向位移幅值處對(duì)應(yīng)的切向應(yīng)力不再接近峰值,而是基本為零。這是因?yàn)?在切向位移幅值處,接觸面在該方向并沒(méi)有剪切,而是在正交方向剪切,因此該方向的切向應(yīng)力接近為零,而正交方向的應(yīng)力則接近峰值。往返圓形路徑下,x向和y向的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有所不同:y向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與單向圓形路徑較為類似,x向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系則有明顯不同。為了更好地說(shuō)明其區(qū)別,圖6中亦給出第9和第49循環(huán)x向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。可以看出,x向應(yīng)力在第1循環(huán)從零開(kāi)始隨切向位移逐漸增加,與單向圓形路徑基本相同,因?yàn)樵诘?循環(huán)兩者的剪切路徑是一樣的。對(duì)于其他循環(huán),x向應(yīng)力從某個(gè)數(shù)值迅速減小,基本達(dá)到原點(diǎn)后繼續(xù)增大,故曲線雖不從原點(diǎn)開(kāi)始,但均基本經(jīng)過(guò)原點(diǎn)。十字剪切和往返圓形路徑下接觸面主剪應(yīng)力-主切向位移關(guān)系具有很好的相似性(圖7)。往返圓形路徑下其亦為雙曲線形式,隨循環(huán)剪切的進(jìn)行,接觸面不斷剪切硬化,而向理想彈塑性模式轉(zhuǎn)變。往返圓形路徑接觸面剪切硬化的速度較十字剪切路徑為快,這是因?yàn)榍罢呙總€(gè)循環(huán)的總剪切路程較后者大,從而剪切硬化速度也較后者為大。圖8給出單向和往返圓形路徑下接觸面x向和y向應(yīng)力間關(guān)系。單向圓形路徑下,接觸面切向應(yīng)力間曲線基本上為圓形,這說(shuō)明該接觸面在強(qiáng)度方面是各向同性的。第1循環(huán)周次應(yīng)力走過(guò)的角度超過(guò)360°,其他循環(huán)則基本為360°。而對(duì)于往返圓形路徑,其應(yīng)力間關(guān)系曲線除第1循環(huán)與單向圓形路徑基本相同外,其他循環(huán)有很大不同:相鄰兩個(gè)循環(huán)應(yīng)力間關(guān)系曲線不同,相隔循環(huán)則基本相同,但外包線亦基本呈圓形。3.4循環(huán)末剪切土體檢測(cè)圖9給出特定循環(huán)接觸面法向位移v與切向位移u關(guān)系。圖10給出可逆性法向位移vre與主切向位移u的關(guān)系,其中往返圓形路徑時(shí)的循環(huán)周次對(duì)應(yīng)圖1(b)中(8)—(9)—(2)—(3)—(4)—(5)—(6)—(7),故用“≈”表示。在十字剪切和往返圓形路徑下,接觸面呈現(xiàn)明顯的可逆性剪切體變vre,數(shù)值上均為負(fù)值,其幅值隨循環(huán)剪切的進(jìn)行逐漸減小,而后趨于穩(wěn)定,如圖4和圖10所示。單向圓形路徑下,接觸面體變以不可逆性剪切體變vir為主,可逆性剪切體變不明顯。這主要是因?yàn)閷?duì)于十字剪切和往返圓形路徑,在剪切過(guò)程中土顆粒相互爬升和翻滾,處于高位勢(shì)狀態(tài),接觸面可逆性剪切體變產(chǎn)生和發(fā)展,呈現(xiàn)剪脹;在每個(gè)循環(huán)末剪切方向突然反向、接觸面卸載時(shí),土顆粒由高位勢(shì)狀態(tài)跌落到低位勢(shì)或較低位勢(shì)狀態(tài),接觸面剪脹得到恢復(fù),接觸面體變出現(xiàn)類似于土體卸載體縮的現(xiàn)象;在隨后的再剪切過(guò)程中,土顆粒繼續(xù)翻滾、爬升和調(diào)整,由低位勢(shì)狀態(tài)向高位勢(shì)發(fā)展,接觸面剪脹又逐漸產(chǎn)生和發(fā)展,這從圖10可明顯看出來(lái)。十字剪切路徑下,一個(gè)循環(huán)內(nèi)剪切方向反向兩次,故可逆性剪切體變峰值出現(xiàn)兩次;往返圓形路徑下,剪切方向只反向一次,接觸面可逆性剪切體變峰值亦只出現(xiàn)一次。由于切向位移幅值較大,十字剪切和往返圓形路徑下接觸面可逆性剪切體變均充分發(fā)展,因此接觸面可逆性剪切體變幅值及變化趨勢(shì)較為類似。而對(duì)于單向圓形路徑,整個(gè)循環(huán)剪切過(guò)程中剪切方向未突然反向,接觸面相當(dāng)于沿圓周作單調(diào)剪切,土顆粒只作局部微調(diào),故可逆性剪切體變很小,主要為不可逆性剪切體變。這說(shuō)明可逆性剪切體變發(fā)展規(guī)律和程度分別與剪切路徑和切向位移幅值有很大關(guān)系。在切向位移幅值ur=20mm時(shí),一個(gè)循環(huán)內(nèi)接觸面在十字剪切路徑下行走了80mm的剪切路程,而圓形路徑則行走了約126mm的剪切路程,因此圓形路徑下結(jié)構(gòu)面附近土顆粒破碎較為嚴(yán)重,宏觀表現(xiàn)出來(lái)的不可逆性剪切體變也較大。而對(duì)于單向圓形和往返圓形路徑,每個(gè)循環(huán)接觸面行走的剪切路程基本相同,因此結(jié)構(gòu)面附近土顆粒破碎的程度相近,不可逆性剪切體變也較為相近。對(duì)于十字剪切和往返圓形路徑,由于每個(gè)循環(huán)末剪切方向均突然反向,因此每個(gè)循環(huán)接觸面總是從剪縮開(kāi)始,然后再逐漸剪脹。十字剪切路徑下,x向和y向位移均從零開(kāi)始增加,剪切體變-x和y向位移曲線形式較為類似。往返圓形路徑下,x向切向位移從零開(kāi)始,而y向位移從最大