粗粒土与结构接触面特性的离散-连续耦合数值研究

三维变形体离散元法能够自动检索接触关系,并对具有不规则形状的粗粒土颗粒和结构物进行有限差分网格离散,因此,具有模拟离散-连续耦合问题的先天优势。采用随机模拟技术生成粗粒土三维数值试样,基于变形体离散元进行粗粒土与结构接触面特性的数值试验,研究了不同接触面粗糙程度的接触面力学特性,对比了粗粒土与结构物在单剪和直剪状态下的接触面力学特性,从宏观和细观两个层面分析了数值试验结果。结果表明,数值试验能较好地反映粗粒土与结构接触面的力学特性,其剪应力-相对剪切位移曲线与试验结果规律相似;接触面粗糙程度对接触面的强度和变形特性影响较大,其机制在于剪切对试样的扰动程度不同;直剪和单剪状态下试样剪应力-相对剪切位移均为双曲线,单剪试验的初始剪切刚度低于直剪试验,两种试验得到接触面抗剪强度指标比较接近。     

青藏冻结粉土与玻璃钢接触面本构模型研究

冻土与构筑物基础接触面的本构模型是分析冻土区构筑物与冻土相互作用、评价工程安全稳定性的基础和关键.为了降低切向冻胀力对基础的上拔作用,防止发生冻拔失稳破坏,青海-西藏±400 kV直流联网工程基础广泛采用玻璃钢覆盖基础表面,以消减冻胀力.为了合理描述玻璃钢与冻土接触面力学特性,采用应变直剪仪开展了青藏冻结粉土与玻璃钢基础接触面直剪试验,获取了不同冻结温度条件下接触面剪应力-位移曲线,分析总结了接触面的强度变化规律和受力变形特性,基于试验得到的接触面本构规律建立了耦合温度效应的冻结粉土与玻璃钢基础接触面剪切应力-位移关系.模型预测结果与试验结果的比较表明,预测结果与试验结果吻合良好,该模型能够较好的描述接触面的力学特性.     

粗粒土与结构接触面三维本构关系及数值模型

基于试验结果,探讨了粗粒土与结构接触面的三维力学特性,该接触面在三维剪切时两个方向上的剪应力-应变关系表现出较强的耦合特性,但其主剪应变的大小只与主剪应力的大小有关。基于提出的接触面弹塑性损伤理论,建立了描述三维条件下接触面力学特性的本构模型及其数值格式。编制了有关程序,采用该模型对接触面的力学响应进行了预测。预测结果表明,建立的接触面三维本构关系及数值模型是合理和可行的,能够较好地反映包括剪切耦合特性在内的接触面主要力学特性。     

冻土与结构接触面循环剪切损伤模型

抗剪强度和压缩体应变是冻土与结构接触面的力学特性指标中最重要的两个参数,对冻土与结构接触面的力学分析至关重要。采用自行研制的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统,开展了冻土与结构接触面力学性能及变形规律的试验研究,采用损伤力学理论,基于等应变分布假设、零弹性域假设、弹性应变无耦合假设,选择不可逆性体应变与最大不可逆性体应变的比值作为损伤因子,建立了用于描述冻土与结构接触面剪切行为的抗剪强度与压缩体应变损伤模型。通过相关试验对建立的损伤模型进行验证,结果表明,所建模型是准确、合理的。     

夹有泥皮粗粒土与结构接触面力学特性试验研究

进行了粗粒土与结构之间夹有泥皮和无泥皮两种状态的接触面单调和循环剪切试验,初步研究了夹有泥皮时接触面静动力学特性的规律和作用机理。试验表明,泥皮对粗粒土与结构接触面的力学特性有重要影响。当泥皮不厚时,接触面仍表现出粗粒土与结构接触面的基本力学特性。泥皮越厚,接触面的抗剪强度越低,相对法向位移会越大。当泥皮极厚时,泥皮将隔断粗粒土与结构面的接触而成为泥皮与结构接触面。泥皮对接触面力学特性的影响程度不仅与泥皮本身的特性及其厚度有关,还与构成接触面的结构面材料与粗粒土的特性有关。     

土与土工织物接触面力学特性的试验研究

在大型土与结构接触面循环加载剪切仪上添加了拉拔试验模块,进行了大尺寸的粗粒土与土工布接触面的单调和往返剪切试验以及土工布拉拔试验。剪切试验结果表明,粗粒土与土工布接触面出现了一定程度的应变软化,相对法向位移的变化受法向应力影响很大,并表现出异向性。土工布拉拔试验结果表明,由于土与土工织物接触面的剪胀造成该类接触面的抗剪强度与法向应力不再是线性关系;将接触面剪切试验和拉拔试验方法结合起来是研究土与土工织物接触面力学特性较为全面和合理的手段。     

粗粒土与结构接触面的可逆性与不可逆性剪胀规律

进行了粗粒土与结构接触面的单调和往返剪切试验,研究了接触面的剪胀特性。试验结果表明,接触面的剪胀体应变是由一个完全可逆性的体应变分量和一个不可逆性的体应变分量构成的。不可逆性剪胀体应变反映了接触面内的土颗粒破碎和剪切压密两种物态变化,其变化规律与接触面的应力相对位移关系的演化规律具有相似性,是接触面力学特性演化的一个重要量度。可逆性剪胀体应变存在相变点,并表现出明显的剪切异向性,该异向性的主要内因是由于剪切引起的结构面附近土的结构异向性。基于接触面受力变形机理分析,引入有效剪应变等概念,建立了剪胀方程。     

土-混凝土接触面特性环剪单剪试验比较研究

对可用于接触面应力变形及强度特性试验的直剪仪、单剪仪及环剪仪的优缺点进行了比较分析。对某土料与混凝土接触面的应力-变形及强度特性进行了单剪试验研究,试验包括土-混凝土接触面及土-泥皮-混凝土接触面两种。同时,将已有的环剪试验成果与单剪试验结果进行了比较分析。研究了环剪试验与单剪试验成果的差异。结果表明,单剪试验测得的抗剪强度比环剪试验测得的低30%～40％,环剪试验用于接触面强度特性研究较合适,而单剪试验用于较低应力水平下的应力-变形试验更好,泥皮的存在使得接触面强度降低30%左右。     

土与结构接触面力学特性环剪试验研究

利用环剪仪对不同的土与混凝土接触面的力学特性进行了研究。分别对有泥皮及没有泥皮的接触面情况进行试验,并对剪切面位于黏土内的情况进行了试验。结果表明,不同接触面的应力-应变特性差异很大,泥皮的存在明显改变了接触面的性状;对没有泥皮的情况,剪切破坏面可能发生在土体内部,也可能发生在土-混凝土接触界面;而有泥皮时,破坏面始终发生在泥皮内部。试验的各种接触界面中,破坏时平均剪应力与法向应力具有较好的线性关系, 接触面强度可用摩尔-库仑准则较好地描述;当有泥皮存在时,摩擦角为没有泥皮时的63.4 %。     

法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响研究

法向应力对土与结构接触面循环单剪力学特性的影响研究具有重要意义。运用80 t大型三维接触面试验机,进行了不同法向应力下粗粒土与结构接触面单剪试验,分析了法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响规律。试验结果表明,法向应力对接触面变形位移、滑动位移、切向应力、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变以及抗剪强度等接触面性能参量的数值有显著影响,但对参量间关系形式影响较小。法向应力越大,接触面变形位移在初始几个循环内越大,随循环剪切的进行,其减小速率越快,最终稳定值越小;切向刚度越大,切向应力稳定值也越大,初始几个循环内切向刚度系数越小;不可逆性剪切体变越大,可逆性剪切体变峰值和稳定值越小,相变位移和相变应力比越小;抗剪强度越大,其异向程度则先增大后减小。不同法向应力下,接触面循环抗剪强度与法向应力符合摩尔-库仑准则;切向应力比-切向位移关系、不可逆性剪切体变和剪切功密度关系均具有良好一致性,基本不受法向应力影响,可用双曲线模型描述,这将大大简化接触面本构描述。     

Monotonic and cyclic modeling of interface between geotextile and gravelly soil

This paper describes a modified elasto‐plasticity damage model to capture monotonic and cyclic behavior of the interface between a geotextile and gravelly soil. New damage variable and shear strength criterion are introduced on the basis of test observations. The formulations of the modified model are obtained by extending those of the original interface model. The model parameters with physical meaning are easily determined from a group of cyclic shear tests and a confining compression test. The model predictions are compared with the results of a series of direct shear tests and large‐scale pullout tests. The comparison results demonstrate that the model accurately describes the monotonic and cyclic stress–strain relationship of the interface between a geotextile and gravelly soil while capturing new characteristics: (1) the strength that is nonlinearly dependent on the normal stress; (2) significant shear strain‐softening; (3) the comprehensive volumetric strain response with dependency on the shear direction; and (4) the evolution of behavior associated with the changes in the physical state that includes the geotextile damage. This model is used in a finite element analysis of pullout tests, indicating that the tensile modulus of a geotextile has a significant effect on the response of the geotextile–gravel system. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

预应力锚索损伤软化精细有限元模型

预应力锚索作为岩土工程的一种主要加固技术已得到日益广泛的应用,但现有的计算方法难以反映岩体、砂浆、钢绞线相互之间的滑移变形等实际情况,计算结果难以体现实际的加固效果。通过研究接触面的特性引入损伤软化概念,建立了包含钢绞线、砂浆、接触面的损伤软化精细有限元模型,并与现场试验进行了对比分析。该模型优点是精细地描述了钢绞线、砂浆和接触面等结构的力学行为,可以反映接触面力学材料损伤软化的过程,更加精确地反映了锚固段的力学变化过程。试验结果对比显示,两者随着荷载不断加大,锚固段接触面上的剪应力峰值由端口往里转移。当端口处于弹性阶段,峰值在端口,呈指数衰减模式;当端口处出现损伤软化,峰值往里转移。计算分析反映的锚固段应力变化规律与试验基本一致。     

基于统计损伤本构模型的改进桩-土接触面模型研究

建立准确合理的接触面本构模型是研究桩基承载力、沉降及变形等问题的前提。考虑桩-土界面初始剪切刚度的深度效应,提出基于统计损伤本构模型的无厚度接触面本构模型,根据剪切试验的数据对改进的接触面本构模型参数进行拟合,得到了不同法向应力下的模拟曲线。利用FLAC3D软件内嵌的FISH语言,对桩-土界面进行改进本构模型的二次开发,提出的无厚度接触面模型合理地模拟出桩-土界面刚度的非线性,成功实现了桩-土剪切试验过程的数值模拟。计算结果表明：提出的无厚度接触面本构模型能够合理地模拟桩-土界面的力学行为,可以描述接触面刚度的非线性变化,也适于程序化计算,拓展了接触面统计损伤本构模型的应用领域,为深入探讨桩基承载变形性状奠定了基础。     

季冻区土质边坡滑动界面临界深度的试验研究

为研究季节冰冻区土质边坡春融期常发生的浅层滑坡灾害,考虑盐水冰点低于水的冰点这一物理特性,设计了模拟土坡内部冻融界面的试验方法。比较了在不同含水率时,经冻融循环后土质边坡滑动面的临界深度,验证了在冻融界面上土质边坡的破坏形态,根据试验结果拟合了符合本文土样条件的土质边坡滑动面临界深度的损伤模型。分析表明,冻融循环后,随含水率和冻融循环次数的增加,边坡滑动破坏的临界深度值逐渐减小,经对试验数据拟合提出的临界深度随冻融循环损伤模型,可为季节冰冻区的边坡设计提供参考。     

锚杆拉拔试验的理论和数值分析

详细分析了现场锚杆拉拔试验的实测数据,说明了传统设计中认为界面抗剪应力平均分布的简化假定与近似服从负指数分布的实测结果存在误差。考虑界面黏结强度中化学胶着力、机械咬合力和界面摩擦力逐渐丧失的过程,建立了一个可以通过现场拉拔试验得到的极限荷载反算出界面抗剪强度和解耦长度的理论模型。引入一种可以模拟锚杆与岩土界面复 杂力学特性的摩擦-接触型界面单元建立数值模型进行仿真分析,再现了现场试验全过程的力学响应。通过与实测数据对比分析,验证了理论模型和数值分析的可靠性和精度。     

循环荷载作用下接触面的边界面模型研究

基于边界面的概念,建立了循环荷载作用下砂与结构物接触面的边界面塑性模型,以描述其剪切应力与剪应变的滞回特性。该模型考虑了初始相对密度和法向应力的影响,同时在弹性模量中引入损伤因子,反映了接触面在循环荷载下逐渐硬化的性质。通过比较理论计算与试验结果,显示了该模型的合理性。     

冻土与结构接触面冻结强度研究现状与展望

全面掌握冻土与结构接触面冻结强度研究进展,是进一步深入开展冻土与结构接触面冻结强度研究的前提。首先,从接触面冻结强度定义、接触面冻结强度剪切试验仪器研发、动静荷载作用下接触面冻结强度试验、接触面冻结强度数值模拟等多个角度系统归纳接触面冻结强度方面的最新研究成果。其次,通过对比不同接触面冻结强度剪切仪,指出现有试验仪器的不足,提出接触面冻结强度成因及破坏机理缺乏深入揭示的原因,讨论现有冻土与结构接触面单元模型、接触面冻结强度预测方法等方面存在的问题。最后,提出研发改进冻土接触面冻结强度试验仪器以更好模拟实际工况的展望,指出应当运用冻土微观结构研究手段深入揭示接触面冻结强度成因及破坏机理,建议结合试验和理论推导构建更为合理的冻土与结构接触面单元模型,阐述以多影响因素试验为基础探寻更为完善的接触面冻结强度预测方法。通过国内外研究现状、存在问题及其发展趋势分析,为冻土与结构接触面冻结强度研究以及冻土区地下工程设计和隧道工程人工冻结加固等方面提供参考和指导。     

基于广义位势理论的接触面本构模型一般表述

基于广义位势理论建立的岩土体材料本构模型以及岩土体材料与结构接触面本构模型原理相通,只是前者是在三轴剪切试验条件下的三维应力空间建模,后者是在单剪试验条件下的二维应力空间建模。单剪试验条件下土与结构的接触面问题可以看作是法向与切向应力空间上的二维问题,其试验结果可以表达成由应力、应变组成的二维矢量。结合接触面力学特性,确定应力空间中的势函数以及塑性状态方程,可以推导出双重势面接触面弹塑性本构方程的一般表达式。进一步取两个势函数分别为法向应力和切向应力,建立简化双重势面接触面弹塑性模型的本构方程,该方程可直接应用于有限元等数值分析。结合试验实例对建模方法的合理性进行验证,模型拟合效果良好。研究结果表明,基于广义塑性位势理论建立接触面本构模型无需推求塑性势函数和屈服函数,可以直接得到弹塑性刚度矩阵,且建模方便。