高、低壓下砂土剪切帶及砂土-結(jié)構(gòu)界面層力學(xué)行為演化研究.pdf

1、論文以巖土材料內(nèi)部剪切帶及巖土體-結(jié)構(gòu)體接觸界面層問題為背景,針對應(yīng)變局部化現(xiàn)象尤為突出的砂土材料,通過室內(nèi)物理試驗(yàn)、模型理論分析構(gòu)建了能夠?qū)⑸巴脸合录裘涇浕?、高壓下剪縮硬化特性進(jìn)行統(tǒng)一的砂土材料模型,并結(jié)合無網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)了砂土剪切帶、砂土-結(jié)構(gòu)接觸界面層產(chǎn)生、發(fā)展過程的模擬計算,使得對巖土工程真實(shí)的破壞過程進(jìn)行描述成為可能。
　　通過砂土室內(nèi)試驗(yàn),對砂土常壓至高壓范圍內(nèi)的強(qiáng)度、變形特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,獲得結(jié)論有:①因高壓條件下

2、砂土出現(xiàn)一定量的顆粒破碎,破碎顆粒充填砂樣原有結(jié)構(gòu),使得砂樣孔隙比迅速減小。砂土在0至8 MPa范圍內(nèi)等向壓縮曲線呈指數(shù)衰減型,孔隙比-圍壓擬合關(guān)系可表示為??e?a?b?exp c?ln p。砂土的壓縮特性具有明顯的粒徑效應(yīng),大尺寸砂土顆粒在高壓力下較小尺寸顆粒更易破碎,會產(chǎn)生較大的孔隙比變化。②砂土峰值應(yīng)力比受砂土粒徑、圍壓共同影響,峰值強(qiáng)度公式不再符合經(jīng)典的M-C強(qiáng)度準(zhǔn)則,而殘余應(yīng)力比對應(yīng)的強(qiáng)度公式則基本不受粒徑、圍壓的影響,符合

3、典型的無粘性摩擦型巖土材料特性。③砂土材料在剪切過程中存在明顯的臨界狀態(tài),不同圍壓條件下剪切穩(wěn)定時的孔隙比e與平均應(yīng)力p間的擬合曲線關(guān)系表達(dá)式為??e?l?m?exp n?ln p,這一指數(shù)衰減曲線可作為砂土在剪切過程中最終趨于穩(wěn)定的一個狀態(tài)線。
　　基于對砂土強(qiáng)度、變形特性的分析,構(gòu)建了能夠?qū)⑸巴良裘涇浕凹艨s硬化特性進(jìn)行統(tǒng)一的砂土模型。模型采用應(yīng)力路徑相關(guān)因子對等向壓縮路徑獲得的屈服面硬化參數(shù)進(jìn)行修正得到與應(yīng)力路徑無關(guān)的砂土當(dāng)

4、前屈服面硬化參數(shù),同時由砂土臨界狀態(tài)參數(shù)推導(dǎo)得出能夠體現(xiàn)砂土臨界特性的潛在屈服面硬化參數(shù)。根據(jù)當(dāng)前、潛在屈服面間的關(guān)系定義了能夠反映砂土當(dāng)前狀態(tài)的動態(tài)密實(shí)參數(shù)及潛在強(qiáng)度。模型共有涉及彈性、臨界破壞強(qiáng)度、當(dāng)前屈服面及潛在屈服面的參數(shù)共計10個,各參數(shù)物理意義明確,均可通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)獲得。
　　通過試驗(yàn)得知砂土-結(jié)構(gòu)面接觸剪切力學(xué)特性受砂土顆粒與結(jié)構(gòu)形貌相對尺度的影響呈三段式,存在著兩個明顯的特征點(diǎn),分別定義為“極限相對尺度”與“臨

5、界相對尺度”。在“極限相對尺度”Rmax前,砂土-結(jié)構(gòu)面接觸力學(xué)特性受形貌尺度的影響較為明顯,接觸剪切作用機(jī)制為接觸剪切力用于克服砂土顆?？缭浇Y(jié)構(gòu)表面的粗糙形貌的阻力,論文將這一相對尺度范圍內(nèi)的砂土-結(jié)構(gòu)接觸剪切模式定義為“粗糙摩擦接觸”機(jī)制,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面類型為“粗糙頻”結(jié)構(gòu)面。在“極限相對尺度”Rmax之后,砂土-結(jié)構(gòu)面接觸力學(xué)特性受形貌尺度的影響基本消失,此時的接觸剪切作用機(jī)制為砂土顆粒群內(nèi)部發(fā)生翻滾跨越耗能,論文將“極限相對尺度”

6、Rmax之后的砂土-結(jié)構(gòu)面接觸剪切模式定義為“形貌約束接觸”機(jī)制,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面類型為“形貌頻”結(jié)構(gòu)面。論文針對不同結(jié)構(gòu)面類型提出了不同的接觸力學(xué)特性參數(shù)獲取方法。針對“粗糙頻”結(jié)構(gòu)面,采用砂土-結(jié)構(gòu)面接觸剪切試驗(yàn)獲得峰值接觸剪應(yīng)力與殘余接觸剪應(yīng)力,得到的峰值接觸摩擦角與殘余接觸摩擦角即對應(yīng)于計算中的接觸靜止摩擦角與滑動摩擦角;“形貌頻”結(jié)構(gòu)面在接觸剪切中對砂土顆粒提供形貌約束邊界,其結(jié)構(gòu)表面形貌特征需在計算建模中進(jìn)行真實(shí)描述。
　

7、　論文分析明確砂土剪切帶及砂土-結(jié)構(gòu)接觸界面層演化模擬計算中的應(yīng)變軟化計算不收斂以及大變形網(wǎng)格畸變兩個關(guān)鍵難點(diǎn)。通過分析相關(guān)計算理論并比較現(xiàn)有數(shù)值計算方法,選用無網(wǎng)格SPH方法作為論文砂土模型的二次開發(fā)平臺,將模型子程序與之進(jìn)行對接編譯生成新的SPH求解器,克服了計算難點(diǎn)使得對砂土等應(yīng)變軟化材料的大應(yīng)變問題模擬計算成為可能。利用新生成的求解器開展砂土自身剪切及砂土-結(jié)構(gòu)接觸界面剪切試驗(yàn)?zāi)M,分析了不同邊界條件下的力學(xué)行為以及應(yīng)力、應(yīng)變場

8、的發(fā)生、發(fā)展過程,再現(xiàn)了試驗(yàn)中的應(yīng)變局部化剪切帶及界面層現(xiàn)象與特征,獲得結(jié)論:①礫砂在常壓下內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變局部化剪切帶與其應(yīng)變軟化、剪切體脹特性密切相關(guān);高壓下試樣呈現(xiàn)應(yīng)變硬化、剪切體縮特性,應(yīng)變局部化剪切帶不再產(chǎn)生。②常壓下砂土雙軸力學(xué)特性受端部邊界影響,端部約束則會增大峰值應(yīng)力,試樣內(nèi)部應(yīng)變局部化區(qū)域也較為集中,產(chǎn)生明顯的單對“共軛”對稱應(yīng)變局部化剪切帶;端部光滑邊界條件下的應(yīng)變局部化發(fā)展相對分散而呈現(xiàn)多對“共軛”對稱應(yīng)變局部化帶狀區(qū)