高、低壓下砂土剪切帶及砂土-結構界面層力學行為演化研究.pdf

1、論文以巖土材料內部剪切帶及巖土體-結構體接觸界面層問題為背景,針對應變局部化現象尤為突出的砂土材料,通過室內物理試驗、模型理論分析構建了能夠將砂土常壓下剪脹軟化、高壓下剪縮硬化特性進行統(tǒng)一的砂土材料模型,并結合無網格方法實現了砂土剪切帶、砂土-結構接觸界面層產生、發(fā)展過程的模擬計算,使得對巖土工程真實的破壞過程進行描述成為可能。
　　通過砂土室內試驗,對砂土常壓至高壓范圍內的強度、變形特性進行了系統(tǒng)研究,獲得結論有:①因高壓條件下

2、砂土出現一定量的顆粒破碎,破碎顆粒充填砂樣原有結構,使得砂樣孔隙比迅速減小。砂土在0至8 MPa范圍內等向壓縮曲線呈指數衰減型,孔隙比-圍壓擬合關系可表示為??e?a?b?exp c?ln p。砂土的壓縮特性具有明顯的粒徑效應,大尺寸砂土顆粒在高壓力下較小尺寸顆粒更易破碎,會產生較大的孔隙比變化。②砂土峰值應力比受砂土粒徑、圍壓共同影響,峰值強度公式不再符合經典的M-C強度準則,而殘余應力比對應的強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與平均應力p間的擬合曲線關系表達式為??e?l?m?exp n?ln p,這一指數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。
　　基于對砂土強度、變形特性的分析,構建了能夠將砂土剪脹軟化及剪縮硬化特性進行統(tǒng)一的砂土模型。模型采用應力路徑相關因子對等向壓縮路徑獲得的屈服面硬化參數進行修正得到與應力路徑無關的砂土當

4、前屈服面硬化參數,同時由砂土臨界狀態(tài)參數推導得出能夠體現砂土臨界特性的潛在屈服面硬化參數。根據當前、潛在屈服面間的關系定義了能夠反映砂土當前狀態(tài)的動態(tài)密實參數及潛在強度。模型共有涉及彈性、臨界破壞強度、當前屈服面及潛在屈服面的參數共計10個,各參數物理意義明確,均可通過室內三軸試驗獲得。
　　通過試驗得知砂土-結構面接觸剪切力學特性受砂土顆粒與結構形貌相對尺度的影響呈三段式,存在著兩個明顯的特征點,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-結構面接觸力學特性受形貌尺度的影響較為明顯,接觸剪切作用機制為接觸剪切力用于克服砂土顆粒跨越結構表面的粗糙形貌的阻力,論文將這一相對尺度范圍內的砂土-結構接觸剪切模式定義為“粗糙摩擦接觸”機制,相應的結構面類型為“粗糙頻”結構面。在“極限相對尺度”Rmax之后,砂土-結構面接觸力學特性受形貌尺度的影響基本消失,此時的接觸剪切作用機制為砂土顆粒群內部發(fā)生翻滾跨越耗能,論文將“極限相對尺度”

6、Rmax之后的砂土-結構面接觸剪切模式定義為“形貌約束接觸”機制,相應的結構面類型為“形貌頻”結構面。論文針對不同結構面類型提出了不同的接觸力學特性參數獲取方法。針對“粗糙頻”結構面,采用砂土-結構面接觸剪切試驗獲得峰值接觸剪應力與殘余接觸剪應力,得到的峰值接觸摩擦角與殘余接觸摩擦角即對應于計算中的接觸靜止摩擦角與滑動摩擦角;“形貌頻”結構面在接觸剪切中對砂土顆粒提供形貌約束邊界,其結構表面形貌特征需在計算建模中進行真實描述。
　

7、　論文分析明確砂土剪切帶及砂土-結構接觸界面層演化模擬計算中的應變軟化計算不收斂以及大變形網格畸變兩個關鍵難點。通過分析相關計算理論并比較現有數值計算方法,選用無網格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行對接編譯生成新的SPH求解器,克服了計算難點使得對砂土等應變軟化材料的大應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-結構接觸界面剪切試驗模擬,分析了不同邊界條件下的力學行為以及應力、應變場

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