常剛度法向邊界控制下接觸面的動力特性

常剛度法向邊界控制下接觸面的動力特性

0試驗研究土壤和結(jié)構(gòu)接觸面的力學特性的研究具有重要的理論意義。接觸面力學規(guī)律的總結(jié)、建立和驗證建立在可接近面的力學特性上，尤其是在各種控制條件下，基于切割路徑下的靜動力學響應的深入理解和系統(tǒng)研究的基礎上。隨著粗粒土在土石壩、面板堆石壩、高速鐵路等實際工程中的廣泛應用,其與面板、基巖、地基等構(gòu)成的接觸面的力學特性對土體與結(jié)構(gòu)物應力變形及其相互作用等有重要影響,因此接觸面的研究也具有重要的工程價值。材料試驗是接觸面力學特性研究的基礎,國內(nèi)外學者對其進行了大量的試驗研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。以往的研究主要存在以下幾方面局限性:主要針對常應力法向邊界條件,對于常剛度條件下接觸面力學響應規(guī)律的研究還很少,Fakharian等對常剛度條件進行了一些研究,但主要針對砂土;由于受到試驗設備的限制,主要局限于接觸面二維力學特性的研究,接觸面三維力學特性有待于進一步研究;主要集中于切向位移控制條件研究[3,4,5,6,7,8,9,10,11],如文獻對粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面在法向常剛度切向位移控制條件下的三維動力特性進行了研究;而實際工程中的部分接觸面用切向應力控制條件來模擬將更為合理一些,如橋梁樁基礎與周圍土體接觸面在交通荷載等作用下的力學特性等;目前對切向應力控制條件下接觸面力學特性及其與位移控制條件的比較研究尚無系統(tǒng)成果發(fā)表;接觸面本構(gòu)模型也很少用切向應力控制試驗結(jié)果進行直接驗證。因此有必要對切向應力控制條件下粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學特性及其與位移控制條件的異同進行研究。本文運用最新研制的80t三維多功能土工試驗機,對工程中常用的粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面在法向常剛度切向應力控制條件下的三維動力特性進行了試驗研究。主要分析該條件下接觸面的基本力學特性,并探討切向控制方式對接觸面力學特性的影響。1試驗條件1.1試驗加載和測量條件試驗設備采用最新研制的80t三維多功能土工試驗機,該設備的三維示意圖如圖1所示。設備主機框架尺寸為2m×2m×3.5m(長×寬×高),提供了較大的空間安裝接觸面試樣(試樣最大尺寸達500mm);法向相應可行走±300mm,可施力800kN,切向可行走±150mm,可施力400kN;實現(xiàn)了試驗中常用的3種法向邊界條件(常應力、常剛度和常位移)以及應力、位移兩種切向控制方式;可進行直線、圓形以及任意自定義的切向加載路徑;加載、控制和測量均實現(xiàn)了自動化,且精度較高。設備適用于研究各類接觸面在復雜加載條件下的靜動力學特性。1.2軸試驗結(jié)果試驗用粗粒土為積石峽干溝料,顆粒尖角銳緣不多;粒徑范圍5~12mm,平均粒徑7.5mm,為不良級配粗粒土。制樣時控制其干密度為1.84g/cm3。三軸試驗結(jié)果表明其應變軟化程度較小,高圍壓下主要為體縮,低圍壓下體脹現(xiàn)象非常明顯。試驗用結(jié)構(gòu)面板為人造粗糙鋼板,其表面的齒形為統(tǒng)一的正四棱臺。定義正四棱臺的高度(即表面齒形的峰谷距)為結(jié)構(gòu)面板的粗糙度,用R表示。該鋼板的粗糙度為R=1mm。根據(jù)切向位移控制接觸面試驗結(jié)果,該接觸面在單調(diào)直線剪切路徑下的摩擦角約為35°。1.3完整循環(huán)本文試驗主要在單向往返和十字加載路徑下進行,其示意圖如圖2所示。單向往返加載路徑是在一個切向進行往返剪切的過程,如圖中的(1)—(2)—(3)—(4)—(1),并定義(1)—(2)—(3)—(4)為一個完整循環(huán)。十字加載路徑是沿兩個正交切向(x和y方向)進行交替剪切的過程,如圖中的(1)—(2)—(3)—(4)—(5)—(6)—(7)—(8)—(1),定義(1)—(2)—(3)—(4)和(5)—(6)—(7)—(8)各為一完整循環(huán)。土體試樣按要求制備完成后,將鋼板置于其上并施加需要的初始法向應力σ0,將法向邊界條件設置為常剛度條件并設定剛度值K。然后在切向施加相應的切向應力τ,使接觸面按指定的加載路徑進行剪切;并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。本文試驗采用的法向剛度值K=100kPa/mm,初始法向應力σ0=400kPa,切向加載幅值τm=255kPa,基本上為接觸面靜抗剪強度的90%,為初始法向應力的65%。2循環(huán)剪切過程中接觸面體變的變化圖3給出了十字和單向往返加載路徑下接觸面試驗結(jié)果,包括切向位移u、法向位移v、法向應力σ隨循環(huán)周次N變化的時程曲線。接觸面面積在剪切過程中保持不變,因此法向位移和接觸面體變在定性規(guī)律上是一致的;并根據(jù)土力學習慣規(guī)定接觸面體變以壓縮為正,膨脹為負。在切向應力控制十字和單向往返加載路徑下,接觸面均產(chǎn)生了一定的法向位移,這說明接觸面產(chǎn)生了明顯的剪切體變,且在循環(huán)剪切的過程中呈現(xiàn)有規(guī)律的增大和減小,但總體上以剪縮為主。初始幾個剪切循環(huán)內(nèi)接觸面體變速率較大,隨后逐漸減慢并最終基本趨于穩(wěn)定;單向往返加載路徑下接觸面體變的穩(wěn)定值略大于十字加載路徑。在常剛度法向邊界條件下,接觸面的體縮使法向應力總體上在減小,并且呈現(xiàn)有規(guī)律的波動,波動的形式與法向位移相同;十字加載路徑下法向應力平均值最后基本穩(wěn)定在300kPa左右;單向往返加載路徑下接觸面法向應力的變化形式與法向位移也類似,這里不再給出,其平均值最后基本穩(wěn)定在295kPa左右,略小于十字加載路徑。隨著循環(huán)剪切的進行,十字和單向往返加載路徑下接觸面切向位移幅值逐漸增大,同時向一個方向發(fā)生明顯偏移。但幅值增加和偏移速率,十字加載路徑較單向往返加載路徑為小;十字加載路徑下x方向的偏移速度較y方向大,幅值增加速率基本相同。單向往返加載路徑下,第16循環(huán)接觸面切向位移已基本偏移至-40mm,位移幅值也已超過30mm;而對于十字加載路徑,到了第21循環(huán),x向位移才偏移至-40mm,y向則還不到-30mm,位移幅值也才達到20mm左右。3規(guī)律分析3.1可逆性剪切體變的發(fā)展規(guī)律粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面試驗結(jié)果表明,接觸面剪切體變可以分為可逆和不可逆兩部分;其對應的法向位移稱為可逆性法向位移vre和不可逆性法向位移virre。不可逆性法向位移是指每一剪切循環(huán)中法向位移的最大值,從接觸面法向位移v中扣除不可逆性法向位移virre即為可逆性法向位移vre,即vre=v-virre。圖3中虛線給出了接觸面不可逆法向位移,圖4給出了接觸面可逆性法向位移vre與循環(huán)周次N的時程曲線。從圖4可以看出,切向應力控制十字和單向往返路徑下接觸面可逆性剪切體變均非常明顯,甚至達到不可逆性剪切體變的一半以上。接觸面不可逆性剪切體變一直為壓縮,其發(fā)展與剪切路程有關(guān);初始剪切時接觸面不可逆性剪切體變速率均較大,隨后逐漸減慢并最終基本趨于穩(wěn)定;單向往返加載路徑下接觸面不可逆性剪切體變的增加速率及最后達到的穩(wěn)定值較十字加載路徑稍大一些。可逆性剪切體變幅值在初始剪切時較小,隨后逐漸增加并趨于穩(wěn)定;其幅值的增加速率,單向往返加載路徑較十字加載路徑為大。初始剪切時切向位移幅值較小,接觸面可逆性剪切體變沒有充分發(fā)展,因此其幅值相對較小,隨著循環(huán)剪切的進行,切向位移增加使可逆性剪切體變逐漸發(fā)展,當切向位移達到一定程度時,可逆性剪切體變充分發(fā)展,其幅值不再變化,基本上穩(wěn)定在0.8mm左右,這說明可逆性剪切體變的發(fā)展程度主要與切向位移幅值有關(guān);切向應力控制條件下接觸面體變經(jīng)歷了不可逆性剪切體變占優(yōu),可逆性剪切體變在逐漸加強的過程;也經(jīng)歷了不可逆剪切體變增量占優(yōu),到其與可逆性剪切體變增量基本平衡,再到可逆性剪切體變增量占優(yōu)的過程。圖5,6別給出了給出了2種加載路徑下特定循環(huán)周次(第1,4,16循環(huán),十字加載路徑亦給出第24循環(huán))法向位移v、可逆性法向位移vre與切向應力τ以及法向位移v與切向位移u的關(guān)系曲線?？梢钥闯鲈谑趾蛦蜗蛲导虞d路徑下,接觸面在每個循環(huán)均先剪縮再剪脹,卸載時則主要為剪縮;隨著循環(huán)剪切的進行,這種現(xiàn)象更為明顯。在十字加載路徑下,初始剪切時由于接觸面不可逆性剪切體變增長較快,可逆性剪切體變沒有充分發(fā)展,法向位移–切向應力關(guān)系曲線不閉合,總有一定的張開,不同循環(huán)也不重合;隨著循環(huán)剪切的進行,不可逆剪切體變增長變慢,并逐漸趨于穩(wěn)定,可逆性剪切體變充分發(fā)展,該曲線張開量逐漸減小;不同循環(huán)也基本趨于重合?？赡嫘苑ㄏ蛭灰屁C切向應力關(guān)系曲線同一循環(huán)也是不閉合的,稍有一定的張開,這主要是由兩個正交切向交替剪切導致顆粒重排列引起的;曲線的張開量隨循環(huán)剪切的進行逐漸減小。不同循環(huán)可逆性法向位移–切向應力關(guān)系曲線,在初始剪切時由于可逆性剪切體變要繼續(xù)發(fā)展而不重合;隨著循環(huán)剪切的進行、可逆性剪切體變充分發(fā)展而逐漸趨于重合。而對于單向往返加載路徑,法向位移–切向應力關(guān)系曲線初始剪切時不閉合,后逐漸轉(zhuǎn)為閉合;可逆性法向位移–切向應力關(guān)系曲線除第一循環(huán)不閉合外,其他循環(huán)均基本閉合。圖6中兩種加載路徑下法向位移–切向位移曲線總不閉合,不同循環(huán)也不重合,這主要是由切向位移的偏移引起的。同時可以發(fā)現(xiàn),接觸面在正反兩個剪切方向的可逆性剪切體變是不同的,正方向剪切對應的可逆性剪切體變一般較反向為小,這說明接觸面體變在循環(huán)剪切過程中產(chǎn)生了異向性,且在初始剪切時較為明顯,隨著循環(huán)剪切的進行,接觸面體變異向性稍有減弱。同時十字加載路徑下接觸面可逆性剪切體變在正反剪切方向的差別較單向往返路徑為大,接觸面體變異向性比單向往返路徑更明顯,說明切向加載路徑對接觸面的體變特性及其異向性有一定影響,垂直方向的剪切一定程度上增加了接觸面的體變異向性。3.2切向應力對接觸面切向位移的影響如前所述,接觸面切向位移幅值隨著循環(huán)剪切的進行逐漸增加,且十字加載路徑較單向往返加載路徑慢。這是因為在初始剪切時,接觸面法向應力較大,抗剪強度也相應較大,達到切向應力幅值時對應的應力水平較小,產(chǎn)生的切向位移也較小;隨著循環(huán)剪切的進行,接觸面法向應力逐漸減小,達到切向應力幅值時對應的應力水平變大,而接觸面剪切硬化程度相對較低,產(chǎn)生的切向位移也相應增大。而十字加載路徑下接觸面剪縮速率較單向往返加載路徑稍慢一些,同一循環(huán)接觸面法向應力較大,達到切向應力幅值時對應的應力水平較小,再加上垂直方向的剪切導致顆粒重分布,從而產(chǎn)生的切向位移幅值較單向往返加載路徑為小。圖7給出了切向應力控制條件下接觸面切向應力τ及應力比η(η=τ/σ)與切向位移u的關(guān)系曲線?？梢钥闯?切向位移隨著切向應力的增加是逐漸增加的;加載階段接觸面的切向剛度(切向應力–切向位移曲線的斜率)在初始剪切時較大,隨著循環(huán)剪切的進行逐漸減小,這在單向往返加載路徑下更為明顯。切向剛度的降低是法向應力降低和接觸面剪切硬化綜合作用的結(jié)果,當法向應力降低起主導作用時,切向剛度就會隨之降低。卸載階段的切向剛度比加載階段大的多,接觸面是在切向位移變化很小的情況下迅速卸載的,因此卸載段的曲線幾乎是豎直的,接觸面切向位移主要在加載階段產(chǎn)生。單向往返加載路徑下切向位移幅值增加較快,使得加載階段的切向剛度較十字加載為小。卸載階段的切向剛度則差別不大。在初始剪切時接觸面切向應力應變曲線沒有出現(xiàn)切向應力基本不變的水平段,隨著循環(huán)剪切的進行,有產(chǎn)生水平段的趨勢;在應力控制條件下,切向應力作為控制因素在加載階段是不斷增加的,因此不可能產(chǎn)生切向應力不變的水平段。應力比–切向位移關(guān)系曲線形式與切向應力應變曲線類似,但其隨著循環(huán)剪切的進行逐漸出現(xiàn)了應力比基本不變的水平段,這說明接觸面逐漸達到抗剪強度。由于切向位移的偏移和幅值的增大,直接導致了兩種加載路徑下切向應力應變關(guān)系曲線、應力比–切向位移關(guān)系曲線在同一循環(huán)不閉合,不同循環(huán)不重合,甚至差別較大。3.3切向應力控制圖8給出了十字和單向往返加載路徑下接觸面剪切過程中的應力路徑圖及其強度包線,其中十字加載路徑給出的是x方向的應力路徑?？梢灾庇^地發(fā)現(xiàn)切向應力控制兩種加載路徑下接觸面在初始剪切時均未達到強度包線,隨著循環(huán)剪切的進行逐漸接近并達到強度包線。這說明在法向常剛度切向應力控制條件下,接觸面在初始剪切的幾個循環(huán)內(nèi)沒有達到抗剪強度,沒有發(fā)生破壞;隨著循環(huán)剪切的進行、法向應力的降低,接觸面逐漸達到抗剪強度,處于破壞狀態(tài),但破壞狀態(tài)持續(xù)的時間很短;否則切向位移將會迅速增大,使設備失控。由圖8可以得出切向應力控制條件下接觸面摩擦角約為35°。4切向位移控制條件下的接觸面體變特性圖9~12給出了切向位移控制十字加載路徑下接觸面試驗結(jié)果,切向位移幅值為40mm。用以比較分析切向控制方式對接觸面動力特性的影響。在切向位移控制條件下,接觸面也產(chǎn)生了可分為可逆和不可逆部分的剪切體變;不可逆剪切體變隨著循環(huán)的進行逐漸增大,然后基本趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定值較切向應力控制大得多,可逆性剪切體變則變化不大,維持在0.8mm左右,與切向應力控制達到的穩(wěn)定值相近;這是因為切向位移控制條件下初始剪切及后續(xù)剪切過程中,切向位移幅值均為40mm,接觸面可逆性剪切體變在開始時就已經(jīng)充分發(fā)展;初始剪切的一個完整循環(huán)中,接觸面所走的剪切路程較應力控制大得多,因此不可逆剪切體變發(fā)展的更快。進一步說明可逆性剪切體變的發(fā)展程度主要與切向位移幅值有關(guān);不可逆剪切體變的發(fā)展與剪切路程有很大關(guān)系。但隨著循環(huán)剪切的進行,接觸面體變總體上為剪縮,說明切向位移控制接觸面體變經(jīng)歷了由可逆性剪切體變占優(yōu)到不可逆性剪切體變占優(yōu)的過程,而切向應力控制是不可逆性剪切體變占優(yōu)、可逆性剪切體變逐漸增強的過程。這也是切向位移控制條件初始剪切時接觸面總體呈剪脹現(xiàn)象,而應力控制時則總體剪縮的原因。同時,切向位移控制條件下接觸面也呈現(xiàn)一定的異向性,但由于剪切位移幅值較大,可逆性剪切體變充分發(fā)展,接觸面體變異向性表現(xiàn)的不太明顯。在切向位移控制條件下,由于接觸面總體剪縮,法向應力降低,抗剪強度相應降低,因此切向應力逐漸減小,最后基本達到零;而在切向應力控制條件下,接觸面法向應力的降低使應力水平提高,因此切向位移幅值隨循環(huán)剪切而逐漸增大,并產(chǎn)生明顯偏移,這直接導致法向位移–切向位移曲線不閉合,有一定的錯開,而切向位移控制條件下該曲線則是基本閉合的。比較圖7,11可以看出,切向應力和位移控制條件下特定循環(huán)接觸面切向應力應變關(guān)系、應力比–切向位移關(guān)系也有明顯不同。對于切向位移控制,在初始剪切時接觸面就出現(xiàn)切向應力基本不變的水平段,且接觸面切向應力–切向位移曲線在一個完整循環(huán)內(nèi)基本閉合,不同循環(huán)一般不重合,但形狀相似。對于應力比–切向位移關(guān)系曲線,切向應力控制條件下不閉合,不同循環(huán)也不重合;切向位移控制條件下則是閉合的,不同循環(huán)也基本重合。進一步整理試驗結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)切向應力和位移控制條件下接觸面的初始切向剛度相差不大;但是隨著循環(huán)剪切的進行,位移控制條件下接觸面剪切硬化占主導地位,切向剛度逐漸增加;而應力控制時法向應力降低占主導地位,切向剛度則逐漸減小。在強度特性方面,切向應力和位移控制條件下接觸面摩擦角均為35°,這說明接觸面抗剪強度指標(接觸面摩擦角)受切向控制方式影響較小。同時從圖12可以看出,切向應力和位移控制條件下接觸面的應力路徑有很大不同