循環(huán)荷載作用下接觸面力學(xué)特性試驗(yàn)研究

循環(huán)荷載作用下接觸面力學(xué)特性試驗(yàn)研究

0互作用分析的基本原理隨著板材堆垛石和其他工程的建設(shè)，更大的砂礫和粗粒土在工程中得到了廣泛應(yīng)用。粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性對(duì)土體與結(jié)構(gòu)物相互作用分析具有重要影響,其基本規(guī)律和描述方法日益受到重視。已有的土與結(jié)構(gòu)接觸面試驗(yàn)多是針對(duì)砂土或黏性土進(jìn)行的,對(duì)粒徑更大的粗粒土(如砂礫料、堆石料等)構(gòu)成的接觸面的力學(xué)特性尤其是動(dòng)力特性尚無(wú)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)表。本文對(duì)循環(huán)加載條件下各類(lèi)粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的變形特性進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,根據(jù)試驗(yàn)成果分析了粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)力學(xué)特性的基本規(guī)律和受力變形機(jī)理。1粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面試驗(yàn)結(jié)果本文試驗(yàn)采用筆者等人新研制的大型粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)剪切儀(TH-20tCSASSI)進(jìn)行。該設(shè)備可提供較大的接觸面試驗(yàn)尺寸,可施加和測(cè)量較大的荷載和相對(duì)位移,可提供常應(yīng)力、常位移和常剛度等3種法向邊界條件,可進(jìn)行單調(diào)和往返加載,因此適用于研究粗粒土與各類(lèi)結(jié)構(gòu)材料形成的接觸面的力學(xué)特性。除了宏觀測(cè)量手段實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化以外,還配備了記錄結(jié)構(gòu)面附近土顆粒的細(xì)觀狀態(tài)并測(cè)量其變位的手段。試驗(yàn)土料取自昌平,為人工開(kāi)采料,顆粒尖角銳緣較多,試驗(yàn)采用均勻礫(干密度ρd=1.75g/cm3,平均粒徑7mm,不均勻系數(shù)為1.4)和復(fù)合礫(干密度ρd=2.0g/cm3,平均粒徑10mm,不均勻系數(shù)為4.4)兩種級(jí)配。三軸壓縮試驗(yàn)表明,均勻礫和復(fù)合礫均未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化,剪切時(shí)在低圍壓下表現(xiàn)出明顯的體脹,在較高圍壓下表現(xiàn)出明顯的體縮。結(jié)構(gòu)面材料采用具有標(biāo)準(zhǔn)表面齒型形狀的人工粗糙鋼板,該鋼板的表面粗糙程度僅通過(guò)調(diào)整鋼板表面齒型的峰谷距來(lái)實(shí)現(xiàn),本文將表面齒型的峰谷距定義為結(jié)構(gòu)面的粗糙度,記作R。試驗(yàn)采用粗糙度分別為0.1、1和10mm的3種人工粗糙度鋼板,分別記作A、B和C型粗糙鋼板。對(duì)由上述兩種粗粒土和3種人工粗糙鋼板構(gòu)成的6種粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面,進(jìn)行了常應(yīng)力、常位移和常剛度法向邊界條件下的往返加載試驗(yàn)。試驗(yàn)加載按位移控制,加載頻率為0.005Hz,共加載100個(gè)循環(huán),同時(shí)進(jìn)行了宏、細(xì)觀測(cè)量。接觸面往返剪切試驗(yàn)表明,與接觸面單調(diào)剪切試驗(yàn)類(lèi)似,結(jié)構(gòu)面粗糙度、土的物理力學(xué)特性和法向應(yīng)力仍然是影響粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)力學(xué)特性的主要因素。從試驗(yàn)結(jié)果的定性規(guī)律來(lái)看,粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性的基本規(guī)律是相同的。本文以均勻礫.與B型粗糙鋼板(R=1mm)接觸面的往返剪切試驗(yàn)結(jié)果為例來(lái)說(shuō)明粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性的基本規(guī)律。由于在剪切過(guò)程中接觸面的面積不變,因此相對(duì)法向位移在數(shù)值上與接觸面的體積變化相當(dāng),規(guī)定相對(duì)法向位移以壓縮為正,膨脹為負(fù)。圖1給出了在法向應(yīng)力σ分別為200kPa和700kPa的常法向應(yīng)力條件下進(jìn)行接觸面往返剪切試驗(yàn)得到的剪應(yīng)力τ、相對(duì)法向位移v隨剪切循環(huán)次數(shù)N變化的時(shí)程曲線。圖2給出了試驗(yàn)得到的在不同剪切循環(huán)內(nèi)剪應(yīng)力τ與相對(duì)切向位移u以及相對(duì)法向位移v與相對(duì)切向位移u的關(guān)系曲線。從圖1中可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,接觸面的峰值剪應(yīng)力基本保持不變;相對(duì)法向位移在總體上表現(xiàn)為單調(diào)增加,但在一個(gè)剪切循環(huán)中則出現(xiàn)有規(guī)律的增大和減小變化。由于在剪切過(guò)程中法向應(yīng)力保持不變,相對(duì)法向位移只能是接觸面的剪脹體變,因此,粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的剪脹體變是由一個(gè)隨著剪切循環(huán)增加而單調(diào)增長(zhǎng)的、不可逆性的體變分量和一個(gè)可逆性的體變分量構(gòu)成的。圖1中用虛線標(biāo)出了不可逆性剪脹體變分量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系,可以看出,不可逆性剪脹體變的增加速率隨著剪切的發(fā)展而逐漸減小,最終趨向于一個(gè)穩(wěn)定值,法向應(yīng)力增大會(huì)導(dǎo)致起始的幾個(gè)剪切循環(huán)的不可逆剪脹體變分量變化速率增大。由圖2看出,接觸面的切向應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系未出現(xiàn)明顯軟化,剪切過(guò)程中不同循環(huán)的峰值剪應(yīng)力基本相等,在一個(gè)完整剪切循環(huán)內(nèi),接觸面的切向應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系曲線是基本閉合的;隨著循環(huán)次數(shù)的增加,切向應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系曲線加載段的斜率逐漸增大并接近卸載段的斜率;在不同剪切方向上,同一循環(huán)的切向應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系存在著一定程度的差異,具體表現(xiàn)為沿初始剪切方向比其反方向的摩擦角稍低,卸載段斜率大。同一剪切循環(huán)內(nèi)的相對(duì)法向位移的變化是有規(guī)律的,主要取決于當(dāng)時(shí)的剪應(yīng)變和剪應(yīng)力比的大小和方向。在初始單調(diào)加載段,接觸面的相對(duì)法向位移在法向應(yīng)力較小時(shí)以減小為主,在法向應(yīng)力較大時(shí)以增大為主,這意味著接觸面在法向應(yīng)力不同時(shí)表現(xiàn)出不同的剪脹規(guī)律。當(dāng)剪應(yīng)力已基本達(dá)到穩(wěn)定時(shí),相對(duì)法向位移仍然不斷變化,其達(dá)到基本穩(wěn)定時(shí)所需的相對(duì)切向位移遠(yuǎn)大于剪應(yīng)力達(dá)到基本穩(wěn)定所需的相對(duì)切向位移。當(dāng)發(fā)生卸載時(shí),接觸面的相對(duì)法向位移都有所增大,這意味著結(jié)構(gòu)面附近的土體在卸載時(shí)表現(xiàn)出明顯的剪縮。在往返剪切條件下,接觸面的相對(duì)法向位移的變化規(guī)律與剪切方向存在較大關(guān)聯(lián),表現(xiàn)出不對(duì)稱(chēng)性。如圖2所示,當(dāng)沿初次剪切方向剪切時(shí),接觸面的相對(duì)法向位移主要表現(xiàn)為增大,這意味著結(jié)構(gòu)面附近的土發(fā)生了剪縮;而沿初次剪切方向的反方向剪切時(shí),接觸面的相對(duì)法向位移主要表現(xiàn)為減小,這意味著結(jié)構(gòu)面附近的土以剪脹為主。從圖2還可以看出,這一現(xiàn)象在多次剪切后表現(xiàn)得更為明顯。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系的相似性也不斷增大,這在高法向應(yīng)力條件下表現(xiàn)得更加明顯。如圖2所示,當(dāng)法向應(yīng)力為700kPa時(shí),在第31、60和85個(gè)剪切循環(huán)時(shí)的切向應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系曲線基本重合;切向應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系曲線的加載段逐漸變直,并與卸載段越來(lái)越近似成一直線。相對(duì)法向位移在起始的幾個(gè)剪切循環(huán)變化較快,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,不同循環(huán)內(nèi)的相對(duì)法向位移變化規(guī)律也逐漸接近。這種應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系的變化趨勢(shì)與相對(duì)法向位移的單調(diào)增長(zhǎng)部分即不可逆剪脹體變存在著較強(qiáng)的內(nèi)在聯(lián)系。圖3給出了均勻礫與B型粗糙鋼板接觸面在保持法向剛度K為40kPa/mm不變、初始法向應(yīng)力σ0為400kPa下的往返剪切試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知,由于隨著循環(huán)次數(shù)增加接觸面表現(xiàn)出剪縮的趨勢(shì),導(dǎo)致接觸面的法向應(yīng)力降低,使得剪應(yīng)力也隨之降低,出現(xiàn)了減壓軟化現(xiàn)象。接觸面的相對(duì)法向位移的變化規(guī)律在定性上與圖2所示的常應(yīng)力法向邊界條件試驗(yàn)結(jié)果是類(lèi)似的。圖3給出的應(yīng)力路徑表明,常剛度法向邊界條件下接觸面往返剪切的抗剪強(qiáng)度包線接近于直線,表明接觸面的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力近似成線性關(guān)系,這與常應(yīng)力法向邊界條件試驗(yàn)結(jié)果得到的規(guī)律是相同的。2抗剪性能的變化接觸面試驗(yàn)結(jié)果表明,同一剪切循環(huán)內(nèi)的切向應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系和相對(duì)法向位移的變化規(guī)律在不同剪切方向上均存在著一定程度的差異,其具體表現(xiàn)在上文中已有論述。為了與力學(xué)中的各向異性概念相區(qū)別,本文將這種由于初次剪切造成結(jié)構(gòu)面附近土顆粒的排列變化,使得接觸面的力學(xué)響應(yīng)與剪切方向的相關(guān)性稱(chēng)作接觸面異向性。本文試驗(yàn)結(jié)果表明,抗剪強(qiáng)度和切向應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系的接觸面異向性較弱,而剪切引起的相對(duì)法向位移的接觸面異向性則要顯著得多。接觸面異向性形成的內(nèi)因,可歸結(jié)于剪切過(guò)程中結(jié)構(gòu)面對(duì)土顆粒集合施加強(qiáng)制定向約束作用而使結(jié)構(gòu)面附近土顆粒形成明顯的結(jié)構(gòu)異向性。結(jié)構(gòu)面剛度很大,與土相比其表面形態(tài)是固定不變的,不會(huì)在剪切過(guò)程中調(diào)整。另一方面,初始狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)面附近的土顆粒集合的長(zhǎng)軸方向是雜亂無(wú)章的,經(jīng)歷沿結(jié)構(gòu)面的初次剪切而使得結(jié)構(gòu)面附近的土顆粒發(fā)生滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)、破碎等細(xì)觀變化,結(jié)果會(huì)導(dǎo)致土顆粒的長(zhǎng)軸方向偏向于初始剪切方向,結(jié)構(gòu)面附近的土顆粒在總體上形成一個(gè)新的定向排列形狀,由初次剪切前的無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢ǚ较蛐缘挠行驙顟B(tài),土顆粒集合形成新的結(jié)構(gòu)異向性。這樣在剪切方向改變時(shí)土顆粒就以這個(gè)穩(wěn)定位置為起始狀態(tài)發(fā)生再次轉(zhuǎn)動(dòng),從而表現(xiàn)出宏觀剪切異向性。顯然這對(duì)相對(duì)法向位移的影響最大。接觸面異向性主要與構(gòu)成接觸面的結(jié)構(gòu)面和土的性質(zhì)有關(guān),如結(jié)構(gòu)面粗糙度很大以至于與土的粒徑相當(dāng)時(shí),破壞主要在土體發(fā)生,接觸面異向性大大減弱;而結(jié)構(gòu)面粗糙度較小時(shí),結(jié)構(gòu)面對(duì)其附近土體的約束比較弱,接觸面異向性表現(xiàn)也較弱。因此,當(dāng)接觸面的粗糙度在某一粗糙度范圍內(nèi)接觸面異向性表現(xiàn)最為顯著,大于或小于該范圍時(shí)接觸面異向性都會(huì)減弱,這已為試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。對(duì)于同一種接觸面,異向性的發(fā)揮程度主要與初次剪切歷史有關(guān)。如圖4給出了均勻礫與B型粗糙鋼板接觸面在法向應(yīng)力為200kPa條件下,初次剪切剪應(yīng)力分別達(dá)到150kPa和85kPa時(shí),再進(jìn)行幅值為50mm的往返剪切試驗(yàn)得到的前2個(gè)循環(huán)的相對(duì)法向位移與相對(duì)切向位移關(guān)系。從圖中可看出,初次剪切的剪應(yīng)力較大時(shí)的接觸面反向剪切的相對(duì)法向位移比初次剪切的剪應(yīng)力較小時(shí)的相對(duì)法向位移要大,這表明初次剪切歷史對(duì)接觸面異向性具有重要影響。3破碎帶厚度與剪切循環(huán)循環(huán)次數(shù)的關(guān)系接觸面往返剪切試驗(yàn)表明,在剪切過(guò)程中,結(jié)構(gòu)面附近的土顆粒表現(xiàn)出較為明顯的破碎。圖5給出了法向應(yīng)力為200kPa時(shí)均勻礫與B型粗糙鋼板接觸面在第50循環(huán)時(shí)的細(xì)觀狀態(tài)照片,可以看出結(jié)構(gòu)面附近的土顆粒已發(fā)生較為明顯的破碎。圖6給出了該試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)面附近的土顆粒在初始狀態(tài)和經(jīng)歷100次往返剪切后的粒徑級(jí)配,由圖可知,試驗(yàn)結(jié)束后結(jié)構(gòu)面附近的土顆粒細(xì)粒明顯增多,表明接觸面剪切造成結(jié)構(gòu)面附近的土顆粒出現(xiàn)了較明顯的破碎。另外,試驗(yàn)結(jié)束后結(jié)構(gòu)面附近的土顆粒明顯被壓密,變得十分堅(jiān)硬,表明結(jié)構(gòu)面附近土體的密度明顯增大。為了能夠定性乃至半定量地描述剪切過(guò)程中結(jié)構(gòu)面附近土顆粒破碎程度和范圍的變化規(guī)律,本文引入了破碎帶厚度的概念。如圖5所示,破碎帶厚度Dc指在不同剪切循環(huán)中結(jié)構(gòu)面附近土顆粒發(fā)生明顯破碎區(qū)域的厚度,可通過(guò)相應(yīng)的數(shù)字照片近似確定。圖7給出了均勻礫與B型粗糙鋼板接觸面的破碎帶厚度與剪切循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線。從圖中可看出,法向應(yīng)力增大會(huì)導(dǎo)致破碎帶厚度在初始的幾個(gè)剪切循環(huán)變化速率增大,而且破碎帶厚度最終都趨近于同一穩(wěn)定值。破碎帶厚度的發(fā)展規(guī)律與圖1所示的接觸面不可逆性剪脹體變的增長(zhǎng)規(guī)律在定性上一致,這表明在常應(yīng)力法向邊界條件下,剪切引起的結(jié)構(gòu)面附近土顆粒破碎是造成接觸面不可逆性剪脹體變的一個(gè)主要原因。細(xì)觀分析結(jié)果表明,在接觸面受載過(guò)程中,結(jié)構(gòu)面附近的土體同時(shí)存在著顆粒破碎和密度增大兩種物態(tài)變化,共同支配著接觸面的力學(xué)特性的演化:剪切作用造成土顆粒破碎,從而使得接觸面的力學(xué)性質(zhì)劣化,抗剪強(qiáng)度降低;而土顆粒破碎造成的級(jí)配變化以及土與結(jié)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的土顆粒重排列,都會(huì)使得結(jié)構(gòu)面附近的土體密度變大,從而使得接觸面的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)化,抗剪強(qiáng)度提高。結(jié)構(gòu)面附近土的顆粒破碎和剪切壓密這兩個(gè)細(xì)觀因素共同作用,導(dǎo)致了接觸面的物態(tài)發(fā)生演化,并且支配著接觸面力學(xué)特性的演化。本文試驗(yàn)中,接觸面抗剪強(qiáng)度在剪切過(guò)程中基本不變,意味著上述兩種物態(tài)演化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響大體上保持了平衡。本文以及單調(diào)接觸面試驗(yàn)的細(xì)觀測(cè)量表明,剪切一旦開(kāi)始,接觸面在土與結(jié)構(gòu)面交界處發(fā)生土與結(jié)構(gòu)面的相對(duì)滑移等不連續(xù)變形的同時(shí),還由于這種相對(duì)滑移以及結(jié)構(gòu)面的約束作用引起結(jié)構(gòu)面附近一定范圍內(nèi)的土顆粒發(fā)生較強(qiáng)烈的相對(duì)運(yùn)動(dòng),發(fā)生明顯變形。因此,接觸面的相對(duì)切向位移可分解為結(jié)構(gòu)面與土體相對(duì)滑移引起的相對(duì)切向位移和結(jié)構(gòu)面附近土受結(jié)構(gòu)面約束而產(chǎn)生的相對(duì)切向位移兩部分,而且這兩部分變形一般是同時(shí)發(fā)生的,隨著接觸面粗糙度的變化,兩者在總變形所占比例亦不相同。另外,接觸面的相對(duì)法向位移則主要是由第二種原因(亦即由結(jié)構(gòu)面位移引起的結(jié)構(gòu)面附近土顆粒運(yùn)動(dòng))以及法向應(yīng)力變化引起的。4循環(huán)荷載作用下接觸面的力學(xué)響應(yīng)使用新研制的大型土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切儀,對(duì)循環(huán)荷載作用下粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的變形特性進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,從宏觀和細(xì)觀兩個(gè)層次進(jìn)行了測(cè)量分析,總結(jié)了粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)力學(xué)特性的基本規(guī)律和發(fā)生機(jī)理。試驗(yàn)表明,在循環(huán)剪切荷載作用下,隨著循環(huán)次數(shù)