常剛度法向邊界控制下接觸面的動(dòng)力特性

常剛度法向邊界控制下接觸面的動(dòng)力特性

0試驗(yàn)研究土壤和結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性的研究具有重要的理論意義。接觸面力學(xué)規(guī)律的總結(jié)、建立和驗(yàn)證建立在可接近面的力學(xué)特性上，尤其是在各種控制條件下，基于切割路徑下的靜動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的深入理解和系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上。隨著粗粒土在土石壩、面板堆石壩、高速鐵路等實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用,其與面板、基巖、地基等構(gòu)成的接觸面的力學(xué)特性對(duì)土體與結(jié)構(gòu)物應(yīng)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(jià)值。材料試驗(yàn)是接觸面力學(xué)特性研究的基礎(chǔ),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)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(duì)常應(yīng)力法向邊界條件,對(duì)于常剛度條件下接觸面力學(xué)響應(yīng)規(guī)律的研究還很少,Fakharian等對(duì)常剛度條件進(jìn)行了一些研究,但主要針對(duì)砂土;由于受到試驗(yàn)設(shè)備的限制,主要局限于接觸面二維力學(xué)特性的研究,接觸面三維力學(xué)特性有待于進(jìn)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(xiàn)對(duì)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(dòng)力特性進(jìn)行了研究;而實(shí)際工程中的部分接觸面用切向應(yīng)力控制條件來模擬將更為合理一些,如橋梁樁基礎(chǔ)與周圍土體接觸面在交通荷載等作用下的力學(xué)特性等;目前對(duì)切向應(yīng)力控制條件下接觸面力學(xué)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(yīng)力控制試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直接驗(yàn)證。因此有必要對(duì)切向應(yīng)力控制條件下粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性及其與位移控制條件的異同進(jìn)行研究。本文運(yùn)用最新研制的80t三維多功能土工試驗(yàn)機(jī),對(duì)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(yīng)力控制條件下的三維動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。主要分析該條件下接觸面的基本力學(xué)特性,并探討切向控制方式對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響。1試驗(yàn)條件1.1試驗(yàn)加載和測(cè)量條件試驗(yàn)設(shè)備采用最新研制的80t三維多功能土工試驗(yàn)機(jī),該設(shè)備的三維示意圖如圖1所示。設(shè)備主機(jī)框架尺寸為2m×2m×3.5m(長(zhǎng)×寬×高),提供了較大的空間安裝接觸面試樣(試樣最大尺寸達(dá)500mm);法向相應(yīng)可行走±300mm,可施力800kN,切向可行走±150mm,可施力400kN;實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)中常用的3種法向邊界條件(常應(yīng)力、常剛度和常位移)以及應(yīng)力、位移兩種切向控制方式;可進(jìn)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(cè)量均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,且精度較高。設(shè)備適用于研究各類接觸面在復(fù)雜加載條件下的靜動(dòng)力學(xué)特性。1.2軸試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)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(jí)配粗粒土。制樣時(shí)控制其干密度為1.84g/cm3。三軸試驗(yàn)結(jié)果表明其應(yīng)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(yàn)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(tái)。定義正四棱臺(tái)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(yàn)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(yàn)主要在單向往返和十字加載路徑下進(jìn)行,其示意圖如圖2所示。單向往返加載路徑是在一個(gè)切向進(jìn)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(gè)完整循環(huán)。十字加載路徑是沿兩個(gè)正交切向(x和y方向)進(jìn)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(yīng)力σ0,將法向邊界條件設(shè)置為常剛度條件并設(shè)定剛度值K。然后在切向施加相應(yīng)的切向應(yīng)力τ,使接觸面按指定的加載路徑進(jìn)行剪切;并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。本文試驗(yàn)采用的法向剛度值K=100kPa/mm,初始法向應(yīng)力σ0=400kPa,切向加載幅值τm=255kPa,基本上為接觸面靜抗剪強(qiáng)度的90%,為初始法向應(yīng)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(yàn)結(jié)果,包括切向位移u、法向位移v、法向應(yīng)力σ隨循環(huán)周次N變化的時(shí)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?cè)诙ㄐ砸?guī)律上是一致的;并根據(jù)土力學(xué)習(xí)慣規(guī)定接觸面體變以壓縮為正,膨脹為負(fù)。在切向應(yīng)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(gè)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(yīng)力總體上在減小,并且呈現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng),波動(dòng)的形式與法向位移相同;十字加載路徑下法向應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(shí)向一個(gè)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(duì)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(dá)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(yàn)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(duì)應(yīng)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(shí)程曲線。從圖4可以看出,切向應(yīng)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(dá)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(shí)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(dá)到的穩(wěn)定值較十字加載路徑稍大一些?？赡嫘约羟畜w變幅值在初始剪切時(shí)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(shí)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(duì)較小,隨著循環(huán)剪切的進(jìn)行,切向位移增加使可逆性剪切體變逐漸發(fā)展,當(dāng)切向位移達(dá)到一定程度時(shí),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(yīng)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?cè)谥饾u加強(qiáng)的過程;也經(jīng)歷了不可逆剪切體變?cè)隽空純?yōu),到其與可逆性剪切體變?cè)隽炕酒胶?再到可逆性剪切體變?cè)隽空純?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(yīng)力τ以及法向位移v與切向位移u的關(guān)系曲線。可以看出在十字和單向往返加載路徑下,接觸面在每個(gè)循環(huán)均先剪縮再剪脹,卸載時(shí)則主要為剪縮;隨著循環(huán)剪切的進(jìn)行,這種現(xiàn)象更為明顯。在十字加載路徑下,初始剪切時(shí)由于接觸面不可逆性剪切體變?cè)鲩L(zhǎng)較快,可逆性剪切體變沒有充分發(fā)展,法向位移–切向應(yīng)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(jìn)行,不可逆剪切體變?cè)鲩L(zhǎng)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(yīng)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(gè)正交切向交替剪切導(dǎo)致顆粒重排列引起的;曲線的張開量隨循環(huán)剪切的進(jìn)行逐漸減小。不同循環(huán)可逆性法向位移–切向應(yīng)力關(guān)系曲線,在初始剪切時(shí)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(jìn)行、可逆性剪切體變充分發(fā)展而逐漸趨于重合。而對(duì)于單向往返加載路徑,法向位移–切向應(yīng)力關(guān)系曲線初始剪切時(shí)不閉合,后逐漸轉(zhuǎn)為閉合;可逆性法向位移–切向應(yīng)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(shí)可以發(fā)現(xiàn),接觸面在正反兩個(gè)剪切方向的可逆性剪切體變是不同的,正方向剪切對(duì)應(yīng)的可逆性剪切體變一般較反向?yàn)樾?這說明接觸面體變?cè)谘h(huán)剪切過程中產(chǎn)生了異向性,且在初始剪切時(shí)較為明顯,隨著循環(huán)剪切的進(jìn)行,接觸面體變異向性稍有減弱。同時(shí)十字加載路徑下接觸面可逆性剪切體變?cè)谡醇羟蟹较虻牟顒e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(duì)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(yīng)力對(duì)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(jìn)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?yàn)樵诔跏技羟袝r(shí),接觸面法向應(yīng)力較大,抗剪強(qiáng)度也相應(yīng)較大,達(dá)到切向應(yīng)力幅值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)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(jìn)行,接觸面法向應(yīng)力逐漸減小,達(dá)到切向應(yīng)力幅值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平變大,而接觸面剪切硬化程度相對(duì)較低,產(chǎn)生的切向位移也相應(yīng)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(yīng)力較大,達(dá)到切向應(yīng)力幅值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平較小,再加上垂直方向的剪切導(dǎo)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(yīng)力控制條件下接觸面切向應(yīng)力τ及應(yīng)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(yīng)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(yīng)力–切向位移曲線的斜率)在初始剪切時(shí)較大,隨著循環(huán)剪切的進(jìn)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(yīng)力降低和接觸面剪切硬化綜合作用的結(jié)果,當(dāng)法向應(yīng)力降低起主導(dǎo)作用時(shí),切向剛度就會(huì)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(shí)接觸面切向應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有出現(xiàn)切向應(yīng)力基本不變的水平段,隨著循環(huán)剪切的進(jìn)行,有產(chǎn)生水平段的趨勢(shì);在應(yīng)力控制條件下,切向應(yīng)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(yīng)力不變的水平段。應(yīng)力比–切向位移關(guān)系曲線形式與切向應(yīng)力應(yīng)變曲線類似,但其隨著循環(huán)剪切的進(jìn)行逐漸出現(xiàn)了應(yīng)力比基本不變的水平段,這說明接觸面逐漸達(dá)到抗剪強(qiáng)度。由于切向位移的偏移和幅值的增大,直接導(dǎo)致了兩種加載路徑下切向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線、應(yīng)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(yīng)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(yīng)力路徑圖及其強(qiáng)度包線,其中十字加載路徑給出的是x方向的應(yīng)力路徑?？梢灾庇^地發(fā)現(xiàn)切向應(yīng)力控制兩種加載路徑下接觸面在初始剪切時(shí)均未達(dá)到強(qiáng)度包線,隨著循環(huán)剪切的進(jìn)行逐漸接近并達(dá)到強(qiáng)度包線。這說明在法向常剛度切向應(yīng)力控制條件下,接觸面在初始剪切的幾個(gè)循環(huán)內(nèi)沒有達(dá)到抗剪強(qiáng)度,沒有發(fā)生破壞;隨著循環(huán)剪切的進(jìn)行、法向應(yīng)力的降低,接觸面逐漸達(dá)到抗剪強(qiáng)度,處于破壞狀態(tài),但破壞狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間很短;否則切向位移將會(huì)迅速增大,使設(shè)備失控。由圖8可以得出切向應(yīng)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(yàn)結(jié)果,切向位移幅值為40mm。用以比較分析切向控制方式對(duì)接觸面動(dòng)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(jìn)行逐漸增大,然后基本趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定值較切向應(yīng)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(yīng)力控制達(dá)到的穩(wěn)定值相近;這是因?yàn)榍邢蛭灰瓶刂茥l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?cè)陂_始時(shí)就已經(jīng)充分發(fā)展;初始剪切的一個(gè)完整循環(huán)中,接觸面所走的剪切路程較應(yīng)力控制大得多,因此不可逆剪切體變發(fā)展的更快。進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(qiáng)的過程。這也是切向位移控制條件初始剪切時(shí)接觸面總體呈剪脹現(xiàn)象,而應(yīng)力控制時(shí)則總體剪縮的原因。同時(shí),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(yīng)力降低,抗剪強(qiáng)度相應(yīng)降低,因此切向應(yīng)力逐漸減小,最后基本達(dá)到零;而在切向應(yīng)力控制條件下,接觸面法向應(yīng)力的降低使應(yīng)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(dǎo)致法向位移–切向位移曲線不閉合,有一定的錯(cuò)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(yīng)力和位移控制條件下特定循環(huán)接觸面切向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、應(yīng)力比–切向位移關(guān)系也有明顯不同。對(duì)于切向位移控制,在初始剪切時(shí)接觸面就出現(xiàn)切向應(yīng)力基本不變的水平段,且接觸面切向應(yīng)力–切向位移曲線在一個(gè)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(duì)于應(yīng)力比–切向位移關(guān)系曲線,切向應(yīng)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(jìn)一步整理試驗(yàn)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)切向應(yīng)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(jìn)行,位移控制條件下接觸面剪切硬化占主導(dǎo)地位,切向剛度逐漸增加;而應(yīng)力控制時(shí)法向應(yīng)力降低占主導(dǎo)地位,切向剛度則逐漸減小。在強(qiáng)度特性方面,切向應(yīng)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(qiáng)度指標(biāo)(接觸面摩擦角)受切向控制方式影響較小。同時(shí)從圖12可以看出,切向應(yīng)力和位移控制條件下接觸面的應(yīng)力路徑有很大不同