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高、低压下砂土剪切带及砂土—结构界面层力学行为演化研究

陆勇  
【摘要】:论文以岩土材料内部剪切带及岩土体-结构体接触界面层问题为背景,针对应变局部化现象尤为突出的砂土材料,通过室内物理试验、模型理论分析构建了能够将砂土常压下剪胀软化、高压下剪缩硬化特性进行统一的砂土材料模型,并结合无网格方法实现了砂土剪切带、砂土-结构接触界面层产生、发展过程的模拟计算,使得对岩土工程真实的破坏过程进行描述成为可能。 通过砂土室内试验,对砂土常压至高压范围内的强度、变形特性进行了系统研究,获得结论有:①因高压条件下砂土出现一定量的颗粒破碎,破碎颗粒充填砂样原有结构,使得砂样孔隙比迅速减小。砂土在0至8MPa范围内等向压缩曲线呈指数衰减型,孔隙比-围压拟合关系可表示为e a b exp c ln p。砂土的压缩特性具有明显的粒径效应,大尺寸砂土颗粒在高压力下较小尺寸颗粒更易破碎,会产生较大的孔隙比变化。②砂土峰值应力比受砂土粒径、围压共同影响,峰值强度公式不再符合经典的M-C强度准则,而残余应力比对应的强度公式则基本不受粒径、围压的影响,符合典型的无粘性摩擦型岩土材料特性。③砂土材料在剪切过程中存在明显的临界状态,不同围压条件下剪切稳定时的孔隙比e与平均应力p间的拟合曲线关系表达式为e l m exp n ln p,这一指数衰减曲线可作为砂土在剪切过程中最终趋于稳定的一个状态线。 基于对砂土强度、变形特性的分析,构建了能够将砂土剪胀软化及剪缩硬化特性进行统一的砂土模型。模型采用应力路径相关因子对等向压缩路径获得的屈服面硬化参数进行修正得到与应力路径无关的砂土当前屈服面硬化参数,同时由砂土临界状态参数推导得出能够体现砂土临界特性的潜在屈服面硬化参数。根据当前、潜在屈服面间的关系定义了能够反映砂土当前状态的动态密实参数及潜在强度。模型共有涉及弹性、临界破坏强度、当前屈服面及潜在屈服面的参数共计10个,各参数物理意义明确,均可通过室内三轴试验获得。 通过试验得知砂土-结构面接触剪切力学特性受砂土颗粒与结构形貌相对尺度的影响呈三段式,存在着两个明显的特征点,分别定义为“极限相对尺度”与“临界相对尺度”。在“极限相对尺度”Rmax前,砂土-结构面接触力学特性受形貌尺度的影响较为明显,接触剪切作用机制为接触剪切力用于克服砂土颗粒跨越结构表面的粗糙形貌的阻力,论文将这一相对尺度范围内的砂土-结构接触剪切模式定义为“粗糙摩擦接触”机制,相应的结构面类型为“粗糙频”结构面。在“极限相对尺度”Rmax之后,砂土-结构面接触力学特性受形貌尺度的影响基本消失,此时的接触剪切作用机制为砂土颗粒群内部发生翻滚跨越耗能,论文将“极限相对尺度”Rmax之后的砂土-结构面接触剪切模式定义为“形貌约束接触”机制,相应的结构面类型为“形貌频”结构面。论文针对不同结构面类型提出了不同的接触力学特性参数获取方法。针对“粗糙频”结构面,采用砂土-结构面接触剪切试验获得峰值接触剪应力与残余接触剪应力,得到的峰值接触摩擦角与残余接触摩擦角即对应于计算中的接触静止摩擦角与滑动摩擦角;“形貌频”结构面在接触剪切中对砂土颗粒提供形貌约束边界,其结构表面形貌特征需在计算建模中进行真实描述。 论文分析明确砂土剪切带及砂土-结构接触界面层演化模拟计算中的应变软化计算不收敛以及大变形网格畸变两个关键难点。通过分析相关计算理论并比较现有数值计算方法,选用无网格SPH方法作为论文砂土模型的二次开发平台,将模型子程序与之进行对接编译生成新的SPH求解器,克服了计算难点使得对砂土等应变软化材料的大应变问题模拟计算成为可能。利用新生成的求解器开展砂土自身剪切及砂土-结构接触界面剪切试验模拟,分析了不同边界条件下的力学行为以及应力、应变场的发生、发展过程,再现了试验中的应变局部化剪切带及界面层现象与特征,获得结论:①砾砂在常压下内部产生应变局部化剪切带与其应变软化、剪切体胀特性密切相关;高压下试样呈现应变硬化、剪切体缩特性,应变局部化剪切带不再产生。②常压下砂土双轴力学特性受端部边界影响,端部约束则会增大峰值应力,试样内部应变局部化区域也较为集中,产生明显的单对“共轭”对称应变局部化剪切带;端部光滑边界条件下的应变局部化发展相对分散而呈现多对“共轭”对称应变局部化带状区域。③砂土与结构面界面剪切过程中存在着显著的应变局部化区域,剪切力学特性随结构面相对形貌尺度的增大而逐渐趋近于砂土自身剪切力学特性,且随结构面的下移,剪切特性受结构面影响逐渐消失,最终与砂土自身剪切特性相近。


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