胡啟軍+蔣晶+徐亞輝+石仁丹+張宇浩

摘要：樁巖（土）接觸面力學(xué)特性的研究是樁基承載機理研究的基礎(chǔ)。通過紅層泥巖樁巖接觸面大型直剪試驗，研究了紅層泥巖樁巖接觸面的力學(xué)特性，結(jié)果表明：接觸面剪應(yīng)力先隨剪切位移增大而增大，在達到峰值后，剪應(yīng)力隨著剪切位移增大而降低，并最終趨于穩(wěn)定值，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征。根據(jù)剪切試驗結(jié)果，推導(dǎo)出樁巖接觸面應(yīng)變軟化本構(gòu)方程。利用fish語言對FLAC3D中自帶的理想彈塑性接觸單元進行二次開發(fā)，并應(yīng)用開發(fā)的模型對樁巖接觸面直剪試驗進行了數(shù)值模擬，分析剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系，證明了該本構(gòu)能夠較好地模擬接觸面間的應(yīng)變軟化特性。

關(guān)鍵詞：紅層泥巖；樁巖接觸面；應(yīng)變軟化；本構(gòu)模型；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU473.1文獻標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2017）03012207

Abstract：The pilerock（soil） interface mechanical behavior was the basis of pile foundation bearing mechanics. Firstly， the mechanical property of the interface was investigated through the laboratory large direct shear test of red mudstone pilerock interface. The results indicated that the shear stressstrain curve presented strain softening behavior. The shear stress was increasing with the shear strain initially， and when the shear stress came to a peak， the shear stress was decreasing with the shear strain and finally reached a steady. Subsequently， the constitutive equation was deduced based on the interface mechanical property， the ideal elasticplastic contact element in FLAC3D was further developed through fish language. Additionally， the direct shear test of red mudstone was simulated according to the interface constitutive model， and the relationship of shear stress and shear displacement between the pile and soil were analyzed which proved that the constitutive model showed good performance on simulating strain softening features of the interface.

Keywords：red mudstone； pilerock interface； constitutive models； strain softening； numerical simulation

目前，樁基礎(chǔ)在巖土工程中的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而樁巖（土）接觸面的力學(xué)性質(zhì)對于樁基承載性能具有重要的影響。紅層泥巖是中國西南地區(qū)廣泛分布的一種軟弱巖類，它的強度介于巖與土之間，在建筑物荷載作用下，表現(xiàn)出變形大、承載力低、復(fù)雜易變等工程特性[12]。因此，研究紅層泥巖與樁基礎(chǔ)的相互作用機理具有重要的經(jīng)濟價值和社會意義。

樁巖（土）接觸面上兩種材料的變形不一致常常會引起接觸面上產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，而接觸面上的力學(xué)特性與巖（土）體的性質(zhì)有著密切的關(guān)系[34]?，F(xiàn)階段，主要通過樁巖（土）接觸面的剪切試驗來研究樁巖相互作用的力學(xué)特性[515]。文獻[5]用盒式直剪儀研究了土與混凝土接觸面的力學(xué)特性，建立了雙曲線本構(gòu)模型，因參數(shù)較少，得到了廣泛的應(yīng)用。文獻[610]通過細粒土與混凝土的剪切試驗，對細粒土與混凝土接觸面的本構(gòu)模型進行了研究。文獻[1114]根據(jù)粗粒土與混凝土的剪切試驗結(jié)果，提出了粗粒土與混凝土接觸面的本構(gòu)模型。文獻[15]通過對泥巖與混凝土進行剪切試驗，修正了泥巖與混凝土的剪應(yīng)力退化模型。以上對樁巖（土）接觸面研究的試驗對象主要還是針對砂土、粘土以及粗粒土，對于泥巖等軟巖的研究較少。本文通過紅層泥巖有無泥皮樁巖接觸面大型直剪試驗，研究紅層泥巖樁巖接觸面力學(xué)特性。

有限差分軟件FLAC3D自帶的Interface接觸單元，可用于巖層接觸、樁土接觸等物體間的接觸、滑移、分離等問題[1618]。但它是一種基于理想彈塑性Coulomb滑動本構(gòu)關(guān)系的無厚度接觸單元，不能反映接觸面復(fù)雜的力學(xué)特性[19]。因此，本文對FLAC3D中自帶接觸單元進行二次開發(fā)，提高其對接觸面復(fù)雜力學(xué)特性的模擬能力。

本文進行了樁巖接觸面大型直剪試驗，并對接觸面的力學(xué)特性進行研究，在此基礎(chǔ)上建立本構(gòu)方程，利用fish語言對FLAC3D中自帶的理想彈塑性接觸單元進行二次開發(fā)，并運用開發(fā)的模型對樁巖接觸面直剪試驗進行數(shù)值模擬，分析剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系，對本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性進行驗證。

1室內(nèi)樁巖接觸面剪切試驗

1.1試驗設(shè)備及試驗材料

建立合理的接觸面本構(gòu)模型，需要深入地揭示接觸面在受荷過程中的主要力學(xué)規(guī)律和受力變形機理[12]，文獻[1115]利用樁巖（土）接觸面大型直剪試驗，對樁巖（土）之間的力學(xué)規(guī)律進行了研究。因此，本文進行紅層泥巖樁巖接觸面直剪試驗對接觸面的力學(xué)規(guī)律進行研究。

試驗設(shè)備采用西南石油大學(xué)土建院實驗中心的QXZ5000微機控制電液伺服壓剪試驗機，如圖1所示。該試驗機豎向液壓加壓系統(tǒng)最大垂直荷載5 000 kN，水平剪力加載裝置最大水平荷載1 000 kN，采用電液伺服控制。計算機及分析軟件可繪制力位移曲線、位移時間曲線、力時間曲線等，自行設(shè)置控制參數(shù)，程序自動運行。

為了模擬符合現(xiàn)場實際的樁巖相互作用，在試驗機基礎(chǔ)上自行設(shè)計并制作了上下剪切盒，在混凝土試塊和下壓板之間設(shè)置基槽，基槽由一個整塊鋼板鑲嵌在下壓板上，然后在鋼板上面處理得到5條凹槽，上面放置直徑12 mm的鋼珠。每次試驗之前，在鋼板凹槽及滾珠上面涂上一層凡士林以減小剪切時的摩擦阻力。整個裝置示意圖如圖2所示。

紅層泥巖為樁側(cè)巖層，因此，在室內(nèi)樁巖接觸面剪切試驗中，采用現(xiàn)場采集紅層泥巖試樣與混凝土試塊相互作用來進行試驗的研究以確保物質(zhì)材料的一致性。泥巖試塊尺寸設(shè)計為50 cm×50 cm×20 cm，試驗采用室內(nèi)配置C35混凝土，混凝土試塊制作尺寸為60 cm×60 cm×20 cm，大于紅層泥巖試樣尺寸，以使在剪切過程中保持剪切面積不變。

1.2混凝土表面粗糙度設(shè)計

在實際樁基工程中，受樁側(cè)孔壁土體強度以及旋挖鉆機的影響，混凝土表面粗糙度有很大的隨機性。試驗根據(jù)現(xiàn)場樁身表面粗糙度分布的隨機性，采用人工鑿毛法，對混凝土試塊表面進行初步粗糙度處理，保證其表面有一定的粗糙度以符合工程實際。

參考已有學(xué)者[2021]對混凝土表面粗糙度進行的劃分，定義混凝土表面粗糙度，y為灌砂平均深度，D為鑿毛最大深度限值，本實驗設(shè)定為10 mm。灌砂平均深度y可由灌砂法求得，。

依據(jù)所得粗糙度n，將混凝土表面粗糙度劃分為3個等級：粗糙度Ⅰ為混凝土表面粗糙度n<01；粗糙度Ⅱ為混凝土表面粗糙度0.1≤n；粗糙度Ⅲ為混凝土表面粗糙度n>0.2。

試驗人工鑿毛法對混凝土表面粗糙度處理結(jié)果如圖3所示。

e11.3試驗工況及模型示意圖

試驗工況如表1所示。

1.4試驗結(jié)果與分析

1.4.1接觸面直剪試驗曲線特征接觸面粗糙程度以及接觸面上作用的法向應(yīng)力對接觸面剪切力學(xué)特性都具有重要影響。對室內(nèi)樁巖接觸面剪切試驗結(jié)果進行整理，作出在不同接觸面粗糙程度、不同法向應(yīng)力作用下樁巖接觸面剪應(yīng)力剪切位移曲線如圖4～6所示。

1從樁巖接觸面剪應(yīng)力剪切位移曲線圖4～6可以看出，3種粗糙度條件下，在加載初期，接觸面剪應(yīng)力先隨剪切位移增加而增大，在達到峰值應(yīng)力后，隨著剪切位移增大，剪應(yīng)力反而降低，并最終趨于穩(wěn)定值。說明3種粗糙度條件下樁巖接觸面剪應(yīng)力剪切位移曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征。同時，隨著接觸面粗糙程度的增大，剪應(yīng)力峰值也隨之增大。

當(dāng)法向應(yīng)力較大時，剪應(yīng)力剪切位移曲線出現(xiàn)明顯拐點；當(dāng)法向應(yīng)力較小時，剪應(yīng)力剪切位移曲線達到峰值后出現(xiàn)下降段，最后趨于穩(wěn)定，但拐點不明顯。法向應(yīng)力越大，接觸面初始切向剛度越高，且在接觸面粗糙度相同條件下，法向應(yīng)力愈大，峰值應(yīng)力及殘余應(yīng)力也越大。

1.4.2接觸面直剪試驗結(jié)果分析根據(jù)室內(nèi)樁巖接觸面剪切試驗曲線的特征，可以看出剪應(yīng)力剪切位移曲線呈現(xiàn)一定的應(yīng)變軟化特征，大致表現(xiàn)為彈性階段、塑性階段、應(yīng)變軟化階段和殘余摩擦階段4個階段。

在加載初期，樁巖接觸面的剪應(yīng)力隨剪切位移的增大近似呈線性增加，抗剪強度主要由紅層泥巖與混凝土結(jié)構(gòu)粗糙接觸面上的咬合力承擔(dān)，此階段為彈性階段。

隨著水平荷載的持續(xù)增加，超過極限彈性剪應(yīng)力之后進入塑性階段。在此階段，接觸面抗剪強度主要由兩方面構(gòu)成：一方面是由于紅層泥巖部分土體嵌入到混凝土粗糙表面的凸凹縫中，而發(fā)生的混凝土在剪切方向?qū)ν馏w產(chǎn)生的阻力；另一方面為剪切面上破碎的土顆粒之間的滑動摩擦和紅層泥巖與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面的滑動摩擦。

隨著接觸面滑移增加，接觸面處紅層泥巖的原結(jié)構(gòu)被破壞，越來越多的破碎的土體顆粒嵌入到混凝土表面的凸凹縫中，從而使剪切過程中紅層泥巖與混凝土接觸面逐漸向平面剪切過度，表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征，此階段為軟化階段。

最后，混凝土的凸凹縫逐漸被破碎的土體填滿，而使得剪切過程中紅層泥巖與混凝土接觸面接近平面剪切，此時剪切強度主要由破壞后的紅層泥巖與混凝土接觸面存在的滑動摩擦提供，因此，剪應(yīng)力隨著剪切位移的增加而最終趨于穩(wěn)定，此階段為殘余階段。

2接觸面本構(gòu)模型

2.1接觸面本構(gòu)模型

根據(jù)室內(nèi)樁巖接觸面剪切試驗曲線呈現(xiàn)出：彈性階段、塑性階段、應(yīng)變軟化階段和殘余摩擦階段4個階段的特征，基于經(jīng)典雙曲線接觸面本構(gòu)模型[5]，建立以相對位移為變量的樁巖接觸面應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，其關(guān)系曲線如圖7所示。

2.2參數(shù)的確定

令殘余強度τr=β τsu，則：當(dāng)β=1時，接觸面剪應(yīng)力剪切位移（τωs）關(guān)系為雙曲線接觸面模型；當(dāng)β<1時，接觸面剪應(yīng)力剪切位移（τωs）關(guān)系為應(yīng)變軟化接觸面本構(gòu)模型。由式（5）可求得參數(shù)a、b、c，見式（6）。b1c2=βτsu

綜上可知，確定a、b、c試驗參數(shù)，需要用到極限剪切位移ωsu，極限剪應(yīng)力τsu，殘余強度τr，通過直剪試驗結(jié)果，可以得到此3個參數(shù)，然后通過公式求出參數(shù)a、b、c。

3數(shù)值分析

有限差分軟件FLAC3D自帶的Interface接觸面單元，它是基于理想彈塑性Coulomb滑動本構(gòu)關(guān)系的無厚度接觸單元，無法模擬樁巖接觸面在彈性階段表現(xiàn)出的非線性，以及在塑性階段表現(xiàn)出的應(yīng)變軟化等特征[19]。因此，利用fish語言對FLAC3D中自帶的接觸單元進行二次開發(fā)，并應(yīng)用開發(fā)的模型對樁巖接觸面直剪試驗進行了數(shù)值模擬，分析剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系，對樁巖接觸面應(yīng)變軟化本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性進行驗證。

3.1FLAC3D接觸單元的二次開發(fā)

利用fish語言將樁巖接觸面應(yīng)變軟化本構(gòu)模型植入到FLAC3D中，由此建立新接觸面單元計算流程圖如圖8所示。

樁巖接觸面本構(gòu)模型計算循環(huán)步驟圖如下：

1）先在指定表面節(jié)點施加集中荷載，產(chǎn)生的表面位移轉(zhuǎn)化為節(jié)點速度，再通過節(jié)點速度計算新的應(yīng)變率，從而得到接觸面單元節(jié)點剪應(yīng)力，剪切位移；

2）利用接觸面剪應(yīng)力的取值判定接觸面是否發(fā)生破壞，即若，通過接觸面應(yīng)變軟化本構(gòu)模型計算新的接觸面單元節(jié)點剪應(yīng)力和剪切位移；若，則樁巖接觸面發(fā)生破壞，自動賦予法向剛度較小值；

3）由上一步得到新的應(yīng)力和荷載，通過動量方程計算新的節(jié)點速度和應(yīng)變率。

不斷重復(fù)上述3個步驟，在計算過程中，如果記錄的最大不平衡力接近零或者為常數(shù)，則停止計算。

3.2數(shù)值驗證

參照室內(nèi)剪切試驗條件，利用FLAC3D建立模型，選取粗糙度Ⅰ條件，法向應(yīng)力分別為50、150、250、350 kPa進行數(shù)值模擬。所建模型如圖9所示。

對數(shù)值模擬結(jié)果進行整理，作出不同法向應(yīng)力作用下，樁巖接觸面剪應(yīng)力剪切位移曲線如圖10所示。

從圖10中可以看出，在數(shù)值模擬中，加載初期，剪應(yīng)力增加到一定程度后產(chǎn)生剪切位移，之后，剪應(yīng)力隨著剪切位移呈近似線性增加，在達到應(yīng)力峰值后，隨著剪切位移增大，剪應(yīng)力反而降低，并最終趨于穩(wěn)定值。

通過分析比較室內(nèi)試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出樁巖接觸面剪應(yīng)力剪切位移曲線趨勢大致相同，都經(jīng)歷了彈性階段、塑性階段、應(yīng)變軟化階段和殘余摩擦階段4個階段。表明剪應(yīng)力剪切位移曲線呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變軟化特征，證明了該本構(gòu)能夠較好地模擬接觸面間的應(yīng)變軟化特性。

4結(jié)論

通過室內(nèi)樁巖接觸面剪切試驗，結(jié)合理論分析和有限差分數(shù)值模擬等方法，針對我國西南地區(qū)廣泛分布的紅層泥巖地層，從樁巖相互作用出發(fā)，對樁巖接觸面力學(xué)性質(zhì)進行研究，得出以下結(jié)論：

1）通過室內(nèi)樁巖接觸面剪切試驗，無論有無泥皮、何種粗糙度，接觸面剪應(yīng)力剪切位移曲線都出現(xiàn)拐點，在剪應(yīng)力達到峰值強度后開始降低并最終趨于穩(wěn)定值。3種混凝土表面粗糙度情況下接觸面的剪應(yīng)力剪切位移曲線都表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征。

2）根據(jù)接觸面剪切試驗成果，建立樁巖接觸面應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，并推導(dǎo)其本構(gòu)方程。

3）利用fish語言對FLAC3D中自帶的理想彈塑性接觸單元進行二次開發(fā)，并應(yīng)用開發(fā)的模型對樁巖接觸面剪切試驗進行了數(shù)值模擬，分析剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系，證明了該本構(gòu)能夠較好地模擬接觸面間的應(yīng)變軟化特性。

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（編輯王秀玲）