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        直剪試驗下粗粒土能量演化與強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系研究*

        2021-11-25 01:18:04荀曉慧賀曉東
        工程地質(zhì)學(xué)報 2021年5期
        關(guān)鍵詞:粒土法向應(yīng)力棱角

        荀曉慧 何 亮 賀曉東

        (①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué)), 成都 610059, 中國)

        (②華杰工程咨詢有限公司, 北京 100029, 中國)

        0 引 言

        粗粒土作為建筑材料,多用于土石壩、公路、鐵路等建筑工程,其強(qiáng)度參數(shù)是決定工程設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)之一。前人學(xué)者利用不同方法對粗粒土的抗剪強(qiáng)度特性開展過研究,其中:能量守恒作為自然界普遍適用規(guī)律,可從本質(zhì)上探究剪切過程中的土體狀態(tài)變化,定性及定量描述抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮過程。基于能量角度,Taylor(1948)提出了粗粒土抗剪強(qiáng)度機(jī)理的兩分量學(xué)說,認(rèn)為抗剪強(qiáng)度是由土顆粒間的摩擦阻力、土體剪脹而產(chǎn)生的顆粒間相互作用力兩部分形成。Rowe(1962)基于對砂土的研究,分析能量平衡方程,認(rèn)為抗剪強(qiáng)度由顆?;瑒幽ψ枇λl(fā)揮的強(qiáng)度、重新定向和重新排列所需能量而發(fā)揮的強(qiáng)度、剪脹耗能而發(fā)揮的強(qiáng)度3部分組成。抗剪強(qiáng)度主要受顆粒間的摩擦、剪脹、顆粒重新排列和破碎這4種因素的影響(日本土質(zhì)工學(xué)會, 1999)。Hettiarachchi et al.(2009)從能量平衡角度,采用標(biāo)準(zhǔn)滲透測試(SPT)吹氣計數(shù)估算了土的剪切強(qiáng)度。Saurer et al.(2011)基于MATLAB分析模型的斷裂力學(xué)能量平衡和極限平衡方法,定性和定量地模擬非平面剪切帶傳播速率。剪切過程中具有明顯的能量演化特征,基于能量耗散機(jī)制下,能量發(fā)生著傳遞與耗散(陳旭光等, 2010; 蔣明鏡等, 2013),采用軸向應(yīng)力比例的能量分析法,可實現(xiàn)對各階段能量變化趨勢進(jìn)行深入研究(陳國慶等, 2018)。王偉(2006)采用能量耗散原理研究了土與結(jié)構(gòu)面接觸模型及應(yīng)用。何亮等(2019)基于能量耗散機(jī)制下,對直剪試驗中粗粒土的圓度損傷演化與能量耗散過程進(jìn)行了研究,通過結(jié)合熱力學(xué)定律建立了圓度損傷模型,定性及定量地分析了直剪試驗下粗粒土能量演化與圓度損傷特性。湯連生等(2006)將能量狀態(tài)-結(jié)構(gòu)熵進(jìn)行量化。直剪試驗下粗粒土的剪切過程中,劉斯宏等(2001)分析了剪切框受力變化,提出了剪切盒內(nèi)壁摩擦對剪切強(qiáng)度影響。徐永福(2018)充分考慮了顆粒破碎對粗粒土的直剪試驗的影響,顆粒破碎對剪切強(qiáng)度的破碎準(zhǔn)則有影響,認(rèn)為顆粒未發(fā)生破碎的試樣,直剪試驗下剪切強(qiáng)度符合Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則,顆粒在剪切過程中產(chǎn)生破碎,其強(qiáng)度包絡(luò)線呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。

        目前,針對粗粒土的試驗研究,多集中于從顆粒破碎、形狀、運動等角度對其力學(xué)特性變化進(jìn)行研究,未系統(tǒng)地從粗粒土剪切過程中能量守恒角度,研究其能量演化與強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系,并建立一定程度上具有普適性的函數(shù)模型。本文基于能量守恒原理定性及定量對能量演化過程與強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系做出研究,是有效描述粗粒土強(qiáng)度本質(zhì)的一種有意義的嘗試。通過利用能量守恒原理,研究剪切初始-峰值應(yīng)力階段,結(jié)合粗粒土直剪強(qiáng)度特性,建立了基于系統(tǒng)能量守恒下的能量演化與強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系理論模型,基于假定條件下提出適用模型,對模型進(jìn)行論證與應(yīng)用探討,分析了能量演化過程對粗粒土的力學(xué)特性響應(yīng),具有一定的理論指導(dǎo)意義和工程實用價值。

        1 直剪試驗剪切過程中能量演化分析

        1.1 基于能量守恒下的功能轉(zhuǎn)換關(guān)系

        粗粒土直剪試驗下的剪切過程滿足能量守恒定律,能量以一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。剪切盒表部受水平力做功(WFi)、豎向力作功(WF1),剪切達(dá)到峰值應(yīng)力時,水平方向存在一瞬時速度V1,豎直方向瞬時速度V2。剪切框動能增量ΔEK1,蓋板動能增量ΔEK2,蓋板重力勢能EP1。下部剪切盒在四周約束條件下靜止,剪切盒為剛性,不考慮剪切盒的變形能。荷載傳到粗粒土內(nèi)部經(jīng)功能轉(zhuǎn)換,形成直剪試驗下粗粒土內(nèi)部復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換過程(圖1)。

        圖1 功能轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

        一部分能量克服摩擦力做功Wf,以磨損形式散失,基于熱力學(xué)第二定律(秦允豪, 2011)知摩擦生熱為不可逆過程,致使系統(tǒng)整體能量逐漸減少; 一部分轉(zhuǎn)換為顆粒剪脹(剪縮)的所需能量E剪,宏觀體現(xiàn)在顆粒孔隙率增大(減小); 一部分轉(zhuǎn)換為顆粒間重新排列所需能量E排,具體表現(xiàn)為粗粒土在剪切盒內(nèi)以錯動、翻滾、掉落等形式產(chǎn)生動能與勢能; 基于最小耗能原理(周筑寶等, 2017),另一部分因顆粒破碎吸收部分能量E碎。直剪試驗下粗粒土抗剪強(qiáng)度由克服摩擦力做功發(fā)揮的強(qiáng)度、剪脹(剪縮)發(fā)揮的強(qiáng)度、顆粒破碎發(fā)揮的強(qiáng)度、顆粒間重新定向排列所發(fā)揮的強(qiáng)度4部分?;谙到y(tǒng)能量守恒下,可知直剪試驗下系統(tǒng)能量演化過程滿足基本理論準(zhǔn)則:

        WFi+WF1=ΔEK1+ΔEK2+EP1+Wf+

        E剪+E排+E碎

        (1)

        式中:WFi、WF1分別為剪切盒表部受水平力和豎向力做功; ΔEK1為剪切框動能增量; ΔEK2為蓋板動能增量;EP1為蓋板重力勢能;Wf為克服摩擦力做功;E剪為顆粒剪脹(剪縮)所需能量;E排為顆粒間重新排列所需能量;E碎為顆粒破碎吸收的部分能量。

        1.2 試驗過程中能量變化

        傳統(tǒng)直剪儀剪切過程,理想狀態(tài)下可簡化為基本物理問題進(jìn)行分析,在水平壓強(qiáng)Pi、豎向壓強(qiáng)Pm作用下,上部剪切盒沿剪切方向運動,系統(tǒng)總質(zhì)量M,地面對系統(tǒng)支撐反力N,受到摩擦力f1阻礙上部剪切盒沿剪切方向運動(圖2)。

        圖2 理想狀態(tài)下基本受力簡圖

        剪切初始-峰值應(yīng)力階段能量變化,從系統(tǒng)能量守恒的角度分析直剪試驗的功能轉(zhuǎn)換,研究抗剪強(qiáng)度更準(zhǔn)確、合理。剪切初始-峰值應(yīng)力階段,上部剪切盒距原點水平位移xi,沿剪切方向。因剪脹(剪縮)盒內(nèi)顆??紫堵试龃?減小),促使蓋板豎向運動,初位置在z軸上距原點Z1,末位置Z2。

        (2)

        式中:Pi為水平壓強(qiáng); π為圓周率;R1為水平加壓裝置油缸半徑;n為水平加壓的階段總數(shù)量;xi為上部剪切盒距原點水平位移。

        (3)

        式中:Pm為豎向壓強(qiáng);Z1、Z2分別為蓋板豎向運動時距原點的始末距離;R1為豎向加壓裝置油缸半徑。

        (4)

        因內(nèi)部顆粒剪脹、重排列、破碎致使剪切框與蓋板存在重力勢能改變:

        (5)

        式中:g為重力加速度。

        剪切過程中摩擦受力復(fù)雜,主要來源于剪切框間摩擦、剪切框與蓋板間摩擦(剪脹與剪縮摩擦受力方向相反)、剪切框與顆粒間摩擦(考慮牛頓第一定律)(騰保華等, 2017)、剪脹、剪縮條件下上部剪切框后板受力不確定)、顆粒間相互摩擦(顆粒運動過程中接觸面積持續(xù)變化)、顆粒與平臺板間摩擦??紤]摩擦作用的不確定性,根據(jù)摩擦學(xué)中能量磨損理論(溫詩鑄等, 2008)可知,磨損是能量轉(zhuǎn)換和消耗的過程。直剪試驗中剪切過程克服摩擦力做功大部分以摩擦熱形式散失,滿足隨時間變化的函數(shù),用Q(t)表示; 小部分以勢能形式存儲在顆粒間,達(dá)到臨界狀態(tài)以磨屑形式從表面剝落,用E1表示。

        Wf=Q(t)+E1

        (6)

        式中:Q(t)為隨時間變化的摩擦熱函數(shù);E1為達(dá)到臨界狀態(tài)以磨屑形式剝落具有的勢能。

        剪脹(剪縮)消耗的能量、顆粒重新定向排列所需能量,宏觀體現(xiàn)在顆粒形成復(fù)雜運動與孔隙率增大,達(dá)到峰值剪應(yīng)力時,因顆粒運動速度不定向,根據(jù)運動學(xué)中運動疊加原理(騰保華等, 2017),剪切盒內(nèi)顆粒瞬時速度在坐標(biāo)系下可表示為:

        (7)

        式中:v為剪切盒內(nèi)任意顆粒瞬時速度;i、j、k為單位常矢量;t為作用時間。

        瞬時速度大小可表示為:

        (8)

        有n1個顆粒,質(zhì)量為mk產(chǎn)生平動動能,有n2個顆粒剪切過程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)動動能,有n3個質(zhì)量為m′i的顆粒在剪切過程中產(chǎn)生重力勢能,初位置距原點高度Z′1j,末位置Z′2j。

        (9)

        式中:n1、mk分別為產(chǎn)生平動動能顆粒數(shù)量和質(zhì)量;n2為產(chǎn)生轉(zhuǎn)動動能顆粒數(shù)量;n3、m′i分別為產(chǎn)生重力勢能顆粒數(shù)量和質(zhì)量;Ixj、Iyj、Izj和θxj、θyj、θzj分別為x、y、z方向轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動角度。

        基于最小耗能原理(最小熵產(chǎn)生原理)(周筑寶等, 2017),顆粒破碎時,應(yīng)力集中現(xiàn)象被釋緩,系統(tǒng)中任意時間t的總耗能率為:

        (10)

        式中:Φ為系統(tǒng)總能耗率;V為體積;T、Jk、Xk分別為微小單位體積在瞬時t的絕對溫度、相對應(yīng)的“流”、相對應(yīng)的“力”。

        總耗能率為隨時間函數(shù),對總耗能率積分得:

        (11)

        綜上所述,基于能量守恒下直剪試驗?zāi)芰垦莼^程可表示為:

        (12)

        從推導(dǎo)的基于系統(tǒng)能量守恒下的能量平衡方程可知:剪切系統(tǒng)從啟動至達(dá)到峰值應(yīng)力整個階段,直剪試驗下系統(tǒng)能量變化包括外力做功、克服摩擦力做功、平動及轉(zhuǎn)動動能、顆粒破碎吸收能量、增減的勢能。整個階段,系統(tǒng)受力情況復(fù)雜且持續(xù)變化,根據(jù)力的相互作用原理,顆粒間受力隨剪切過程而變化。

        2 能量與強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系

        2.1 關(guān)系模型的建立

        能量守恒是建立直剪試驗下能量演化與強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系的根本準(zhǔn)則。傳統(tǒng)直剪試驗測得的強(qiáng)度參數(shù)值,基于剪切面為平面、應(yīng)力分布均勻、試樣受力面積為定值、正應(yīng)力不考慮偏心受壓等基本假設(shè)下,使試驗值存在誤差(張敏江等, 2005; 徐進(jìn)等,2008),為建立強(qiáng)度參數(shù)與能量演化關(guān)系,需對比考慮理想狀態(tài)下強(qiáng)度參數(shù)取值與實際取值誤差分析。剪切達(dá)到峰值應(yīng)力臨界狀態(tài),滿足莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則:

        τf=c+σtanφ

        (13)

        式中:τf為抗剪強(qiáng)度;c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;σ為正應(yīng)力。

        (14)

        式中:τ′f、σ′分別為修正的抗剪強(qiáng)度和正應(yīng)力;A1、A2分別為試樣剪應(yīng)力、正應(yīng)力作用受力面積。

        定義:

        (15)

        式中:γ、β為修正影響系數(shù)。

        傳統(tǒng)直剪試驗認(rèn)為:達(dá)到峰值應(yīng)力時,滿足莫爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則(式13)。

        (16)

        式中:A2為正應(yīng)力作用受力面積。綜合上述分析,將式(16)代入式(12),可建立Pi、Pm、c、φ間基于能量守恒下理論關(guān)系式:

        (17)

        上式為達(dá)到剪切峰值臨界狀態(tài)時能量演化與強(qiáng)度參數(shù)間關(guān)系理論模型,也是直剪試驗影響粗粒土強(qiáng)度參數(shù)取值的根本準(zhǔn)則,不同類型粗粒土基于直剪試驗下的剪切達(dá)到峰值均滿足此理論方程,當(dāng)剪切達(dá)到臨界應(yīng)力峰值時此理論模型成立。

        因式(17)中各項能量消耗作用中的參數(shù)仍是概念性的,對于散粒集合的多自由度體系,各參數(shù)難以具體量化,因此提出如下假定:(1)剪應(yīng)力分布均勻,豎向荷載發(fā)生偏移產(chǎn)生彎矩不計; (2)剪切破壞面視為上下剪切盒間平面; (3)剪切過程上部剪切框及顆粒其速度恒定; (4)除剪切核心區(qū)外剪切框頂部與底部顆粒間無相對運動; (5)顆粒間摩擦力在顆粒運動方向上無相對位移。

        由式(17)可知,粗顆?;谌S空間內(nèi)運動、破碎等產(chǎn)生的能量較為復(fù)雜,視二維可觀測面為x-y平面,將三維問題等效轉(zhuǎn)換至二維平面進(jìn)行研究,同時充分運用數(shù)學(xué)微積分思想,通過分析能量密度、二維破碎率等在空間內(nèi)積分獲得三維空間內(nèi)能量(周健等, 2006; 呂超等, 2019; 馬林建等, 2019),定義函數(shù)E(t):

        (18)

        剪切試驗中顆??偲扑槁蕿镻,基于可觀測二維平面破碎率P1,為顆粒破碎耗能占能量演化總能量比值。因剪切盒內(nèi)壁光滑,顆粒間接觸多為點-點接觸、點-面接觸,對于棱角數(shù)較多、磨圓度較好顆粒,顆粒間摩擦力在顆粒運動方向上無相對位移,Q(t)、E1趨于無窮小。基于二維可觀測面其顆粒運動、破碎等總能量E1(t)可表示為:

        (19)

        式中:P1為基于可觀測二維平面破碎率。

        式(19)中破碎率P1; 產(chǎn)生重力勢能、轉(zhuǎn)動動能、平動動能顆粒數(shù):n′1、n′2、n′3; 質(zhì)量m′i、mk; 時間tj、tk; 位移xk、yk、z′1j、z′2j; 角度θxj; 轉(zhuǎn)動慣量Ixj均可由試驗分析計算獲得,重力加速度g均為已知量取9.8m·s-2。

        (20)

        (21)

        根據(jù)式(18)~式(21)可解得E(t):

        (22)

        將式(22)代入式(17)中,取γ=1.02,β=1.0(張敏江等, 2005)得到式(23):

        (23)

        能量的定量變化是影響粗粒土強(qiáng)度參數(shù)取值的根本因素,基于假定條件下的剪切峰值臨界狀態(tài)時能量演化與強(qiáng)度參數(shù)間關(guān)系適用模型,未定量數(shù)據(jù)均可根據(jù)試驗測定。

        2.2 模型的論證與分析

        同一直剪系統(tǒng)下,達(dá)到剪切峰值臨界狀態(tài)一定,定義等式(23)左半部分為剪切達(dá)到峰值最后一階段外力做功能量函數(shù)F(c,φ):

        (24)

        式(24)以c、φ為自變量,F(xiàn)(c,φ)為因變量的二元一次函數(shù)。

        定義等式(23)右半部分為函數(shù)G(c,φ):

        (25)

        為方便計算c、φ與證明模型,運用反算法,假設(shè)試驗獲得強(qiáng)度參數(shù)值c、φ為已知量滿足式(23),必然有基于不同法向應(yīng)力下F(c,φ)=G(c,φ),則假設(shè)成立,公式得以證明。

        顆粒間接觸方式對研究顆粒運動具有重要意義(程展林等, 2007; 王子寒等, 2018),本文以顆粒表面磨圓度為主要指標(biāo),選擇棱角型接觸(花崗巖等,圖3)和圓型接觸(鵝卵石等,圖4)兩種類型粗粒土,研究從剪切初始-峰值階段的能量演化與強(qiáng)度參數(shù)取值間關(guān)系。

        圖3 棱角型接觸

        圖4 圓型接觸

        粗粒土顆粒的形狀差異對其力學(xué)特性產(chǎn)生較大影響(張斌等, 2020; 朱遙等, 2020),且不同類型粗粒土的材料性質(zhì)存在一定程度上的差異,在剪切試驗過程中,主要表征于顆粒破碎、平動、轉(zhuǎn)動、磨損等難易程度存在差異。因此不同類型粗粒土(棱角型、圓型)的能量演化過程,在一定程度上響應(yīng)了其材料性質(zhì)的差異,可較好地論證該模型的準(zhǔn)確性及普適性。同時為減小顆粒間及試樣間尺寸效應(yīng)影響,控制試驗所用粗顆粒最大高度不超過剪切盒高度的1/20(譚彩等, 2016),約束單個顆粒最大粒徑D≤10mm,采用剪切盒規(guī)格為200mm×200mm×200mm的改進(jìn)可視化直剪儀(圖5)。

        圖5 改進(jìn)可視化直剪儀

        試驗設(shè)備部分技術(shù)參數(shù)如表1所示:

        表1 試驗設(shè)備技術(shù)參數(shù)

        試樣截面積取值A(chǔ)1=A2=0.03m2,π=3.14,F(xiàn)(c,φ)可化簡為:

        F(c,φ)=0.0306cΔx+0.072063PmtanφΔx

        (26)

        將制備的棱角型和圓型接觸兩類粗粒土材料,依次采用夯填的方式裝入可視化剪切盒中,使其具備一定的密實度。在對直剪儀上承壓板、豎向及水平荷載施加裝置、百分表、攝影系統(tǒng)等進(jìn)行調(diào)試結(jié)束后,通過分級施加剪切荷載,對棱角型、圓型接觸兩類粗粒土分別開展法向應(yīng)力為100kPa、200kPa、300kPa的室內(nèi)試驗。根據(jù)剪切試驗數(shù)據(jù),獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖6)及應(yīng)力-位移統(tǒng)計表(表2)。

        圖6 兩類粗粒土在不同法向應(yīng)力下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

        表2 峰值應(yīng)力-位移統(tǒng)計

        通過整理試驗數(shù)據(jù),得到不同類型顆粒各組試樣破壞時的庫倫強(qiáng)度擬合直線,由室內(nèi)試驗得到數(shù)值擬合曲線(圖7)。

        圖7 兩類粗粒土強(qiáng)度擬合直線

        由試驗數(shù)據(jù)可知,兩類粗粒土達(dá)到峰值應(yīng)力時水平加壓的階段總數(shù)量n、位移增量Δx在不同法向應(yīng)力下取值如表3所示:

        表3 不同法向應(yīng)力下n、Δx取值

        根據(jù)式(26)可計算棱角型接觸式、圓型接觸式粗粒土法向應(yīng)力分別為100kPa、200kPa、300kPa時F(c,φ)值(圖8)。

        圖8 正應(yīng)力與F(c,φ)關(guān)系圖

        由圖8可知,剪切達(dá)到峰值應(yīng)力時,在相同法向應(yīng)力下,因棱角型顆粒更易產(chǎn)生運動狀態(tài)的改變,棱角型顆粒最后一階段外力做功F(c,φ)值大于圓型顆粒,針對同種顆粒,因法向應(yīng)力對顆粒運動狀態(tài)改變具有束縛作用,從而影響能量變化,F(xiàn)(c,φ)隨正應(yīng)力值增加而增大。

        對式(23)中G(c,φ)計算,針對可觀測面上粗粒土,因顆粒數(shù)量較多,運用統(tǒng)計學(xué)原理(鄭志剛等, 2016),統(tǒng)計棱角型、圓型基于可觀測面顆粒樣本總數(shù)N1=304、N2=316。轉(zhuǎn)動動能主要產(chǎn)生于剪切帶內(nèi),運用image-pro圖像分析軟件,可獲得兩種類型顆粒在100kPa、200kPa、300kPa法向應(yīng)力條件下剪切前后顆粒轉(zhuǎn)動角度等信息。此處主要針對200kPa法向應(yīng)力試驗條件下的圖像識別結(jié)果進(jìn)行分析(另外兩級法向應(yīng)力條件下的圖像識別處理方法與此一致),獲得棱角型、圓型接觸式粗粒土長軸方向角度變化分布的柱狀圖(圖9、圖10)。

        圖9 棱角型接觸式粗粒土角度長軸方向分布

        圖10 圓型接觸式粗粒土角度長軸方向分布

        相較于初始應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力峰值時顆粒長軸方向分布于1°~90°角度范圍內(nèi)顆粒增多, 90°~180°角度范圍內(nèi)顆粒逐漸減少。因其能量演化遵循最小阻力途徑傳遞,根據(jù)消耗途徑的難易程度進(jìn)行選擇,沿著最易路徑進(jìn)行傳遞,其棱角型顆粒表現(xiàn)尤為明顯。圓型接觸顆粒表面無不規(guī)則突出棱角,受粒間接觸應(yīng)力、受力面積等影響不足以使其產(chǎn)生明顯轉(zhuǎn)角。

        針對樣本數(shù)總數(shù)內(nèi)顆粒統(tǒng)計其運動情況如圖11所示:

        圖11 顆粒運動情況統(tǒng)計圖

        通過分析顆粒運動分布情況,因重力勢能顆粒產(chǎn)生豎向運動伴隨顆粒轉(zhuǎn)動同時存在,因此m′i為產(chǎn)生轉(zhuǎn)動顆??傎|(zhì)量。將顆粒矢量化于CAD中求得對應(yīng)顆粒Ixj,運用Image-Pro得到θxj。為簡化計算過程,利用MATLAB計算G(c,φ)極限值,計算法向應(yīng)力分別在100kPa、200kPa、300kPa下棱角型及圓型顆粒函數(shù)取值如圖12所示。在不同法相向應(yīng)力下,F(xiàn)(c,φ)取值在G(c,φ)最值范圍內(nèi),當(dāng)能量取值精度為0.01J時,F(xiàn)(c,φ)=G(c,φ),因此假設(shè)成立。棱角型顆粒與圓型顆粒其強(qiáng)度參數(shù)按照理論模型計算取值與試驗值相等,剪切峰值臨界狀態(tài)時能量演化與強(qiáng)度參數(shù)間關(guān)系適用模型成立。

        圖12 不同法向應(yīng)力下F(c,φ)與G(c,φ)最值關(guān)系圖

        根據(jù)試驗過程能量演化分析,獲得不同法向應(yīng)力下,直剪試驗下達(dá)到應(yīng)力峰值時最后一階段外力做功與強(qiáng)度參數(shù)值三維關(guān)系圖(圖13)。

        圖13 最后一階段外力做功與強(qiáng)度參數(shù)值關(guān)系圖

        同一法向應(yīng)力下,最后一階段外力做功F(c,φ)隨強(qiáng)度參數(shù)值c、φ增加而增大,F(xiàn)(c,φ)分別與c、φ呈線性關(guān)系。強(qiáng)度參數(shù)c、φ值越大,剪切過程中顆粒能量演化越劇烈。

        3 模型的應(yīng)用探討

        對式(24)取微分,針對同一類顆粒在特定的直剪系統(tǒng),以c、φ為自變量,f(c,φ)為因變量,可化簡為f(c,φ)與c、φ的二元一次函數(shù)。為剪切峰值臨界狀態(tài)外力變化函數(shù)方程:

        (27)

        采用MATLAB對函數(shù)進(jìn)行分析,繪制f(c,φ)函數(shù)圖像(圖14),圖14反映了直剪試驗下粗粒土c、φ值與函數(shù)f(c,φ)間關(guān)系,針對一特定f(c,φ)值,c、φ間有多種線性組合,分別以c、φ為定值,函數(shù)值均呈拋物線增大。整體隨著c、φ值增大,f(c,φ)函數(shù)值呈拋物面趨勢增大。根據(jù)信息數(shù)據(jù)提取并標(biāo)記,棱角型接觸式粗粒土f(23.567, 40.8)>圓型接觸式粗粒土f(16.233, 29.8),通過直剪試驗結(jié)果表明,棱角型接觸式粗粒土強(qiáng)度參數(shù)值大于圓型,其抗剪強(qiáng)度大??赏茝V至不同類型粗粒土,實驗測定的強(qiáng)度參數(shù)值大,對應(yīng)f(c,φ)值偏大,且呈拋物線增大,最終收斂于定值f(cα,φβ)。

        圖14 f(c,φ)函數(shù)圖像

        圖15 f(c,φ)與F(c,φ),G(c,φ)函數(shù)關(guān)系圖

        F(c,φ)以斜率kn=xn-xn-1呈拋物線遞增,試驗表明棱角型接觸式粗粒土抗剪強(qiáng)度大于圓型接觸式粗粒土,滿足f(c,φ)值增大,F(xiàn)(23.567, 40.8)>F(16.233, 29.8),隨因變量持續(xù)增大自變量會無限收斂于定值f(cα,φβ)。

        綜合上述分析,粗粒土作為鐵路路基的主要填料,顆粒表部受到列車軌道傳遞的豎向荷載時,內(nèi)部顆粒受剪,使其路基發(fā)生剪切破壞(龍堯等, 2017)。受力情況根據(jù)相似定律可類比于粗粒土直剪下粗粒土直剪試驗,當(dāng)忽略產(chǎn)生彎矩等情況,在受力過程中,選擇強(qiáng)度參數(shù)值較大顆粒(棱角型)其剪切破壞所需能量較大,更不易發(fā)生破壞。通過室內(nèi)試驗可求得材料強(qiáng)度參數(shù)值,達(dá)到臨界峰值應(yīng)力時,強(qiáng)度參數(shù)c、φ值與其能量演化滿足式(17)的理論模型,通過約束相關(guān)條件亦滿足式(23)的適用模型。當(dāng)選取作為路基填料的粗粒土強(qiáng)度參數(shù)持續(xù)增加,其剪切破壞臨界狀態(tài)外力增大,無限收斂于一定值,對應(yīng)能量也逐漸增加??赏ㄟ^探索這一極限值f(cα,φβ),選取強(qiáng)度參數(shù)值最理想的材料作為路基填料,達(dá)到相應(yīng)工程要求。

        4 結(jié) 論

        通過研究直剪試驗下粗粒土強(qiáng)獨特性與能量演化過程,結(jié)合熱力學(xué)定律與Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則,建立能量演化與強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系模型,采用試驗驗證了模型的正確性與適用范圍,定性及定量地描述了能量演化與強(qiáng)度參數(shù)間關(guān)系。對模型深入分析,運用MATLAB分析函數(shù),對其應(yīng)用進(jìn)行探討。得到如下結(jié)論:

        (1)直剪試驗下能量演化與強(qiáng)度參數(shù)理論模型,剪切達(dá)到臨界應(yīng)力峰值時此理論模型成立。提出基于假定條件下的能量演化與強(qiáng)度參數(shù)間關(guān)系適用模型,當(dāng)能量取值精度為0.01J時模型成立。

        (2)棱角型接觸顆粒其強(qiáng)度參數(shù)取值相較于圓型顆粒大,主要原因為剪切過程能量演化過程愈劇烈,顆粒轉(zhuǎn)動動能等較大,達(dá)到應(yīng)力峰值臨界狀態(tài)外力做功能量值增大。

        (3)不同法向應(yīng)力下,最后一階段外力做功F(c,φ)隨強(qiáng)度參數(shù)值c、φ增加而增大,F(xiàn)(c,φ)分別與c、φ呈線性關(guān)系。強(qiáng)度參數(shù)c、φ值越大,剪切過程中顆粒能量演化越劇烈。

        (4)文中提出的能量演化與強(qiáng)度參數(shù)模型,可用于分析工程中路基填料受剪情況下使其破壞的最大剪應(yīng)力與能量。當(dāng)選取作為路基填料的粗粒土強(qiáng)度參數(shù)值持續(xù)增加,其剪切破壞臨界狀態(tài)外力增大,無限收斂于一定值,對應(yīng)能量也逐漸增加。可通過探索這一極限值f(cα,φβ),選取強(qiáng)度參數(shù)值最理想的材料作為路基填料,達(dá)到相應(yīng)工程要求。

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