張苗苗,徐鑫磊,于宏波
(赤峰昊林工程勘察設(shè)計(jì)有限公司,內(nèi)蒙古 赤峰)
為實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土力學(xué)試驗(yàn)的仿真,開(kāi)展研究前,引進(jìn) Mohr-Coulomb (莫爾 - 庫(kù)倫強(qiáng)度理論)、Drucker-Prager(DP 準(zhǔn)則),將其作為參照,進(jìn)行巖土材料在力學(xué)性能試驗(yàn)中應(yīng)力分布的研究[1]。
在此過(guò)程中,Mohr-Coulomb 理論提出,材料發(fā)生破壞行為,大多屬于剪切破壞,在此種條件下,破壞面上存在剪應(yīng)力,而對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力可以用法向應(yīng)力函數(shù)表示,表達(dá)式如下:
式中:τf代表材料發(fā)生破壞時(shí),破壞面上的剪應(yīng)力;f(σ)代表法向應(yīng)力函數(shù)。根據(jù)上述函數(shù),可以確定巖土材料的莫爾破壞包絡(luò)線,如圖1 所示。
圖1 巖土材料的莫爾破壞包絡(luò)線
圖1 中,A、B 代表破壞面的兩個(gè)莫爾圓;O1、O2代表兩個(gè)任意點(diǎn)莫爾圓半徑;M、N 代表破壞面的垂直包絡(luò)線[2]。設(shè)定一個(gè)參數(shù)為巖土材料的屈服系數(shù),將其表示為Q,Q 的計(jì)算可以通過(guò)下述公式得到。
式中:Q 代表屈服系數(shù);O1 代表任意點(diǎn)莫爾圓半徑;O1M 代表圓心到包絡(luò)線距離。根據(jù)實(shí)際情況,應(yīng)明確Q 的取值在0~1 之間,當(dāng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)Q 的值>1 時(shí),說(shuō)明在此種條件下,巖土材料樣件已在法向應(yīng)力作用下,達(dá)到了屈服破壞程度。
在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上,參照DP 準(zhǔn)則,進(jìn)行巖土材料屈服應(yīng)力的分析,在此過(guò)程中,可以將巖土材料的樣件假設(shè)為一個(gè)三維模型,模型在三個(gè)方向的主應(yīng)力構(gòu)成三維應(yīng)力空間[3]。在此種條件下,巖土材料樣件中對(duì)應(yīng)某一節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力可以用(σ1, σ2,σ3)表示,在此種狀態(tài)下,樣件的應(yīng)力狀態(tài)可以用主應(yīng)力空間中的隨機(jī)一點(diǎn)P 表示[4]。將主應(yīng)力空間劃分為若干個(gè)平面,隨機(jī)一個(gè)主應(yīng)力平面上都應(yīng)當(dāng)存在正向應(yīng)力分量,但無(wú)論分量如何發(fā)生變化,第一主應(yīng)力都應(yīng)當(dāng)保持不變,此時(shí),第一主應(yīng)力可以用下述公式計(jì)算得到。
式中:I1代表第一主應(yīng)力。
在此種條件下,主應(yīng)力主要由平面上的剪應(yīng)力構(gòu)成,剪應(yīng)力計(jì)算公式如下:
式中:τπ代表平面上的剪應(yīng)力;J2代表第二偏應(yīng)力不變量。
完成上述計(jì)算后,以巖土力學(xué)試驗(yàn)中的有限元仿真試驗(yàn)為例,進(jìn)行主應(yīng)力分布特點(diǎn)的具體分析[5]。在此過(guò)程中,采用數(shù)值計(jì)算的方式,進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)中相關(guān)數(shù)值的模擬,計(jì)算過(guò)程中,可按照表1,設(shè)定巖土力學(xué)試驗(yàn)中巖土材料樣件對(duì)應(yīng)有限元模型的技術(shù)參數(shù)。
表1 巖土力學(xué)試驗(yàn)中巖土材料樣件對(duì)應(yīng)有限元模型的技術(shù)參數(shù)
研究過(guò)程中,進(jìn)行建立帶模板與不帶模具的仿真結(jié)構(gòu)模型,將兩個(gè)模型標(biāo)注為①、②,對(duì)樣件的底部節(jié)點(diǎn)施加全約束,將其頂部與豎向垂直方向發(fā)生耦合,在頂部的中心節(jié)點(diǎn)位置,施加一個(gè)垂直向下的作用力,將其作為主應(yīng)力,構(gòu)件的主應(yīng)力分布如圖2 所示。
圖2 主應(yīng)力分布云圖
通過(guò)上文試驗(yàn)獲得主應(yīng)力組成,將其大致分為三個(gè)部分,分別為:?jiǎn)屋S貫入中的純壓分布、雙軸貫入中的純拉分布和純剪中的拉壓復(fù)合應(yīng)力組成。結(jié)合上述得到的主應(yīng)力組成方式下的疲勞荷載仿真算例,實(shí)現(xiàn)對(duì)研究試件在疲勞荷載方式下的主應(yīng)力分布情況分析。該計(jì)算實(shí)例是一種以拉、剪、壓為交變應(yīng)力的彈塑性材料為研究對(duì)象,以有限元方法模擬其疲勞加載特性。具體如圖3 所示。
圖3 疲勞仿真計(jì)算模型
該模型是一種長(zhǎng)方體,其長(zhǎng)為101 mm,寬為50 mm,厚度為50 mm。該疲勞仿真計(jì)算模型的彈性模量設(shè)置為2.03×105MPa,泊松比設(shè)置為0.2。在進(jìn)行疲勞仿真的過(guò)程中,將模型的邊界條件設(shè)置為:左半邊上、下表面的節(jié)點(diǎn)Y 向限制,左頂面X 向連接,右半邊上、下表面的節(jié)點(diǎn)Y 向連接。在施加力時(shí),設(shè)計(jì)對(duì)左部頂面一個(gè)恒定壓力或拉力,即將模型X 軸正向或負(fù)向作為施壓方向。在模型右部地面按照時(shí)間的變化重復(fù)施加沿Y 軸方向的推力,該力為剪切力。按照上述操作循環(huán)加載,實(shí)現(xiàn)對(duì)研究試件疲勞荷載的施加。圖4為疲勞仿真計(jì)算模型加載方式示意。
圖4 疲勞仿真計(jì)算模型加載方式示意
圖5 為對(duì)研究試件左部頂面時(shí)間恒定拉力或推力,施加的剪力循環(huán)荷載隨時(shí)間的變化曲線。
圖5 疲勞仿真計(jì)算模型循環(huán)荷載大小變化
從圖中可以看出,隨著時(shí)間的不斷增加,荷載呈現(xiàn)出明顯的先增加后降低,且不斷循環(huán)的變化規(guī)律。調(diào)節(jié)循環(huán)載荷中常壓或常壓的推動(dòng)力或拉力的正負(fù)和值,并調(diào)節(jié)所受剪切力的值,通過(guò)比較分析,得出對(duì)應(yīng)的2 D 應(yīng)力莫爾圓,從而得出在拉剪、壓剪等疲勞載荷作用下,各工況下的主應(yīng)力構(gòu)成模式。
本研究設(shè)置多組拉力或壓力與循環(huán)剪力之間的組合形式,最終選出如表2 所示的四組作為對(duì)比分析的研究對(duì)象。
表2 對(duì)比分析算例參數(shù)設(shè)置
針對(duì)第四組算例,增加其循環(huán)次數(shù),并進(jìn)行計(jì)算。被研究試件受到恒定拉力和循環(huán)剪力的作用。結(jié)合其特點(diǎn),為方便更直觀對(duì)比,需要先將機(jī)組不同算例中某一循環(huán)內(nèi)的剪力分別施加到峰值水平和谷值水平,對(duì)試件的最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)下剪應(yīng)力和塑性剪應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比。針對(duì)第一組算例,在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn),在恒定拉力的取值為20 MPa 時(shí),此時(shí)在拉剪狀態(tài)下,當(dāng)循環(huán)剪力峰值和谷值不斷變化時(shí),最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的最大剪應(yīng)力為112.8 MPa,壓剪狀態(tài)下,最大剪應(yīng)力為125 MPa。在恒定拉力設(shè)置為20 MPa 和恒定剪力設(shè)置為20 MPa條件下,最大塑性剪力應(yīng)為2.5×10-4,而在第一個(gè)周期達(dá)到2.5 s 后,塑性應(yīng)變不再增加。因此,可認(rèn)為該周期內(nèi),試樣仍處在塑性應(yīng)變階段。在仿真中,當(dāng)恒定壓力設(shè)定為20 MPa,剪力為20 MPa 時(shí),相同的循環(huán)至剪力峰值時(shí)最大塑性應(yīng)變?yōu)?.4×10-4,在第一個(gè)周期峰值時(shí)間為2.5 s 時(shí)塑性剪應(yīng)變也不再增加,因此在這種狀態(tài)下,試件也未達(dá)到塑性應(yīng)變狀態(tài)。在該組算例中,拉剪狀態(tài)下最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)受剪應(yīng)力較小,但塑性剪應(yīng)變較大。
針對(duì)第二組算例,在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)一個(gè)恒定的張力被設(shè)定為40 MPa 時(shí),剪切力被設(shè)定為20 MP。在拉伸- 剪切狀態(tài)下,最大剪切應(yīng)力是117 MPa,在對(duì)應(yīng)的情況下,壓力狀態(tài)下,最大剪切應(yīng)力是116 MPa。由此可以看出,在這一組實(shí)例中,最危險(xiǎn)的結(jié)點(diǎn)所受剪切力的幅值相差不大。恒定壓力設(shè)置為40 MPa,循環(huán)時(shí)間在2.5 s 時(shí),此時(shí)塑性剪應(yīng)變不再增加,說(shuō)明在該組算例當(dāng)中沒(méi)有出現(xiàn)塑性應(yīng)變。
針對(duì)第三組算例,若將不變的張力設(shè)定在30 MPa,則剪切力的峰值是30 MPa。在拉- 剪作用下,最危險(xiǎn)的結(jié)點(diǎn)所承受的最大剪切力為142 MPa,剪切應(yīng)力隨循環(huán)數(shù)的增加而降低。在對(duì)應(yīng)的情況下,最危險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)在受壓剪切狀態(tài)下,其最大剪切應(yīng)力為162 MPa。由此可以看出,在該組算例當(dāng)中,壓剪狀態(tài)下所受的剪應(yīng)力較大。在恒定拉力為30 MP,剪力為30 MPa 時(shí),此時(shí)試件開(kāi)始出現(xiàn)了塑性應(yīng)變,塑性剪應(yīng)變從0 逐漸增加到1.9×10-3。在相同條件下,壓剪狀態(tài)下最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的最大塑性剪應(yīng)變?yōu)?.75×10-3。由此可以看出,當(dāng)剪力循環(huán)到谷值時(shí),拉剪狀態(tài)下最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的剪應(yīng)變與壓剪狀態(tài)下的最危險(xiǎn)剪應(yīng)變相比更大。
針對(duì)第四組算例,為獲得更明顯對(duì)比效果,將循環(huán)次數(shù)增加到100 倍。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析得出,當(dāng)恒定的張力設(shè)定為60 MPa 時(shí),剪切力的峰值為40 MPa,在拉- 剪切狀態(tài)下,最危險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)的最大剪切應(yīng)力為170 MPa。剪切應(yīng)力隨循環(huán)數(shù)的增加而降低。在對(duì)應(yīng)的情況下,最危險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)在受壓剪切狀態(tài)下,其最大剪切應(yīng)力為200 MPa。由此可以看出,該組算例中,在壓力作用下,剪切應(yīng)力是比較大的。
目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的單軸和三軸的抗壓、剪切和模型試驗(yàn),并在階段性的工作中,取得了豐富的實(shí)驗(yàn)資料與研究成果。為實(shí)現(xiàn)對(duì)此方面內(nèi)容的優(yōu)化,本研究從理論層面,對(duì)此方面工作進(jìn)行深入分析。明確基于彈性理論下,應(yīng)用力學(xué)中普遍存在的強(qiáng)度判據(jù),找出試驗(yàn)中主要應(yīng)力組成模式間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。為落實(shí)此方面的研究,本研究開(kāi)展了此次研究,完成研究后,初步明確了在巖土材料構(gòu)件中主應(yīng)力的分布規(guī)律,并掌握了材料的疲勞性能。本次研究經(jīng)過(guò)大量的時(shí)間與查閱文獻(xiàn),初步取得了一些價(jià)值性成果,但研究得到的最終結(jié)果仍然受到試驗(yàn)中儀器設(shè)備、人員精力等相關(guān)因素的影響,導(dǎo)致試驗(yàn)與研究得到的部分結(jié)論仍有待進(jìn)一步的完善、優(yōu)化,因此,本研究將在此次研究中,結(jié)合相關(guān)工作的具體需求,選擇更多形狀的不同,設(shè)定不同的參數(shù)為變量,在多位置、多參數(shù)下,進(jìn)行巖土材料樣本構(gòu)件在外部荷載條件下壽命的計(jì)算,希望通過(guò)此次的設(shè)計(jì)與研究,為后續(xù)技術(shù)人員的相關(guān)研究提供全面、進(jìn)一步的技術(shù)指導(dǎo)與數(shù)值支撐。