楊昊, 杜強(qiáng),2,3*

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 呼和浩特 010051; 2.沙旱區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與巖土工程防御自治區(qū)高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010051; 3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)地質(zhì)技術(shù)與巖土工程內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心, 呼和浩特 010051)

土體與結(jié)構(gòu)物之間的相互作用問題一直是土木工程和巖土工程界研究的重要課題。土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性研究涉及土力學(xué)的各方面,如擋墻與墻后土的接觸、樁與樁周土的接觸、錨桿或土釘與土的接觸等。實(shí)際工程中常見的鋼板樁、鋼管樁施工及應(yīng)用同屬于土與結(jié)構(gòu)物接觸面的范疇。在受到外部荷載作用時(shí),正確地分析接觸面土體的受力變形情況,研究土與結(jié)構(gòu)物相互作用的失效機(jī)理,對(duì)工程的安全與可靠是必需的,也是至關(guān)重要的。

此前,中外諸多學(xué)者進(jìn)行了大量該方面的研究。Potyondy[1]利用應(yīng)力控制式和應(yīng)變控制式直剪儀研究了多種土料與結(jié)構(gòu)物材料接觸面的力學(xué)特性,提出影響界面摩擦強(qiáng)度的4個(gè)主要因素:土質(zhì)、含水率、界面粗糙度和正應(yīng)力;Desai等[2]認(rèn)為兩種材料接觸面剪應(yīng)力傳遞和剪切帶的形成發(fā)生在接觸面附近的一薄層土體中,進(jìn)而提出薄層單元的概念;Clough等[3]利用直剪試驗(yàn)研究土與混凝土接觸面的力學(xué)特性,提出接觸面剪應(yīng)力與相對(duì)剪切位移為雙曲線關(guān)系;殷宗澤等[4]通過直剪試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究分析提出了剛--塑性變形的觀點(diǎn)并在此基礎(chǔ)上提出了一種可以與土體的非線性彈性模型或彈塑性模型相銜接的有厚度的接觸面單元;胡黎明等[5-6]利用改進(jìn)的直剪儀對(duì)不同接觸面相對(duì)粗糙度的砂土與結(jié)構(gòu)物進(jìn)行剪切試驗(yàn),分析了土與結(jié)構(gòu)物接觸面剪切破壞的變形機(jī)理;張嘎等[7-9]運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)多種粗粒土與人工粗糙鋼板接觸面的力學(xué)特性進(jìn)行研究,建立了跟蹤土粒運(yùn)動(dòng)的位移測(cè)量方法。

在此基礎(chǔ)上,劉文白等[10]通過試驗(yàn)分析和數(shù)值模擬研究土與結(jié)構(gòu)物相互作用接觸面最大剪應(yīng)力的變化規(guī)律;馮大闊等[11-12]通過進(jìn)行不同應(yīng)力幅值比下粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面大型三維循環(huán)直剪試驗(yàn),分析了接觸面切向位移、剪切柔度及應(yīng)力幅值比的影響;鄭錚等[13]利用自行研發(fā)的深海沉積物-結(jié)構(gòu)界面儀對(duì)靜/動(dòng)載作用下不排水深海沉積物-結(jié)構(gòu)界面特性試驗(yàn)并進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明靜載作用下界面應(yīng)力曲線隨著粗糙度的增加由折線型轉(zhuǎn)變?yōu)殡p曲線型;Kou等[14]對(duì)不同粒徑的鈣質(zhì)砂和不同表面粗糙度的鋼板進(jìn)行直剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)純砂直接剪切試驗(yàn)得到的峰值剪應(yīng)力高于界面剪切試驗(yàn)得到的值;朱俊高等[15]利用改進(jìn)的直剪儀對(duì)不同密實(shí)度的粗粒土與鋼板接觸面進(jìn)行直剪試驗(yàn),探究發(fā)現(xiàn)粗粒土與鋼板之間的接觸面在達(dá)到剪切破壞前,剪應(yīng)力與剪切位移之間近似呈線性關(guān)系。接觸面的抗剪強(qiáng)度及切向勁度系數(shù)均隨著粗粒土相對(duì)密實(shí)度的增大而增大,趙程等[16]通過在剪切盒內(nèi)注色進(jìn)行研究從宏觀角度發(fā)現(xiàn)了粗砂與結(jié)構(gòu)物剪切帶厚度和法向應(yīng)力呈正相關(guān)且剪切帶空間分布不均勻;Namjoo等[17]采用多種砂對(duì)不同材料進(jìn)行剪切試驗(yàn)以探究接觸界面的剪切行為;史乃偉等[18]利用大型直剪設(shè)備以及顆粒流軟件對(duì)粗砂進(jìn)行直剪試驗(yàn)和數(shù)值模擬,結(jié)果表明粗砂的臨界狀態(tài)摩擦角為36.4°～37.4°且實(shí)驗(yàn)過程中初始正應(yīng)力、初始相對(duì)密實(shí)度對(duì)臨界狀態(tài)摩擦角影響可忽略;盧孝志等[19]對(duì)不同砂泥巖配合比在不同法向應(yīng)力分條件下進(jìn)行剪切試驗(yàn),通過引入泥巖含量m,發(fā)現(xiàn)隨泥巖含量增加,黏結(jié)力線性增大而內(nèi)摩擦角呈二次方減小;趙春風(fēng)等[20]通過對(duì)不同種粗糙度的砂土-混凝土接觸面在不同固結(jié)法向應(yīng)力下進(jìn)行的加、卸荷直剪試驗(yàn),分析不同加、卸荷狀態(tài)下接觸面的力學(xué)特性,得出固結(jié)法向應(yīng)力主要通過影響接觸面土體密實(shí)度和含水率間接 對(duì)峰值剪切應(yīng)力產(chǎn)生影響;楊烜宇等[21]對(duì)不同形態(tài)接觸面和不同材質(zhì)的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn),分析發(fā)現(xiàn)宏觀表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度的差異,即顆粒重新分布及接觸面閉合共同作用導(dǎo)致試樣的法向變形。

以上研究表明,目前關(guān)于土與結(jié)構(gòu)物相互作用的分析與研究中,在宏觀方面已取得了一定的成就,形成了比較成熟的宏觀試驗(yàn)體系和相應(yīng)的研究方法。但在土-結(jié)構(gòu)物細(xì)觀層面和土-鋼接觸面的試驗(yàn)與理論研究還比較少,尤其是應(yīng)用離散元研究土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性的工作開展得還非常有限,缺少土與結(jié)構(gòu)物相互作用的宏細(xì)觀相結(jié)合的分析方法。同時(shí),對(duì)于土與結(jié)構(gòu)物相互作用失效機(jī)理的研究也比較少。為此,現(xiàn)基于改進(jìn)后的半模直剪儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切試驗(yàn),從宏觀、細(xì)觀兩方面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板接觸面剪切失效機(jī)理進(jìn)行分析和研究。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization, ISO)標(biāo)準(zhǔn)中砂,粒徑范圍為0.5～1.0 mm,其物理力學(xué)特性如表1所示,顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Standard sand particle gradation curve

表1 砂樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of sand samples

表2 加載方案Table 2 Loading scheme

1.2 試驗(yàn)裝置

采用特制的半模直剪儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板進(jìn)行單調(diào)剪切試驗(yàn),試驗(yàn)儀器如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)儀器Fig.2 Test equipment

參考本課題組現(xiàn)有可視化儀器[22],對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn),該試驗(yàn)裝置較于傳統(tǒng)直剪儀增加了特有的觀察窗口,可在試驗(yàn)過程中觀察到砂-鋼板剪切過程中接觸面的變形特征。對(duì)照本課題組已有的土顆粒細(xì)觀觀測(cè)手段[23],試驗(yàn)中所用圖像采集裝置為USB數(shù)碼顯微鏡(BELONA牌0X-200X-800X型),圖像分辨率可達(dá)1 600×1 200,數(shù)碼變焦,最大放大倍數(shù)為800X,如圖3所示。

圖3 數(shù)碼顯微鏡Fig.3 Digital microscope

1.3 試驗(yàn)過程

將半圓鋼板置于直剪儀下盒內(nèi),利用半模直剪儀進(jìn)行不同初始相對(duì)密實(shí)度下的標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切試驗(yàn)。通過最大、最小孔隙比計(jì)算出試驗(yàn)要求密實(shí)度所需的砂樣密度,根據(jù)剪切盒體積計(jì)算出對(duì)應(yīng)的質(zhì)量,量取所需的砂樣后,用砂雨法分層制樣,可以較好地控制其相對(duì)密度。試驗(yàn)采用等速剪應(yīng)變,剪切速率為0.4 mm/min。加載方案如表 2 所示。

2 單調(diào)剪切試驗(yàn)結(jié)果及宏細(xì)觀分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切試驗(yàn)

圖4給出了不同初始密實(shí)度、不同法向應(yīng)力下標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切的剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)砂與鋼板剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線Fig.4 Standard sand and steel plate shear stress-displacement curve

由圖4可知,不同初始密實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)砂與鋼板進(jìn)行單調(diào)剪切試驗(yàn)時(shí),土體的剪應(yīng)力均隨著鋼板位移的增加而增大,達(dá)到最大剪應(yīng)力后趨于穩(wěn)定。在同一密實(shí)度下,隨著法向應(yīng)力的增加,土體的剪應(yīng)力也在增加?？梢詫⒓魬?yīng)力-位移關(guān)系曲線分為三個(gè)階段,即剪應(yīng)力線性增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段和水平發(fā)展階段。

初始相對(duì)密實(shí)度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切接觸面強(qiáng)度有影響。Dr=90%時(shí),在法向應(yīng)力σ=100、200、300、400 kPa的條件下與鋼板作用的峰值強(qiáng)度分別是Dr=60%時(shí)的1.5倍、1.2倍、1.11倍、1.31倍。產(chǎn)生的原因是當(dāng)砂樣密實(shí)時(shí),砂土顆粒排列緊密,顆粒間的咬合力較大。在砂與鋼板接觸作用的區(qū)域里,土顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和重新排列的概率較小,在相同位移條件下,剪切過程中要克服顆粒間較大的咬合摩擦,在接觸面產(chǎn)生較大的抗剪切強(qiáng)度。當(dāng)密實(shí)度較小時(shí),土顆粒間孔隙大,顆粒在剪切過程中發(fā)生重新排列,在相同剪切位移條件下,剪切過程中克服較小的咬合摩擦,接觸面抗剪切強(qiáng)度低。

2.2 基于應(yīng)力-位移關(guān)系分析標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板相互作用

選取法向應(yīng)力σ=300 kPa條件下不同初始密實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)砂與鋼板的單調(diào)剪切試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。其剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 σ=300 kPa不同初始密實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板剪應(yīng)力-位移曲線Fig.5 σ=300 kPa different initial density standard sand-steel plate shear stress-displacement curve

標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板進(jìn)行單調(diào)剪切試驗(yàn)時(shí),隨著相對(duì)位移的增加,接觸面的剪應(yīng)力逐漸增大并趨于穩(wěn)定,剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的狀態(tài)。曲線并無明顯的剪應(yīng)力峰值,可視為理想彈塑性模式。令λ為相鄰兩位移點(diǎn)所對(duì)應(yīng)剪應(yīng)力差值,將計(jì)算出的λi列入表3中。

表3 λi計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of λi calculation results

由表3可知,初始密實(shí)度Dr=90%的砂樣自λ6開始,λi不再變化,一直為0,說明從第6個(gè)位移點(diǎn)(s=1.7 mm)開始,剪應(yīng)力的大小不再隨著位移的增加而改變,可認(rèn)為此位移所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力值為砂樣與鋼板單調(diào)剪切時(shí)的抗剪強(qiáng)度;初始密實(shí)度Dr=60%的砂樣自λ10開始不變。對(duì)照兩種條件下的λi值的變化可知,相同條件下密實(shí)度較大的砂樣在單調(diào)剪切時(shí)抗剪強(qiáng)度更高,密實(shí)度較低的砂樣會(huì)經(jīng)歷更長(zhǎng)的位移。

圖4(b)中σ=400 kPa時(shí)Dr=90%標(biāo)準(zhǔn)砂與鋼板相互作用剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線。在位移至約為2 mm時(shí)剪應(yīng)力不再變化。由此可知,當(dāng)砂樣與鋼板間的相對(duì)位移增加,而對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力增量λi趨于0時(shí),認(rèn)為砂樣與鋼板之間已發(fā)生失效。對(duì)應(yīng)到剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線,認(rèn)為當(dāng)曲線進(jìn)入水平發(fā)展階段時(shí),砂樣與鋼板相互作用失效。

2.3 基于孔隙變化的細(xì)觀分析

選取標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板接觸面區(qū)域進(jìn)行細(xì)觀分析,觀測(cè)點(diǎn)位置如圖6所示。

圖6 觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.6 Position diagram of observation point

在觀測(cè)點(diǎn)拍攝細(xì)觀圖片,對(duì)法向應(yīng)力σ=300 kPa,密實(shí)度 Dr=90%標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切試驗(yàn)所拍攝的細(xì)觀觀測(cè)照片進(jìn)行分析。圖7(a)為數(shù)碼顯微鏡拍攝的細(xì)觀原始圖片,照片的尺寸為1 280×1 024,放大倍數(shù)為50倍,鏡頭內(nèi)顆粒數(shù)目約為50顆,分析測(cè)點(diǎn)均指單元中心點(diǎn)。用 MiVnt自帶的圖片處理工具將砂土顆粒圈出并涂黑渲染,涂色顆粒以外的區(qū)域?yàn)榭紫?處理效果如圖7(b)所示。

二維細(xì)觀分析時(shí)將土的孔隙率定義為觀測(cè)面中孔隙的總面積與土顆粒的總面積之比,即單位面積內(nèi)的孔隙面積,利用MiVnt圖像分析系統(tǒng)對(duì)圖像的孔隙面積和分析區(qū)域總面積分別做出統(tǒng)計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切試驗(yàn)過程中進(jìn)行不同位移等級(jí)條件下細(xì)觀照片的拍攝,選取相對(duì)位移為0、1、2、3、4 mm時(shí)進(jìn)行拍攝,用MiVnt軟件處理得出顆粒及孔隙的結(jié)果如表4所示。

表4 不同位移等級(jí)下的顆粒與孔隙參數(shù)Table 4 Particle and pore parameters under different displacement levels

比較表4中所列細(xì)觀參數(shù)可以得出,標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板剪切過程中,隨著位移等級(jí)的增大,砂土的孔隙率逐漸減小,其原因是法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用,土體不斷壓縮,顆粒發(fā)生擠壓和旋轉(zhuǎn)并不斷填充孔隙。可知最后一個(gè)階段在4個(gè)不同試驗(yàn)階段中孔隙率變化最小。位移等級(jí)s=1 mm 至位移等級(jí)s=2 mm 的階段,孔隙率變化最大。對(duì)比不同位移等級(jí)下孔隙大小的平均值,可以看出隨著位移等級(jí)的遞增,孔隙大小的平均值呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。在位移等級(jí)s=2 mm后,孔隙大小的平均值減小的幅度降低。

上述分析表明標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切過程中砂樣孔隙的壓縮主要發(fā)生在開始階段,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行砂樣密實(shí)度提高、孔隙壓縮程度減小、孔隙面積減小。通過上述分析判定顆粒的孔隙率和孔隙發(fā)生顯著的變化時(shí)標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切失效。顯微圖像拍攝的范圍是固定的,由出現(xiàn)在圖像內(nèi)的完整的砂土顆粒逐漸增加可看出土體不斷壓縮,單位面積內(nèi)的砂土顆粒逐漸增加,孔隙率及孔隙大小的變化情況基本一致。

2.4 基于顆粒間接觸關(guān)系的細(xì)觀分析

除顆?？紫都靶螤畲笮∧芊从成巴良?xì)觀結(jié)構(gòu)以外,粒間接觸關(guān)系也是一個(gè)重要細(xì)觀參數(shù),對(duì)此使用顆粒的接觸線切線方向來表示。在MiVnt軟件中以接觸曲線段兩端點(diǎn)相連所得的直線,即以割線的方向近似作為切線方向來表示顆粒間的接觸關(guān)系。圖8為相應(yīng)位移等級(jí)下細(xì)觀觀測(cè)點(diǎn)內(nèi)顆粒接觸線切線方向玫瑰圖。

圖8 接觸線切線方向玫瑰圖Fig.8 Rose diagram of tangent direction of contact wire

由圖8可知,顆粒接觸線總數(shù)隨位移等級(jí)增加而增加。接觸線切線方向與x軸正向的夾角分布隨位移等級(jí)的增加逐漸由90°～180°向 0°～90°轉(zhuǎn)變。自然堆積狀態(tài)下接觸線方向的分布具有一定的隨機(jī)性,接觸線切線方向與x軸正向夾角為160°～180°區(qū)間內(nèi)的接觸線最多,有22個(gè),占接觸線總數(shù)的19.82%;而接觸線切線方向與x軸正向夾角是0～20°的區(qū)間內(nèi)的接觸線有7個(gè),占總數(shù)的6.31%。隨著位移等級(jí)的增加,當(dāng)位移等級(jí)為s=2 mm時(shí),16.15% 的接觸線分布在接觸線切線方向與x軸正向夾角0～20°的區(qū)間內(nèi),而接觸線分布在接觸線切線方向與x軸正向夾角是160°～180°的區(qū)間內(nèi)的概率下降為 5.38%。當(dāng)位移等級(jí)達(dá)到s=4 mm時(shí),接觸線分布在接觸線切線方向與x軸正向夾角是 0～20°區(qū)間內(nèi)的數(shù)目是 22 個(gè),占接觸線總數(shù)的15.38%,分布在接觸線切線方向與x軸正向夾角160°～180°范圍的接觸線11個(gè),占總數(shù)的7.69%。

顆粒接觸線分布概率的變化以及顆粒排列的定向特征表明在標(biāo)準(zhǔn)砂與鋼板單調(diào)剪切過程中,標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒排列方向隨著鋼板位移的增加而發(fā)生了變化,砂土顆粒在三維空間內(nèi)發(fā)生了重新排列。顆粒之間的接觸隨著結(jié)構(gòu)物位移的增加而增加。

3 數(shù)值模擬及分析

利用顆粒流離散元程序PFC2D,以4道剛性墻體分別來模擬結(jié)構(gòu)物和試樣盒,通過對(duì)頂面墻體施加不同的速度,并使底面的墻體以一定的速率水平移動(dòng),來模擬不同法向應(yīng)力條件下,土與結(jié)構(gòu)物的相互作用。以具有一定剛度和粗糙度的圓盤來模擬土顆粒。對(duì)不同法向應(yīng)力條件下土與結(jié)構(gòu)物相互作用時(shí)土顆粒的分布變化情況、速度場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行分析。土與結(jié)構(gòu)物相互作用數(shù)值模擬模型示意圖如圖9所示,數(shù)值模擬細(xì)觀參數(shù)如表5所示。

圖9 土與結(jié)構(gòu)物相互作用數(shù)值模擬模型示意圖Fig.9 Numerical simulation model of soil-structure interaction

表5 PFC2D模型基本參數(shù)表Table 5 Basic parameters of PFC2D model

對(duì)密實(shí)度Dr=90% 法向應(yīng)力σ=300 kPa條件下的標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,利用顆粒流離散元軟件編寫相應(yīng)的程序命令控制結(jié)構(gòu)物 0.4 mm/min 的速率水平運(yùn)動(dòng),使土與結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生相對(duì)的剪切作用。

3.1 顆粒接觸力分析

繪制顆粒接觸力分布圖和顆粒位移矢量圖。選取剪切位移為0、1、2、3 mm的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析,顆粒接觸力分布如圖10所示。

圖10 不同位移條件下的顆粒接觸力分布圖Fig.10 Distribution of particle contact force under different displacement conditions

對(duì)比圖10,在初始狀態(tài)(s=0 mm)時(shí)粒間接觸力分布均勻且主要以豎向?yàn)橹?此時(shí)接觸力由自重引起。隨著相對(duì)位移的產(chǎn)生,在s=1 mm 時(shí),接觸力方向逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn),方向與鋼板運(yùn)動(dòng)方向一致,分布呈斜對(duì)角分布,可看出砂樣右側(cè)接觸力減小,左側(cè)接觸力增加。這是由于鋼板的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)顆粒運(yùn)動(dòng)引起的。隨著相對(duì)位移的增加,顆粒接觸力逐漸集中于接觸面處并且逐漸增加。在s=3 mm時(shí),接觸力又重新恢復(fù)以豎向?yàn)橹?表明砂樣與鋼板相互作用失效時(shí)顆粒受到的粒間作用力已經(jīng)大于結(jié)構(gòu)物的作用力,此時(shí)顆?；静浑S結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),可判定土與結(jié)構(gòu)物之間已發(fā)生失效。

3.2 顆粒位移矢量分析

圖11為不同位移條件下的顆粒位移矢量圖。對(duì)比可知,在初始狀態(tài)s=0時(shí),顆粒的位移較為雜亂,其原因?yàn)樘畛鋭偨Y(jié)束顆粒較不穩(wěn)定。隨著相對(duì)位移的產(chǎn)生,s=1 mm時(shí),靠近鋼板的顆粒在鋼板的帶動(dòng)下開始發(fā)生水平位移,此時(shí)位移具有明顯的方向性,其方向與鋼板運(yùn)動(dòng)方向一致。相對(duì)位移進(jìn)一步增加,接觸面處的顆粒位移也隨之增加,而距離鋼板越遠(yuǎn),位移越不明顯,說明此時(shí)只有與鋼板接觸的顆粒受到鋼板運(yùn)動(dòng)的影響。當(dāng)相對(duì)位移s=3 mm 時(shí),顆粒的位移明顯減少,說明此時(shí)顆粒幾乎不隨著鋼板的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),只有接觸面附近的顆粒發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)。顆粒不再隨著鋼板的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板相互作用發(fā)生失效。失效后,土與鋼板之間處于塑性滑動(dòng)狀態(tài),土體不再發(fā)生明顯的形變,位移集中在接觸面處發(fā)生。

圖11 不同位移條件下的顆粒位移矢量圖Fig.11 Particle displacement vector diagram under different displacement conditions

3.3 顆粒速度矢量分析

圖12為顆粒速度矢量分布圖。在初始階段s=0時(shí),顆粒沒有速度,保持靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)相對(duì)位移s=1 mm時(shí)顆粒速度增加幅度大,這是由于鋼板的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)了與之相接觸的顆粒,同時(shí)由于顆粒間相互摩擦、咬合作用,接觸面處顆粒的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)部分上部顆粒共同運(yùn)動(dòng)。當(dāng)剪切位移進(jìn)一步增加時(shí),顆粒速度減小,鋼板對(duì)顆粒的影響只到接觸面附近約土體高度的 1/4。當(dāng)相對(duì)位移s=3 mm 時(shí),接觸面處的顆粒速度開始減小,說明此時(shí)鋼板的運(yùn)動(dòng)不再帶動(dòng)顆粒的運(yùn)動(dòng), 顆粒只在周圍顆粒的影響下發(fā)生平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)幅度很小。當(dāng)顆粒不再隨著鋼板的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板作用發(fā)生失效。

圖12 不同位移條件下的顆粒速度矢量圖Fig.12 Particle velocity vector diagram under different displacement conditions

3.4 數(shù)值模擬的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、速度場(chǎng)綜合分析

對(duì)數(shù)值模擬得到的顆粒應(yīng)力場(chǎng)、顆粒位移場(chǎng)、顆粒速度場(chǎng)綜合分析,得出標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板接觸面通過顆粒的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)來傳遞剪切應(yīng)力,顆粒的位移引起接觸面內(nèi)土體的剪脹。

從細(xì)觀數(shù)值模擬結(jié)果可看出,試驗(yàn)開始后鋼板發(fā)生水平向位移,通過與鋼板相接觸的顆粒將剪切力傳遞至砂樣中,此時(shí)與鋼板相接觸的顆粒主要受到兩種力的作用:一是鋼板對(duì)它的作用力;二是與之相接觸的其他顆粒對(duì)它的作用力。在共同作用下,接觸面顆粒產(chǎn)生3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(1)狀態(tài)1:兩種作用力的大小相等、方向相反。兩種力作用在同一條作用線上時(shí),顆粒將保持靜止或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài); 兩種作用力不在同一條作用線線上時(shí),顆粒將發(fā)生勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)狀態(tài)2:鋼板對(duì)顆粒的作用力大于顆粒間的作用力、方向相反。兩種力作用在同一條作用線上時(shí),顆粒將沿著鋼板運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng),但速度小于鋼板運(yùn)動(dòng)的速度;兩種力不在同一條作用線上,顆粒將沿鋼板運(yùn)動(dòng)方向同時(shí)發(fā)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

(3)狀態(tài)3:顆粒間的作用力大于鋼板對(duì)土顆粒的作用力。此時(shí)顆粒將沿著周圍顆粒作用合力的方向發(fā)生移動(dòng)或者同時(shí)發(fā)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 宏細(xì)觀機(jī)理分析

從以上分析可以看出,在細(xì)觀層次上觀察到的接觸面土體的應(yīng)力、變形、位移等物理狀態(tài)變化的發(fā)展趨勢(shì)與宏觀層次上觀察到的剪應(yīng)力-位移關(guān)系的發(fā)展趨勢(shì)相似。這表明在標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板相互作用的過程中,接觸面土體的物理狀態(tài)不斷發(fā)生變化,并逐漸趨于穩(wěn)定,這種物理狀態(tài)的變化又導(dǎo)致接觸面土體的力學(xué)特性發(fā)生類似趨勢(shì)的變化,并表現(xiàn)在宏觀觀測(cè)到的剪應(yīng)力-位移關(guān)系的響應(yīng)上。

綜合前文中基于應(yīng)力-位移關(guān)系、土體細(xì)觀組構(gòu)變化、細(xì)觀數(shù)值模擬對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板失效的分析,可以看出標(biāo)準(zhǔn)砂與鋼板之間單調(diào)剪切作用時(shí),在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上變現(xiàn)為加工硬化型,剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線分為剪應(yīng)力線性增長(zhǎng)階段,緩慢增長(zhǎng)階段和水平發(fā)展階段,而從細(xì)觀的角度考慮,土顆粒在結(jié)構(gòu)物的作用力和土顆粒間的相互作用力下,表現(xiàn)出3種不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),在剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線的線性增長(zhǎng)階段,與鋼板相接觸的土顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要以靜止、勻速運(yùn)動(dòng)或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)為主,隨著相對(duì)位移的逐漸增大,當(dāng)接觸面處大部分的土體顆粒發(fā)生隨著鋼板的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)時(shí),接觸面處的土體將發(fā)生剪切變形,剪應(yīng)力逐漸發(fā)展至峰值,對(duì)應(yīng)于剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線的剪應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)階段,當(dāng)接觸面土顆粒不再隨著鋼板的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)時(shí),剪應(yīng)力保持不變,標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板接觸表面發(fā)生失效,對(duì)應(yīng)于剪應(yīng)力-位移曲線的水平發(fā)展階段。

根據(jù)顆粒間的接觸關(guān)系,顆粒的速度、接觸力和位移分析,確定出標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切的失效機(jī)理是由于土顆粒的平移、轉(zhuǎn)動(dòng),顆粒間的重新排列等所導(dǎo)致接觸面土顆粒間的咬合摩擦、滑動(dòng)摩擦大于結(jié)構(gòu)物對(duì)土顆粒的作用力,使得接觸面處的土顆粒不隨著結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),從而在土與結(jié)構(gòu)物接觸面產(chǎn)生很大的相對(duì)位移,引起失效。

5 結(jié)論

(1)標(biāo)準(zhǔn)砂-鋼板單調(diào)剪切的剪應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)出加工硬化的狀態(tài),可視為理想彈塑性模式,曲線可劃分為剪應(yīng)力線性增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和水平發(fā)展階段三個(gè)階段。

(2)定義λ為相鄰兩位移點(diǎn)所對(duì)應(yīng)剪應(yīng)力差值,當(dāng)λ趨于0時(shí),認(rèn)為土與結(jié)構(gòu)物之間相互作用失效。

(3)顆粒的孔隙率和孔隙發(fā)生顯著的變化后土與結(jié)構(gòu)物相互作用失效。標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒排列方向隨著鋼板位移的增加而發(fā)生了變化,砂土顆粒在三維空間內(nèi)發(fā)生了重新排列。

(4)通過數(shù)值模分析結(jié)果,根據(jù)粒間接觸力方向變化、顆粒位移、速度變化可將相互作用過程中接觸面土顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為三類,對(duì)應(yīng)剪應(yīng)力-位移曲線的三個(gè)階段,得出土與結(jié)構(gòu)物接觸面通過顆粒的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)來傳遞剪切應(yīng)力,砂顆粒的位移同時(shí)引起接觸面內(nèi)土體的剪脹。