（岩土工程专业论文）基于能量耗散原理的土与结构接触面模型研究及应用.pdf

河海大学博士学位论文 摘要 二h 了结构接触面的力学行为是土与结构相互作用的微观反映，其主要以土与混凝 接触丽为代表，它涉及到岩士工程的诸多领域。详纠研究接触面的力学行为并建j 1 悄直的小构模型具有重要的理论意义和实用价值。本文从基础试验、接触面单i 、接 触面本构模型等方面对土与混凝土接触面的力学行为进行了系统的研究；建立了基于 能鞋耗散假定的3 参数应力应变模型，进而建立了接触面正反向剪切本构模型；最后 窿岩十工程中推广了新3 参数应力应变模型的应用，并通过数学严格证明了新3 参数 啦力应变模型与传统模型的关系，主要内容如下： f 1 ) 通过多种接触面直剪试验，分析了接触面抗剪强度参数随接触类型和土体含 水率变化的规律，指出了接触面的力学行为与结构的亲水性密切相关。 ( 2 ) 进行了土与混凝土接触面4 个含水率、4 个正向剪切比的正反向单剪试验， 研究了不同含水率与l f 向剪切比对接触面反向抗剪强度的影响规律，观察了接触面剪 切破坏的位置。 ( 3 ) 分析试验数据，基于热力学原理和能量耗散假定，得到了接触面应力应变 曲线的控制微分方程，建立了更为适用的接触面3 参数应力应变新模型：给出了其 拥应的拟合评价体系，通过多种试验数据对3 参数模型进行了验证；从能量耗散和微 分方程的角度，分析了本文3 参数模型与2 参数模型的关系，引用数学特征“半值收 敛指数”指出了传统模型在理论和数学上的不足。 f 4 ) 基于能量耗散的接触面应力应变3 参数模型，建立了接触西正向剪切模型。 ( 5 ) 在接触面正反向单剪试验的基础上，明确提出了“临界正向剪切比”的概 念：建萨了基于能量耗散原理的接触面正反向剪切本构模型。 ( 6 ) 从能量耗散的机理出发，将本文3 参数应力应变模型推广到土体本构模型和 嘭胀土的膨胀变形、桩极限承载力的增长、垃圾填埋封顶沉降、软土地基工后沉降等 甍岩土工程课题的表征中；最后统一了这类课题的本质：具有相同的基于能量耗散 的控制微分方程，并从理论上证明了其各自传统模型的缺陷。 ( 7 ) 从数学上严格证明了2 参数双曲线模型、指数曲线模型均是3 参数模型的特 咧；采用2 种方法证明了初始导数、极限值对应相等的情况f ，指数曲线模型、2 参 数双曲线模型分别是3 参数模型的上界、下界；采用3 种方法证明了指数曲线模型数 值欠于对应的2 参数双曲线模型数值。 关键词：上与结构接触面、改进单剪试验、能量耗散、控制微分方程、3 参数应力应 变模型、接触面本构模型、时间效应、数学证明 河海大学瞎l 学位论文 a b s t r a c t s o i l - c o n c r e t ei n t e r f a c ed e t e r m i n e st h eb e h a v i o ro fm a n yg e o t e c h n i c a ls t r u c t u r e s ，a n d i ti st h em i c r o r e p r e s e n t i v eo fs o i l - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n t h e r e f o r e ，p r o p e ru n d e r s t a n d i n go f t h ei n t e r f a c es h e a r i n gm e c h a n i s m sa n d e s t a b l i s h i n gi t sg o o dc o n s t i t u t i v em o d e la r e e s s e n t i a li nb o t ht h e o r ya s p e c ta n dp r a c t i c a la s p e c t i nt h i sp a p e r , s o i l c o n c r e t ei n t e r f a c e b e h a v i o ri sc o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e di n c l u d i n gi a b o r a t o r yt e s t s ，i n t e r f a c ee l e m e n ta n d i n t e r f a c ec o n s t i t u t i v el a w , a n dan e wc o n s t i t u t i v em o d e lc o n s i d e r i n gp r e v i o u ss h e a rr a t i oi s p r o p o s e db a s e do nl a b o r a t o r yt e s t sa n ds o m ep o t e n t i a le n e r g yd i s s i p a t i n gt h e o r yp o s t u l a t e s h em e w b u i l t3 - p a r a m e t e rm o d e li sg e n e r a l i z e dt os o m eg e o t e c h n i c a ls u b j e c t s f i n a l l y ， p u r em a t h e m a t i ca n a l y s i so nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en e wm o d e la n dt r a d i t i o n a lm o d e l s a r ec o n d u c t e d t h em a i nc o n t e n t sc a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt od i r e c ts h e a rt e s t so nf o u rk i n d so fi n t e r f a c et y p e s ，a n a l y s i so n i n t e r f a c eb e h a v i o rc h a n g e dw i t hs o i lw a t e rc o n t e n ta n dc o n t a c t e ds t r u c t u r ei sc o n d u c t e d ， a n dc o n c l u s i o nt h a ti n t e r f a c eb e h a v i o rd e p e n d sc l o s e l yo ns t r u c t u r eh y d r o p h i l i cn a t u r ei s m a d e ( 2 ) i m p r o v e ds i m p l es h e a rt e s t so ns o i l c o n c r e t ei n t e r f a c e ，c o n s i d e r i n gf o u rs o i lw a t e r c o n t e n t sa n df o u rp r e v i o u ss h e a rr a t i o s ，a r ea c c o m p l i s h e d ，a n di n t e r f a c eb e h a v i o r su n d e r d i 丘j r e n ts o i lw a t e rc o n t e n t sa n dp r e v i o u ss h e a rr a t i o sa r ea n a l y z e di nd e t a i l s s h e a rf a i l u r e p o s i t i o no ft h ei n t e r f a c ei sr e c o r d e d ，t o o ( 3 ) c o m b i n e dw i t ht e s t sr e s u l t sa n dp o t e n t i a le n e r g yd i s s i p a t i n gt h e o r yp o s t d a t e s ， c o n t r o ld i f f e r e n t i a le q u a t i o nf o ri n t e r f a c es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i pi sd e v e l o p e d ，a n dan e w 3 - p a r a m e n t e rm o d e lf o ri ti se s t a b l i s h e d a p p r a i s a lf a c t o rf o rt h e3 - p a r a n a e n t e rm o d e li s p r e s e n t e da n df i t t i n ga c c u r a c yo f t h en e wm o d e li sp r o v e db ym a n yl a b o r a t o r yt e s t sr e s u l t s f o r mp o t e n t i a le n e r g yd i s s i p a t i n gt h e o r ya n dc o n t r o ld i f f e r e n t i a l e q u a t i o na n g l e s ，t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e3 - p a r a r n e n t e rm o d e la n dc o r r e s p o n d i n gt r a d i t i o n a lm o d e l sa r e d i s c u s s e d ，a n dm a t h e m a t i c s h a l f v a l u ei n d e x i su s e dt op o i n to u td e f i c i e n c yo f t r a d i t i o n a l m o d e l si nb o t hm a t h e m a t i c sa n dm e c h a n i c a lt h e o r y ( 4 ) an e wi n t e r f a c ec o n s t i t u t i v em o d e ln e g l e c t i n gp r e v i o u ss h e a rr a t i oi sp r e s e n t e do n t h eb a s i so fa b o v ee s t a b l i s h e d3 - p a r a m e t e rs t r e s s s t r a i nm o d e l ( 5 ) b a s e do ni m p r o v e ds i m p l es h e a rt e s t so ns o i l c o n c r e t ei n t e r f a c e ，t h ec o n c e p t c r i t i c a lp r e v i o u ss h e a rr a t i o ”i sp u tf o r w a r d ，t h e nan e wi n t e r f a c ec o n s t i t u t i v em o d e lb a s e d o np o t e n t i a le n e r g yd i s s i p a t i n gt h e o r yc o n s i d e r i n gp r e v i o u ss h e a rr a t i oi sp r o p o s e d ( 6 ) f o r mp o t e n t i a le n e r g yd i s s i p a t i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o ld i f f e r e n t i a l e q u a t i o n a n g l e s ，t h ed e v e l o p e d3 - p a r a m e t e rm o d e li sg e n e r a l i z e dt oc o n s t i t u t i v em o d e lo fs o i li t s e l f i l i 河海人学博上学位论文 a n dt oo n ek i n d t i m ee f f e c tg e o t c c h n i c a ls u b j e c t ，i n c l u d i n ge x p a n s i v ed e f o r m a t i o no f e x p a n s i v es o i l ，t i m e d e p e n d e n t u l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t yo fp i l e ，p o s t s e t t l e m e n to f m u n i c i p a lr e f u s el a n d f i l la n dp o s t s e t t l e m e n to fs o f tf o u n d a t i o n f i n a l l y , t h en a t u r eo ft h i s k i n ds u b j e c ti si n d i c a t e dt h a tt h e yh a v es a m ec o n t r o ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n ，a n dd e f i c i e n c y o f t h e i rt r a d i t i o n a lm o d e l si nb o t hm a t h e m a t i c sa n dm e c h a n i c a lt h e o r yi sa n a l y z e d ，t o o ( 7 ) a c c o r d i n gp u r em a t h e m a t i cp r o o f , c o n c l u s i o nt h a t2 - p a r a m e t e rh y p e r b o l i cm o d e l a n de x p o n e n t i a lm o d e la r eb o t hs i m p l i f i e dt y p e so ft h en e w 3 一p a r a m e t e rm o d e li sm a d e 1 w om a t h e m a t i cm e t h o d sa r ep r e s e n t e dt op r o v et h a t2 - p a r a m e t e rh y p e r b o l i cm o d e la n d e x p o n e n t i a lm o d e la r et h es u p e r i o rl i m i ta n dl o w e rl i m i to ft h ec o r r e s p o n d i n gn e w 3 - p a r a m e t e rm o d e lr e s p e c t i v e l y t h r e em a t h e m a t i cm e t h o d sa r ep u tf o r w a r dt oc o n f i r mt h a t t h ev a l u eo fe x p o n e n t i a lm o d e li sl a r g e rt h a nt h a to f c o r r e s p o n d i n g2 - p a r a m e t e rh y p e r b o l i c n o d e l k e yw o r d s ：s o i l s t r u c t u r ei n t e r f a c e ，i m p r o v e ds i m p l es h e a r t e s t ，p o t e n t i a le n e r g y d i s s i p a t i n gp r i n c i p l e ，c o n t r o l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n ，3 - p a r a m e t e r s t r e s s - s t r a i n m o d e l ， i n t e r f a c ec o n s t i t u t i v em o d e l ，t i m ee f f e c t ，m a t h e m a t i cp r o o f y 町海人学博士学位论文 前言 土与混凝上接触面的力学行为是共j 司作用理论的一个基本问题，是诸多先进计算 理沦和设计方法所涉及的关键问题之+ ，对它的研究具有重要的理论意义和实用价 值。 接触而课题的研究丰要包括3 个方面：基础试验，即通过相应的室内外试验取得 接触面的应力应变试验数据；本构模型，即在试验数据的基础上统计其规律，在 定假设的前提下概化出接触面应力应变关系的一般数学表达：接触面单元，在试验 观察的基础上，确定满足接触面本构模型的接触面单元厚度，结合具体r 程问题进行 数值分析。 目前，接触面课题的研究在以上3 个方面均存在一定的不足之处。接触面试验主 要集中在静力单向剪切和动力循环剪切方面，很少涉及到工程中普遍存在的静态正反 向剪切问题；本构关系基本建立在对试验数据拿来主义的数学拟合上，并没有对其本 质作充分分析；接触单元厚度取值过分依赖数值模拟中的数据收敛而不是根据试验观 察。基于此，本文薛先从土与混凝土接触面单剪试验出发，研究其力学行为并观察破 坏位背；接着从物质运动的本质描述一一控制微分方程出发，基于能量耗敝原理，提 出新的接触面3 参数应力应变模型，迸步建立接触面正反向剪切模型；最后从控制 微分方程的角度对新的3 参数模型进行了推1 + 应用。完成了土与混凝土接触面课题的 基础试验斗接触面单元_ 模型研究斗模型推广哼数学严格证明等5 个方面的系统 研究，主要创新点如下： 1 1 ) 在接触面直剪试验的基础上进行了土与混凝土接触面的正反向单剪试验，研 究了1 i 同l 卜i 向剪切比及含水率对接触面反向抗剪强度的影响规律，提出了“临界正向 剪切比”的概念；记录了接触面破坏位置，确定了接触面薄层单元厚度的取值。 ( 2 ) 提出函数的“半值收敛指数”概念，从数学特征方程的角度，证明了传统2 参数双曲线模型的理论缺陷；基于宏观热力学原理，在能量耗散假定的基础上，从微 分的角度建立了接触面应力应变关系的控制微分方程，推导了接触面应力应变关 系的3 参数模型，结合接触面试验数据从数学原理和试验结果上证明了新模型的广泛 适用性。 ( 3 ) 在接触面应力应变3 参数模型的基础上，建立了接触面正反向剪切的二j 维 本构模型，给出了模型参数的确定方法和试验值；并对三维模型进行了讨论。 ( 4 ) 从控制微分方程和能量耗散假定出发，将3 参数模型的等价形式进4 步推广， 从理沦上证明了传统沉降预测的2 参数双曲线模型、简化a s a o k a 模型、g m ( i ，1 1 模型 均具有特征方程不独立的缺陷，它们是本文3 参数模型假定简化时的特殊形式。 ( 5 ) 从数学上严格证明了2 参数双曲线模型、指数曲线模型均是3 参数模型的特 例，它们的数学特征方程也是3 参数模型数学特征方程的特例。 ( 6 ) 分别采用极限函数法、收敛指数比较法证明了初始导数、极限值对应相等的 情况f ，指数曲线模型、2 参数双曲线模型分别是3 参数模型的上界、下界：并通过 直接相减法再次证明了指数曲线模型数值大于对应的2 参数双曲线模型数值。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者c 签名，：兰二豸l 口多年2 月2 多目 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：至垡 矿f ；年z 月移日 绪论 1 1 问题的提与研究意义 第一章绪论 十与结构之日j 的相互作用是土木工程、水利水电等工程中的个重要课题，它 主要足通过接触面实现的，故土体与结构之间的接触面力学行为的研究是解决土与结 构干h 互作用问题的前提，是相互作用的微观反映，属于基础研究的范畴“1 。同时接触 面课题涉及土木工程各个方面，尤其以土与混凝土的接触为代表：桩与桩侧土体，土 坝混凝土防渗墙与土，面板坝中混凝土面板与坝体，挡土墙和深基坑开挖支护结构等。 接触面的研究主要包括两个方面。1 。：一方面是接触面上的本构关系，尤其是剪 切应力和剪切应变之间的关系；另一方面是接触面单元，它是有限元计算中用来模拟 接触面变形的一种特殊单元。两者都是建立在试验基础上的。值得注意的是，目前土 与混凝土接触面课题在试验、本构关系、接触面单元等方面都存在着不足之处，特别 是接触面的负剪切特性更是空白，这在定程度j ：= 束缚了建筑工程、水利工程等的设 计与使用，不能满足实际工程的需求。 任目前的接触面课题研究中，基本上都是对试验数据、实测数据进行数学拟合， 进一步提出拟台模型，研究其物理机理，并不能从描述物体运动的本质一微分方程 的角度研究接触而的本质”一。实际上，接触面的受力变形过程是一个外力做功年u 能 量的储存与耗散的过程，在整个过程中功能应该是守恒的。1 “，虽然有学者引入能量 守恒研究岩土工程闻题”“1 ，但大都是从损伤园子的假定进行分析，并没有从事物的 本质入手。 所以我们有必要从接触面试验出发，从能量耗散的角度建立接触面应力应变的 微分方程，充分研究接触面剪切、包括反向剪切的作用机理，咀服务与工程，以求有 一定的理论意义和工程应用价值。 l t 与结构相瓦作用理论研究进展 l 一与结构的相互作用主要涉及土木工程和水利工程的混凝土桩与地基的相互作 嘲、混凝土防渗墙与土的帽瓦作用和面板坝中混凝土面板与填料的相互作用。 1 2 1 混凝土桩与土的相互作用 十木 柙中i i 与结构的柏互作用主要以桩一土一结构相互作用为代表，桩一上一结 构的计算模型经历了不考虑相互作用、线弹性相互作用和非线性相互作用三个阶段 1 9 - 2 1 ；设计理论主要经历了强度控制、变形控制、强度与变形双重控制三个阶段，其 中后两个阶段的研究主要是围绕复合桩基理论展开。 l2 1 1 计算模型 早期，由于计算机的限制及理论的不成熟，建筑设计主要以手算为主，建筑物弓 早期，由于计算机的限制及理论的不成熟，建筑设计主要以手算为主，建筑物与 河海大学博士学位论文 地基之问根本无法考虑相互作用问题。对于地基的受力计算，主要是采用结构力学的 力法，将整个体系分成上部结构、基础和地基三部分独立求解，图1 1 是结构与地基 基础的典型分析模型。在求解过程中，通常对很小的水平荷载进行简化处理。当采用 树基时，建筑物的荷载全部由群桩承担，不考虑地基土的贡献。以上方法满足了总荷 载与总反力的静力平衡条件，没有考虑地基刚度和结构刚度的相互影响引起的内力重 分布，从而使得计算结果与结构体系受力情况有较大差别。 显然不考虑相互作用的计算理论保守且不科学，随后考虑承台底土体承担荷载 的牛h 互作用理论成了研究的热点，见图1 2 。研究表明，承台可以分担2 0 以上的上 筋荷载。b u t t e r f i e l d 和b m l c r j e e i 2 2 】在假定承台地面光滑、承台丹日度无限大的基础上， 对桩。匕承台体系进行了弹性分析，研究了桩台系统的荷载位移性状及承台与桩的荷 裁分配，分析表明：各桩在承台参与作用时承受荷载与承台不参与作用时有明显差别。 r a n d o l p h ，p o l u s 等对此均作了一定的研究，后来发展成分别以m i n d l i n 位移基本解、 肫力解为出发点的位移法、应力法i 2 3 - 2 4 j 。c o o k e 等提出了以桩周同心圆式分布的弹性 剪切位移场模式为基础的剪切位移法，并用于分析单桩、群桩与土的相互作用【2 5 埘j 。 冯国栋、刘祖德1 2 7 1 在荷载传递法基础上，提出桩一台一土体系中台对桩的“加强作用” 莆1 “肖0 弱作用”、桩的“遮拦作用和“下曳作用”等概念，较全面地反映了桩台相互作用的 内容，对桩台相互作用桩土相对位移及侧摩阻力的发展有较明确的分析。胡汉兵【2 硼 等在假定士体为线弹性的基础上，对桩承台结构进行三维有限元分析。尚守平等 2 q l 用位移系数柬求解群桩中每根桩的荷载分配系数，以及应用g e d d e s 的应力系数计 算桩、土地基的柔度矩阵，对桩箱( 筏) 基础与地基土的相互作用进行了弹性分析，并 用“c u to f f 进行修正。线弹性相互作用理论考虑了桩- 土承台( 结构) 的相互作用， 尤其是考虑了桩、承台与地基土共同分担荷载，是个很大的进步。但是，以线性关 系表示桩一上一承台( 结构) 的相互作用过于粗略，与实际差别较大。弹性分析虽然引 入了相互作用理论，但设计理论与实际的桩土工作机理存在较大的差别，设计中诸如 桩土荷载分担比等基本设计参数都难以明确确定，以致桩和土的承载力不能充分利 用。另外，由于地基土在线弹性工作阶段的承载能力有限，故仅考虑土与结构的线性 相互作用意义不大，考虑非线性的相互作用成了必然。 图1 1 不考虑相互作用的计算模型图1 2 桩土相互作用计算模型 b u r l a n d l 3 0 1 首先建立了桩筏三维非线性有限元计算模型。刘利民等1 3 1 1 运用有限元 与无限元相结合的手段，采用非线性模型模拟桩间土体的变形特征对桩基础进行了计 2 薯-毳而iw儿。，t丽i黜。v 斧是卅叫鲫，一卫晰”渺 澍一黔囊r乒陋噘 ，jlo，t * ”il+1ii一0 ， b 1t一+， _ 一 n ji fl 绪论 算分析，并认为设计中选用大桩距、小桩径的短桩是合理和科学的。宰金珉等口2 。”】 在弹性剪切位移法的基础上，提出了考虑桩周二体非线性的广义剪切位移法，并把其 推广应用到群桩的相互作用分析，指出非线性分析的关键是解决桩周土近域位移场的 非线性。o v o ne s t o r f f 、k u c u k a r s l a n 等采用杂交元对桩土结构进行了非线性祸合分析， 并实测数据进行了对比验证i j “。 1 21 2 控制理论 强度控制理沦是早期的设计理论，主要以承载力为控制目标，很少考虑地基土的 承载能力，直接采用结构力学方法计算内力。理论和工程实践表明，这种设计忽略了 建筑物可以承受一定沉降量的可能性，非常保守，计算结果与实测数据相差很大，存 在着较大的缺陷。 变形控制的出发点是设计桩和土同时参与承受荷载，在强度满足的情况下，其主 要通过抽桩、调整地基刚度和采用复合桩基三种方法来实现减小基础沉降，桩的数量 由变形控制决定。抽桩是指考虑土的承载力对传统计算的桩数、桩距分别进行减少和 疏布的一种设计方法，管自立、黄绍铭等对此作了一定的研究，并应用于工程实践 3 7 - 3 8 1 。工程实例表明1 3 9 l ，减少或增加按规范计算1 0 的桩数，沉降的减少或增加量 仅在3 左右；这说明通过增加桩数来减少沉降是没有意义的，相反在牺牲少许沉降 的情况下就可以节约客观的桩数，这些都说明当考虑土参与承载时，通过抽桩来控制 变形是可行的。抽桩的本质是调整基础的刚度，调整地基刚度的设计理论由此而生。 宰金珉、刘金砺【4 0 】等对此作了充分研究，并应用于工程实践。目前调整地基刚度的 概念基本摆脱了抽桩的束缚，而是通过调整桩长、桩径、桩距等因素实现，布桩方式 主要有外强内弱、内强外弱两种方法1 4 l l ，其布桩示意土见图1 t 3 。 棒糌玮哜帮矧产编略， | | | 【l | _ _ _ | _ “| i _ | l f ij “f j uu 图1 3 内强外弱( a ) 、外强内弱布桩( b ) 变形控制的相互作用理论很大程度上考虑了地基土的反力，较强度控制理论有很 大的进步。当前人们强调的多是按变形控制的莛同主作用控制理论，往往忽略了对强 度的验算，其实桩。土结构的强度与变形是相辅相成的，两者都要满足。宰金珉【3 4 i 结合实际工程和相应的算例说明无论是片面强调按强度控制进行桩基设计，还是片面 强调按变形控制进行桩基设计，都是不对的，而应该按强度和变形双重控制进行桩基 设计。宰金珉1 4 叫在桩土明确分担荷载的设计理论基础上，进一步提出了双重控制的 塑性支承桩一卸荷减沉桩的新概念，并应用与多个工程实践，取得了良好的经济效益。 复合桩基设计理论的核心概念就是人为地令单桩工作荷载接近或等于单桩的极限荷 河海大学博l 学位论文 载，“。对特大桩距的复合桩基，可以认为各桩的工作如同一个完全塑性的支承：它始 终可承担p “的荷载，任何新的荷载增量，它都不再参与分配，也不再提供任何新的支 承刚度，这时沉降状态仅由桩间土的抗变形能力控制。塑性支承桩的概念是双重控制 理论的一个重要体现。龚晓南 4 1 1 在双重控制理论的基础上，提出了局部内强外弱的 靠桩方法，来减少筏板基础的局部内力。 地2 混凝土防渗墙与土的相互作用 随着水利水电工程的不断发展，人们修建的大坝、水闸等其它水利工程日益增多， 其高度也在不断增加，为了解决蓄水时覆盖层地基的渗流问题，在覆盖层地基中设置 混凝土防渗墙。与桩土体系类似，防渗墙与周围土体的刚度差异也很大，当坝体不断 施工时地基发生变形，作用在防渗墙上的力不断加大，它们之间力学的接触传递行为 列前并没有得到很好的模拟，仍需要进一步的研究 4 3 删。 1 2 3 相互作用中的基本问题 以上分析和诸多研究表明【4 ”6 j ，非线性相互作用计算模型和强度与变形双重控制 理论基本代表了桩土结构相互作用的最新进展。在理论研究和工程应用中，它们的一 个核心问题就是上部结构施加的荷载怎样通过桩基础传给地基。由于混凝土桩与地基 r ：的刚度差别很大，在接触区域的剪力传递机理非常复杂，如上部荷载和周围荷载施 加各基桩受力重分布的过程实际上是基桩与桩侧土体正向摩擦和负向摩擦相互转化 的过程；当高层建筑受到诸如风荷载的水平荷载时也会在桩侧产生与原方向相反的摩 擦剪力，见图1 4 ( a ) ，所以分析桩土接触面正向摩擦、负向摩擦及先期摩擦力对后期 摩擦的影响是研究地基土固结、差异沉降的控制、桩基安全度的评价等相互作用问题 的个前提条件。计算模型和控制理论的发展迫切需要解决这一问题，否则无论计算 模型和控制理论如何先进也难以得到较好的结果。 桩的负摩阻力 防瞎埔的负摩阻力 图1 4 士与结构接触霭负摩阻力示意 在防渗墙与土体的相互作用中，虽然作为混凝士结构的防渗墙结构形式相对于桩 有所不同，但土体的受力状态相对比较复杂。对于一般的桩基础，竣工后其周围土体 的含水率相对稳定，力学性质也变化不大。对于坝体，施工期和水位较低时上部土体 再自重荷载作用下对防渗墙产生向下的剪力；当竣工蓄水后由于水浮力的作用坝体竖 向受力减小会对防渗墙施加一个与初始方向相反的向上的剪力，见图1 4 ( b ) ，同时随 4 绪论 着 体含水率的变化，土体自身的物理力学性质与初始状态相比也产生很大的差异， 这就使得整个相互作用的过程相当复杂。 以上分析说明，混凝土与土体接触面力学性质的研究，特别是负摩擦性质的研 究，是解决土与结构相互作用课题的一个基本问题。 1 3 土与结构接触面力学行为研究进展 目前，诸多学者主要从接触面试验、接触面本构模型、接触面单元3 个方面对 接触面课题进行研究。 1 3 1 接触面力学行为试验研究 1 3 1l 直剪试验 直剪试验通常是通过盒式直剪仪完成的。常规直剪仪，如图1 5 ，试验时上盒 放直径为6 ，1 8c m 的土样，下盒放结构材料；沿接触面施加水平剪应力，量测上下盒 相对位移，建立剪切应力应变关系，用来反映接触面的力学性质。常规直剪仪结构简 单容易操作，早在1 9 6 1 年，p o t y o n d y 5 7 l 利用直剪仅研究了多种土料与结构物材料的 接触面力学行为。 图1 5 应变式直剪仪 但常规直剪仪存在以下主要缺陷：( i ) 接触面积在剪切过程中逐渐减小，( 2 ) 人 为限定了剪切破坏面的位置且存在尺寸效应，( 3 ) 测得的应力应变曲线只是接触面力 学行为的宏观反映，是平均值。为了克服这些缺点，人们从仪器尺寸、数据采集等不 同方面对其进行了改进。d e s a i 的大尺寸多自由度剪力仪 5 8 1 ( c y m d o f , c y c l i c m u l t i - d e g r e e o f - f r e e d o ms h e a rd e v i c e ) 主要从尺寸效应和破坏面位置两方面进行改进， 其上f 盒的尺寸分别为3 l 3 1c n l 、4 1 x 4 1c m ，在临近接触面处用一层o 1 6c m 厚的乳 睃围封土样，以解决人为限定剪切面和开封漏土的缺陷，但须事先对乳胶膜的影响进 行率定，d e s a i 成功进行了静力及动力的剪切试验。b r a n t 的大型宜剪仪土样尺寸为 6 5 x 6 5c m ，高7 5c m ，并做了大量的直剪试验。殷宗泽等【5 9 捌1 ( 1 9 9 2 ) 进彳y 了土与混凝 t 接触面的大尺寸试样直剪试验，上盒尺寸为4 5 4 5c m ，通过埋设在混凝士试样中 的微型“潜望镜”装黄直接观察了相对位移沿接触面的分布，试验中发现接触面的剪切 破坏是一个由边缘向内部发展的过程。j e w e l l l 6 2 1 、o o i ”i 、张明义等 删也进行了较为 i 海大学博l j 学位论文 洋尽的真剪试验研究。胡黎明、濮家骝i ”l 利用改进的直剪仪对砂土和结构接触面作 了系列试验，研究了不同接触面相对粗糙度对接触面物理力学行为的影响，并通过数 字照相技术记录了接触面附近土颗粒的位移情况，分析了接触面破坏机理。刘希亮等 【“则采用高压直剪仪对砂与不同结构在高应力下进行了接触面抗剪强度的试验研 歹i 。 另外一种直剪仪为同心杆式直剪仪，主要用于模拟桩与土体等接触问题的相互 1 ：用【6 ”。士试样为圆柱形，剪切杆位于土试样中央，剪切通过在轩上施加轴向荷载 实现。这类仪器应力不明确且容易出现较大的应力集中现象。 l3 ! 2 单剪试验 直剪仪试验在一定程度上人为限定了接触面的破坏面的位置、接触面积在剪切 过程中可能逐渐减小，不能很好的反映接触面应力应变关系且，诸多学者由此把目光 转向了单剪仪的试验。 图1 6 叠环式单剪仪 叠环式单剪仪是一种较为实用的研究接触面性能的仪器，见图1 6 ，土样装在 结构接触界面的叠环内，每个环均有一定的厚度且叠合面之间光滑。在剪切过程中， 土样可以有一定的错动变形，且接触面积保持不变。这样可分别得到接触面滑动位移 和土样变形位移，还可在一定程度上改善土样的应力状态，试验过程简单易行。 k i s h i i d a ( 1 9 8 7 ) 【6 8 1 、v u e e t i e 6 9 1 、d e s a i ( 1 9 9 2 ) 1 7 0 - 7 1 1 等用单剪仪对土与其它结构 材科接触面的力学性能作了较为深入的研究。吴军帅和姜s b ( 1 9 9 2 ) t ”j 通过改进的单剪 仪对接触面的动力性能作了进一步的研究。卢廷浩等( 1 9 9 8 、2 0 0 0 ) 3 - 4 , 7 3 作了较为 详尽的士与不同结构的试验，观察了接触面的错动位移和剪切位移。以上试验所用的 仪器尺寸小，有相当的尺寸效应。赵维炳、高俊含( 2 0 0 0 ) 【_ “】进行了土与混凝土接 触 面特性的大型单剪试验，从试验结果分析得到剪切破坏带及其厚度。e v g i v 用循环 维接触面单剪仪进行了土与钢材接触面的二维和三维试验。试验结果表明土与钢材 接触面相对滑动位移本质上是塑性的。 清华大学研制了大型循环单剪仪，并进行了散粒体材料、粗粒土、分层土的试 验，对粗粒士与结构接触面的静动本构规律进行了较为深入的研究，并探讨了接触面 的可逆性与不可逆性剪胀规律 7 5 - 7 8 1 。 13 1 _ 3 其他剪切试验 除了直剪仪、单剪仪，部分学者利用其它仪器对接触面的力学行为作了研究。 绪论 d e s a i 通过多自由度循环剪力仪，将环形混凝土放在砂样之上然后施加静力扭矩，进 行了接触面扭剪试验。李万红也作了类似的扭剪试验。扭剪试验具有应力条件明确剪 切阿积不变的优点，单试样制作复杂，接触面变形不易量测。另外，俞培基等用共振 柱仪研究了接触面的动力性能。 由以往的试验研究可以看出，粗糙接触面附近一薄层土体内存在着较大的剪切 应变，破坏面一般位于租糙接触面附近的土体中。这些试验为土与结构接触面力学行 为的建模提供了充分的依据。 1 3 2 接触面本构模型 接触面本构模型反映接触面位移与应力的相互关系。任何模型的建立通常都要 经过简单一复杂一简化的过程，这一过程反映了人们对事物的逐步认识过程。在大量 试验数据的基础上人们提出了不同的接触面本构模型，主要有双曲线模型、弹塑性、 刚颦性、损伤模型等。 l3 2 1 双曲线模型 c l o u g h 7 9 1 据直剪试验结果，认为f 一关系呈双曲线形，初始剪切劲度与正应力 大小有关，导出了与邓肯一张模型相似的接触面本构模型： ， 盯+ b o o 其中，f 为接触面上的平均剪应力：。为相对剪切位移；。、b 为试验参数。 同时建立它们与法向应力的关系为： 1 。呐心( 莎6 = 毒，l = 卺= 警 丸= ( t 一吩壶 2 h 榭 z ， k 。为切向劲度系数，凡、p 。分别为水的容重和大气压力，毛、”、r ，、占为土 体参数，可通过直剪试验确定。因此模型建立在直剪试验基础上，故其相对位移实际 上足上下盒的错动，若考虑到土的压缩和膨胀，盒子的位移与土体内部的位移可能不 同步。 张冬霁等4 】丰艮据单剪试验，考虑接触面上的凝聚力，推得薄层单元的切向劲度为： 三= t ，= p a f 墨l ( 1 - 3 ) “ p a 驴7 1 - r , , 赤卜斟 。，k 2 丽纛卜引 “4 此模型表达式虽然公式( 1 - 4 ) 与公式( 1 - 3 ) 结构相似，但其中参数的物理意义 河海大学博：卜学位沦文 小尽相同，且得到数据的试验方法也不同，分别是单剪和直剪试验。 l3 。2 2 弹塑性模型 b r a n d t l ”1 经过较深入的室内试验和现场研究，分析了直剪试验中的逐渐破坏作 瑚和沿剪切方向土样的压缩作用对验结果的影响，推荐了刚塑性模型来描述接触面切 函j 应力和变形，用两折线描述( r a ) 一珊曲线，见图1 7 ： ( r 盯j 2 掰t a n p f缈_ c o o 7 陈慧远【8 1 1 认为，当剪切应力小于摩擦力时，f 一为线弹性关系；当剪切应力 大于或等于摩擦力时，接触面进入摩擦滑移阶段，f 一国为塑性关系，见图1 8 。 t 卜一- 一 一。一 一一l o u 0 ( i ) 图1 7 b r a n t 模型 c ，一一 ， l “一 ， l ? o 一 ，m 一 一 o ( 【) 图1 8 陈慧远模型 钱家鲥8 习认为接触面的相对位移与应力的关系，即非弹性、亦非塑性，雨是粘 弹塑性。安关峰、高大钊 8 3 1 步推导了三维接触面弹粘塑性本构关系模型，且与三维 实体粘弹塑性本构关系耦合，研制了相应的软件。 13 2 ，3 刚塑性模型 殷宗泽等 5 9 - 6 1 , 8 4 】剪试验分析，指出试验获得的f c o 关系曲线只反应接触面的平 均力学特性，认为接触面的破坏是一个由边缘向内部逐渐发展的过程，提出了接触面 错动变形的刚塑性模型。接触面土体的变形可分为鹾部分：一部分是土体的基本变形 s 不管滑动与否都是存在的，与其他土体单元一样；另一部分是破坏变形扛 “， 包括滑动破坏与拉裂破坏。接触面上某一点土体，破坏前接触面上无相对位移，破坏 后相对位移不断发展，变形是刚塑性的。 1 3 24 耦合本构模型 以上模型没有测定和反应法向和切向变形的耦合影响，不能客观描述接触面单 兀的实际应力应变特征。卢廷浩等 3 1 在单剪试验的基础上，建立了接触面二维、三维 本构模型，并应用到某超高面板坝的三维计算中，得到了较为合理的结果。 其维本构方程为： 绪论 船 二0 g jl g r e d e ：阱如 ( 1 _ 6 ) 【d o 一j 考虑法向应变同时受两个方向的剪应力f ，和r ，的影响，引用两个剪胀( 剪缩) 影响系数、考虑法向的耦合效应： 驴揣鸭= 揣傀= 等协，+ 嚣协， 则三维耦合本构方程可表示为： ，、f 叽1 胁 = d c 。 = - j 式中参数具体意义参见第五章。 1 3 2 5 损伤模型 扣愿陆叫