接触面剪切特性研究.pdf

2132023年5 月江西建材规划设计与勘察接触面剪切特性研究郭潘峰1,2,31.广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州510060;2.广州市资源规划和海洋科技协同创新中心，广东广州510060;3.广东省城市感知与监测预警企业重点实验室，广东广州510060摘要：接触面剪切特性对于岩土工程建设具有重要意义。文中从理论分析、数值模拟和试验研究三方面总结了目前关于接触面剪切特性已有的研究成果，分析了三种研究手段的优缺点，为今后接触面剪切特性研究提出几点建议。关键词：接触面；剪切特性；试验研究；理论分析；数值模拟中图分类号：TU41文献标识码：A文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 5-0 2 13-0 3Study of contact surface shear characteristicsGuo Panfeng.1.2.31.Guangzhou Urban Planning&Design Survey Research Institute,Guangzhou,Guangdong 510060;2.Guangzhou Collaborative Innovation Center of Natural Resources Planning and Marine Technology,Guangzhou,Guangdong 510060;3.Guangdong Enterprise Key Laboratory for Urban Sensing,Monitoring and Early Warning,Guangzhou,Guangdong 510060Abstract:The interface shear characteristics are of great significance for geotechnical engineering construction.This article summarizes theexisting research results on interface shear characteristics from three aspects:theoretical analysis,numerical simulation,and experimentalresearch.The advantages and disadvantages of the three research methods are analyzed,and several suggestions are proposed for futureresearch on interface shear characteristics.Key words:Interface;Shear characteristics;Experimental research;Theoretical analysis;Numerical simulation0引言土体与结构接触面剪切特性是岩土工程重要的研究内容。结构与土体两种材料存在较大的性质差异，接触面的力学特性与结构本身和土体也表现出很大不同，力学性质非常复杂，如出现应力集中、大剪切变形以及滑移、脱开等非连续变形。接触面往往会成为影响结构服役期内稳定的薄弱环节和关键部位。因此，很多学者开展了接触面相互作用问题的研究。目前，研究主要集中于不同表面粗糙度混凝土、钢、木材与不同种类、不同含水率土体的接触面变形规律。20世纪中期，一些学者开始研究接触面剪切特性。目前研究的一般思路是通过相关的室内试验，得到不同土体与结构接触面的剪应力与剪应变或剪切位移曲线，根据曲线并利用力学、数学等理论建立不同接触面本构模型，并通过数值模拟辅助加以验证，然后将数学模型推广应用于实际的工程，从而指导工程实践。下文从理论分析、数值模拟和试验三方面总结国内外关于接触面已有的研究成果和研究现状。接触面试验研究试验是研究接触面力学特性和剪切破坏机理的基本方法，是理论分析中模型建立和数值模拟中参数确定的主要手段，也是指导信息化施工的重要基础。很多国内外学者改进和研发了不同种类的试验仪器和试验方法，进行土体与结构接触面力学特性研究，目前，应用较多的研究土体与结构物接触界面的仪作者简介：郭潘峰（19 9 5-），男，河南周口人，硕士，助理工程师，主要研究方向为岩土工程勘察设计。器有直剪仪、单剪仪、环剪仪等。1.1直剪型设备接触面直剪型设备与土工直剪仪相类似，但剪切样品尺寸和剪切位移都比土工直剪仪大，更易于研究接触面力学特性规律，但有的学者也在土工直剪仪基础上进行改装，或直接利用该设备进行接触面研究。接触面直剪型设备能够很好地测量接触面的剪应力，观察剪切位移的关系，比较直观地反映接触面的剪切力学特性，而且操作简单、原理易懂，在接触面研究中得到了广泛应用。接触面直剪型设备经过改进后，可以在接触面剪切过程中实现接触面的面积不发生变化，剪切破坏形式能更好地反映实际情况，可以有效弥补土工剪切仪随剪切过程剪切面积逐渐变小导致的误差，实现接触面大变形的模拟。Potyondy1等最早利用改进的直剪型设备开展接触面剪切试验，得出影响接触面力学特性的四个主要因素为含水率、表面粗糙度、土体类别和法向压力大小。很多学者从这四个因素出发，利用直剪设备研究了不同含水率、不同粗糙度接触面、不同法向压力与不同土体类别互相组合情况下的接触面力学特性，其中涉及黏土、砂土、砾石等不同土体类型与不同粗糙度混凝土、钢板和木材、不同孔径土工格栅、土工布、岩石、土工膜等各种材料的接触面，取得了较好的研究成果。成浩等 2 研究了粗糙度对混凝土与不同粒径的三种土体接触面剪切性能影响，发现土体类型对剪切特性有较大影响，黏土表现为剪切软化型，砂土表现为理想弹塑性特征，碎石土为应变硬化型。增加粗糙度能提高剪切强度。在土体与结构接触面剪切特性研究早期，很多学者主要通2142023年5 月规划设计与勘察江西建材过改装原有仪器进行试验，试样尺寸较小，随着技术的发展和实际工程研究的需要，越来越多研究接触面的仪器研发出来，如武汉岩土力学研究所的RMT-150C数控式电伺服试验机、青岛理工大学大型恒刚度桩一土界面剪切仪、中南大学大型多功能界面直剪试验仪TAW-800、同济大学大型多功能界面剪切仪SJW-200等。这些仪器相对传统直剪仪有以下优点：（1）针对性增强，专门用作研究接触面性质；（2）仪器尺寸增大，能更好地模拟实际的工程环境，降低了尺寸效应；（3）传统的仪器依靠手工控制加载，这些仪器可以实现自动化伺服控制。目前，这些仪器多用于黏土、砂土和粗粒土与混凝土板、钢板等接触面的研究，由于环境气候与土体的差异，经常会遇到膨胀土、冻土等具有特殊性质的土，因此，一些学者研究了特殊土与结构的接触面力学特性 3 ,这对特殊土地区的工程建设具有重要指导意义。接触面研究仪器除了向大尺寸、自动化程度发展，还在积极丰富测试手段，引人更多的细观测量技术，观察接触面的微观变化情况。例如，王永洪等 4 在接触面安装压力传感器，采集接触面剪切过程中有效应力和孔隙水压力的变化。直剪型设备在研究土与结构接触面剪切变形时，仪器操作和试样制备都比较简单，结果也可用于指导工程实践，所以在接触面研究中应用最为广泛，但也存在传统直剪仪剪切面固定等问题 5 。1.2单剪型设备单剪型设备可以实现三种法向边界条件和两种切向控制方式，能同时研究土体自身和接触面的滑移变形，并且使土样的应力状态更符合实际 。国内外很多学者直接利用单剪型设备或研发新型单剪设备，开展土与结构接触面剪切变形特性。与直剪试验类似，单剪设备除了可以用作常规土体与结构接触面研究外，也可以开展特殊土一结构接触面试验，在研究土与结构接触面存在泥皮等对力学特性的影响时能取得较好的效果 7 。单剪型设备虽然弥补了直剪型设备的一些不足，但由于受到叠环的约束，在剪切过程中仍然存在应力集中现象，而且单剪型设备装样比较复杂，但由于其特有的优点，单剪型设备在研究接触面性质时也被广泛应用。除了直剪型设备和单剪型设备，在土与结构接触面研究过程中，还会用到环形直剪仪、动三轴仪、共振柱仪等设备，但由于其制样复杂、操作困难，所以并没有得到广泛应用 8 。2接触面理论分析关于土体与结构接触面的剪切特性前人已经做了很多试验研究，得到了不同接触面的剪应力一剪切位移曲线。但因为接触面的复杂性，换一种材料或试验条件往往会得到不同的结果，因此，需要通过接触面试验建立接触面本构模型。国内外学者根据大量的接触面试验数据拟合建立了几种应用比较广泛的本构模型，主要包括双曲线模型、改进的双曲线模型、弹塑性模型、损伤模型等 9 。2.1双曲线模型Clough等 8 利用直剪设备开展了砂与混凝土界面的剪切试验，得到剪应力一剪切位移曲线，利用双曲线进行拟合得到接触面双曲线本构模型，即：ST=-a+bs(1)式中，t为接触面剪应力（kPa）s 为剪切位移（mm），a、b为大于0 的参数。对于式（1），当剪切位移s一时，此时，剪应力无限趋近于最大值，即：S1t=limt=lim（2)50s-a+bsb由式（1）（2）可以看出，表示接触面初始剪切刚度的倒数（mmkPa），可以根据剪应力剪切位移曲线的初始斜率确定；b表示接触面极限剪应力的倒数（kPa），可以根据剪应力一剪切位移曲线的渐近线确定。双曲线模型较好地反映了接触面非线性的应力-应变关系，参数较少且易于确定，在工程中具有较好的适用性，因此得到广泛应用。但模型只适用于应变硬化问题，未考虑切向和法向变形的耦合作用。2.2改进的双曲线模型为了弥补双曲线模型不能反映接触面剪切软化特性的不足，一些学者 9 对该模型进行了改进，建立的本构方程如下：s(a+cs)(3)T二(a+bs)2式中，t为接触面剪应力（kPa），s 为剪切位移（mm）a、b、c为大于0 的参数。对式（3），两边同时对位移s求偏导，得=s(bs+a)(2c-b)s+a(4)asdT对式(4），当bc时，令a=0,解得$,=0,3 2=-S,asab-2c因为相对剪切位移大于0，所以当=S=-2。时，接触面剪应力a有最大值，即s(a+cs)1(5)(a+bs)24(b-c)Sb-2c式中，t,为接触面峰值剪应力（kPa）。对于式（3），当剪切位移s一时，接触面达到残余强度即s(a+cs)Ct,=limt=lim(6)5-00500(a+bs)2式中，t,为接触面残余剪应力（kPa）。对比式（1）和（3）可以得到，当b=c时，式（1）和（3）相一致，表达式变为双曲线模型；当bc时，表达式就是改进的双曲线模型，可以反映接触面的剪切软化特性。改进的双曲线模型可以在一定程度上反映接触面的剪切软化特性，但方程的建立是根据试验曲线拟合得到，没有明确的理论基础，而且没有考虑法向应力的影响，难以进一步推广。2.3统计损伤模型张嘎等 10 1研究了砂、粗粒土与钢板的接触面剪切特性，结果表明，接触面表现为应变软化型，并以损伤理论为基础，指出在剪切过程中，接触面由无损伤和损伤两部分组成，并提出用损伤因子表示剪切过程中损伤程度的变化，建立了统计损伤本构模型，模型物理意义明确，可以反映接触面剪切软化特性，具有较好的适用性，但建立模型时，采用应力与应变关系，应变和剪切带厚度取值不易确定。曹文贵等 11 以剪应力-剪切位移作为参量建立了剪切软化模型，弥补了以应力与应变作为参量建立损伤模型的不足，但没有对模型中参数确定方法进行详细研究，且没有提出具体的数值实现方法，限制了其进一步推广。3接触面数值模拟通过试验获取土与结构接触面的剪切应力特性，建立接触面本构模型，然后将本构模型与有限元、离散元等方法结合，开展实际工程的数值模拟分析，从而指导实践。有限元数值模拟通常采用接触面单元模拟接触问题。Goodman等 12 建立的接触面单元法采用四节点单元，假定单元的刚度矩阵中切向刚度和法向刚度均为常数，参数简单易于215上接第2 12 页）规划设计与勘察江西建材2023年5 月获得，可以较好地模拟岩石节理的滑移和张开。但数值模拟计算过程中，法向应力会导致接触面附近的土体单元和结构单元发生重叠，引起计算结果误差。Desai等 13 利用薄层接触单元模拟土体与结构接触面的滑移、张开、闭合、黏结等不同状态，这种有一定厚度的单元可以很好地避免无厚度单元法向压力作用下接触面附近单元重叠现象。但接触面单元的厚度会影响数值模拟结果，厚度的取值与单元网格尺寸相关，在确保计算精度的情况下，应该尽可能取较小的接触面单元厚度。有限元在模拟工程的土体与结构接触面问题中能取得较好的分析结果，因此，广泛应用于工程稳定性分析，效果良好。离散元数值模拟将土体与结构看作一系列离散的独立单元，用球体、椭圆、块体模拟单元形状，允许单元发生平移、转动，从而解决非连续介质问题。近年来，离散元方法逐渐应用于土力学分析，包括土与结构面力学特性的分析，在砂土中应用比较广泛。利用离散元可以模拟接触面剪切过程中颗粒的平移、转动和破碎，研究土体在变形过程中的变形机理，但这种方法对计算能力要求比较高，而且，目前二维分析多应用圆形、椭圆颗粒，三维分析多应用球体、椭球颗粒，与真实的颗粒形状存在差异，有一定的局限性。4结语接触面剪切特性对于工程建设具有重要的影响。本文总结了目前接触面剪切特性的三大类研究方式，为今后接触面剪切特性研究提出几点建议。（1）剪切试验装置向大尺寸、专业化、自动化等方向发展，能适应不同的工况；利用传感器和图像识别等手段研究剪切过程中接触面应力和孔隙水压力等的变化。（2）理论分析要考虑各参数的物理意义，针对接触面剪切硬化、软化等不同特性，建立形式统一的本构模型，方便应用。（3）数值模拟作为试验的补充手段，应充分发挥特点，研究剪切过程中接触面土体变形、颗粒旋转、破碎等微观变化，从微观层面解释接触面的宏观变形。参考文献防风化的要求，减小膨胀土危害；对以膨胀土为基床范围内的地基处理，可采取砂石垫层、石灰填层、石灰水处理、换土等措施；膨胀土做路基填料时，必需进行处理并辗实，同时做好两侧排水工程。（2）地面沉降防治措施：项目设计阶段，应充分考虑地面沉降带来的影响，采取结构保护措施；建设项目沿线应布置地下水及地面沉降监测系统，以便及时了解地下水和地面沉降的实时动态变化，为地下水合理开采和回灌提供依据。同时，应监测地面沉降对道路的影响，尤其在路桥、路涵过渡段以及高填路堤地段，应重点布设；改善地下水开采方案，控制地面沉降。区域目前实施的引准济阜工程，后期可考虑使用地表水作为工农业用水，以减少地下水的开采，也可适当采取地下水回灌的方式，补充水量，提高地下水水位。6结语综上所述，应对建设项目进行必要和全面的地质灾害影响评估，尽可能地防范和避免地质灾害的发生，减轻地质灾害的损失，减少工程建设风险。该拟建项目区域地质环境条件复杂程度为中等。区域内地面沉降灾害对既有道路危害程度小，危1 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