土－混凝土接触面剪切破坏模式分析.pdf

第 1 2卷第 4期 2 0 1 5年 8月 铁道科学与工程学报 J o u r n a l o f Ra i lwa y Sc i e n c e a n d En g i n e e r in g Vo l u me 1 2 Nu mb er 4 Au g u s t 2 0 1 5 土 一混凝土接触面剪切破坏模式分析 石熊 ， 张家生 ， 刘蓓 ， 成浩 ， 陈乐求 ( 1 中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ； 2 中铁 第五勘察设计院集团有限公 司， 北京 1 0 2 6 0 0； 3 湖南理工学院 土木建筑工程学院， 湖南 岳阳4 1 4 0 0 6 ) 摘要 ： 通过对红黏 土与混凝 土结构进行 大型 直剪 实验 ， 对其剪切 过程进行 数值模拟 ， 分析 了红黏 土与混凝 土结构接 触面 的破坏形式。试验结果表明： 剪应力 一剪位移曲线表现为折线型和双曲线型， 分别对应于接触面在剪切过程中存在的滑移 破坏和弹塑性破坏 2种不同形式， 随着混凝土表面粗糙度的增大， 接触面的剪切破坏由滑移破坏逐渐向在土体内部形成剪 切滑动带的破坏过渡。数值分析结果表明： 法向应力较小时， 剪切破坏形式主要表现为滑移破坏； 随着法向应力的增加， 逐 渐转变为向土体内部形成剪切滑动带的破坏； 并且在相同法向应力作用下， 随着接触面粗糙度的增加， 土体 内部形成的剪 切滑动带的厚度增加。 关键 词 ： 红黏土 ； 接 触面； 粗糙度 ； 大型直剪试验 ； 数值模拟 中图分类号： T U 4 4 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 7 9 0 0 5 An a l y s i s o f s h e a r f a i l u r e mo d e f o r c l a y c o n c r e t e i n t e r f a c e S HI Xi o n g ， Z HANG J i a s h e n g ， L I U B e i ， C HEN G Ha o ， C HEN L e q i u ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ； 2 C h i n a R a i l w a y F i f t h S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e G r o u p C o ， L t d ，B e ij i n g 1 0 2 6 0 0， C h i n a ； D e p a r t m e n t o f C o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n g H u n a n I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Yu e y a n g 4 1 4 0 0 6，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e s h e a r f a i l u r e mo d e s for c l a yc o n c r e t e i n t e rfa c e we r e a n a l y z e d b y l a r g e S C a l e d i r e c t s h e a r t e s t a n d n u me r i c al s i mu l a t i o n T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e s h a pe s o f s h e a r s t r e s ss h e a r d i s p l a c e me n t c u r v e s a r e br o k e n l i n e o r h y p e r b o l i c l i n e， r e s p e c t i v e l y C o r r e s p o n d i n g t o s l i d i n g f a i l u r e o r e l a s t o p l a s t i c f a i l u r e o f t h e i n t e rf a c e i n t wo d i f f e r e n t f o r ms d u r i n g s h e a rin g，i t i s foun d t h a t wi t h t h e i n c r e a s e o f t he r o u g h n e s s o f c o n c r e t e s u rfa c e，t h e s l i d i n g f a i l u r e g r a d u a l l y t r a n s i t s t o t h e f a i l u r e f o rm e d s h e a r s l i d e z o n e i n t h e s o i l Th e n u me r i c a l r e s u l t s r e v e a l t ha t t h e s h e a r f a i l ur e mo d e o f c o n t a c t s u rfa c e i s ma i n l y s l i d i n g f a i l u r e wh e n n o r i n a l s t r e s s i S l O WW i t h t h e i n c r e a s i n g n o r - ma l s t r e s s t h e s h e a r f a i l u r e mo d e i s t h e f a i l u r e i n t h e s o i l T h e t h i c k n e s s o f s h e a r s l i p b a n d s f o rm e d i n t h e s o i l b e c o me s b i g g e r wh e n r o u g h n e s s o f c o n t a c t s u r f a c e i n c r e a s e s k e y wo r d s：r e d c l a y；i n t e r f a c e；r o u g hn e s s；l a r g e s c a l e di r e c t s h e a r t e s t ；n ume r i c a l s i mu l a t i o n 土体与混凝土结构间的相互作用问题一直是 岩土工程界研究 的重要课题 。近年来 ， 随着大 型工业与民用建筑建设的发展 ， 土体与 昆 凝土结构 接触面的问题越来越 突出 J ， 对其 问题 的研 究显 得尤为迫切。土体与混凝土结构接触面的问题涉 及到土力学 中的各个方面 ， 如土体与混凝土桩的接 触面问题、 土体与锚杆的接触问题、 土体与混凝土 挡土墙 的接触面问题等 。土体 和混凝土 的力 学性能差异很大 ， 在外部荷 载的作用下 ， 二者的受 力和变形的差异性也很大 ， 在接触面上会产生较大 的力 ， 能够明确接触面上的受力特性和变形机理以 及剪切破坏形式 ， 并进行合理 的计算， 对土体 与混 凝土结构接触面有关 的结构物 至关重要 。因 此， 有必要对接触面的受力特性及其破坏形式进行 收稿 日期 ： 2 0 1 50 4 2 0 基 金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 7 8 5 1 4 ) ； 湖南省 自然科学基金资助项 目( 1 2 j j 6 0 5 4 ) 通讯作者： 石熊( 1 9 8 5 一) ， 男 ， 湖南邵阳人， 博士研究生， 从事高速铁路路基动力学方面的研究 ； E m a i l ： s h i x i o n g 1 2 6 1 2 6 c o m 第4期 石熊， 等： 土 一混凝土接触面剪切破坏模式分析 7 9 1 较深入 的研究与分析。然而 国内外学者大多针对 接触面的受力特性及变形机理进行分析 ， 对 其破坏形式的研究较少 。T s u b a k i h a r a等 通过对 黏土与钢板结构进行直剪试验 ， 得出在剪切过程 中 接触面存在接触面处的滑移破坏 、 剪切滑动带在土 体内的破坏以及二者 同时发生的破坏 3种破坏形 式 ， 当结构物接触 面的粗糙度小 于( 大于 ) 临界粗 糙度时 ， 剪切过程 中发生 的是相对滑移破坏( 形成 剪切滑动带在 土体 内部 的破坏 ) 。U e s u g i 等 通 过大量的试验得出破坏形式表现为在土体 内形成 剪切滑动带的破坏时 ， 有较大的法向变形。胡黎明 等L 1 对接触面 的直剪试验进行数值模拟 ， 对接触 面破坏过程进 行 了分析 ， 结果表 明直剪试验过程 中， 接触面上应力应变分布不均匀 ， 导致接触 面单 元渐近破坏。本文采用大型直剪仪对红黏土 一 混 凝土结构接触面进行大型直剪试验 ， 分析不同法向 应力以及不同混凝土表面粗糙度条件下结构接触 面的力学特性 ， 并通过数值计算对接触面的破坏形 式进行分析 。 1 接触面直剪试验 1 1试 验材 料 土料采用长沙地 区红黏土， 通过击实试验得出 红黏土的最大干密度为 1 8 1 g c m ， 最优含水率为 1 4 0 8 ， 通过静三轴试验得 出红黏土的黏聚力 为 9 5 7 1 k P a ， 内摩擦角为 3 2 1 8 。 。混凝 土试块采用 C 4 0混凝土 ， 配置强度为 4 9 9 MP a ， 水灰 比为0 4 3 ， 1 m 混凝土的用水量为 1 9 5 k g 。制作不同粗糙度下 的混凝土接触面， 利用自 制的粗糙度测定仪， 对其进 行测定 ， 得出粗糙度I ， 和混凝土表面的平均深 度分别 0 5 7 8 ， 1 8 9 3和 2 A A A , mm。 1 2 试验方案 采用中南大学岩土工程 系与长春朝 阳试验仪 器有 限公 司合 作研 制 T J W 一8 0 0大型 直剪 试验 机 ， 上 、 下 剪 切盒 尺 寸 均 为 5 0 0 m m 5 0 0 m m 1 5 0 mm， 利用直剪试验机通过控制法向应力 ( 1 0 0 ， 2 0 0和 3 0 0 k P a ) 和混凝土结构接触面粗糙度 ( 粗糙 度 I， 粗糙度 和粗糙度 ) 对红黏土与混凝土结 构接触面进行 9个单向直剪试验 ， 试验过程中上剪 切盒为试验土料 ， 下剪切盒为混凝土试块。 1 3 试 验 结果分 析 不 同法向应力条件下 ， 不同接触面粗糙度时剪 切应力 一剪切位移曲线如图 1 所示。 图 1结果表明： 不同粗糙度下的剪切应力 一剪 切位移曲线在初始阶段即弹性阶段基本重合 ， 即初 始的剪切刚度基本不变 ， 此后由于结构接触面粗糙 度的不同 ， 剪切应力 一剪切位移 曲线在残余摩擦 阶 段 、 应变软化阶段 、 弹塑性阶段略有不同。剪切应 力 一 剪切位移曲线主要表现出折线型和双曲线型 ， 分别对应于接触面在剪切过程中存在 的滑移破坏 和弹塑性破坏 2种不同形式 ， 剪切滑移破坏为土体 在接触面处直接产生滑动破坏 ， 剪切弹塑性破坏为 接触面在剪切过程 中在土体 内部形成剪切滑动带 破坏。 司 总 5 ( a ) =1 0 0 k P a ； ( b ) o= 2 0 0 k P a ； ( c ) = 3 0 0 k P a 图 1 不 同粗糙 度剪切应力 一剪切位移 曲线 F i g 1 S h e a r s t r e s ss h e a r d i s p l a c e me n t c u r v e un d e r di ffe r e n t r o ug h ne s s 通过图 1 得 出的各个粗糙度在不 同法 向应力 作用下的抗剪强度峰值及其拟合强度包线见图 2 。 即可得出混凝土结构接触面在粗糙度 I， 和 时 的抗剪强度指标 ， 如表 1所示 。 图 2 不 同粗糙度接 触面抗 剪强度 F i g 2 S h e a r s t r e n g t h o f c o n t a c t s u r f a c e u nd e r d i ffe r e nt r o ug hn e s s 7 9 4 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5年 8月 度的增加， 土体内部所形成的剪切滑动带的厚度增 加。 参考文献 ： 1 李建华， 祝方才 ， 廖新贵 土与结构物的接触特性研究 J 湖南工业大学学报， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 3 ) ： 1 4 L I J i a n h u，Z HU F a n g c a i ，L I AO X i n g u i S t u d y o n c o n t a c t c h a r a c t e ri s t i c s b e t w e e n s o i l a n d s t r u c t u r e f J J o u r n a l o f H n n n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 3 ) ： 1 4 2 周爱兆， 卢廷浩 ， 刘尧 土与结构接触面力学特性研究 现状与展望 J 河海大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 5 ) ： 5 2 45 2 8 Z HOU Ai z h a o ，L U T i n g h a o ，L I U Ya o C u r r e n t r e s e a r c h a n d p r o s pe c t o f me c h a n i c a l be ha v i o r s o f s o i l s t ru c t u r e i n t e rf a c e s J J o u r n a l o f H o h a i U n i v e r s i t y( N a t u r a l S c i e n c e s ) ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 5 ) ： 5 2 45 2 8 3 董景刚 土与结构接触面力学特性研究 D 大连： 大 连理工大学 2 0 1 1 DON G J i n g g a n g S t u d y o n me e h a n i c al p r o p e r t i e s o f i n t e r - f a c e b e t w e e n s o i l and s t ruc t u r e D D a l i a n ：D al i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy 2 0 1 1 4 殷宗泽 ， 朱泓， 许国华 土与结构材料接触面的变形及 其数学模拟 J 岩土工程学报， 1 9 9 4 ， 1 6 ( 3 ) ： 1 4 2 2 YI N Z o n g z e ，Z HU Ho n g， XU G u o h u a Nu me ri c a l s i mu l a t i o n o f t h e d e f o r ma t i o n i n t h e I n t e rfa c e b e t w e e n S o i l a n d S t ruc t u r a l Ma t e r i al J C h i n e s e J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e ri n g ，1 9 9 4 ，1 6 ( 3 ) ： 1 4 2 2 5 石熊， 张家生， 邓国栋 ， 等 循环荷载作用下红黏土与混 凝土接触面剪切特性试验研究 J 铁道科学与工程 学报， 2 0 1 4 ， 1 1 ( 3 ) ： 8 8 9 3 S HI Xi o n g ，Z HANG J i a s h e n g ，DE NG Gu o d o n g ，e t a 1 E x p e rime n t al r e s e a r c h o n s h e a rin g p r o p e y o f r e d c l a y c o n c r e t e i n t e rf a c e u n d e r c y c l i c l o a d i n g J J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 4，1 1 ( 3 ) ： 8 8 9 3 6 A n d r z e j S a w i c k i ， Wl o d z i m i e r z C h y b i c k i O n a c c u r a c y o f p r e d i c t i o n o f p r e f a i l u r e d e f o r ma t i o n s o f g r an u l a r s o i l s J C o m p u t e r s a n d G e o t e c h n i c s ， 2 0 1 0 ，3 6 ( 7 )9 9 3 99 9 7 石熊， 张家生， 刘蓓 ， 等 红黏土与混凝土接触面剪切特 性试验研究 J 中南大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 1 5 ， 4 6 ( 5 ) ： 1 8 2 61 8 3 1 S HI Xi o n g ，Z HAN G J i a s h e n g ，L I U Be i ，e t a 1 E x p e ri me n t a l r e s e a r c h o n s h e a fing p r o p e r t i e s o f i n t e rfa c e be t w e e n r e d c l a y a n d c o n c r e t e J 1 J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h U n i v e rsi t y( S c i e n c e and T e c h n o l o gy ) ，2 0 1 5 ，4 6( 5 ) ： l 8 26一l 831 8 T e j c h ma n J B a u e r E F Em o d e l i n g o f s h e ar r e s i s t a n c e d e g r a d a t i o n i n gra n u l a r ma t e ri als d u rin g c y c l i c s h e afi n g u n d e r C N S c o n d i t i o n J C o m p u t e r s a n d G e o t e c h n i c s ， 2 0 0 9 ， 3 6 ( 2 ) ： 2 4 9 2 6 3 9 杨有莲， 朱俊高， 余挺， 等 土与结构接触面力学特性环 剪试验研究 J 岩土力学 ， 2 0 0 9 ， 3 0( 1 1 ) ： 3 2 5 6 3 2 60 YANG Yo u l i a n，Z HU J u n g a o ，YU T i n g，e t a 1 E x p e r i me n t a l s t u d y o f me c h a n i c al b e h a v i o u r o f s o i l s t ruc t u r e i n t e r f a c e b y ri n g s h e ar t e s t J R o c k a n d S o i l M e c h a n i c s ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 1 ) ： 3 2 5 6 3 2 6 0 1 0 彭凯， 朱俊高， 张丹， 等 粗粒土与混凝土接触面特性 单剪试验研究 J 岩石力学与工程学报， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 9 ) ： 1 8 9 3 1 9 0 0 P EN G Ka i ，Z HU J u n g a o ，Z HANG Da n ，e t a 1 S t u d y o f me c h a n i c a l b e h a v i o r s o f i n t e rfa c e b e t we e n c o a r s e gr a i n e d s o i l a n d c o n c r e t e b y s i m p l e s h e ar t e s t J C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 01 0， 2 9 ( 9 ) ： 1 8 9 31 9 0 0 1 1 张嘎， 张建民 粗粒土与结构接触面三维本构关系及 数值模型 J 岩土力学 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 2 ) ： 2 8 8 2 9 2 Z HANG G a，Z HAN G J i a n mi n T h r e e d i me n s i o n al mo d e l o f i n t e rf a c e b e t we e n s t ru c t u r e a n d c o a r s e g r a i n e d s o i l J R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 2 ) ： 2 8 8 2 9 2 l 2 T s u b a k i h a r a Y， K i s h i d a HF ri c t i o n al b e h a v i o u r b e t w e e n n o r ma l l y c o n s o l i d a t e d c l a y an d s t e e l b y t wo d i r e c t s h e a r t y p e a p p a r a t u s e s J S o i l s a n d F o u n d a t i o n s ，1 9 9 3 ，3 3 ( 2 ) ：1 1 3 1 3 U e s u g i M， K i s h i d a H， T s u b a k i h a r a Y B e h a v i o r o f s a n d p a rt i c l e s i n s a n ds t e e l f r i c t i o n J 1 S o i l s a n d F o u n d a t i o n s ， 1 9 8 8 ， 2 8 ( 1 ) ： 1 0 71 1 8 1 4 胡黎明， 马杰， 张丙印 直剪试验中接触面渐进破坏的 数值模拟 J 清华大学学报(自然科学版) ， 2 0 0 8 ， 4 8 ( 6 ) ： 9 4 3 9 4 6 HU L i mi n g ， MA J i e ， Z HA NG B i n g y i n Nu me ri c al s i mu l a - t i o n o f i n t e rf a c e f a i l u r e d u ri n g d i r e c t s h e a r t e s t s J J o u r n al o f T s i n g h u a U n i v e r s i t y ( S c i e n c e a n d T e c h n o l o g Y ) ， 2 0 0 8 ， 4 8 ( 6 )： 9 4 39 4 6 1 5 刘蓓 红黏土与混凝土结构接触面力学特性的试验研 究 D 长沙： 中南大学， 2 0 1 3 L I U B e i T h e t e x t s t u d y o n me c h a n i c al p r o p e rti e s o f i n t e rf a c e b e t w e e n r e d c l a y a n d c o n c r e t e s t ruc t u r e D C h a n g s h a ：C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ，2 01 3 ( 编辑阳丽霞)