碎石土与结构接触面力学特性试验及数值模拟

摘要

土与结构相互作用问题在土木工程中普遍存在,而土与结构接触面的力学特性研究是解决土与结构相互作用问题的前提和基础。本文以三峡库区典型碎石土为研究对象,采用试验与数值相结合的方法,开展了不同影响因素下碎石土与混凝土接触面力学特性试验,以及两种接触面数值算法的对比分析,主要内容及成果如下：
　　1)进行了系统的碎石土基本物理力学特性试验,包括颗粒分析、界限含水率、相对密度、比重、固结、直剪试验,定性的分析该碎石土可能存在的工程性质,为后续开展接触面力学特性研究奠定基础。
　　2)在碎石土与混凝土板接触面剪切试验中,考虑了法向应力、接触面粗糙程度、土体含水率以及试验方法对土与结构接触面力学特性的影响；分析了剪切应力与切向位移关系及抗剪强度参数的变化规律；归纳出了在不同的影响因素下碎石土与混凝土板接触面的受力变形特征。
　　3)依据碎石土与混凝土板接触面单剪试验,确定了该级配碎石土与混凝土接触面单元厚度约为20mm,为平均粒径的 6~7 倍；根据不同法向应力各层土样剪切位移沿试样高度分布曲线图可将接触面剪切区分为三部分：剪切破坏区、扰动区和未扰动区；法向压力对接触区土颗粒的剪切变形有较大的影响,扰动区的高度随着法向压力的增大而略有增大。
　　4)接触面应力应变曲线形式,大致可以分为两种类型：应变硬化型和应变软化型。本文分别用双曲线模型和郦能惠损伤模型对试验数据进行拟合对比分析结果表明：相比双曲线模型,接触面损伤模型能够较好地拟合接触面直剪和单剪试验结果,合理反映其变形机理和力学特性,尤其对于接触面应变软化特性的描述具有明显的优越性。
　　5)基于直剪试验开展了土与结构相互作用的演化过程分析：土与结构相互作用归根结底是土颗粒的运动,使得接触面压应力和剪应力的分布不均,而剪应力又带动土颗粒再次运动,这种周而复始的循环形成了土与结构相互作用。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 尚待研究的问题

1.4主要研究内容和技术路线

2 碎石土物理力学性质试验

2.1基本特征

2.2 压缩特性

2.3 强度特性

2.4 本章小结

3 碎石土与结构接触面力学特性试验方案的确定

3.1 引言

3.2 试验准备阶段

3.3 试验方案的确定及步骤

3.4 本章小结

4 碎石土与结构接触面力学特性试验

4.1 引言

4.2 不同含水率接触面力学特性试验

4.3 不同试验方法接触面力学特性试验

4.4 不同粗糙程度接触面力学特性试验

4.5 本章小结

5 碎石土与结构接触面变形特性

5.1 接触面单元形式

5.2 接触单元厚度的确定

5.3 接触面应力应变模型

5.4 本章小结

6 接触面力学特性数值分析

6.1 接触面数值方法总述

6.2 接触面数值方法对比分析

6.3 土与结构相互作用演化过程分析

7 结论及展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢