面板与碎石垫层间接触面力学特性试验研究

面板与碎石垫层间接触面力学特性试验研究

0土面板堆石坝坝体安全分析在清江支流的最高层，有水布鸡板块的堆石坝，它是世界上最大的混凝土板岩堆石坝。坝体的安全与面板受力状态密切相关，而面板在平面内的应力主要取决于面板与垫层间接触面的剪应力分布状态。根据该坝面板应力与变形专题研究的需要，为尽可能模拟真实的接触面特征，专门研制了国内目前最大的单剪试验仪，进行了不同的接触面处理方式（因而有不同的粗糙度）的剪切试验，对接触面的力学特性进行了研究。1接触面的力学特性研究1.1干砂与钢板接触面Potyondy最早采用直剪仪研究土体与多种建筑材料的接触面力学特性，在以后相当长的时期，直剪仪都是接触面试验研究的主要设备。直剪仪有着操作简便、直观的特点，但剪切过程中由于人为限定了剪切面的位置，剪切盒的刚性约束使得剪切面上剪切应力分布不均匀，尤其对于试样尺寸较小的情况，其剪切时的应力状态不明确。Uesugi和Kishida用矩形断面的单剪仪进行了干砂与钢板的接触面试验。单剪仪的下剪切盒放置结构材料（混凝土或钢板等），上剪切盒由重叠的矩形钢环或铝环组成，内填土样。单剪仪可容许接触面和土体自身具有不同的剪切位移，保持接触面及土体的剪切应力均匀分布。剪切破坏面既可发生在接触面，也可以发生在土体内，是目前较为成熟和实用的一种研究设备。此外，也有用环剪仪进行接触面试验。1.2在接触面上的应用Potyondy运用直剪仪测试了土与混凝土接触面的力学特性，认为影响土与混凝土接触面强度主要因素有土质、含水量、粗糙度和作用于接触面的正应力；Clough和Duncan在分析了砂与混凝土接触面的力学特性后认为，接触面上的剪应力和剪切位移为双曲线关系，并由此建立了剪应力与相对位移的非线性弹性本构关系；Huck采用环剪仪测试了土与混凝土接触面的强度，认为随着接触面粗糙度的增大，剪切强度增大，接触面上的力学特性符合Mohr-Coulomb准则。此外，殷宗泽等，吴军帅和姜朴，胡黎明，高俊合等分别研究了细粒土与混凝土、砂与钢板等接触面的力学性质。近年来，张嘎和张建民研制了大型土与结构接触面循环加载剪切仪，对粗粒土与结构物接触面的静力特性和循环剪切特性进行了研究。在静力特性方面，以上研究的主要结论有：(1)土体抗剪强度接触面的相对粗糙度，接触材料的颗粒级配，形状以及作用在接触面上的正应力是影响接触面抗剪强度的主要因素。其中，表面相对粗糙度和颗粒大小是最主要因素。土体与结构物光滑接触，则剪切破坏形式为滑动剪切；反之，接触面的破坏由剪切边缘向散粒体内部发展形成剪切带，剪切形式为在一定范围内的颗粒滚动、咬合及滑动，形成多个剪切面。(2)党内剪切带型剪应力接触面的应力应变与土体的密实程度密切相关。密实土与结构物的接触面，剪应力–变形关系为应变软化型式，且反映出一定的剪胀性；疏松土体时接触面的剪应力与剪切变形呈双曲线关系。接触面附近的剪切带具有较大的剪切应变。此外，试样尺寸对试验结果也有一定的影响。(3)非线性弹性双曲线模型土与结构物接触面本构模型主要有弹性、弹塑性以及损伤模型等。比较有代表性的如Clough和Duncan提出的非线性弹性双曲线模型，Gen的弹塑性模型，Desai的损伤模型。国内水利工程中运用最多的仍为Clough和Duncan的非线性弹性双曲线模型。1.3土体–构接触面粗糙度与结构的定量试验目前，在土与结构物的接触面力学特性的试验研究方面，尚有下述问题有待探讨：(1)以往所进行的土与结构接触面试验，主要是针对粘土或砂与结构的接触，而对于砾石类粗粒土与结构之间的接触面特性，知之甚少；(2)国内已有的最大的直剪仪为河海大学平面尺寸为450mm×450mm的直剪仪以及清华大学500mm×360mm的直剪仪，最大的单剪仪为河海大学445mm×445mm的单剪仪，与砾石的粒径相比，尺寸仍偏小。由于受到仪器的限制，试验的正应力和试验土样的粒径尺寸与实际工程相比差异较大，难以模拟土体–构接触面粗糙度和正应力水平。(3)对于接触面剪切带的厚度，至今缺乏足够的试验资料。2单级切割法的开发2.1．3材料的正交试验研究粗粒土的试验需要制作大尺寸的试样和仪器设备，如果试样粒径与仪器尺寸不协调，将导致试验成果的偏差。由于试验设备不可能无限制的增大，因此，合理的选择试样尺寸尤为重要。在此方面，国内外研究机构通过试验分析，取得了有关的研究成果。HoltzW等采用D=35～230mm的4种直径的三轴设备，进行了183组粗粒料的试验，提出试样直径与试样粒径的合理比尺为D/dmax=3～4。Zeue.J等采用D=80～505mm的4种直径的三轴设备，进行了146组粗粒料的试验，提出D/dmax=5。长江科学院通过大量的试验研究，统计出D–D/dmax关系曲线，分析表明：随着粒径的增大，合理的试样尺寸与最大粒径的比值D/dmax也在变化；当dmax>30～50mm后，至少要有D/dmax=4～6才可基本消除试样的尺寸效应。2.2叠环厚度及水平加载试验为研究水布垭面板堆石坝面板–垫层之间接触面的力学特性，专门研制了DHJ600型叠环式单剪仪。仪器由长江科学院土工所与四川大学华西岩土仪器研究所共同研制。但在确定仪器的试样尺寸时，不仅要满足水布垭工程面板–砾石垫层接触面试验研究的需要，还考虑到今后可能更大的砾石接触面试验的需要。单剪仪的下剪切盒由钢板制成，尺寸600mm×600mm×300mm（长×宽×高）。根据上、下剪切盒高度相等的一般原则，上盒高度亦采用300mm，由10层600mm×600mm×30mm（长×宽×高）的钢板叠环组成，叠环间由滚轴排减少摩擦。理论上叠环厚度小些为好，对剪切面限制更小，但叠环厚度过小时刚度太小，实验难度大。现场检测表明，水布垭面板垫层料下包线级配的最大粒径为80mm，平均级配线的最大粒径为60mm。对下包线和平均级配，试样平面尺寸与最大粒径的比值分别达到7.5和10.0。单剪仪最大垂直出力为1000kN，最大水平出力为1000kN，相应的最大法向压力和最大剪切应力皆为2.78MPa；最大允许剪切位移120mm。水平加载采用液压泵供油应变控制方式，剪切速率为0.03～20mm/min无级变速控制；垂直荷载、水平推力及水平位移数据由计算机自动采集。图1,2分别显示单剪仪外观及试验原理。在水平拉力作用下，混凝土面板发生水平位移，面板通过接触面将剪切力施加给其上的土体，带动其上的土体水平移动。随着水平荷载的增加，接触面或其上土体达到抗剪强度的峰值。3模型制作与制作根据设计要求，对三种接触面型式进行试验比较，即：(1)混凝土面板无保护，垫层料直接与面板接触；(2)接触面采用水泥砂浆保护，保护层厚度5mm；(3)接触面采用阳离子乳化沥青保护，厚度10mm。该保护层由阳离子乳化沥青和细砾石组成（二油二砂），其中5～10mm粒径砾石含量79%，沥青耗量3.6～3.8kg/m2，砾石用量20kg/m2。模型制作中，水泥砂浆保护层为现浇凝固而成，乳化沥青保护层采用静压成型。面板垫层料采用现场的平均级配，最大粒径为60mm，平均粒径为7.5mm。由于试样尺寸较大，无需对垫层料粒径缩尺。根据大坝高度和荷载规模，采用0.5,1.0,1.5,2.0MPa4法向压力。4相对粗糙度的定义接触面粗糙度是影响接触面力学性质的重要因素。表面粗糙性的存在导致非完整接触和非光滑接触。为了评价表面特性，提出了许多粗糙度参数来描述表面性状。粗糙度参数主要有以下类别：粗糙度算术平均值aR，粗糙度均方根值sR，最大峰谷距Rmax，评定长度上的最大峰谷距tR，平均最大峰谷距Rtm。Potyondy首先建议用光滑和粗糙来定性描述建筑材料的表面粗糙度。但在接触力学研究中，粗糙度有多种定义。Yoshimi采用最大峰谷距Rmax（取样长度L=2.5mm）定义粗糙度；Uesugi分别采用取样长度L=0.2mm和L=D50(D50为砂土的平均粒径）定义砂土与钢板接触面单剪实验中钢板的粗糙度。Kishida提出用相对粗糙度描述砂土与钢材的接触面，定义相对粗糙度为Rn=Rmax(L=D50)/D50;SubbaRao定义相对粗糙度Rn=Ra/D50，其中aR为钢板粗糙度算术平均值，D50为砂土平均粒径。对于面板堆石坝混凝土面板–砾石垫层的接触面，如何定义接触面的粗糙度，无规范可循。为此，需要从反映接触面的力学特性出发，参照上述多种粗糙度的定义，选择或定义新的粗糙度。针对面板–垫层接触面的特点，定义一种新的相对粗糙度Rn=Rs/D50，其中sR为混凝土面板粗糙度均方根值，D50为垫层料的平均粒径。均方根值sR对应的概率特性为：对于正态分布，若均值为零，面板凸起和凹陷的部分界于（-sR,sR）之间的概率，占68.3%。试验前，按照30mm×30mm的网格，量测混凝土面板试样表面的粗糙度。以某一角点为起始点，将位移传感器逐次移动到各网格点上，量测每点的高程。将各点高程减去平均值作为各点的粗糙度。测点粗糙度的均方根值sR与砾石料平均粒径D50的比值，即为接触面的相对粗糙度。经统计表明，3种接触面粗糙度的频率分布皆服从正态概率分布。无保护接触面最为粗糙，其相对粗糙度为0.188，砂浆保护和乳化沥青保护接触面比无保护接触面更光滑，两者相对粗糙度分别为0.097和0.084。5接触面的电压适应性5.1抗剪应变分析3种接触面试验得到的水平荷载峰值（试样破坏）时水平位移沿试样高度的分布如图3所示。3种型式的接触面水平位移沿试样高度的变化规律相似。最大的相对错动位移均发生在第1层叠环与下剪切盒之间，即混凝土面板与垫层之间的接触面处。这表明接触面的抗剪强度小于砾石垫层的抗剪强度，剪切破坏发生在接触面处。剪切位移的变化从下至上基本可以分为3层：(1)无厚度接触面，在面板–垫层之间产生较大的相对滑动；(2)剪切带（应变较大的薄层），接触面以上约50mm的厚度内，垫层材料产生较大的剪切应变；(3)离接触面50mm以外的垫层内，剪切位移沿高度基本呈线性变化，表明剪切应变为常量，属于纯粹土体本身的应变。以上试验得到的剪切带厚度约为50mm，是垫层材料平均粒径（7.5mm）的6.67倍。由于剪切带土体应变引起的相对位移和接触面的错动位移实际上很难分离，因此将接触面的错动位移和剪切带应变产生的位移合并，视为薄层单元的变形，计算得到薄层单元在破坏时的剪切应变见表1。接触面以外垫层内土体的剪应变亦列于表中。由表1可见，3种类型接触面在薄层单元内的剪应变差别不大。剪应变随正应力有增长的趋势，在正应力0.5～2.0MPa范围内，应变约在0.190～0.40之间变化。接触面破坏时，垫层土体内的剪应变在0.03～0.13之间变化，一般在0.05左右。5.2无保护接触面的凝聚力和摩擦角3种接触面的剪切应力–位移关系曲线如图4所示，呈现出很好的双曲线关系。接触面抗剪强度列于表2。砂浆保护接触面的凝聚力c最小，为26kPa。无保护接触面和乳化沥青保护接触面的凝聚力接近，分别为70kPa和84kPa。无保护接触面的摩擦角最大，为34.0°；砂浆保护次之，为30.5°；乳化沥青保护的摩擦角最小，仅为24.9°。可见，接触面愈光滑，摩擦角愈小，两者关系如图5所示。按照薄层单元整理的剪应力–剪应变亦呈双曲线关系，此处图形省略。6接触本构模型在进行土与结构物共同作用的应力–变形有限元分析中，接触面的单元模拟是一个非常重要内容，常用的接触面单元形式归纳起来有：两节点链接单元，无厚度单元和薄层单元等。两节点链接单元最早由Ngo和Scordelis提出，即假定两节点间由相互正交的切向和法向两个弹簧联结，两弹簧分别用以模拟切向和法向刚度。由于该单元的劲度取值任意性较大，目前已不采用。Goodman从岩石节理裂隙研究角度，提出了无厚度4节点单元的理论。Goodman无厚度单元能够较好的反映接触面切向应力和变形的发展，并近似模拟非线性变形特性，模型参数的物理意义明确，切向劲度系数可以通过试验测定。Clough和Duncan提出了接触面剪应力和剪切位移的双曲线关系，长期以来成为土石坝有限元分析的重要模型之一。缺点在于，单元受压时，为避免两侧普通单元会嵌入其中，必须假定接触面具有很大的法向劲度系数，该处理使法向应力计算成果不甚合理。Zienkiwicz,Ghaboussi,Desai等先后提出六节点有厚度的薄单元来模拟接触面。殷宗泽等，张冬霁和卢庭浩]等对接触面薄层单元的使用进行了较深入的研究。根据上述单剪试验成果，分别按照无厚度单元和薄层单元整理本构模型参数，相应的应力–位移和应力–薄层应变关系都采用双曲线模拟。初始剪切劲度与正应力的关系为ki=kPa(σn/Pa)n，其剪切劲度参数如表3所示。无保护接触面由于最为粗糙，剪切劲度模数k远高于后两种接触面；砂浆保护接触面与乳化沥青保护接触面的劲度模数k相近，前者略高，与其相对粗糙度接近的事实相符。7剪切带和抗剪应力(1)种型式的接触面的剪切破坏均发生在接触面处，表明接触面的抗剪强度小于砾石垫层的抗剪强度。接触面以上剪切位移的变化基本可以分为3层：(1)无厚度接触面，在面板–垫层之间产生较大的相对滑动；(2)薄层剪切带，在接触面附近约50mm