《砂土介质中土压力盒的力学响应特性.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《砂土介质中土压力盒的力学响应特性.docx（16页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、砂土介质中土压力盒的力学响应特性 摘 要：砂土介质是典型的颗粒物质，介质的有效应力和变形都与骨架上的颗粒特性干脆相关，而颗粒性状的变更进而影响着测试过程中土压力盒的力学响应。但宏观力学理论和连续介质方法无法精确说明介质颗粒间的力学行为，为了对实际工程进行更精确的测试，基于细观分析方法探讨了荷载作用下的砂土颗粒接触形成的力链网络，模拟了力传递过程，并分析了加卸载时的力应变曲线和土压力盒力学响应与志向曲线的关系，验证了文章提出的砂土介质土压力盒力学响应数值模型。同时，基于建立的颗粒流数值模型探讨加载模式、颗粒排列、颗粒间摩擦系数以及压力盒刚度等对压力盒测试的影响，其结果显示压力盒力学响应曲线具有明
2、显的迟滞性和应变不行逆性，其监测值对上述因素很敏感。因此，探讨力链结构及其演化规律为相识砂土介质的细观结构供应了科学的理论依据和新的探讨手段，各因素对压力盒力学特性的影响探讨对压力盒标定和获得更精确的土压力值具有重要的实践价值。 关键词：土压力盒；细观分析方法；力链网络；力学响应；迟滞性 中图分类号：TU45 文献标记码：A 文章编号：1674-476404-0012-07 Mechanical Response Characteristics of the Earth Pressure Cell in Sand LIU Xianshana,b, DONG Cunjuna,b (a. Scho
3、ol of Civil Engineering; b. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P.R.China) Abstract:Sand is a typical particle structure. The effective stress and corresponding deformation are both determined by
4、 the particle characteristics of the medium skeleton, and the changeable condition of the particles will further affect the mechanical response of the earth pressure cell in the test process. To correctly measure the earth pressure value, micromechanical method was applied to analyse the force chain
5、 formed by the particles contact under loading-unloading condition, and the transferring process, the force-strain curve and relationship between the cell mechanical response and the ideal response curve were analyzed in detail, which verified the above mechanical response model based on Particle Fl
6、ow Code (PFC) method. According to the structural characteristics of the sand and above numerical model, the loading condition, porosity, friction coefficient between the particles and stiffness of the earth pressure cell affecting mechanical response of the earth pressure cell were deeply investiga
7、ted, the numerical results indicated that there were obvious hysteresis and strain irreversibility for the response curve, and the measured value was sensitive to the above factors. Therefore, research on the force chain structure and corresponding evolution law brings forward a scientific base and
8、new research means for understanding its micromechanical characteristics, and different factors influencing the earth pressure cell are also important for cell calibration and practical monitoring to get more correct earth pressure value. Key words:earth pressure cell; micromechanical method; force
9、chain network; mechanical response; hysteresis 土压力盒由于能干脆反映土压力改变而在路基、挡土墙、坝体及隧道工程测试中得到了广泛的应用。但实际砂土介质为非弹性体，而且土压力盒与土体的刚度很难匹配，土压力盒旁边产生应力集中或土拱效应而变更砂土体内的自然应力场。为了更好地运用土压力盒进行现场压力的精确测试，国内外很多学者对现场实测进行探讨，Naoki等1对高压土压力盒进行探讨，使土压力测试进入高压阶段；陈春红等2、李贯军等3探讨了土压力盒运用于工程实测的几种原则；Theroux等4为避开现场土压力盒埋设时产生刚度匹配，运用之前对其进行室内标定试验，找出
10、合理参数运用于工程实际；Joseph等5依据试验和理论分析，说明不同类型的土压力盒在不同的边界条件下都会产生不同的试验结果；Zhu等6通过试验描述了砂土介质中土压力盒响应的非线性和迟滞性，指出不同类型的土压力盒与加载历史和应力环境相关。 上述试验方法的直观性为工程实测供应了便利，但试验条件和试验成本的限制以及介质的外界扰动会对土压力盒实测的有效性产生重要的影响。随着对实际土压力性状探讨的不断深化，相识到砂土介质是大量离散颗粒相互作用而组成的困难体系，呈现出非线性、弹塑性、剪胀性和流变性等。现有的宏观岩土力学理论和连续介质方法无法精确说明颗粒间的力学行为，而细观力学方法7颗粒流方法为解决该问题供
11、应了重要的探讨手段。Chareyre等8基于改进的离散元方法模拟颗粒接触的力学行为，得到土颗粒与嵌入体的接触关系；Jiang等9运用颗粒离散元法模拟了砂土介质中嵌入仪的力学特性，其中土颗粒与嵌入仪的摩擦系数影响最为明显；Orianne等10运用PFC2D探讨了土体颗粒摩擦系数、接触刚度以及孔隙率对嵌入体力学响应的影响规律；Zhou等11和Pradip等12从不同角度探讨了颗粒性状对砂土嵌入体的作用关系。那么，土压力盒作为一种嵌入砂土介质中的测试仪器，外力作用、介质颗粒大小、介质孔隙率、颗粒摩擦系数、压力盒自身特性以及测试环境等都会对土压力盒测值产生影响。因此，为了运用土压力盒进行更精确的测试，
12、基于颗粒流数值方法来模拟实际砂土介质中的土压力盒力学响应成为一种新的探讨思路。 笔者通过建立的数值模型分析颗粒运动以及颗粒接触形成的力链网络和压力盒的力学响应，验证数值模型的可行性，并探讨加载模式、颗粒松散程度、颗粒间摩擦系数以及压力盒刚度等对测量值的影响。 1 土压力盒力学响应数值模型 1.1 颗粒流数值方法 基于离散单元法的颗粒流数值方法7是通过模拟颗粒运动及其相互作用来探讨颗粒体系的力学特性，并基于非连续数值方法来求解含有困难变形模式的实际问题。砂土体13的离散特点确定了加卸载过程中介质应力的不确定性和困难性，无法建立统一的、合适的连续介质模型。颗粒流方法的提出为砂土介质力学特性的探讨供
13、应了一种新的探讨思路。随着计算机技术的逐步增加，颗粒模型模拟整个实际工程成为可能，一些细观特性可以在模型中自动形成，因此该方法能很好地再现岩土介质的细观力学特性11。笔者采纳的Hertz-Mindlin接触模型14，是依据Mindlin和Cundall理论近似得出的一种非线性接触模型7。 1.2 数值模型验证 依据土压力盒试验，建立如图1所示的数值模型，对应模型的计算参数如表1所示，模型包含10 000个颗粒，其颗粒分区和对应的颗粒数如表2所示。压力盒设计为自由变动形式，如图2和图3所示。为了保证加卸载过程的平衡状态，压力盒顶部和底部在加卸载过程中保持竖直方向移动，荷载作用于模型的顶板上，加载
14、卸速度为0.02 mm/s。 基于上述数值模型模拟了不同荷载作用下的土压力盒力学响应。图47为不同荷载的颗粒接触图形，显示了毗邻颗粒接触形成的诸多传递外荷载的路径：力链。若干力链形成网络15贯穿于颗粒体系内，确定着颗粒体系的宏观力学性能。而且，局部颗粒的受力大小不同促使力链网络结构形成强力链和弱力链。图47可以看出外荷载作用下，不同位置的颗粒受力不同，顶部颗粒的受力要小于底部颗粒的受力，随着外荷载的增加，颗粒产生变形，其接触力越大16，压力盒顶部就形成较强的力链结构，此位置显示的应力集中也越明显。同时，还通过图8说明白加卸载过程中整体模型与压力盒的顶部、底部的力应变改变过程。该图显示加卸载曲线
15、不重合，完全卸荷之后一部分应变不行复原，形成滞回环17，说明砂土体自身的非线性特性以及加卸载过程中压力盒测试的迟滞性。另外，图9描述了砂土介质中压力盒的应力响应，其值与志向曲线偏差较大。主要在于初始压力盒系数由气标或油标得出，试验过程压力盒受力匀称，得到的压力盒应力为线性改变。而砂土介质与气、油性质不同，且试验条件以及对砂土体的扰动都会变更压力盒的测试结果，非线性加卸载曲线使得传统的最小二乘法2线性拟合得到的压力盒系数将不精确，那么只有精确标定后的压力盒才能进行有效监测。因此，可以在驾驭砂土性质的基础上对埋入的土压力盒进行数值试验来获得压力盒的应力值，以此确定压力盒系数将是一种有效的方法。 上
16、述探讨成果可以看出，土压力盒的力学响应符合砂土介质力学特性的一般规律，由此说明笔者采纳的颗粒流数值分析模型是可行的，可以运用该模型对后续的多因素影响土压力盒力学特性进行探讨。 2 土压力盒力学响应特性分析 2.1 荷载模式对土压力盒响应的影响 不同荷载模式对砂土介质中的土压力盒力学响应的影响不同，图10为循环加卸载过程中的整体模型与压力盒的顶部、底部压力应变曲线，说明不同量级的荷载循环其力学特性不同，多次循环后的不行逆变形渐渐加大。从细观角度可知，在一个加卸载过程结束时，模型的尺寸会减小，起先另一个新的循环过程，加载中的颗粒会从当前位置起先少量移动。在移动过程中，切向弹簧拉长超过弹簧极限值，颗
17、粒发生滑动；卸载时，颗粒趋向于返回初始位置，切向弹簧松弛，出现过滑动的颗粒由于在复原过程中未达到弹簧极限值，其中的一些颗粒就会与邻近颗粒接触产生相互作用，颗粒与颗粒之间的距离越近。因此，不断的加卸载就会导致颗粒不断重组和压缩，孔隙减小，产生滑动而未能复原到初始位置的颗粒越来越多，完全卸荷以后的不行逆变形也越来越大。另外，图形还显示随着荷载的增加，颗粒之间的空隙减小导致没有足够的空间允许颗粒重组和滑动，由迟滞曲线17-18的闭合区域面积可知整个加卸载过程中的能量消散削减，对应的应变渐渐增加。 图10显示的加卸载曲线具有较大的滞回环，说明加卸载过程中压力盒具有迟滞性。主要因为埋置于砂土介质中的土压
18、力盒是由金属材料制成，迟滞性大小与材料本身的稳定性、匀称性、热处理后的金相组织等都有很大的关系。因此，土压力盒的实际运用中，可以通过不同的热处理方式提高弹性极限以削减迟滞性，另外选择传感器时应充分考虑迟滞性的自补偿，使其对土压力盒测量值的影响减到最小。 图10 循环加卸载的压力盒力学响应 2.2 颗粒松散程度对土压力盒力学响应的影响 由于内部颗粒排列不同，砂土试样的孔隙率不同，受力过程中的颗粒运动不同，反映在压力盒上的力学效应也不同。考虑2种不同的孔隙率试样，松散型颗粒初始孔隙率：0.249，压密型颗粒的初始孔隙率：0.208，其数值计算结果如图1113所示。图11可以看出两种类型的颗粒模型都
19、表现出了相像的力学响应，对于初始孔隙率大一些的试样，孔隙率渐渐减小趋向于压密状态而形成颗粒接触，孔隙率越大，在荷载作用下达到相同的变形须要的时间更多一些，土压力盒的力学响应要慢一些。图12为荷载作用下压力盒顶部的应力应变曲线，孔隙率大的颗粒应变要大于孔隙率小的颗粒应变，同样也说明白松散颗粒在挤压过程中就产生了较大的变形。图13对土压力盒监测值和理论值进行比较，并给出了测量值的线性表达式以模拟压力盒在不同荷载作用下的改变趋势。该图形显示孔隙率大的试样其测量值要小一些，说明孔隙率大的颗粒在荷载作用下有一个压密的过程，要达到相同测量值须要的外荷载就更大一些；另外土压力盒的测量值比理论值要大，主要在于
20、颗粒刚度较大更易汲取外界荷载，更有效地形成力链网络将外荷载传递给土压力盒；同时还说明最小二乘法拟合的线性曲线与土压力盒实际应力响应值存在肯定的误差，要获得实际工程中的土压力盒有效测值，就须要结合试验和数值方法组合分析来确定更为精确的土压力盒系数。 图11 不同孔隙率试样的土压力盒顶部作用力 图12 不同孔隙率试样的压力盒顶部应力-应变关系 图13 不同孔隙率试样的数值模拟与理论值比较 2.3 颗粒摩擦系数对土压力盒力学响应的影响 颗粒本身的力学性质同样确定荷载作用下的压力盒力学特性，颗粒间摩擦系数不同其颗粒之间的接触力也不同，那么反映在土压力盒上的作用力也不同，其探讨成果如图14所示。该图表明
21、颗粒摩擦系数越小，土压力盒的压力应变曲线表现出的迟滞性越强，这也说明颗粒之间的摩擦系数越小，颗粒之间的接触力越大，越简单产生变形，得到的变形量也较大，在卸载过程中的不行逆变形也越大。因此，选择土压力盒进行砂土介质应力测试时，须要在砂土介质实际勘测的基础上进行理论分析，并选择对应的土压力盒来削减测试曲线的迟滞性以保证监测值的精确性。 图14 不同摩擦系数影响的压力盒顶部作用力-应变图 2.4 压力盒刚度对土压力盒力学响应的影响 由于实际砂土体与土压力盒的刚度很难相等，土压力盒旁边就会产生应力集中或拱效应而破坏砂土原来应力场。假如压力盒的刚度大于砂土体颗粒的刚度，则测量值偏大，反之测量值偏小。因此
22、，压力盒刚度的选择对测试值的影响很大，其探讨成果如图15和图13所示。其结果显示当土压力盒的刚度大于50 kN/m，其压力盒的力学响应模式相同，且力应变曲线相差不明显，而对于刚度为0.5 kN/m的压力盒，由于压力盒刚度相对颗粒刚度要小，压力盒测试的力应变曲线要小于志向值。主要在于对于刚度较大的压力盒更简单汲取外力，则作用在压力盒上的作用力要大一些，也即测量值大于理论值。因此，在实际测试工程中，要对砂土颗粒刚度和压力盒刚度进行比较探讨，然后选择合适刚度的土压力盒，同时还要提高土压力盒的埋置要求并保证压力盒四周土体的密实度，由此提高土压力盒和砂土介质之间的刚度匹配。 图15 压力盒不同刚度影响的
23、作用力应变图 3 结论 砂土介质颗粒体系所具有的非连续和强接触耗散等结构使其呈现出非线性、弹塑性、剪胀性和流变性等困难的力学特性，传统的宏观连续介质方法无法精确表述其困难特性。因此，基于细观力学方法的颗粒体系精细力学行为探讨砂土介质力学性质供应了新的思路，采纳颗粒流数值方法从细观角度对土压力盒的力学响应进行探讨。 1)探讨了荷载作用下的颗粒接触、传力过程以及力链网络，说明白砂土介质受力过程中的力链是以骨架为基础的，颗粒骨架变形必定导致力链结构发生改变，其改变更精细地反映了颗粒体系和土压力盒对外荷载的响应。 2)基于颗粒流数值模型得到的力应变曲线符合一般规律，由此验证了笔者提出的颗粒流模型是可行
24、的；并比较了加卸载过程中土压力盒应力改变曲线与志向曲线，说明介质特性对压力盒力学响应和压力盒标定具有重要影响，为后续土压力盒力学响应分析奠定了探讨基础。 3)加卸载模式、试样松散程度、颗粒摩擦系数以及压力盒刚度对压力盒响应有着不同程度的影响，在相同的外荷载条件下，压力盒对上述因素都很敏感。因此，外界因素和新探讨方法的组合考虑才能获得更为精确的土压力盒系数，才能运用于工程实践进行有效监测。 综上所述，实测过程中，由于压力盒自身材料的影响，其测值会有明显的迟滞性，颗粒特性不同其对应的迟滞性不同，形成的力应变曲线也不同，那么对应的监测值也会不同。因此，对不同实际工程进行测试时，对岩土体力学参数进行实
25、地勘测并进行理论分析，然后选择合适的土压力盒，以此指导实际工程设计和施工。 参考文献： 1Naoki F,Takehiko M,Kazuko K N, et al. Fabrication and efficiency evaluation of a hybrid NiCrAi pressure cell up to 4GpaJ. American Institute of Physics: Review of Scientific Instruments, 2022,78(7) :739-743. 2陈春红，刘素锦，王钊. 土压力盒的标定J.中国农村水利水电, 2022(2): 29-33.
26、 CHEN Chunhong, LIU Sujin, WANG Zhao. Calibration of earth pressure cellJ. China Rural water and Hydro-power, 2022(2): 29-33. 3李贯军，王玉洁. 监测设计中如何选择性能优良的压力盒J. 大坝与平安，2022(6):4-6. LI Guanjun, WANG Yujie. How to select pressure cell during monitoring designJ. Dam and Safety, 2022(6):4-6. 4Theroux B, Labuz
27、 J F, Dai Shongtao. Field installation of an earth pressure cellJ. Transportation Research Record, 2001,1773:12-19. 5Joseph F L, Brent T. Laboratory calibration of earth pressure cellsJ. Geotechnical Testing, 2022, 28(2):188-196. 6Zhu B, Jardine R. The use of miniature soil stress measuring cells in
28、 laboratory applications involving stress reversalsJ. Soils and Foundations, 2022, 49(5):675-688. 7王涛，吕庆. 颗粒离散元方法中接触模型的开发J. 岩石力学与工程学报，2022, 28(Sup2): 4040-4045. WANG Tao, LYU Qing.Developement of confalt model in particle discrete, element methodJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,
29、2022,28(Sup2):4040-4045. 8Chareyre B, Villard P. Dynamic spar elements and discrete element methods in two dimensions for the modeling of soil-inclusion problemsJ. Journal of Engineering Mechanics, 2022, 131(7): 689-6101. 9Jiang M J, Yu H S, Harris D. Discrete element modelling of deep penetration i
30、n granular soilsJ. Int J Numer Anal Methods Geomech, 2022, 30:335-361. 10Orianne J, Daniel D, Richard K. Discrete element modelling of a granular platform supported by piles in soft soil-Validation on a small scale model test and comparison to a numerical analysis in a continuumJ. Computers and Geot
31、echnics, 2022, 36: 917-927. 11Zhou C, Jin Y O. Numerical investigation of progressive development of granular pile with spherical and non-spherical particleJ. Mechanics of Materials, 2022, 41: 737-734. 12Pradip R, Alexander S. Simulation study on micro and macro mechanical behaviour of sand pilesJ.
32、Powder Technology, 2022, 204:113-123. 13李凡. 岩土材料破损特性的颗粒流探讨J. 土木工程学报，2022, 40(9):78-81. LI Fan. A study on the breakage properties of geological materials using particle flow simulationJ. China Journal of Civil Engineering, 2022, 40(9):78-81. 14Manual of Particle Flow Code in 2 Dimensions: Theory and
33、 backgroundM. Itasca Consulting Group, Inc, 2022. 15孙其诚，王光谦. 颗粒物质力学导论M. 北京：科学出版社，2022. 16常在，杨军，程晓辉. 砂土强度和剪胀性的颗粒力学分析J. 工程力学，2022, 27(4): 95-104. CHANG Zai, YANG Jun, CHENG Xiaohui. Granular mechanical analysis of the strength and dilatancy of sandJ. Engineering Mechanic, 2022, 27(4): 95-104. 17许江，杨秀.
34、 周期性载荷作用下岩石滞回曲线的演化规律J. 西南交通高校学报，2022, 40(6): 754-758. XU Jiang, YANG Xiu. Evolution law of hysteresis curve of rock under cyclic loadingJ. Journal of Southwest Transport University, 2022, 40(6): 754-758. 18席道瑛，陈运平. 岩石的非线性弹性滞后特征J. 岩石力学与工程学报，2022, 25(6): 1086-1093. Xi Daoying, Chen Yunping. Nonliear elastical hysteric characteristics of rocksJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2022, 25(6): 1086-1093. 第16页 共16页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页