1绪论
1.1引言
岩土工程研究的对象岩体和土体都是比较特殊的材料,岩体有着复杂的结构和地应力场环境而土体不仅工程性质复杂而且其性质的区域性和个性很强。由于岩土材料的特殊性,其力学性质试验成果会因试验方法和技巧的不同而有较大出入,其差别远比力学计算方法不同引起的差别为大,因此土工试验在土工实践中占据相当重要的地位⑴。岩石的单轴压缩试验与土的三轴试验是岩土工程试验中最基本、最重要的试验之一,而在这些试验过程中,端部效应是不可忽视也不可避免的影响因素,对于端部效应的处理,直接影响试验结果的准确性。
在岩石单轴和土的三轴试验中,试件的端部与加载系统(塾板)必然有接触,端部效应是指当塾板的变形与岩土试样在加载过程中的变形比例不一致时试件端部就会产生摩擦力因此会使试样的端部变形受到限制,从而影响试件的应力分布等力学性质的现象。
岩石试件中的端部效应会影响试件中的应力分布,从而改变试件的破坏模式,还会对试件内部等效塑性应变、剪切带分布、侧向变形特性等性质造成影响,影响岩石强度的测定。三轴试验是最常用的土工试验之一,通过测定试样应力应变关系来推导土体本构模型参数,而三轴试验也不可避免的受到端部效应影响,要完全消除基本不可能。端部效应直接影响试验结果,因此这一问题一直受到人们的关注。
所有复杂的岩土工程应用,比如城市地下空间与地下工程、边坡与基坑工程、岩石基岩工程等都需要以岩土材料的基本性质作为基础来研究,从而岩土材料基本性质测量结果的准确性就显得尤为重要,其直接影响岩土材料的正确应用。正确的基本性质才能为岩土工程的实际工程应用提供指导和理论基础。对于端部效应影响的分析,有助于从根本上保证试验结果的准确性,从而为其他工程应用提供保障。
因此,岩土试件端部效应的影响研究具有重要的理论意义和应用价值。
1.2国内外研究慨况
人们对岩土试件试验过程中端部效应的研究基本贯穿于试验产生发展的整个过程。在岩石单轴压缩试验中,早在1902年便从理论上分别计算了圆柱体岩石试件在不同端面约束条件下试件内部的应力,发现当圆柱体上下两端面无约束时,其内部弹性应力分布是均匀的,而两端被完全约束时其分布便不均匀。
Brady,Wilson Blake 13]指出由于试验机承压板的摩擦约束作用使试件上下端面上产生剪应力,在压缩试验中,这个剪应力起到了沿径向向内的“滴”的作用,从而使试件内部产生三轴应力状态,影响试件内部应力的均勾分布。
Bradyl4^行了三维有限元模型的研究,分析了在端部粗糙情况下塑块材料对单轴J五缩圆柱体试件弹性特性的影响,发现低弹性模量的垫块能彻底改变试件内部正常的应力和位移分布,橡胶等低模量热块的使用会产生很大的径向和切向应力,从而影响试件的变形特性,并建议在试验中应避免使用泊松比与弹模之比大于试件的垫块。
Peng[5]对圆柱体岩石试件,在不同的边界情况包括端部完全约束,直接接触,均布荷载和在试件和压头之间增加聚四就乙稀热块和氣丁橡胶热块等条件下进行了一些列的试验,分别得出了各个边界条件下具体的应力分布情况,并同时进行了理论分析。试验和理论分析结果表明,在大多数实验室试验中单轴加载的试件实际上是三向受j玉的,并且试件内部不同位置和方向上的应力并不相同。
Al-Chalabil6l根据接触面上的摩擦力得出弹性圆柱体试件内部应力应变分布的理论解,并且在弱摩擦、中等程度摩擦和强摩擦的端部条件情况下,利用嵌入应变片的环氧树脂圆柱体试件进行实验,得到与理论相符合的实验结果,并指出端部效应使泊松比,弹性模量和极限强度等力学性质的测量不准确,只有在端部摩擦完全消除时才能得到真正的应力状态。
白世伟、林世胜、朱维申I711982年得出单轴丨丘缩圆柱状若石试件内应力状态的--种轴对称有限元分析成果,论证了直接在压力机的承板间)fi缩试件必然致不均匀的应力分布,即使减少试件端部的摩擦约束也无济于事。还证明了在压力机的承j玉板与试件间插入高径比不小于1.0的刚性热块就能在试件内获得均匀应力分,并沿出了实现这一指标的技术途径和部份试验结果。
叶明亮分析和探讨了岩石和混凝土试件在缩试验条件下,消除截面和端部效应的影响的方法,并得到求得直实应力一应变关系曲线的作阁方法,然过外推拟合等处理方法获得了比较真实的应力应变关系曲线。
2有限元分析理论基础
2. 1 ABAQUS有限元分析软件
2.1.1 ABAQUS 简介
ABAQUS是由SIMULIA公司进行开发的有限元分析软件,是世界上最著名的非线性有限元分析软件之一,从简单的线弹性问题到复杂的几何非线性问题均获得了广泛应用,其有效性在实际工程应用和科学研究方面都得了很好的验证[34，35]。ABAQUS可以分析比较复杂的结构力学和固体力学系统,计算模拟庞大复杂的模型,处理高度非线性的问题,并且具有十分丰富的单元库,可以模拟任何性状,也具有非常广泛的材料模型库,可以模拟包括橡胶、金属、复合材料、钢筋混凝土以及土壤和岩石等典型工程材料的性能[36]。
3岩石单轴压缩端部效应数值分析.............15
3.1 引言.............15
3.2岩石单轴压缩模型.............15
3.2.1模型参数.............15
3.2.2模拟方案.............16
3.3 端部效应对试件u—F曲线的影响.............17
3.4端部效应对试件内部各点应力应变的影响.............19
3.4.1不同端面摩擦下试件的变形及轴应力分布.............19
3.4.2不同端面摩擦下试件内部各点的应力应变关系.............22
3.4.3试件路径上点的应力分布.............25
3.5试件内部各截面上力的分布及折减.............27
3.5.1试件内部各截面上力的分布.............28
3.5.2 端部效应下力的折减.............30
4 土三轴试验端部效应影响数值分析.............32
4.1引言.............32
4.2土三轴模型.............32
4.2.1 模型参数.............32
4.2.2模拟方案.............33
4.3端部效应对试件变形的影响.............35
4.4端部效应对试件内部应力应变的影响.............38
4.4.1不同端面摩擦下轴应力的分布.............38
4.4.2不同端面摩擦下各点应力应变关系曲线.............39
4.4.3试件路径上点的应力分布.............41
4.5试件内部各截面上应力分布及折减.............44
结论
1.针对岩石单轴压缩试验试件,采用基于扩展Drucker-Prager模型破坏准则的理想弹塑性本构模型模拟岩石的弹塑性性质,并应用相关接触面理论模拟分析了不同端面约束对岩石单轴压缩试验结果的影响,主要得到结论如下:
(1)端面约束条件不同时,试件整体的位移一反力曲线也不同,试件最大轴反力随着试件端面与压头之间摩擦系数的增大而增大,当摩擦系数增大到0.5后,最大轴反力便基本保持一定值,只有很微小的变化。
(2)受到端部效应的影响,试件内部各点的应力应变关系和各路径上点的应力分布都不相同。端部效应的影响随着与顶面距离的增大而减小,试件中部1/4区域点的应力应变关系及应力分布基本相同,此部分受端部效应的影响较小。
(3)对于50mmxl00mm的大理石试件,我们可以利用试件中部25mm部分来最大程度得减小端部效应的影响,而此部分受到的力与整个试件所受力并不相同,因此在测量计算的时候需对此力进行一定的折减,折减率随着端面摩擦的不同而不同。端面完全约束时,折减率为90%。
2.针对土工三轴试验试件建立相关模型,采用基于Mohr-Coulomb破坏准则的理想弹塑性本构模型模拟试验中粘土的力学性质,同时应用相关接触面理论模拟分析了端部效应对粘土小三轴试件试验结果的影响,由计算结果可知:
(1)端部效应会使试件内部应力应变分布不均匀,即使很小的端面摩擦也会引起变化,但通过试件等效塑性应变的分布比较可以看出,摩擦系数小于0.2时,试件变形并不明显。
(2)端部效应的影响随着与端部距离的增大而减少,两端面部分受影响最大,试样中部1/3区域内受影响很小,应力应变分布基本均匀。因此,可以利用这一区域来减少甚至消除端部效应的影响。
(3)虽然中部1/3区域变形均匀,但在测量计算此部分应力时并不能直接应用试件所受的力,1/3截面应力和试验机施加给试件的应力并不相同,因此必须对顶面应力进行折减后再应用到中间1/3部分的计算,通过比较计算,竖直应力折减率为90%,此时水平应力的影响可认为已经消除。
参考文献:
[1]黄文熙.土的工程性质W].北京:水利电力出版社,1981.
[2]Filon L N G. The elastic equilibrium of circular cylinders under certain practicalsystems of load [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society London SeriesA, 1902, 198:147 - 233.
[3]BBRADY B T and WILSON Blake. An Elastic Solution Of The Laterally ConstrainedCircular Cylinder Under Uniaxial Loading[C]. Proceedings of the Tenth RockMechanics Symposium, Austin, Texas, 1968.
[4]Brady B T. Effects of inserts on the elastic behavior of cylindrical materialsloaded between rough end-plates. International Journal of Rock Mechanics and MiningScience,1971,8:357 - 369.
[5]PENG S D. Stresses within elastic circular cylinders loaded uniaxially andtriaxially[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, 1971,8: 339 - 432.
[6]Al-Chalabi M, HUANG C L. Stress distribution within circular cylinders incompression. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science &Geomechanics Abstract, 1974, 11:45 - 56.
[7]白世伟,林世胜,朱维中.单轴压缩闼柱状岩H式件应力分布均匀性的研究[J].岩土工程学报,1982,4(4) :193-203.
[8]叶明亮.岩土材料贳实应力-应变试验关系[J].矿山压力与顶板管理,1998,02:71-73.
[9]王学滨,潘一山,盛谦,等.岩U试件端面效应的变形局部化数值模拟研究[J].工程地质学报,2002,10(3):233-236.
[10]刘继国,。亚武.岩石试件端面摩擦效应数值模拟研究[J].工程地质学报,2005,13(02):247-251.