土的直接剪切试验三维数值模拟研究
第27卷第6期
2008年12月
V01.27No.8DOC,2008
土的直接剪切试验三维数值模拟研究
李大勇1,潘军刚2
(1.山东科技大学土木建筑学院,山东青岛266510;2.中国石油大学(华东)基建处,山东东营257061)
摘要:土的直接剪切试验.在土力学试验教学中有重要的地位。同时,试验所得到的土体物理参数。可以直接应用到工程实践中。考虑计算机仿真在教学过程中有重要辅助作用,因此,采用国际流行的有限差分数值软件FI。AC3D对土的直接剪切试验进行三维数值模拟,对土样在剪切过程中的应力和应变状态进行了分析,并将所得到
数值解与理论解进行了比较,结果比较吻合。研究表明,计算机仿真能较好反映直接剪切试验结果.有利于学生通
过使用数值仿真软件达到学习掌握土力学直剪实验的方法步骤和进行试验结果分析,对土力学试验教学是一个补充手段。
关键词:土的直接剪切试验fFLAC30;数值仿真;应力;应变中图分类号:TU4。4
文献标志码:A
文章编号:1672—3767(2008)06—0016-05
Research
on
3DNumericalSimulationofDirectlyShearingTestofSoil
LIDa—yon91。PANJun—gan92
(1.CollegeofCivilEng.,&Architecture,SUST,Qingdao,Shandong266510,China;
2。ConstructionOffice,ChinaUniversityofPetroleum,Dongying,Shandong257061,China)
Abstract:Tbedirectlyshearingobtainedfromthis
er
test
test
ofsoilplays
tO
an
importantroleinsoillaboratorytests。Thephysicalparameters
maybeapplicable
practicalengineering.Consideringtheimportantaidfunctionofcomput—
test
inteaching
activities,thedirectly
states
shearing
0fsoilissimulatedwith
theinternationallyused
agree
software,
FLACso.The
of
stress
andstrainforsoilspecimens
a
are
examined.ThecalculatedresuItswellwiththe
theoreticalones.Itshowsthatsimulationvaluesreach
can
goodagreementwiththeexperiments.Hence,thestudents
test
benefitfromthenumericalsimulationto
understandtheproceduresforthedirectlyshearing
tests.
ofsoiland
ana—
lyzethetestedresults.Itwillhelptheteachingactivitiesinsoil
Key
words:directlyshearing
test
ofsoil,FLAC”;numericalsimulation;stress;strain
室内土力学试验是对土的工程性质进行测试,并获得土的物理力学指标(如压缩模量、粘聚力、内摩擦角以及土体的抗剪强度等),从而为工程设计和施工提供可靠的土体设计参数,是岩土工程科研和教学不可缺少的重要组成部分,一直受到人们的高度重视[I]。在众多室内土力学试验中,土的直接剪切试验(简称直剪试验)由于其操作简单且费用低廉而成为比较流行的室内土工试验。然而,土是自然界的产物,土的强度不仅取决于土的种类,而且与土的孔隙比、含水率、初始应力状态、应力路径和试验过程中排水条件等因素有重要关联[2]。同时,室内直剪试验本身还存在以下局限性:
1)在剪切过程中没有考虑切面处面积的变化,因而得出的抗剪强度比实际值要小口]。
2)室内实验认为剪切面处的主应力盯与所加的竖向荷载P相等,但一般情况下口>P,这样所得到的抗剪强度值要比实际值小Hj。
3)剪切盒内壁摩擦对测定的剪切强度的影响及试样的应变无法直接求得。由于剪切内壁摩擦的影响,
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收稿日期:2007—09—17
基金项目:山东省高等学校实验技术研究项目:土力学试验数值仿真研究;山东科技大学科学发展基金项目(05s001)
作者简介:李大勇(1971一),男。山东泰安人,教授.博士,主要从事土力学基础工程研究.
李大勇等
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直剪试验测得的剪切强度在土体剪胀的情况下比土体实际的强度要高,而在土体剪缩的情况下则比土体实
际的强度要低L4]。
4)室内实验很难从直观上了解内部土体在剪切过程中微观粒子的应力应变状态及其运动规律,特别是剪切带处土体的破坏状态和土颗粒的运动趋势∞]。
如何克服直剪试验存在的缺点、准确直观地了解土样在剪切过程中的受力状态及其运动规律成为岩土工程界共同关心的问题。本文利用大型岩土工程分析软件FI。AC3D对室内直接剪切试验进行了数值模拟,克服了室内直剪试验本身的局限,对土体的实际剪切过程进行了三维动态模拟。同时表明,计算机仿真能较好反映直接剪切试验过程和结果,有利于学生通过使用数值仿真软件达到学习掌握土力学直剪实验的方法步骤和进行试验结果分析。
1数值仿真建模
1.1
FLACso简介
FLAC30(FastLagrangianAnalysisofContinuain3Dimensions)是美国ItascaConsultingGroupInc.
于20世纪80年代开发,基于拉格朗日差分法的一种显式有限差三维程序[6]。目前,该程序在42个国家中广泛应用,研究领域涉及到岩土工程、工程地质以及构造地质学和成矿学等领域口]。三维快速拉格朗日法的求解使用了离散模型方法、有限差分方法、动态松弛方法,它在求解材料的非线性、大变形等方面具有无可比拟的优越性。
1.2基本假定
土体的强度指标受多种因素影响,无论是理论计算、室内实验还是计算机数值仿真模拟,目前为止都不可能把各种因素考虑周全,都需要对次要因素进行简化或忽略,抓住主要矛盾,这是也科学研究的普遍规律。因此,本文在模拟过程中所采用的基本假定如下:
1)不考虑排水固结引起的土体强度的变化(不考虑含水率的影响);2)按室内试验要求,竖向荷载分1004)假定上下盒之间的平面为剪切面;
5)忽略土样的自重;
6)圆柱形土体为同一种材料。
kPa、200kPa、300kPa、400kPa
4个等级施加;
3)中止试验的标准以剪切位移5mm为准,剪切速度恒定;
1.3建立模型
土体模型为半径30.9mm,高20mm的圆柱体(模型尺寸跟室内试验一致),共包括256个单元和325个节点,如图1所示。在模拟过程中对室内实验应变控制式直剪仪进行了简化,用应力边界条件代替了垂直加载设备,用位移边界条件代替了剪切传动装置。应力边界为:在土体顶部分别施加竖向应力100
200kPa、300kPa、400
kPa、
Fig.1
图1模型图
Thediagramof3Dmodel
kPa。位移边界条件为:
首先固定上盒,将z、Y、2三个方向的位移固
定住;其次将下盒z、Y方向的位移约束住;最后通过FI。AC3D中的应变控制模式,对下盒施加5mm的水平
位移(z方向)。
1.4模拟步骤
1)用Cylinder实体单元来模拟圆柱形土体,并划分网格。2)设置Shell单元,用来模拟剪切仪的上盒与下盒。
3)在土体和剪切盒之间设置界面接触interface。
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4)将土体设为Mohr—Coulomb材料,其中粘聚力为20kPa,内摩擦角为10。,泊松比0.35。上盒、下盒选为Elastic—ity材料,弹性模量为2.1×105MPa,泊松比0.2。
5)设置边界条件,上盒施加z、Y和z三个方向的位移约束,下盒施加z和Y方向的位移约束。
6)在土体的上表面施加各级竖向压力。
7)施加水平位移,用Step命令控制下盒水平位移5
mm。
言
山_o×
2≤趔R型斗<略
竖向压力值/kPa
图2最大剪应力与竖向压力的关系图
Fig.2
Therelationshipbetweenmaximum
stresses
2模拟结果分析
2.1
竖直压力作用下土体的应力应变状态
shearandvertical
pressures
在竖向压力作用下,土样的竖向应力值和竖向位移值都随着竖向压力的增大呈线性增加,如图2、图3所示。当压力值为100kPa(最小压力)时,最大应力区和最大位移区主要集中在土体的中上部,随着压力的增大,这两个区域不断向周围扩散。靠近压力盒的环形土体竖向位移值明显小于中间部位的位移值,主要原因是土体与压力盒侧壁之间存在一定的摩擦力,该摩擦力竖直向上,而土颗粒在上部压力作用下有向下的运动趋势,即摩擦力抵消了一部分压力,从而使靠近压力盒部位的环形土体竖向变形小。
从位移矢量图4中可以看到,土颗粒有逐渐向下的运动趋势,并朝压力盒方向有一定的位移分量,在上盒与下盒之间,土颗粒有向外挤出的趋势。在4个不同的压力作用下,土颗粒运动趋势是一样的,随着压力的增大,运动趋势越来越明显。
2.2剪切破坏后土体的应力应变状态
竖向压力值/kPa
图3最大竖向位移与竖向压力的关系图
Fig.3
Therelationshipbetweenmaximum
pressures
displacementsandvertical
从图5可以看出,上盒没有水平位移即固定不动,而下盒的水平位移量(沿2轴正向)为5mm,两盒之间有明显的剪切带。因此,可以说用FI。AC30模拟时所加的边界条件和位移边界条件是完全正确的,符合实际直剪试验。为方便分析,将位于2轴正向的上盒土体定义为左侧土体,将位于2轴负向的上盒土体定义为右侧土体,如图6所示。从位移矢
量图6中可以明显地看到,上盒和下盒土颗粒的运
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动趋势截然不同,下盒土体主要是以水平位移为主,上盒土体除有水平位移外还有向下的位移。其主要原因是:下盒土体在外力作用下发生z轴正向的水平运动,由于土颗粒之间存在粘聚力、咬合力等多种
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Fig.4
Thedisplacement
vectors
疑二易
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图4竖向压力作用下的位移矢量图
undervertical
pressures
作用力,这样下盒土体通过剪切面传递给上盒土体一个z方向的水平力,从而导致上盒土体发生2方向的水平位移,并且上盒左侧土体有远离盒体的趋势,右侧土体有挤压盒体的趋势。上盒土体的应力状态和应力水平明显不同:左侧土体由于逐渐与下盒土体脱开,即下部土体的支持力逐渐减小,主要受上部压力的作用,应力值比较小;而右侧土体正好相反,在上部荷载和水平力的联合作用下处于比较复杂的应力状态,从而应力值比较大。由于上盒土体的应力值不一致,导致竖向位移值的不同。左侧土体由于下盒的水平运动而逐渐脱离下盒,下盒土体的支持力逐渐减小并且部分土体的支持力完全消失,在上部压力的作用下土体Y方向的位移会变得比较大;而右侧土体逐渐挤密,且有下盒提供的向上的支持力,因此Y方向的位移相对较小。左侧土体主要产生沿Y轴负方向的位移,而右侧土体主要产生沿Y轴正方向的位移。左侧土体随着竖向压
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力的增加位移值逐渐增大,右侧土体随着压力的增大位移量基本不变。
室内试验认为剪切面处的剪应力是均匀分布的,但是通过截取剪切面处的剪应力分布平面得知,剪应力并不是均匀分布的,它随着骚向压力的加大,逐渐增大。
图5剪切破坏后2方向的位移图
Fig.5
Thez—directionaldisplacementsaftershearfailure
2.3剪切过程中土样的应变与位移曲
线图
利用FLAC30中的History命令可
以自动绘制剪应力和位移(时步Step)
的关系曲线。图7中记录的剪切面处中间部位的剪应力随位移(时步Step)的变化曲线,其中前1284步是竖向压力作用达到平衡所需要的时步,水平剪切
是从1284步开始到4390步结束,此时
段是使上下盒发生5mm的位移所需要的时间,每步位移量为1.67×lO~mitt。从图7可以看出,曲线的峰值即为土体
Fig.6
图6剪切破坏后试样的位移矢量图
The:一directionaldisplacement
vectors
aftershearfailure
的抗剪强度值,并且峰值左右两边曲线斜率较大,说明土体的剪切破坏是一个比较快的过程,仅用了300步
左右(即上下盒只发生了0.5mm的位移)就达到了土体的抗剪强度峰值,随后土体的强度骤减,最终完全破坏。
2.4
f一仃曲线
从图7中提取各级压力作用下的峰值剪应力,可以绘制成剪应力强度与竖向压力之间的关系曲线,如图8所示。从图8可以看出,随着竖向压力的增大,剪应力强度基本上呈线性增加。
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言
8
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17
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计算时步,(×103)嶝向压力值/kPa
图7剪应力值与计算时步的关系图
Fig.7
Therelationshipbetweenshearvaluesandcalculating
steps
stress
图s剪应力强度与竖向压力的关系图
Fig.8
Therelationshipbetweenshear
pressures
strengthsandvertical
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D∞.2008
3
结论
1)本次模拟所设置的边界条件以及所采用的应变控制模式是正确的,从而保证数值计算的准确性。2)通过一些生动直观图形可以增加学生对直剪试验的感性认识,能够进一步了解土样剪切过程中微观
粒子的受力状态和运动规律,增加对土的工程性质的认识。
虽然用数值模拟的方法研究土力学试验具有省时、省力等优点,但这只是对土力学试验教学的一个补充手段,远不能代替土力学试验,这一点在教学和工程实践中要特别引起注意,不要产生误导。
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土的直接剪切试验三维数值模拟研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
李大勇, 潘军刚, LI Da-yong, PAN Jun-gang
李大勇,LI Da-yong(山东科技大学,土木建筑学院,山东,青岛,266510), 潘军刚,PAN Jun-gang(中国石油大学,华东,基建处,山东,东营,257061)
山东科技大学学报(自然科学版)
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