基于土與結(jié)構(gòu)接觸面變形特性分析,將接觸面土體的剪切滑動面與單元體三維應(yīng)力狀態(tài)下的八面體面相對應(yīng),通過土的三維彈塑性本構(gòu)模型在八面體面上的剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,建立了接觸面土體剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系;將接觸面土體法向壓縮變形與側(cè)限壓縮條件相對應(yīng),通過側(cè)限壓縮條件下的荷載變形關(guān)系,建立了接觸面土體法向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系;進(jìn)一步將接觸面土體切向與法向耦合,建立了接觸面土體本構(gòu)模型,模型只有4個材料參數(shù),參數(shù)物理意義明確,可由等向壓縮試驗(yàn)和常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)確定。與接觸面土體試驗(yàn)結(jié)果的對比分析表明,所建立的本構(gòu)模型可較好地描述接觸面土體切向軟/硬化特性與法向變形規(guī)律。結(jié)合有限元軟件ABAQUS,編制了FRIC模型子程序,通過模擬土與結(jié)構(gòu)界面剪切滑移過程表明,編制的FRIC子程序可較好地模擬土與結(jié)構(gòu)界面接觸的非線性力學(xué)行為。 

【文章來源】：工程力學(xué). 2017,34(07)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

八面體面與接觸面等效示意圖

工程力學(xué)47(a)(b)(c)(d)圖7剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系模型預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.7Comparisonbetweenmodelpredictionsandexperimentalresultsofshearstress-displacementrelationship3.2壓應(yīng)力-壓應(yīng)變關(guān)系驗(yàn)證法向n-v關(guān)系利用側(cè)限壓縮試驗(yàn)驗(yàn)證。楊光華等[29]開展了某地基土室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，給出的試驗(yàn)結(jié)果如圖8中的點(diǎn)所示。兩層土的初始孔隙比e0分別為1.84和1.565，首先根據(jù)淺層土e-p數(shù)據(jù)整理模型參數(shù)，如表2所示。模型預(yù)測深層土的變形規(guī)律如圖8中的實(shí)線所示，較好地描述了接觸面土體的法向壓縮變形規(guī)律。1002003004005006007000.80.91.01.11.21.31.41.5淺層土深層土平均應(yīng)力p/kPa圖8法向應(yīng)力-法向應(yīng)變關(guān)系模型預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.8Comparisonbetweenmodelpredictionsandexperimentalresultsofnormalstress-strainrelationship表2壓縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)Table2ModelparametersofcompressiontestM0.2230.040.30.554接觸面本構(gòu)模型基于ABAQUS軟件的二次開發(fā)ABAQUS采用無厚度接觸對算法模擬接觸問題，其默認(rèn)的摩擦模型為線彈性-理想塑性的Coulomb模型，只適用于圖3所示的界面滑移條件，不能反映工程中常出現(xiàn)的接觸面土體剪切硬化/軟化特性。本文利用ABAQUS提供的FRIC摩擦子程序開發(fā)接口，將建立的切向剪切模型編制成FRIC子程序，模擬接觸面的剪切滑移過程。FRIC子程序的運(yùn)算流程如圖9所示。建立如圖10所示的有限元模型來驗(yàn)證所編制FRIC子程序的可行性。該模型為一個1m×1m×1m的立方體土塊壓在3m×3m×1m的剛體上，土塊處于完全側(cè)限壓縮狀態(tài)，剛體處于完全固定狀態(tài)。選取網(wǎng)格劃分較密的土塊界面為從屬面，網(wǎng)格劃分較疏的剛體表面為主控面，并采用面對面離散方法，土塊和剛?

48工程力學(xué)子程序模擬。圖9FRIC子程序運(yùn)算流程Fig.9FRICsubroutineoperationprocess圖10接觸面滑移有限元模型Fig.10Finiteelementmodelofinterfacesliding首先模擬土塊沿1坐標(biāo)軸方向的剪切滑動，設(shè)置接觸面土體處于超固結(jié)狀態(tài)，前期法向固結(jié)應(yīng)力為n2600kPa，當(dāng)前法向應(yīng)力為n200kPa，初始孔隙比為e0=0.7074，接觸面厚度為16mm。分兩個分析步加載：分析步1在土塊頂面施加當(dāng)前法向壓力n，建立兩個部件的接觸；分析步2對土塊施加U1=0.05m的位移荷載。模型參數(shù)見表3，子程序模擬的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系與本構(gòu)模型結(jié)果的對比見圖11。子程序模擬結(jié)果與本構(gòu)模型結(jié)果吻合較好，既能模擬剪應(yīng)力達(dá)到峰值之前接觸面土體的基本變形，又能模擬軟化之后接觸面的無限滑移變形，證明了子程序的正確性和可行性。表3算例模型參數(shù)Table3ModelparametersofnumericalexampleM0.3210.1040.31.53圖11子程序結(jié)果與本構(gòu)模型結(jié)果對比Fig.11Comparisonofsubroutineandconstitutivemodelresults實(shí)際的土與混凝土結(jié)構(gòu)之間的剪切變形與滑移，可在接觸平面內(nèi)向任意方向進(jìn)行。認(rèn)為土體沿1坐標(biāo)軸與2坐標(biāo)軸方向的滑動互不影響，且都服從本文所建立的切向接觸面模型，根據(jù)力的合成原理即可得到土體沿任意方向滑動的剪應(yīng)力-剪切位移特性。使用圖10所示的有限元模型驗(yàn)證土體沿任意方向滑動時FRIC子程序的正確性，接觸面土體初始狀態(tài)及模型參數(shù)均與上一算例相同，只在分析步2時對土體同時施加U1=0.05m和U2=0.02m的位移荷載，圖12中方向U為滑塊的真實(shí)滑動路徑，F(xiàn)RIC子程序模擬的剪應(yīng)力隨時間變化過程如圖13，子程序可同樣模擬該加載狀態(tài)下接觸面的滑動特性。圖12滑塊滑動路徑示意圖Fig.12Schematicdiagramofsliderslidepath圖13剪應(yīng)?

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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本文編號：3347249