复杂应力条件下土与结构物相互作用接触面的力学特性摘要：为研究外加荷载对接触面力学特性的影响，通过土与结构物相互作用的物理试验和数值模拟研究接触面最大剪应力的变化规律，运用PFC2D模拟土与结构物相互作用过程中颗粒位移和颗粒接触力的不同响应，结果表明：当法向应力一定时，最大剪应力随围压的增大而近似线性增大；当平均应力一定时，最大剪应力随法向应力的增大而近似线性增大；当法向应力一定、围压逐渐增加时，颗粒位移和颗粒接触力的分布与法向应力与围压的比值有关.关键词：土与结构物相互作用；物理试验；PFC2D；接触面；最大剪应力；颗粒位移；颗粒接触力：TU411.3文献标志码：A0引言土与结构物相互作用实质是两者的材料特性差异使它们的变形能力不同，从而在接触面上产生相互作用力.周健等运用PFC2D模拟室内双轴试验，并与物理试验结果相对比.周爱兆等等研究加载路径及初始法向应力对接触面物理力学性质的影响.杜强等应用PFC2D研究不同法向应力下土与结构物相互作用时接触面土体变形及剪应力的变化情况，学者们在土与结构物相互作用的理论分析、试验研究和数值模拟等方面已取得一定成果，但对不同应力条件下接触面力学特性的研究还不全面，本文利用数值模拟和物理试验，对接触面最大剪应力、砂土颗粒位移及颗粒间接触力进行进一步分析，从而对土与结构物相互作用下整个土体的应力和变形进行更深入的研究.1土与结构物相互作用的物理试验1.1试验土样及方案试验采用ISO标准砂（GB77671-1999），其粒径范围为0.5-1.0mm，密实度为0.9.试样尺寸为30cmx30cmx30cm.土与结构物相互作用试验仪及其受力示意图见图1.压力室内为中砂土样，底部钢板可左右移动，加压采用液压装置控制，根据试验需要移动顶部加载板施加z向力Fz，移动侧向加载板施加x，y向力Fx，Fy，每组试验中首先将各加载板推至要求应力值，再以0.2mm/s的速度从右至左推动底部钢板，待其达到设置位移值时停止.1.2试验数据及结果分析共进行8组物理试验：第1-4组法向应力σz=75kPa，依次增大围向应力σc，考察其对接触面最大剪应力Tmax的影响；第5-8组平均应力σ=100kPa，依次增大σz，考察其对Tmax的影响，物理试验数据经计算整理后结果见表1.由于试验仪器存在误差，设置实际应力与设定值之间的误差为±1%，其中：σc=（Fx+Fy）/（Ss+Sy），Sx和Sy分别是x和y方向的砂土面积；σ=1/3（σx+σy+σz）.图2为σz=75kPa时Tmax与σz的关系曲线.由图2可知，在σz不变的情况下，Tmax随σc的增大而增大，原因可能是：σc的增加导致颗粒发生转动和重新排列，砂土颗粒排列紧密，颗粒之间的咬合摩擦力增加；当σc增大到一定程度后，侧板对砂土的挤压力增加，使砂粒在x和y方向上受到较大挤压，颗粒之间z向摩擦力增大；当发生剪切位移时，接触面附近剪切带内的剪应力主要克服的是土颗粒间的咬合摩擦分量所形成的抗滑力，所以Tmax增大.2土与结构物相互作用的数值模拟2.1建立数值模拟模型采用PFC2D数值模拟土与结构物相互作用试验，研究不同应力条件下Tmax，颗粒位移及颗粒间接触力的变化.加载方案为：在顶部加载板施加的应力达到指定值后，改变σc，以0.6mm/s的速度从右至左移动底板.数值模拟模型见图4.模型尺寸为10cm×10cm，颗粒半径为0.7-0.8mm，孔隙率为0.3，放大系数为1.6，土体密度为3600kg/m3.砂样：法向刚度kn=1x108，切向刚度ks=1x108，摩擦因数μ=5.底板：k=1x1015，k=1x1015，μ=500.2.2数值模拟数据及结果分析共进行7组数值模拟：第1-4组，σz=200kPa，依次增大σc，考察其对Tmax，颗粒位移及颗粒接触力的影响；第4-7组，σ=325kPa，依次增大σz，考察其对Tmax的影响.数值模拟数据见表2.2.2.1砂土与结构物相互作用的应力分析由图5可知，当σz=200kPa，σz/σc依次减小时，即在初始σz/σc较大的情况下，随着σc的增加，Tmax呈增大趋势，这与物理试验中σz=75kPa条件下依次增大σc时推测的规律一致，由图6可知，在平均应力相同的情况下，随着σz的增大，Tmax也逐渐增大.这证实σz与Tmax成正相关关系，与物理试验结果相吻合.2.2.2砂土与结构物相互作用的颗粒位移分析当σz=200kPa，σc分别为80，170，200，450kPa时，模...