常规岩土力学试验主应力组成分析与疲劳仿真验证.pdf
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1、2023.24 科学技术创新常规岩土力学试验主应力组成分析与疲劳仿真验证张苗苗,徐鑫磊,于宏波(赤峰昊林工程勘察设计有限公司,内蒙古 赤峰)1常规岩土力学仿真中的主应力分布特点为实现对岩土力学试验的仿真,开展研究前,引进 Mohr-Coulomb(莫 尔-库 伦 强 度 理 论)、Drucker-Prager(DP 准则),将其作为参照,进行岩土材料在力学性能试验中应力分布的研究1。在此过程中,Mohr-Coulomb 理论提出,材料发生破坏行为,大多属于剪切破坏,在此种条件下,破坏面上存在剪应力,而对应的剪应力可以用法向应力函数表示,表达式如下:(1)式中:f代表材料发生破坏时,破坏面上的剪
2、应力;f()代表法向应力函数。根据上述函数,可以确定岩土材料的莫尔破坏包络线,如图 1 所示。图 1岩土材料的莫尔破坏包络线图 1 中,A、B 代表破坏面的两个莫尔圆;O1、O2代表两个任意点莫尔圆半径;M、N 代表破坏面的垂直包络线2。设定一个参数为岩土材料的屈服系数,将其表示为 Q,Q 的计算可以通过下述公式得到。(2)式中:Q 代表屈服系数;O1 代表任意点莫尔圆半径;O1M 代表圆心到包络线距离。根据实际情况,应明确Q 的取值在 01 之间,当计算后发现 Q 的值 1 时,说明在此种条件下,岩土材料样件已在法向应力作用下,达到了屈服破坏程度。在上述内容的基础上,参照 DP 准则,进行岩
3、土材料屈服应力的分析,在此过程中,可以将岩土材料的样件假设为一个三维模型,模型在三个方向的主应力构成三维应力空间3。在此种条件下,岩土材料样件中对应某一节点的主应力可以用表示,在此种状态下,样件的应力状态可以用主应力空间中的随机一点 P 表示4。将主应力空间划分为若干个平面,随机一个主应力平面上都应当存在正向应力分量,但无论分量如何发生变化,第一主应力都应当保持不变,此时,第一主应力可以用下述公式计算得到。(3)式中:I1代表第一主应力。在此种条件下,主应力主要由平面上的剪应力构成,剪应力计算公式如下:作者简介:张苗苗(1989-),女,本科,工程师,从事岩土工程勘察工作。摘要:本研究通过数值
4、计算和室内实验仿真的方式开展了对常规岩土力学试验主应力组成分析与疲劳荷载的研究。进行了常规岩土力学试验的仿真,并得出了主应力分布特点。通过建立疲劳仿真计算模型,对试件进行疲劳仿真验证,针对四组不同算例对试件的疲劳荷载进行模拟分析。通过研究得出不同主应力组合对试件的疲劳荷载有着一定影响。关键词:常规;试验;疲劳;组成分析;主应力;岩土力学中图分类号院TU41文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤24-0039-04 ff1/1QOO M1123I123,39-科学技术创新 2023.24(4)式中:代表平面上的剪应力;J2代表第二偏应力不变量。完成上述计算后,以岩土力学试验中的有
5、限元仿真试验为例,进行主应力分布特点的具体分析5。在此过程中,采用数值计算的方式,进行力学试验中相关数值的模拟,计算过程中,可按照表 1,设定岩土力学试验中岩土材料样件对应有限元模型的技术参数。表 1岩土力学试验中岩土材料样件对应有限元模型的技术参数研究过程中,进行建立带模板与不带模具的仿真结构模型,将两个模型标注为、,对样件的底部节点施加全约束,将其顶部与竖向垂直方向发生耦合,在顶部的中心节点位置,施加一个垂直向下的作用力,将其作为主应力,构件的主应力分布如图 2 所示。图 2主应力分布云图2疲劳仿真验证2.1建立疲劳仿真计算模型通过上文试验获得主应力组成,将其大致分为三个部分,分别为:单轴
6、贯入中的纯压分布、双轴贯入中的纯拉分布和纯剪中的拉压复合应力组成。结合上述得到的主应力组成方式下的疲劳荷载仿真算例,实现对研究试件在疲劳荷载方式下的主应力分布情况分析。该计算实例是一种以拉、剪、压为交变应力的弹塑性材料为研究对象,以有限元方法模拟其疲劳加载特性。具体如图 3 所示。图 3疲劳仿真计算模型该模型是一种长方体,其长为 101 mm,宽为 50mm,厚度为 50 mm。该疲劳仿真计算模型的弹性模量设置为 2.03105MPa,泊松比设置为 0.2。在进行疲劳仿真的过程中,将模型的边界条件设置为:左半边上、下表面的节点 Y 向限制,左顶面 X 向连接,右半边上、下表面的节点 Y 向连接
7、。在施加力时,设计对左部顶面一个恒定压力或拉力,即将模型 X 轴正向或负向作为施压方向。在模型右部地面按照时间的变化重复施加沿 Y 轴方向的推力,该力为剪切力。按照上述操作循环加载,实现对研究试件疲劳荷载的施加。图 4为疲劳仿真计算模型加载方式示意。图 4疲劳仿真计算模型加载方式示意图 5 为对研究试件左部顶面时间恒定拉力或推力,施加的剪力循环荷载随时间的变化曲线。从图中可以看出,随着时间的不断增加,荷载呈2222123123222122313213123J弹性模量 内摩擦角 泊松比 模具材料 20 Mpa 23 0.3 钢材料 YX40-2023.24 科学技术创新现出明显的先增加后降低,且
8、不断循环的变化规律。调节循环载荷中常压或常压的推动力或拉力的正负和值,并调节所受剪切力的值,通过比较分析,得出对应的 2 D 应力莫尔圆,从而得出在拉剪、压剪等疲劳载荷作用下,各工况下的主应力构成模式。2.2仿真算例设置与结果分析本研究设置多组拉力或压力与循环剪力之间的组合形式,最终选出如表 2 所示的四组作为对比分析的研究对象。表 2对比分析算例参数设置针对第四组算例,增加其循环次数,并进行计算。被研究试件受到恒定拉力和循环剪力的作用。结合其特点,为方便更直观对比,需要先将机组不同算例中某一循环内的剪力分别施加到峰值水平和谷值水平,对试件的最危险节点下剪应力和塑性剪应变进行对比。针对第一组算
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