2.4 筑壩材料接觸面特性及本構(gòu)模型

在土石壩工程中，由于壩體填筑涉及多種材料，經(jīng)常會(huì)遇到不同材料的接觸界面。由于接觸界面兩側(cè)材料特性的差異，在界面兩側(cè)常存在較大的剪應(yīng)力并發(fā)生位移不連續(xù)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致較為復(fù)雜的應(yīng)力和變形狀態(tài)。在土石壩工程中，存在著不同散粒體之間的接觸界面如心墻土料-反濾料，散粒體材料與連續(xù)材料接觸面如壩體土石料-基巖（混凝土底板）、混凝土面板-堆石體等多種不同類型的接觸界面。接觸界面兩側(cè)材料由于剛度不同，會(huì)表現(xiàn)出不同的變形性狀；在接觸面附近，還可能出現(xiàn)脫開、滑移和張閉等非連續(xù)變形現(xiàn)象。不同材料接觸界面的存在對(duì)壩體相關(guān)部位應(yīng)力和變形的性狀有較大影響，經(jīng)常出現(xiàn)不連續(xù)變形以及由此引起的拱效應(yīng)現(xiàn)象，通常是壩體易發(fā)生事故的薄弱環(huán)節(jié)，需要得到足夠的重視。

2.4.1 壩料接觸面試驗(yàn)特性

土與結(jié)構(gòu)物接觸面試驗(yàn)是接觸面力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)，常用的接觸面試驗(yàn)類型包括直剪試驗(yàn)和單剪試驗(yàn)。接觸面本構(gòu)模型是描述接觸面應(yīng)力變形特性的數(shù)學(xué)模型，包括剛塑性、彈塑性、非線性彈性等模型。本構(gòu)模型參數(shù)的確定與驗(yàn)證，必須通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來解決。對(duì)接觸面問題進(jìn)行有限元數(shù)值分析，通常需要一定的有限單元形式模擬接觸面的幾何和物理特征，進(jìn)而結(jié)合接觸面本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行數(shù)值分析。

在糯扎渡高心墻堆石壩工程中，針對(duì)心墻土料和反濾料兩種散粒體壩料進(jìn)行了典型的接觸面試驗(yàn)研究（圖2.4-1）,結(jié)果如下：

（1）接觸面的強(qiáng)度和變形特性由接觸面附近材料共同作用的結(jié)果所決定。

（2）兩種散粒體材料間接觸面的強(qiáng)度包線為其單相材料強(qiáng)度的下包線。

（3）在兩種散粒體接觸界面處，其剪切變形分為兩個(gè)階段，在達(dá)到破壞強(qiáng)度前，不存在變形的不連續(xù)現(xiàn)象；而當(dāng)達(dá)到破壞強(qiáng)度后，會(huì)產(chǎn)生集中的“剛塑性”接觸面剪切變形，其位置發(fā)生在強(qiáng)度最低處。

（4）對(duì)散粒體的接觸問題，可用“剛塑性”模型描述其切向的變形特性并忽略法向變形特性。

2.4.2 常用接觸面本構(gòu)模型及其適應(yīng)性

描述不同材料接觸面力學(xué)特性常用的本構(gòu)模型包括剛塑性模型、理想彈塑性模型、Clough-Duncan非線性模型和廣義塑性接觸面模型等。

1.心墻堆石壩設(shè)置接觸面單元對(duì)壩體應(yīng)力變形特性的影響

對(duì)糯扎渡高心墻堆石壩進(jìn)行了應(yīng)力變形非線性有限元計(jì)算分析，著重研究和分析了在壩體不同材料的交界處（心墻土料和過渡料以及基巖和壩體之間）設(shè)置接觸面單元對(duì)壩體應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果的影響。根據(jù)不同的研究目的，進(jìn)行了二維和三維有限元計(jì)算分析，模擬了壩體的施工和運(yùn)行過程。

二維計(jì)算的重點(diǎn)在于考察接觸面單元的設(shè)置以及不同接觸面本構(gòu)模型對(duì)壩體整體和局部應(yīng)力及變形狀態(tài)的影響，考慮4種方案：①不設(shè)接觸面單元；②設(shè)置剛塑性模型接觸面單元；③設(shè)置理想彈塑性模型接觸面單元；④設(shè)置Clough-Duncan非線性模型接觸面單元。

二維計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)置接觸面單元以及采用何種接觸面模型對(duì)壩體總體的應(yīng)力和變形的分布規(guī)律并無顯著影響，但對(duì)接觸面附近的局部應(yīng)力和變形卻有相當(dāng)?shù)挠绊憽．?dāng)在兩者之間采用接觸面單元時(shí)，可以模擬發(fā)生在堆石體和心墻接觸界面上的位移不連續(xù)現(xiàn)象，從而比較合理地反映堆石體對(duì)心墻拱效應(yīng)的影響，并會(huì)使得心墻表面單元的豎直應(yīng)力增加。接觸面單元采用三種本構(gòu)模型計(jì)算得到的心墻和堆石體接觸面不連續(xù)的豎直沉降分布規(guī)律基本相同。

三維計(jì)算側(cè)重于考慮在壩體和基巖面間設(shè)置接觸面單元時(shí)對(duì)壩體應(yīng)力和變形的影響，考慮兩種方案：①不在壩體與基巖間設(shè)接觸面單元；②在壩體材料與基巖間設(shè)置接觸面單元，接觸面本構(gòu)關(guān)系采用Clough-Duncan非線性模型。

三維計(jì)算成果表明，在壩體材料和基巖間設(shè)置接觸面單元后，接觸界面部位出現(xiàn)了豎直沉降、橫河向水平位移不連續(xù)現(xiàn)象，其影響范圍在接觸界面附近一定范圍內(nèi)；降低了基巖對(duì)壩體材料的約束作用，使得壩體整體位移增大，這對(duì)于橫河向的水平位移影響最為顯著；對(duì)壩體變形約束作用的降低同時(shí)也使得壩體材料的應(yīng)力略有增加。

土石壩工程實(shí)踐表明，壩體與岸坡的接觸界面處是土石壩發(fā)生事故的危險(xiǎn)部位。壩體和基巖在岸坡處的位移特性尤其是兩者之間的不連續(xù)相對(duì)位移的大小，對(duì)壩體的設(shè)計(jì)工作和壩體運(yùn)行期的安全狀況是非常重要的，而該處兩者之間所發(fā)生的不連續(xù)剪切變形和由此可能導(dǎo)致的壩體裂縫，通常被認(rèn)為是導(dǎo)致大壩事故的重要原因之一。在進(jìn)行高心墻堆石壩三維有限元計(jì)算分析時(shí)，在壩體和基巖間設(shè)置合適的接觸面單元可以合理地反映心墻堆石壩壩體和基巖間在荷載作用下所發(fā)生的位移不連續(xù)現(xiàn)象。盡管對(duì)壩體總體的應(yīng)力和變形分布影響不大，但對(duì)于合理地模擬壩體與岸坡基巖交界處剪切位移的不連續(xù)現(xiàn)象、反映岸坡基巖對(duì)壩體拱效應(yīng)作用，從而合理地分析壩體與岸坡和基巖接觸界面處的應(yīng)力變形性狀具有重要的意義。

2.面板堆石壩設(shè)置接觸面單元對(duì)壩體應(yīng)力變形特性的影響

對(duì)某面板堆石壩進(jìn)行了三維有限元靜力、動(dòng)力彈塑性分析。筑壩堆石料材料采用廣義塑性模型，面板與墊層間接觸面單元分別采用Clough-Duncan非線性模型、理想彈塑性模型和廣義塑性接觸面模型，比較了在施工、蓄水及地震全過程不同接觸面模型計(jì)算的面板應(yīng)力和撓度的差異，并分析了接觸面的應(yīng)力和位移的異同，計(jì)算結(jié)果表明以下幾點(diǎn)：

（1）在施工期，3種接觸面模型計(jì)算的面板應(yīng)力、接觸面剪應(yīng)力和剪切位移的分布規(guī)律和量值都是基本一致。蓄水期，3種接觸面模型計(jì)算得到的面板順坡向應(yīng)力差別不大，但面板壩軸向應(yīng)力的大小和分布有較明顯差別。蓄水過程中，廣義塑性接觸面模型計(jì)算的接觸面的應(yīng)力路徑和剪切位移與Clough-Duncan非線性模型和理想彈塑性模型存在較大的差異。廣義塑性接觸面模型可以反映接觸面3個(gè)方向（兩個(gè)剪切方向和法向）的耦合，并且加卸載判斷可以反映法向應(yīng)力變化的影響。此外，Clough-Duncan非線性模型和理想彈塑性模型不能較好地反映往復(fù)荷載下的接觸位移。這些均是引起接觸面應(yīng)力路徑和剪切位移差異的原因。

（2）在地震荷載條件下，采用理想彈塑性模型和廣義塑性模型計(jì)算的地震后面板順坡向應(yīng)力差別不大，但面板沿壩軸向應(yīng)力差別較大。采用理想彈塑性接觸面模型只有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)才產(chǎn)生塑性滑移，會(huì)低估較大法向應(yīng)力條件下的接觸面的接觸位移特性，不能與壩體殘余變形相協(xié)調(diào)，導(dǎo)致板與墊層間接觸面的壩軸向剪應(yīng)力計(jì)算值偏大，進(jìn)而會(huì)高估壩體殘余變形對(duì)面板應(yīng)力的影響。廣義塑性接觸面模型可以更好地反映地震荷載下接觸面的塑性剪切位移特性，能較好地反映接觸面的剪脹、剪縮特性，并且還可以記憶面板與墊層間的張開量和剪脹（或剪縮）量，更符合實(shí)際情況。

隨著面板堆石壩彈塑性有限元分析的發(fā)展，傳統(tǒng)的Clough-Duncan非線性模型和理想彈塑性接觸面模型已不能滿足地震荷載條件下面板堆石壩彈塑性反應(yīng)分析的需求。最新發(fā)展的三維廣義塑性接觸面模型可以較好地反映面板與墊層間接觸面的復(fù)雜加載變形特性。此外，該模型也可以反映顆粒破碎的影響，可為分析高面板堆石壩面板與墊層、壩體與基巖的接觸效應(yīng)提供良好的理論基礎(chǔ)。