حالت بحرانی برای فصل مشترک خاک و سازه

در سیستم‌های سازه خاک، به عنوان مثال، تونل‌های سپر، پی شمع، سازه‌های زیرزمینی، دیوارهای حائل، و سدهای ثقلی پانل بتنی، یک ناحیه انتقال برشی نازک بین خاک و مصالح سازه‌ای وجود دارد که به آن رابط [1]، [2] می‌گویند. ]، [3]، [4]. سطح مشترک از سطح ساختار مصنوعی و مواد دانه ای اطراف تشکیل شده است [5]. با توجه به تفاوت قابل توجهی در سختی بین خاک و مصالح سازه ای، غلظت کرنش و تنش در سطح تماس تحت بارها رخ می دهد. هنگامی که سیستم های خاک-سازه از کار می افتند، یک سری تغییر شکل های ناپیوسته مانند لغزش و جدایی در سطح مشترک رخ می دهد که منجر به تغییر مقاومت اصطکاکی در سطح مشترک می شود [6، [7]، [8]، [9]، [10]، [11]. از این رو،

برای درک بهتر رفتار سازنده اساسی و مکانیک تغییر شکل سطح مشترک خاک-سازه، تعداد زیادی از مطالعات تجربی از جمله آزمایش‌های برش مستقیم [12، [13]، [14]، [15] انجام شده است. [16]، آزمایش‌های برشی ساده [17]، [18]، [19]، آزمایش‌های برش پیچشی حلقه [20]، [21]، [22] و آزمایش‌های برشی حلقوی [23، [24]. نتایج تجربی قبلی نشان داده است که پاسخ سطح مشترک خاک-سازه به طور قابل توجهی تحت تأثیر عوامل مختلفی از جمله ترکیب خاک، چگالی نسبی، توزیع اندازه ذرات، زبری سطح، بزرگی بار، و نرخ بارگذاری است [25]، [25]. 26]، [27]. در طراحی و تجزیه و تحلیل سیستم های خاک-سازه، ماهیت اندرکنش خاک-سازه باید در نظر گرفته شود.

در مورد ویژگی‌های تغییر شکل برشی فصل مشترک خاک و سازه، محققان مدل‌های سازنده مختلفی را پیشنهاد کرده‌اند، به‌عنوان مثال، مدل‌های کشسانی غیرخطی [28]، [29]، مدل‌های الاستیک – پلاستیسیته [12]، [30]، [31] ، [32]، [33]، مدل های مفهومی حالت آشفته [20]، [34]، مدل های پلاستیک تعمیم یافته [35]، [36]، مدل های تنش-کسری [37]، [38]، [39]، و مدل های پلاستیسیته دو سطحی [40]. مفهوم مکانیک خاک حالت بحرانی (CSSM) در مدل‌های سازنده رابط برای شبیه‌سازی وضعیت فصل مشترک تحت تغییر شکل برشی بزرگ در چگالی‌های مختلف خاک [35، [41]، [42] گنجانده شده است. Hu و Pu یک مدل سازنده آسیب را برای توصیف رفتار رابط خشن پیشنهاد کردند [43]. لیو و همکاران یک مدل سازی یکپارچه استفاده شده از رفتار رابط ها با زبری های مختلف ایجاد کرد، چگالی متفاوت خاک و فشارهای نرمال متفاوت با استفاده از مفهوم CSSM در چارچوب پلاستیسیته تعمیم یافته [44]. صابری و همکاران یک مدل ساختاری الاستوپلاستیک برای شبیه‌سازی رفتار رابط خاک-ساختار سنگریزه‌ای در چارچوب‌های پلاستیسیته دو سطحی و مکانیک خاک بحرانی پیشنهاد کرد، و این مدل برای کد اجزای محدود عمومی ABAQUS اعمال شد [45]، [46]. سان و همکاران یک بردار جریان پلاستیک غیر مرتبط وابسته به حالت ایجاد کرد، که در آن جهت جریان پلاستیک توسط گرادیان کسری تابع تسلیم کنترل می شود [47]. یک مدل ساختاری الاستوپلاستیک برای شبیه‌سازی رفتار رابط خاک-ساختار سنگریزه‌ای در چارچوب‌های پلاستیسیته دو سطحی و مکانیک خاک بحرانی پیشنهاد کرد، و این مدل برای کد اجزای محدود عمومی ABAQUS اعمال شد [45]، [46]. سان و همکاران یک بردار جریان پلاستیک غیر مرتبط وابسته به حالت ایجاد کرد، که در آن جهت جریان پلاستیک توسط گرادیان کسری تابع تسلیم کنترل می شود [47]. یک مدل ساختاری الاستوپلاستیک برای شبیه‌سازی رفتار رابط خاک-ساختار سنگریزه‌ای در چارچوب‌های پلاستیسیته دو سطحی و مکانیک خاک بحرانی پیشنهاد کرد، و این مدل برای کد اجزای محدود عمومی ABAQUS اعمال شد [45]، [46]. سان و همکاران یک بردار جریان پلاستیک غیر مرتبط وابسته به حالت ایجاد کرد، که در آن جهت جریان پلاستیک توسط گرادیان کسری تابع تسلیم کنترل می شود [47].

بسیاری از مدل های سازنده فوق الذکر برای رابط خاک-ساختار با در نظر گرفتن رفتار دو بعدی رابط ایجاد می شوند. با این حال، بسیاری از سیستم های سازه خاک در عمل تحت بارگذاری سه بعدی قرار می گیرند [48]، [49]. بنابراین، نیاز به ایجاد یک مدل سازنده سه بعدی از فصل مشترک خاک و سازه با استفاده از مشاهدات تجربی وجود دارد. صابری و همکاران با در نظر گرفتن اثرات شرایط بارگذاری جفت برشی سه بعدی، یک فرمول تشکیل دهنده الاستو پلاستیک برای رابط ها در مشکلات برهمکنش خاک-سازه ایجاد کرد و با در نظر گرفتن تأثیر شکست ذرات، فرمول را بیشتر بهبود بخشید [50]، [51]. لیو و همکاران یک مدل رابط سه بعدی خاک-ساختار در نظریه ساختاری دو مکانیزم [52] ایجاد کرد. این مدل بر اساس دو مکانیسم تغییر شکل متفاوت و برهم‌نهفته فرمول‌بندی شده است و مدول پلاستیک و اتساع تنش با استفاده از تئوری سطح مرزی تعریف می‌شوند. سان و همکاران با استفاده از یک بردار بارگذاری چند محوری، یک بردار جریان پلاستیکی وابسته به پارچه و یک قانون سخت شدن سینماتیک، یک مدل کسری بهبود یافته سه بعدی برای رابط تحت بارهای یکنواخت و چرخه ای پیشنهاد کرد [53]. مطالعه فوق الذکر مدل رابط خاک-ساختار را با در نظر گرفتن سطح مشترک به عنوان یک کل ایجاد کرد. با این حال، این یک روش ساده و موثر برای توصیف خواص مکانیکی خاک با تجزیه پاسخ کلی به یک سری پاسخ‌های میکروسکوپی است که به طور گسترده در ایجاد مدل‌های سازنده برای خاک استفاده شده است [54]، [55]. فانگ و وانگ یک مدل سطح محدود چند برشی سه بعدی را برای شبیه‌سازی پاسخ سازنده رابط‌های بین خاک دانه‌ای و ساختار بر اساس تئوری لغزش پلاستیسیته و چارچوب چند مکانیزمی ایجاد کردند [56]. چارچوب چند مکانیزمی یک چارچوب نظری عالی است و کاربرد آن در مدل رابط خاک-سازه همچنان می تواند بر اساس تحقیقات فانگ و وانگ [56] بهینه و توسعه یابد.

در این مقاله، یک مدل برشی سه بعدی چند مکانیزمی رابط خاک-سازه با استفاده از تئوری پلاستیسیته سطح مرزی و مفهوم CSSM ایجاد شده است. به منظور پیش‌بینی پاسخ سازنده سطح مشترک تحت چگالی‌های مختلف خاک و تنش‌های نرمال، از پارامترهای حالت در مدل پیشنهادی استفاده شده است. یک معادله سازنده با این فرض ایجاد می شود که پاسخ کلی رابط به پاسخ کلان و یک سری پاسخ های میکرو برشی وابسته به جهت تجزیه می شود. در مقایسه با کار نیش و وانگ [56]، روش محاسبه کرنش میکروبرشی پلاستیک اصلاح شده، روش محاسبه جدیدی مدول برشی پلاستیک میکروسکوپی معرفی شده است و پارامترهای محاسبه کاهش می‌یابد. روش گسسته پیشنهادی یک روش ساده و موثر برای پیش‌بینی پاسخ برشی ماکروسکوپی سه‌بعدی با رابط‌های پیچیده با روی هم قرار دادن پاسخ برشی میکروسکوپی ارائه می‌کند. مدل برشی سه بعدی چند مکانیزمی پیشنهادی رابط خاک-سازه دارای یک فرمول محاسباتی یکپارچه برای فصل مشترک سست و متراکم تحت شرایط بارگذاری مختلف است. مدل پیشنهادی را می توان با دقت ویژگی های پاسخ چرخه ای رابط را توصیف کرد، به عنوان مثال، جابجایی نرمال با افزایش تعداد چرخه افزایش می یابد، با این حال، نرخ رشد با افزایش تعداد چرخه کاهش می یابد. اعتبار مدل برشی چند مکانیزمی سه بعدی پیشنهادی رابط خاک-سازه با مقایسه نتایج محاسباتی با نتایج تجربی تأیید می‌شود.