2.4 筑坝材料接触面特性及本构模型

在土石坝工程中，由于坝体填筑涉及多种材料，经常会遇到不同材料的接触界面。由于接触界面两侧材料特性的差异，在界面两侧常存在较大的剪应力并发生位移不连续现象，从而导致较为复杂的应力和变形状态。在土石坝工程中，存在着不同散粒体之间的接触界面如心墙土料-反滤料，散粒体材料与连续材料接触面如坝体土石料-基岩（混凝土底板）、混凝土面板-堆石体等多种不同类型的接触界面。接触界面两侧材料由于刚度不同，会表现出不同的变形性状；在接触面附近，还可能出现脱开、滑移和张闭等非连续变形现象。不同材料接触界面的存在对坝体相关部位应力和变形的性状有较大影响，经常出现不连续变形以及由此引起的拱效应现象，通常是坝体易发生事故的薄弱环节，需要得到足够的重视。

2.4.1 坝料接触面试验特性

土与结构物接触面试验是接触面力学特性研究的基础，常用的接触面试验类型包括直剪试验和单剪试验。接触面本构模型是描述接触面应力变形特性的数学模型，包括刚塑性、弹塑性、非线性弹性等模型。本构模型参数的确定与验证，必须通过室内试验和现场试验来解决。对接触面问题进行有限元数值分析，通常需要一定的有限单元形式模拟接触面的几何和物理特征，进而结合接触面本构关系进行数值分析。

在糯扎渡高心墙堆石坝工程中，针对心墙土料和反滤料两种散粒体坝料进行了典型的接触面试验研究（图2.4-1）,结果如下：

（1）接触面的强度和变形特性由接触面附近材料共同作用的结果所决定。

（2）两种散粒体材料间接触面的强度包线为其单相材料强度的下包线。

（3）在两种散粒体接触界面处，其剪切变形分为两个阶段，在达到破坏强度前，不存在变形的不连续现象；而当达到破坏强度后，会产生集中的“刚塑性”接触面剪切变形，其位置发生在强度最低处。

（4）对散粒体的接触问题，可用“刚塑性”模型描述其切向的变形特性并忽略法向变形特性。

2.4.2 常用接触面本构模型及其适应性

描述不同材料接触面力学特性常用的本构模型包括刚塑性模型、理想弹塑性模型、Clough-Duncan非线性模型和广义塑性接触面模型等。

1.心墙堆石坝设置接触面单元对坝体应力变形特性的影响

对糯扎渡高心墙堆石坝进行了应力变形非线性有限元计算分析，着重研究和分析了在坝体不同材料的交界处（心墙土料和过渡料以及基岩和坝体之间）设置接触面单元对坝体应力和变形计算结果的影响。根据不同的研究目的，进行了二维和三维有限元计算分析，模拟了坝体的施工和运行过程。

二维计算的重点在于考察接触面单元的设置以及不同接触面本构模型对坝体整体和局部应力及变形状态的影响，考虑4种方案：①不设接触面单元；②设置刚塑性模型接触面单元；③设置理想弹塑性模型接触面单元；④设置Clough-Duncan非线性模型接触面单元。

二维计算结果表明，设置接触面单元以及采用何种接触面模型对坝体总体的应力和变形的分布规律并无显著影响，但对接触面附近的局部应力和变形却有相当的影响。当在两者之间采用接触面单元时，可以模拟发生在堆石体和心墙接触界面上的位移不连续现象，从而比较合理地反映堆石体对心墙拱效应的影响，并会使得心墙表面单元的竖直应力增加。接触面单元采用三种本构模型计算得到的心墙和堆石体接触面不连续的竖直沉降分布规律基本相同。

三维计算侧重于考虑在坝体和基岩面间设置接触面单元时对坝体应力和变形的影响，考虑两种方案：①不在坝体与基岩间设接触面单元；②在坝体材料与基岩间设置接触面单元，接触面本构关系采用Clough-Duncan非线性模型。

三维计算成果表明，在坝体材料和基岩间设置接触面单元后，接触界面部位出现了竖直沉降、横河向水平位移不连续现象，其影响范围在接触界面附近一定范围内；降低了基岩对坝体材料的约束作用，使得坝体整体位移增大，这对于横河向的水平位移影响最为显著；对坝体变形约束作用的降低同时也使得坝体材料的应力略有增加。

土石坝工程实践表明，坝体与岸坡的接触界面处是土石坝发生事故的危险部位。坝体和基岩在岸坡处的位移特性尤其是两者之间的不连续相对位移的大小，对坝体的设计工作和坝体运行期的安全状况是非常重要的，而该处两者之间所发生的不连续剪切变形和由此可能导致的坝体裂缝，通常被认为是导致大坝事故的重要原因之一。在进行高心墙堆石坝三维有限元计算分析时，在坝体和基岩间设置合适的接触面单元可以合理地反映心墙堆石坝坝体和基岩间在荷载作用下所发生的位移不连续现象。尽管对坝体总体的应力和变形分布影响不大，但对于合理地模拟坝体与岸坡基岩交界处剪切位移的不连续现象、反映岸坡基岩对坝体拱效应作用，从而合理地分析坝体与岸坡和基岩接触界面处的应力变形性状具有重要的意义。

2.面板堆石坝设置接触面单元对坝体应力变形特性的影响

对某面板堆石坝进行了三维有限元静力、动力弹塑性分析。筑坝堆石料材料采用广义塑性模型，面板与垫层间接触面单元分别采用Clough-Duncan非线性模型、理想弹塑性模型和广义塑性接触面模型，比较了在施工、蓄水及地震全过程不同接触面模型计算的面板应力和挠度的差异，并分析了接触面的应力和位移的异同，计算结果表明以下几点：

（1）在施工期，3种接触面模型计算的面板应力、接触面剪应力和剪切位移的分布规律和量值都是基本一致。蓄水期，3种接触面模型计算得到的面板顺坡向应力差别不大，但面板坝轴向应力的大小和分布有较明显差别。蓄水过程中，广义塑性接触面模型计算的接触面的应力路径和剪切位移与Clough-Duncan非线性模型和理想弹塑性模型存在较大的差异。广义塑性接触面模型可以反映接触面3个方向（两个剪切方向和法向）的耦合，并且加卸载判断可以反映法向应力变化的影响。此外，Clough-Duncan非线性模型和理想弹塑性模型不能较好地反映往复荷载下的接触位移。这些均是引起接触面应力路径和剪切位移差异的原因。

（2）在地震荷载条件下，采用理想弹塑性模型和广义塑性模型计算的地震后面板顺坡向应力差别不大，但面板沿坝轴向应力差别较大。采用理想弹塑性接触面模型只有当应力达到峰值强度时才产生塑性滑移，会低估较大法向应力条件下的接触面的接触位移特性，不能与坝体残余变形相协调，导致板与垫层间接触面的坝轴向剪应力计算值偏大，进而会高估坝体残余变形对面板应力的影响。广义塑性接触面模型可以更好地反映地震荷载下接触面的塑性剪切位移特性，能较好地反映接触面的剪胀、剪缩特性，并且还可以记忆面板与垫层间的张开量和剪胀（或剪缩）量，更符合实际情况。

随着面板堆石坝弹塑性有限元分析的发展，传统的Clough-Duncan非线性模型和理想弹塑性接触面模型已不能满足地震荷载条件下面板堆石坝弹塑性反应分析的需求。最新发展的三维广义塑性接触面模型可以较好地反映面板与垫层间接触面的复杂加载变形特性。此外，该模型也可以反映颗粒破碎的影响，可为分析高面板堆石坝面板与垫层、坝体与基岩的接触效应提供良好的理论基础。