土工合成材料加筋土動力特性研究現狀及展望

徐振華+霍兵兵+鄭海艷+潘越

摘 要：從試驗和數值分析方法兩個方面闡述了目前土工合成材料加筋土動力特性的研究現狀及其在在的問題。并提出今后要從減小尺寸效應，建立貼近實際的動本構模型入手，研究出更具有參考性的動力參數，使其在工程結構設計應用中更合理。

關鍵詞：加筋土；動力特性；試驗研究；數值研究

土工合成材料加筋土技術已廣泛地應用于工程建設中。早期人們是將天然植物如稻殼、茅草等摻入土體中來改善土體的整體穩定性，但并無理論基礎。后來法國工程師Vidal提出了加筋土概念及其設計理論，從而為加筋土技術研究奠定了基礎。土工合成材料加筋土技術的應用提高了加筋結構的力學性能。研究在動荷載作用下加筋結構的動力特性已至關重要，這是因為加筋土的動力特性指標在加筋土工程結構設計中至關重要，直接影響了加筋土結構的安全穩定性。

1 加筋土動力特性概述

加筋土結構的應用已引起國內外巖土工程界人士的極大關注，隨著加筋土技術應用領域的拓寬，對加筋土技術進行動力方面的研究已成為一個不可回避的重要課題。加筋土的動力特性研究思路大多是以試驗為基礎，研究土的動應變、阻尼比、動強度與振動孔壓等特性。目前還出現了用數值模擬來研究加筋土動力特性的方法，這種方法的可使用性已得到研究人員的證實。大量的研究數據表明土工合成材料加筋土的動力特性與動荷載、頻率、振動周次及筋材物理性質密切相關。

2 加筋土動力特性研究現狀

2.1 加筋土動力特性試驗研究

縱觀各大文獻，加筋土的動力特性試驗有動三軸試驗、共振柱試驗、動扭剪試驗、動直剪試驗以及動單剪試驗等。其中，動三軸試驗和共振柱試驗是目前研究土工合成材料加筋土動力特性最常見的方式。

2.1.1 動三軸試驗研究。動三軸試驗能較好的模擬加筋土的實際受力狀態，至今已有許多學者采用動三軸試驗研究了加筋土的動力特性，為工程結構設計提供了依據。謝婉麗等通過對不同加筋層數的黃土試樣進行了不同動應力和不同圍壓作用下的動三軸試驗，發現在動荷載作用下對土體加筋可以約束其側向變形，使土體的抗震性能得到增強，并且隨著動應力和圍壓的增大，加筋土體的軸向累積動應變越大。楊燕等用普通窗紗模擬土工合成材料，對加筋土體進行了大量的動三軸試驗，研究得出了動模量隨圍壓的增大而增大，但阻尼比隨著圍壓增大而稍有減小。楊帥東等通過對加筋土樣進行固結不排水動三軸剪切試驗。研究了在不同筋材、不同加筋層數、不同圍壓和固結應力比條件下加筋土的動彈性模量變化規律。李文旭等等通過對加筋粘土進行動三軸試驗，發現在粘性土中布置格柵筋材，在一定程度上提高了加筋土體的動強度特性，隨著加筋層數的增多，加筋土體的動強度也越大。

由于用來做動三軸試驗的加筋土樣多為重塑土樣，且它的尺寸效應比較明顯，所以用動三軸試驗測得的數據與實際相差甚大，但是我們也能從數據中總結規律并加以總結用于實際工程設計中，使設計結果更加安全，這也為工程計算提供了極大的方便。

2.1.2 共振柱試驗研究。最早是日本工程師Iida在1938年把共振柱技術引入土工試驗的，共振柱試驗是利用波動理論在土試樣上施加振動力，然后改變驅動頻率，測其共振頻率。最后根據土試樣尺寸，測得的共振頻率，和端部的約束條件就能算出加筋土的動力參數。

在國外，Mohamam H.Maher等在動力特性方面對加筋砂進行共振柱試驗，測出了加筋砂的動剪切模量G與阻尼比D。比較分析了纖維含量對加筋砂的剪應變值、側向應力，、動剪切模量與阻尼比的影響，得出了加筋土結構的抗震性能比較好的結論。在國內，大多數人都利用共振柱試驗研究了非加筋土的動力特性，很少人針對加筋土作動力特性研究分析，這為研究人員又提供了一個新的研究領域。

2.1.3 其它試驗研究。張小江等采用他們實驗室設計的單軸靜、動力拉壓試驗儀，研究了纖維加筋粘性土在靜動荷載作用下的相關動力特性。試驗研究結果表明，纖維加筋土和素土相比，其極限拉應力、極限拉應變、動強度、動模量、臨界斷裂韌度等都有相當程度的提高。并且得到土體進行纖維加筋后，即使在動載作用下發生破壞，還能繼續承受一定程度的靜荷載，其整體性仍能得到保持。

2.2 加筋土動力特性數值分析方法研究

隨著研究方式的創新，對土工合成材料加筋土動力特性進行計算機數值分析勢在必行，目前已有研究人員運用此方法做了較多研究。蘭州鐵道學院梁波等從加筋機理考慮，建立了加筋強度的等效約束力有限元模型，研究分析了粉煤灰在粘著破壞和拉力破壞兩種情況下的動強度指標。為今后在數值模擬方面對加筋土動力特性的研究分析打下了基礎。匡希龍等利用有限元軟件ANSYS10.0建立了加筋土的黏彈塑性力學響應模型，該模型更能真實的反映加筋土復合體在循環荷載作用下的變形特征。為以后對加筋土動力特性的有限元模型建立提供了依據。數值分析結果的準確性取決于加筋土本構模型及其參數取值的合理性，但這仍需要通過室內試驗確定和驗證。

3 結論與展望

本文較為詳細的介紹了土工合成材料加筋土動力特性的研究現狀。對加筋土動力特性的研究已經成為巖土工程界的熱點之一，目前已有大多數人作了相關研究，但由于對加筋土動力特性的研究方法不同，實驗人員所用的試驗設備，試驗手段、加筋材料也有區別，所以各個研究人員整理的加筋土動力特性規律差異也很大。另外在加筋土動力特性的數值分析方面，對加筋土有限元模型的建立及其參數取值仍需進一步探討研究。

關于針對土工合成材料加筋土動力特性的試驗研究方面，加筋材料的物理參數及性質沒有統一的標準，試驗中采用的加筋土樣多為重塑土樣，尺寸效應明顯，怎樣能更真實的反應加筋土體的動力特性，還需人們多做研究。同樣，在計算機數值分析方面，建立更貼近實際的加筋土動本構模型，筋土界面相互作用參數的確定，仍是需要解決的難題。

參考文獻

[1] 謝婉麗，薛建功，常波.加筋土動力特性的三軸試驗研究[J].災害學， 2008（9）.

[2] 楊燕，柏署，張軍.加筋土的動三軸試驗研究[J].路基工程，2009（5）.

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作者簡介：徐振華（1989- ），女，河南周口人，青島理工大學，碩士研究生。