土工織物與砂土界面特性數值模擬研究

張俊騰，尤文貴，袁亞芳，楊祁

（福建農業職業技術學院，福州 350119）

0 前言

“土工織物”一詞最早是由J.P.Giroud與J.Perfetti于1977年提出來的，他們把透水的土工合成材料稱為“土工織物”。土工織物在我國的應用可以追溯到1977年江蘇省長江嘶馬護岸工程中，可見起步較晚。因其質量輕、體積小且能夠適應地基的較大變形，在90年代便被廣泛的應用在公路、鐵路、機場、港口等重大工程建設領域當中。土工織物的界面特性作為工程設計重要指標直接關系到工程建設的安全性和經濟性。國內外學者已有很多學者對筋土界面特性進行了研究，但仍然處理探索階段。Reddy[1]通過室內直剪試驗研究了筋土界面特性，研究了加筋土界面的位移與剪切力的關系。Anubhav[2]采用直剪試驗研究了砂土與土工織物的界面特性。Arulrajah[3]采用大型直剪試驗研究了筋土界面特性，試驗結果表明加筋體能夠顯著增加土體的抗剪強度。周志剛[4]采用直徑為15.2cm高為12.0cm的剪切盒，以南方常見的紅砂巖風化土和砂卵石風化土為土樣研究了筋材與土之間的剪切性能。試驗結果表明，采用基于強度理論的τ=c+σntgφ關系不能描述筋材與土體處于剪切破壞之前的狀態。Duncan-Chang的雙曲線[5]模型能夠較好的描述該狀態，但是仍然有其局限性。為了彌補這一局限性，周志剛結合了南京水利科學研究院的非線性模型進行了改進進而提出了全階段的推廣雙曲線下模型。王軍[6]采用美國Geocomp公司生產的ShearTracⅢ大型直剪儀，以福建平潭的砂土為土樣，研究了土工織物與砂土的界面特性，提出了強度峰值前雙曲線模型和峰值后位移軟化模型的組合模型。吳海等[7]通過大型直剪儀研究了不同上覆土壓力對筋土界面特性的影響。周健等[8-9]采用離散元數值模擬，分析了砂土與土工織物的力學特性。綜上，對于筋土界面特性的研究大多數只考慮單一因素的影響，很少考慮多因素的影響。文章將采用有限元數值模擬方法，分析多因素對土工織物與砂土界面特性的影響，以期供工程設計人員參考。

1 數值模型建立

相對于室內試驗而言，采用有限元數值模擬不但能提供大量數值計算結果而且還能夠考慮筋土界面的線彈性、非線性和彈塑性性狀。本節采用砂土為土樣，通過改變單一變量法人方法建立不同的有限元模型，分析上覆土壓力、土體壓縮模量、土體強度、加筋體長度、加筋體間距和接觸面對直剪試驗剪切力-位移即筋土界面本構關系的影響。

圖1 剪切試驗有限元模型

為了更加真實的模擬實際工程的加筋土層，剪切試驗的幾何模型為：下盒長度5m，上盒長度4.5m，厚度均為0.5m，土工織物的長度為4.5m。砂土的本構模型采用M-C模型，排水類型為非排水，土工織物為彈塑性材料其軸向剛度EA=1000 kN/m，其余參數如上表所示。

土體參數 表1

圖2 不同上覆土壓力下筋土界面本構關系

圖3 不同土體壓縮模量下筋土界面本構關系

圖4 不同土體內摩擦角下筋土界面本構關系

2 計算結果分析

圖5 不同土體內聚力下筋土界面本構關系

圖6 不同土工織物長度下筋土界面本構關系

圖7 不同土工織物間距下筋土界面本構關系

圖8 不同接觸面折減強度下筋土界面本構關系

如圖 2，當上覆土壓力 σ=10kPa、30 kPa、60 kPa、120 kPa時對應的最大剪切應力分別為80kPa、120 kPa、180 kPa、280 kPa。很顯然，最大剪切應力隨著上覆土壓力的增大顯著增大，說明上覆土壓力對加筋土內部穩定性貢獻極大。如圖3，最大剪切應力對土體壓縮模量的變化不敏感，均在90 kPa附近。如果從王軍的組合雙曲線模型[6]的角度看，較大的土體壓縮模量能夠把強度峰值提前并且更容易出現峰值后位移軟化的現象。如圖4-5，與壓縮模量相反的是提高土體的強度能夠將本構模型的峰值延后，并且能夠大幅度的提高筋土界面的最大剪切應力。如圖6，當土工織物的間距為1m時，其長度L=2m所對于的最大剪切應力為40kPa，長度L=4m所對應的最大剪切應力為80kPa，增幅100%。

如圖7，土工織物間距Sv=1.0m、Sv=0.8m、Sv=0.6m、Sv=0.4m和Sv=0.2m所對應的最大剪切應力分別為 20kPa、40 kPa、50 kPa、70 kPa和 90 kPa。說明筋土界面最大剪切應力隨著土工織物的間距的縮小呈線性增長。引入土工織物與土體的接觸面的強度折減系數，采用數值模擬可以很好的分析筋土界面特性。如圖8，折減系數越小代表土工織物與土體的接觸面的摩擦系數越小，對應的最大剪切應力也越小。因此，在工程設計的時候應該選擇表明粗糙的土工織物作為加筋材料。

3 結語

①土工織物的加筋效果受上覆土壓力、土體壓縮模量、土體強度、加筋體長度、加筋體間距和接觸面多種因素的影響。

②在一定程度上增大上覆土壓力、提高土體密實度和強度、加大土工織物長度、加密土工織物間距和選擇粗糙的土工織物均能提高加筋效果。