加筋土拉拔界面作用的數(shù)值分析

謝美鳳，張俊騰，尤文貴

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350119）

0 前言

加筋土技術(shù)的應(yīng)用最早可以追朔到新石器時(shí)代[1]，從仰韶遺址的發(fā)掘[2]可以證實(shí)早在公元前5000多年前，我們的祖先就掌握了利用草筋對(duì)土屋進(jìn)行加固的技術(shù)，公元前2600年羅馬人[3]開始利用蘆葦對(duì)軟土路基進(jìn)行加固，公元前1500年古巴比倫人[4]采用竹絲對(duì)擬建廟宇的軟土地基進(jìn)行加固。在古代，由于生產(chǎn)力所限人們只能依靠天然材料進(jìn)行加固。在近代，隨著人工材料的問(wèn)世加筋技術(shù)的應(yīng)用得到較為廣泛的推廣。第一次世界大戰(zhàn)期間美國(guó)曾用麻織布加固戰(zhàn)備公路，第二次世界大戰(zhàn)中英國(guó)曾用梢輥和帆布對(duì)路基進(jìn)行加固供坦克通行，1958年美國(guó)佛羅里達(dá)州大西洋海岸防護(hù)工程中，采用聚氯乙烯有紡織物作為加固材料，1959年日本采用有紡織物砂袋和合成材料片修復(fù)遭受臺(tái)風(fēng)破壞的伊勢(shì)灣海岸的海堤和圍堤，1960年荷蘭采用尼龍有紡織物加固海岸防止受海浪淘刷，1962年美國(guó)杜邦公司開發(fā)紡粘法長(zhǎng)纖維無(wú)紡布以取代短纖維無(wú)紡布，1968年日本、英國(guó)、法國(guó)將土工織物應(yīng)用于道路和海岸工程當(dāng)中。很顯然，加筋土的理論研究晚于工程實(shí)踐，其理論研究最早開始于法國(guó)工程師Henri.Vidal[5]提出的加筋土的加筋原理：利用加筋材料的抗拉性能通過(guò)其與土體的嵌固和摩擦作用，從而提高土體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。加筋機(jī)理的研究主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、解析理論分析和數(shù)值模擬等方法。筋土界面作用特性是研究加筋機(jī)理的一個(gè)重要內(nèi)容，而研究其界面作用特性試驗(yàn)的方法主要有4種[6]：直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)、扭剪試驗(yàn)和斜板試驗(yàn)。由于拉拔試驗(yàn)?zāi)軌蚍磻?yīng)加筋材料的張力的傳遞過(guò)程，更能反應(yīng)加筋的真實(shí)狀況[7～13]，從而被國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍用于研究加筋土的界面作用特性。盡管當(dāng)前對(duì)于筋土界面作用特性的拉拔試驗(yàn)研究很多，但是將分析結(jié)果與實(shí)際工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)，其吻合度往往不盡人意，甚至出現(xiàn)趨勢(shì)不同或者相反的情形[14]。這是因?yàn)槭覂?nèi)拉拔試驗(yàn)存在很多干擾因素[15]，比如加載方式、側(cè)壁邊界效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、填料厚度等。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬作為研究筋土拉拔界面作用特性的一種新方法引起了研究人員極大的興趣。作為室內(nèi)拉拔試驗(yàn)的有力補(bǔ)充[16]，國(guó)內(nèi)外很多研究人員[17-19]利用有限元法研究了筋土拉拔界面作用的筋材應(yīng)力應(yīng)變特征。總結(jié)以往文獻(xiàn)可知有限元法研究筋土拉拔界面作用的加筋體全長(zhǎng)范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變的文獻(xiàn)很少，特別是不同因素影響下的應(yīng)力應(yīng)變特征。本文將通過(guò)有限元法研究不同的上覆土壓力、拉拔力、加筋體剛度、土體強(qiáng)度對(duì)筋土拉拔界面作用的影響。

1 數(shù)值模型的建立

為了更能真實(shí)模擬實(shí)際的工程剪切盒的幾何尺寸為5.0m×0.5m，加筋體長(zhǎng)度為4.5m，如圖1所示。有限元計(jì)算需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而單元分析，最后反復(fù)迭代求解微分方程。如果接觸面不穩(wěn)定，會(huì)造成有限元單元的不穩(wěn)定，這樣可能無(wú)法在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)求得近似解，甚至出現(xiàn)不收斂[20]的情況。加筋材料在拉拔過(guò)程會(huì)與土體產(chǎn)生相對(duì)位移，如果考慮接觸面附近的顆粒在拉拔時(shí)發(fā)生的微小變形很容易造成接觸面不穩(wěn)定。因此，本文土體的本構(gòu)模型采用不考慮土顆粒變形的M-C，參數(shù)采用福建長(zhǎng)樂(lè)的砂土，各材料的參數(shù)詳下表所示。筋材剛度EA=1000kN/m。荷載的施加方式采用給定預(yù)位移的方式。

圖1 拉拔試驗(yàn)有限元模型

2 計(jì)算結(jié)果分析

由圖2可知，加筋體在不同上覆土壓下最大拉力均位于筋材的始端沿著筋材越靠近末端拉力越小，上覆土壓力σ=10kPa時(shí)，拉力為零的點(diǎn)距離筋材料始端為3m，上覆土壓力σ=30kPa時(shí)，拉力為零的點(diǎn)距離筋材料始端為2.0m，上覆土壓力σ=60kPa時(shí)，拉力為零的點(diǎn)距離筋材料始端為1.5m，上覆土壓力σ=120kPa時(shí)，拉力為零的點(diǎn)距離筋材料始端為1.0m。說(shuō)明上覆土壓力越大，拉力的傳遞距離越短。由圖3可知，加筋體的位移最大值位于筋材始端，沿著筋材方向越靠近末端其位移越小，上覆土壓力越大接觸面發(fā)生相對(duì)位移的傳遞距離越小。因此，在設(shè)計(jì)加筋土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該注意加筋材料的有效利用，比如加筋擋土墻底層的加筋材料和頂層的加筋材料由于上覆土壓力不同可以選擇不同抗拉強(qiáng)度的材料，避免出現(xiàn)材料本身抗拉強(qiáng)度不足和浪費(fèi)。

土體參數(shù)

圖2 不同上覆土壓力筋材拉力分布情況

圖3 不同上覆土壓力筋材位移分布情況

由圖4和5可得，拉拔力F=30kN/m時(shí)，加筋體內(nèi)力沿著筋材自外向內(nèi)逐漸減少，距離墻面板0.3m處其內(nèi)力消散至20%以下。拉拔力F=60kN/m時(shí)，加筋體內(nèi)力沿著筋材自外向內(nèi)逐漸減少，距離墻面板0.5m處其內(nèi)力消散至20%以下。拉拔力F=120kN/m時(shí)，加筋體內(nèi)力沿著筋材自外向內(nèi)逐漸減少，距離墻面板1.9m處其內(nèi)力消散至20%以下。拉拔力F=200kN/m時(shí)，加筋體內(nèi)力沿著筋材自外向內(nèi)逐漸減少，距離墻面板2.4m處其內(nèi)力消散至20%以下，則說(shuō)明拉拔力越大荷載沿筋材的傳遞距離越大，意味著在設(shè)計(jì)加筋擋土墻時(shí)，底層的加筋體可適當(dāng)加強(qiáng)，避免出現(xiàn)加筋材料沒(méi)有錨固區(qū)的情況造成擋墻的穩(wěn)定性不足而發(fā)生滑動(dòng)破壞。由圖6可得，筋材剛度EA=1000kN/m時(shí)，荷載有效傳遞距離為2m，EA=1500kN/m時(shí)荷載有效傳遞距離為3m，EA=2000kN/m時(shí)荷載有效傳遞距離為4m，說(shuō)明加筋體剛度越大荷載的有效傳遞距離越大。由圖7可得，筋材剛度EA=1000kN/m時(shí)最大位移為200mm，EA=1500kN/m時(shí)最大位移為150mm，EA=2000kN/m時(shí)最大位移為100mm，說(shuō)明加筋體剛度越大最大位移越小。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意不同加筋體剛度時(shí)筋材最大拉力相同，但是最大位移不同，加筋體剛度越大，筋材的位移也越小，荷載的傳遞距離也越小。

圖4 不同拉拔力時(shí)筋材拉力分布情況

圖5 不同拉拔力時(shí)筋材位移分布情況

圖6 不同加筋剛度時(shí)筋材拉力分布情況

圖7 不同加筋剛度時(shí)筋材位移分布情況

由圖8可得，土的內(nèi)聚力c=20kPa時(shí)，內(nèi)摩擦角?=30°、20°、10°和1°時(shí)，加筋體的最大拉力均為120kN/m，說(shuō)明土的內(nèi)摩擦角不影響加筋體的最大拉力，但是對(duì)荷載的傳遞距離有較大的影響，內(nèi)摩角越大其傳遞距離越小。由圖9可得，內(nèi)摩擦角?=30°時(shí)筋材的最大位移為60mm，位移為零的點(diǎn)距離筋材始端為1.5m；內(nèi)摩擦角?=30°時(shí)，筋材的最大位移為225mm，筋材全長(zhǎng)均存在相對(duì)位移即筋材沒(méi)有錨固段。以上計(jì)算結(jié)果表明，加筋體剛度過(guò)小出現(xiàn)墻面位移過(guò)大、荷載有效傳遞距離太小，而加筋體剛度過(guò)大出現(xiàn)材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)加筋擋土墻的時(shí)候應(yīng)注意選擇合適的加筋體剛度，并采用土質(zhì)較好的砂土作為填料。

圖8 不同內(nèi)摩擦角時(shí)筋材拉力分布情況

圖9 不同內(nèi)摩擦角時(shí)筋材位移分布情況

3 結(jié)語(yǔ)

上覆土壓力越大，拉拔作用的荷載傳遞距離越小，筋材的應(yīng)變也越小。

拉拔力越大，拉拔作用的荷載傳遞距離越大，筋材的應(yīng)變也越大。

加筋體剛度越大，拉拔作用的荷載傳遞距離小，筋材的應(yīng)變也越小。

填料土體強(qiáng)度越大，拉拔作用的荷載傳遞越小，筋材的應(yīng)變也越小。