土工格柵加筋拉拔試驗界面特性細(xì)觀分析

賴漢江， 鄭俊杰， 甘 甜， 董友扣

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

自1965年法國工程師Henri Vidal提出[1]現(xiàn)代加筋土技術(shù)以來，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、機場等重大工程建設(shè)中。然而，目前對加筋土技術(shù)的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實踐，這在很大程度上制約了加筋土技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

土體具有較好的抗壓性能，但其抗剪性能較差，基本無抗拉能力，將筋材加入土體中，可以起到擴散土體應(yīng)力、增加土體模量、限制土體側(cè)向位移和增加土體與其他材料之間的摩擦阻力等作用[2]。其中，筋材與填土界面的摩擦特性直接影響加筋的效果，因此，其技術(shù)指標(biāo)在工程設(shè)計中占有十分重要的地位。直剪試驗和拉拔試驗?zāi)軌蚝芎玫胤从辰钔林g的工作狀態(tài)，國內(nèi)外學(xué)者[3～11]通過直剪試驗和拉拔試驗，研究了筋材與填料的界面特性。但目前的研究主要還是在宏觀方面，對加筋界面的細(xì)觀研究還處于起步階段。土體為散體材料，有限元分析方法將土體假設(shè)為連續(xù)介質(zhì)，忽視了土體的離散本質(zhì)特性，不能很好地模擬土顆粒的細(xì)觀行為，而離散元法(DEM)允許各單元體之間的相互分離，保證了加筋土中土顆粒能夠自由流動，從而實現(xiàn)對其細(xì)觀行為的研究。

本文采用離散元法軟件PFC2D，根據(jù)雙軸試驗和格柵拉伸試驗顆粒流模型，不斷改變參數(shù)進行模擬試算確定土顆粒和土工格柵的參數(shù)，然后建立不同界面的加筋土拉拔試驗?zāi)Ｐ?，從?xì)觀角度對土工格柵與不同填土的界面特性進行分析。

1 加筋土拉拔試驗細(xì)觀模型

1.1 模型建立

如圖1所示，建立土工格柵加筋拉拔試驗?zāi)Ｐ?，模型尺寸?00 mm×300 mm，格柵長為1300 mm。模型中砂土顆粒采用純圓形和非圓形兩類顆粒，以模擬不同表面的砂土顆粒，為更好的與室內(nèi)模型試驗條件相符，數(shù)值模型設(shè)置重力場，并且通過伺服機制給上下兩個剛性墻加恒載。

圖1 土工格柵拉拔試驗?zāi)Ｐ?/p>

純圓形顆粒模型采用的半徑分別為1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm、2.2 mm和2.4 mm，五種粒徑顆粒的體積各占總體積的1/5。

非圓形顆粒模型基于PFC2D軟件中的“Clump”方法，以“面積等效”、“質(zhì)量等效”[12]為原則，將純圓形顆粒構(gòu)造成長形顆粒(長短軸比分別為1∶1.25和1∶1.5)、三角顆粒和四邊形顆粒，如圖2所示。

圖2 非圓形顆粒模型結(jié)構(gòu)

1.2 材料細(xì)觀參數(shù)的確定

(1) 砂土細(xì)觀參數(shù)確定

砂土細(xì)觀參數(shù)通過建立純圓形顆粒的雙軸試驗?zāi)Ｐ瓦M行試算，使得模型土顆粒表現(xiàn)出的宏觀性質(zhì)與表1的砂土宏觀性質(zhì)相吻合。雙軸試驗顆粒流模型、砂土應(yīng)力應(yīng)變曲線以及莫爾圓如圖3所示，最終確定材料細(xì)觀參數(shù)見表2。

表1 地基土材料宏觀參數(shù)

表2 地基土顆粒及邊界細(xì)觀參數(shù)

圖3 雙軸試驗顆粒流模擬

(2)格柵細(xì)觀參數(shù)確定

根據(jù)文獻[11]中的土工格柵拉伸試驗數(shù)據(jù)，格柵的細(xì)觀參數(shù)通過建立相應(yīng)的平行黏結(jié)格柵拉伸試驗?zāi)Ｐ瓦M行試算，使模型中格柵應(yīng)力應(yīng)變曲線與文獻[11]中格柵試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線相吻合。土工格柵拉伸試驗?zāi)Ｐ腿鐖D4(a)所示，格柵長200 mm，顆粒半徑4 mm。將格柵右端的第一個顆粒固定，對左端第一個格柵顆粒施加向左的恒定速率，進行拉伸模擬，并記錄左端第一個顆粒力與位移的關(guān)系，如圖4(b)所示，最終確定格柵細(xì)觀參數(shù)見表3。

圖4 土工格柵拉伸試驗顆粒流模擬

密度/(kg/m3)Pb_kn/MPaPb_ks/MPaPb_ns/MPaPb_ss/MPaPb_rad/m10009×1039×10350501.0

2 結(jié)果分析

2.1 變形圖分析

圖5為不同形狀顆粒工況下拉拔試驗變形圖，由圖可知：(1)在拉拔過程中，土顆粒隨著格柵向左運動；(2)各模型土顆粒的變形影響范圍均較小(如圖中點劃線所示)；(3)在格柵拉出端，格柵兩側(cè)土顆粒由于受到模型邊界限制和擠壓，水平運動路線被切斷，顆粒向兩邊運動，在另一端則由于格柵周圍的顆粒向前運動而出現(xiàn)空隙，格柵兩側(cè)的土顆粒向靠近格柵方向運動(如圖中虛線所示)；(4)各模型在格柵周圍出現(xiàn)不同程度的空隙。

圖5 不同形狀顆粒工況下拉拔變形

2.2 顆粒旋轉(zhuǎn)量分析

圖6給出了不同形狀顆粒工況下土顆粒旋轉(zhuǎn)量分析圖，正值表示顆粒逆時針旋轉(zhuǎn)。在土工格柵兩側(cè)較小范圍內(nèi)(如圖中虛線所示)，旋轉(zhuǎn)角度較大的顆粒較集中，但不是所有格柵兩側(cè)土顆粒的旋轉(zhuǎn)量都較大；在相同拉拔位移下，不同形狀土顆粒的最大旋轉(zhuǎn)量和旋轉(zhuǎn)量幅度不同，旋轉(zhuǎn)量幅度大小關(guān)系為：四邊形顆粒>三角形顆粒>純圓顆粒>長形顆粒(1∶1.25)>長形顆粒(1∶1.5)。

圖6 不同形狀顆粒工況下土顆粒旋轉(zhuǎn)量分析

2.3 水平位移分析

圖7給出了不同形狀顆粒工況下土顆粒水平位移云圖，正值表示位移方向水平向右。由圖可知，靠近格柵一側(cè)的土顆粒隨著格柵向左運動，離格柵越遠(yuǎn)水平位移越小，其原因是格柵向左運動給周邊土顆粒一個向左的摩擦力，使土顆粒向左運動，導(dǎo)致土顆粒之間存在相對位移，從而實現(xiàn)摩擦力的傳遞，同時由于摩擦力在傳遞過程中的損耗，離格柵越遠(yuǎn)的顆粒水平向位移量越小。

以15 mm為一層，通過分段統(tǒng)計模型中顆粒水平位移量，如圖8所示為不同形狀顆粒工況下各層土顆粒平均水平位移變形曲線，圖中顯示格柵上部水平位移量與幅值大于格柵下部，分析其原因：上部土體所受法向應(yīng)力及本身重力的作用方向相同，使得顆粒與格柵之間的相互作用力大，在相同的接觸面摩擦系數(shù)下其受到的摩擦力大，故靠近格柵處的水平位移量大；而下部則相反，下部土體所受法向應(yīng)力向上而本身重力向下，使得顆粒與格柵之間的相互作用力變小，從而受到的向左的摩擦力變小。圖中還顯示，在相同條件下，不同形狀顆粒的最大位移量關(guān)系為：純圓顆粒>四邊形顆粒>三角形顆粒>長形顆粒(1∶1.25)>長形顆粒(1∶1.5)，分析其原因：不同顆粒的咬合程度不同，非圓顆粒咬合程度大，在拉拔過程中較難產(chǎn)生錯動，水平位移量較小。

由圖7與圖8可得，以格柵為中心線，兩邊的水平向位移為零的高度點并不對稱，格柵上部高度小于格柵下部，即格柵上部剪切帶寬度小于格柵下部剪切帶寬度，這與文獻[3]的試驗結(jié)果一致。同時圖7還顯示，各模型剪切帶寬度關(guān)系為：純圓顆粒<四邊形顆粒<三角形顆粒<長形顆粒(1∶1.25)<長形顆粒(1∶1.5)，這主要是因為顆粒間的咬合程度越大，顆粒間越不易錯動，越有利于顆粒間力的傳遞。

圖7 不同形狀顆粒工況下水平位移云圖

圖8 分層平均水平位移

2.4 豎向位移分析

圖9給出了不同形狀顆粒工況下土顆粒豎向位移云圖，正值表示位移方向豎直向上。圖10給出了不同形狀顆粒工況下土顆粒分層(每層厚度15 mm)平均豎向位移統(tǒng)計圖。由圖9和圖10可知：(1)土顆粒豎向位移量曲線整體呈S型，各工況曲線均存在3個豎向位移為0的點；(2)格柵上側(cè)靠近格柵處土顆粒向下運動，顆粒位移量隨與格柵距離的增大而減小，減至0值后向反方向增大，在30 mm附近達到向上運動位移量最大值后又開始減小，再次出現(xiàn)0值后開始增大，在模型邊界處位移量達到向下位移最大值；(3)格柵下側(cè)靠近格柵處的土顆粒向下運動，在距格柵15 mm附近達到向上運動的最大位移量后開始隨與格柵距離增大而減小，出現(xiàn)0值后開始反向增大，在模型下邊界處達到向上運動位移量的最大值；(4)在模型的左側(cè)，由于受到模型邊界的限制，格柵兩側(cè)土顆粒運動路線被切斷，格柵上側(cè)顆粒往上運動，格柵下側(cè)往下運動，且兩端的位移量都較大，近似呈對稱分布。

2.5 拉拔力分析

圖11為拉拔力與拉拔位移關(guān)系曲線圖，圖中顯示：(1)格柵拉拔力隨著拉拔位移的增加而增加，但增幅不斷減小，拉拔力最后趨于某一定值；(2)同一拉拔位移下，各模型的拉拔力大小不同。各模型拉拔力大小關(guān)系為：四邊形顆粒>三角形顆粒>長形顆粒(1∶1.5)>長形顆粒(1∶1.25)>純圓顆粒，原因可能是：(1)不同土顆粒之間的咬合嵌鎖程度不同；(2)長短軸不同而引起的平均慣性矩不同。更為具體的土工格柵與填土界面受力機理還有待作進一步的研究與分析。

圖9 不同形狀顆粒工況下豎向位移云圖

圖10 分層平均豎向位移

圖11 拉拔力與拉拔位移關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

本文采用PFC2D離散元法軟件，根據(jù)雙軸試驗和格柵拉伸試驗顆粒流模型，確定了土顆粒和土工格柵的參數(shù)，建立了不同界面的土工格柵加筋土拉拔試驗?zāi)Ｐ?，從?xì)觀角度分析了筋土在不同界面的特性，得出以下結(jié)論：

(1)拉拔過程中，旋轉(zhuǎn)量較大的土顆粒在格柵兩側(cè)較集中，但不是所有格柵兩側(cè)土顆粒的旋轉(zhuǎn)量都較大。

(2)不同形狀顆粒模型的水平位移大小不相等，其關(guān)系為：純圓顆粒>四邊形顆粒>三角形顆粒>長形顆粒(1∶1.25)>長形顆粒(1∶1.5)。

(3)筋土拉拔過程中，格柵兩側(cè)的剪切帶寬度不相等，格柵下側(cè)的剪切帶寬度大于格柵上側(cè)，且不同形狀顆粒模型的剪切帶寬度不相等，其關(guān)系為：純圓顆粒<四邊形顆粒<三角形顆粒<長形顆粒(1∶1.25)<長形顆粒(1∶1.5)

(4)各顆粒模型的豎向位移曲線呈S型，以格柵為中心兩邊呈大致對稱分布。

(5)加筋土拉拔過程中，不同形狀顆粒模型的拉拔力不相等，各模型拉拔力大小關(guān)系為：四邊形顆粒>三角形顆粒>長形顆粒(1∶1.5)>長形顆粒(1∶1.25)>純圓顆粒。

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