土工合成材料加筋土動(dòng)力特性研究現(xiàn)狀及展望

徐振華+霍兵兵+鄭海艷+潘越

摘 要：從試驗(yàn)和數(shù)值分析方法兩個(gè)方面闡述了目前土工合成材料加筋土動(dòng)力特性的研究現(xiàn)狀及其在在的問(wèn)題。并提出今后要從減小尺寸效應(yīng)，建立貼近實(shí)際的動(dòng)本構(gòu)模型入手，研究出更具有參考性的動(dòng)力參數(shù)，使其在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中更合理。

關(guān)鍵詞：加筋土；動(dòng)力特性；試驗(yàn)研究；數(shù)值研究

土工合成材料加筋土技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于工程建設(shè)中。早期人們是將天然植物如稻殼、茅草等摻入土體中來(lái)改善土體的整體穩(wěn)定性，但并無(wú)理論基礎(chǔ)。后來(lái)法國(guó)工程師Vidal提出了加筋土概念及其設(shè)計(jì)理論，從而為加筋土技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。土工合成材料加筋土技術(shù)的應(yīng)用提高了加筋結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。研究在動(dòng)荷載作用下加筋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性已至關(guān)重要，這是因?yàn)榧咏钔恋膭?dòng)力特性指標(biāo)在加筋土工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，直接影響了加筋土結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

1 加筋土動(dòng)力特性概述

加筋土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已引起國(guó)內(nèi)外巖土工程界人士的極大關(guān)注，隨著加筋土技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，對(duì)加筋土技術(shù)進(jìn)行動(dòng)力方面的研究已成為一個(gè)不可回避的重要課題。加筋土的動(dòng)力特性研究思路大多是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究土的動(dòng)應(yīng)變、阻尼比、動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)孔壓等特性。目前還出現(xiàn)了用數(shù)值模擬來(lái)研究加筋土動(dòng)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(shí)。大量的研究數(shù)據(jù)表明土工合成材料加筋土的動(dòng)力特性與動(dòng)荷載、頻率、振動(dòng)周次及筋材物理性質(zhì)密切相關(guān)。

2 加筋土動(dòng)力特性研究現(xiàn)狀

2.1 加筋土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

縱觀各大文獻(xiàn)，加筋土的動(dòng)力特性試驗(yàn)有動(dòng)三軸試驗(yàn)、共振柱試驗(yàn)、動(dòng)扭剪試驗(yàn)、動(dòng)直剪試驗(yàn)以及動(dòng)單剪試驗(yàn)等。其中，動(dòng)三軸試驗(yàn)和共振柱試驗(yàn)是目前研究土工合成材料加筋土動(dòng)力特性最常見(jiàn)的方式。

2.1.1 動(dòng)三軸試驗(yàn)研究。動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)茌^好的模擬加筋土的實(shí)際受力狀態(tài)，至今已有許多學(xué)者采用動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了加筋土的動(dòng)力特性，為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。謝婉麗等通過(guò)對(duì)不同加筋層數(shù)的黃土試樣進(jìn)行了不同動(dòng)應(yīng)力和不同圍壓作用下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在動(dòng)荷載作用下對(duì)土體加筋可以約束其側(cè)向變形，使土體的抗震性能得到增強(qiáng)，并且隨著動(dòng)應(yīng)力和圍壓的增大，加筋土體的軸向累積動(dòng)應(yīng)變?cè)酱蟆钛嗟扔闷胀ù凹喣M土工合成材料，對(duì)加筋土體進(jìn)行了大量的動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究得出了動(dòng)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(guò)對(duì)加筋土樣進(jìn)行固結(jié)不排水動(dòng)三軸剪切試驗(yàn)。研究了在不同筋材、不同加筋層數(shù)、不同圍壓和固結(jié)應(yīng)力比條件下加筋土的動(dòng)彈性模量變化規(guī)律。李文旭等等通過(guò)對(duì)加筋粘土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(dòng)強(qiáng)度特性，隨著加筋層數(shù)的增多，加筋土體的動(dòng)強(qiáng)度也越大。

由于用來(lái)做動(dòng)三軸試驗(yàn)的加筋土樣多為重塑土樣，且它的尺寸效應(yīng)比較明顯，所以用動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與實(shí)際相差甚大，但是我們也能從數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律并加以總結(jié)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，使設(shè)計(jì)結(jié)果更加安全，這也為工程計(jì)算提供了極大的方便。

2.1.2 共振柱試驗(yàn)研究。最早是日本工程師Iida在1938年把共振柱技術(shù)引入土工試驗(yàn)的，共振柱試驗(yàn)是利用波動(dòng)理論在土試樣上施加振動(dòng)力，然后改變驅(qū)動(dòng)頻率，測(cè)其共振頻率。最后根據(jù)土試樣尺寸，測(cè)得的共振頻率，和端部的約束條件就能算出加筋土的動(dòng)力參數(shù)。

在國(guó)外，Mohamam H.Maher等在動(dòng)力特性方面對(duì)加筋砂進(jìn)行共振柱試驗(yàn)，測(cè)出了加筋砂的動(dòng)剪切模量G與阻尼比D。比較分析了纖維含量對(duì)加筋砂的剪應(yīng)變值、側(cè)向應(yīng)力，、動(dòng)剪切模量與阻尼比的影響，得出了加筋土結(jié)構(gòu)的抗震性能比較好的結(jié)論。在國(guó)內(nèi)，大多數(shù)人都利用共振柱試驗(yàn)研究了非加筋土的動(dòng)力特性，很少人針對(duì)加筋土作動(dòng)力特性研究分析，這為研究人員又提供了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

2.1.3 其它試驗(yàn)研究。張小江等采用他們實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的單軸靜、動(dòng)力拉壓試驗(yàn)儀，研究了纖維加筋粘性土在靜動(dòng)荷載作用下的相關(guān)動(dòng)力特性。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，纖維加筋土和素土相比，其極限拉應(yīng)力、極限拉應(yīng)變、動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)模量、臨界斷裂韌度等都有相當(dāng)程度的提高。并且得到土體進(jìn)行纖維加筋后，即使在動(dòng)載作用下發(fā)生破壞，還能繼續(xù)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(dòng)力特性數(shù)值分析方法研究

隨著研究方式的創(chuàng)新，對(duì)土工合成材料加筋土動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值分析勢(shì)在必行，目前已有研究人員運(yùn)用此方法做了較多研究。蘭州鐵道學(xué)院梁波等從加筋機(jī)理考慮，建立了加筋強(qiáng)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(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。為今后在數(shù)值模擬方面對(duì)加筋土動(dòng)力特性的研究分析打下了基礎(chǔ)?？锵｝埖壤糜邢拊浖嗀NSYS10.0建立了加筋土的黏彈塑性力學(xué)響應(yīng)模型，該模型更能真實(shí)的反映加筋土復(fù)合體在循環(huán)荷載作用下的變形特征。為以后對(duì)加筋土動(dòng)力特性的有限元模型建立提供了依據(jù)。數(shù)值分析結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于加筋土本構(gòu)模型及其參數(shù)取值的合理性，但這仍需要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定和驗(yàn)證。

3 結(jié)論與展望

本文較為詳細(xì)的介紹了土工合成材料加筋土動(dòng)力特性的研究現(xiàn)狀。對(duì)加筋土動(dòng)力特性的研究已經(jīng)成為巖土工程界的熱點(diǎn)之一，目前已有大多數(shù)人作了相關(guān)研究，但由于對(duì)加筋土動(dòng)力特性的研究方法不同，實(shí)驗(yàn)人員所用的試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)手段、加筋材料也有區(qū)別，所以各個(gè)研究人員整理的加筋土動(dòng)力特性規(guī)律差異也很大。另外在加筋土動(dòng)力特性的數(shù)值分析方面，對(duì)加筋土有限元模型的建立及其參數(shù)取值仍需進(jìn)一步探討研究。

關(guān)于針對(duì)土工合成材料加筋土動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究方面，加筋材料的物理參數(shù)及性質(zhì)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)中采用的加筋土樣多為重塑土樣，尺寸效應(yīng)明顯，怎樣能更真實(shí)的反應(yīng)加筋土體的動(dòng)力特性，還需人們多做研究。同樣，在計(jì)算機(jī)數(shù)值分析方面，建立更貼近實(shí)際的加筋土動(dòng)本構(gòu)模型，筋土界面相互作用參數(shù)的確定，仍是需要解決的難題。

參考文獻(xiàn)

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