土工格柵縱橫肋的加筋土力學(xué)特性仿真研究

張楊楊，劉奇，蘇耀輝

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)孫越崎學(xué)院，江蘇 徐州221116）

0 引言

土工格柵是一種由縱肋和橫肋構(gòu)成的網(wǎng)狀加筋土材料，憑借其對(duì)土體有效的加筋作用，近年來(lái)在工程上得到廣泛應(yīng)用[1]。 文章借助非線性有限元軟件ABAQUS，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)加土筋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析，最后給出研究結(jié)論。

1 有限元模型的建立

利用平面應(yīng)變理論構(gòu)建二維加筋土有限元模型。 數(shù)值模擬時(shí)，土體采用莫爾-庫(kù)侖模型[2]，土工格柵采用拉桿單元，并通過(guò)添加設(shè)置不同受壓，來(lái)模擬其真實(shí)受力狀態(tài)。 土工格柵與填土之間的接觸采用嵌入?yún)^(qū)域， 把土工格柵作為嵌入?yún)^(qū)域嵌入到土體中； 各結(jié)構(gòu)部分采用平面4 節(jié)點(diǎn)無(wú)限元單元來(lái)模擬真實(shí)的土體。在加筋土結(jié)構(gòu)左側(cè)和底部設(shè)置邊界條件來(lái)模擬土體與地面和其他墻體之間的接觸[3]。

土體和土工格柵的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型基本參數(shù)

2 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

為研究不同筋材形式及縱橫肋數(shù)量對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響， 本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了四種工況，不同工況下土工格柵的布筋方式、縱橫肋減少形式如表2 所示。

表2 土工格柵工況

3 仿真結(jié)果分析

3.1 加筋土體應(yīng)力

不同工況下加筋土體的應(yīng)力分布云圖如圖1所示。 由圖1 可知，在逐級(jí)上覆荷載的作用下，加筋土體應(yīng)力自上而下遞增且有明顯的分層現(xiàn)象，故將土體依據(jù)應(yīng)力大小分為S1、S2、S3 層。 應(yīng)力最終在土體右下部達(dá)到最值。

圖1 加筋土體應(yīng)力云圖譜

工況J-3 的應(yīng)力較工況J-1 無(wú)太大變化，故未在圖1 中展示。工況J-2、J-4 與工況J-1 相比有所不同，一方面工況J-1、J-2、J-4 的應(yīng)力峰值依次增大，另一方面工況J-1 的S3 層較小，僅有局部破壞的趨勢(shì)；工況J-2、J-4 土體的S1 層基本保持不變，但S2 層朝右上方擴(kuò)大，土體右上角具有應(yīng)力集中的趨勢(shì)，S3 層擴(kuò)大，朝著再分層的情況發(fā)展，總體來(lái)說(shuō)朝著整體破壞的方向發(fā)展。

可以判斷在荷載作用下，縱肋對(duì)調(diào)整加筋土體內(nèi)部的應(yīng)力起主導(dǎo)作用，橫肋僅起輔助作用，配合縱肋生效。同等荷載條件下，橫肋的增減對(duì)加筋土體應(yīng)力分布并無(wú)太大影響；但當(dāng)縱肋減少時(shí)，加筋土體應(yīng)力峰值增大，且朝著整體破壞的方向發(fā)展。

3.2 加筋土體位移

不同工況下加筋土體位移分布大致相同，位移云圖如圖2 所示。 由圖2 可以看出，在逐級(jí)上覆荷載的作用下，加筋土體自左下到右上變形，且在右上部達(dá)到最值。

如圖2 所示， 在原有模型的右側(cè)建立路徑，每0.3 m 為一層取一次數(shù)據(jù)，繪制不同工況下土體位移與高度的關(guān)系曲線如圖3 所示。 由圖3 可以看出，一方面土體位移隨著逐級(jí)上覆荷載的增大而逐漸增大,但增幅較為有限；另一方面隨著高度的增加，相鄰層土體位移的差距越來(lái)越小。

圖2 加筋土體位移云圖譜

圖3 加筋土體位移隨上覆荷載變化曲線

工況J-3 的位移較工況J-1 無(wú)太大變化，故未在圖3 中展示。 同時(shí)，這說(shuō)明不設(shè)橫肋對(duì)土體的位移并未造成較大影響。工況J-2、J-4 與工況J-1 相比有較大的差別， 一方面工況J-1 沒(méi)有聚集現(xiàn)象，工況J-2 呈現(xiàn)出0.3 m、0.6～1.2 m、1.5～2.1 m、2.4～3.0 m 聚集狀態(tài)， 工況J-4 呈現(xiàn)出0.3～0.6 m、0.9～1.2 m、1.5～18 m、2.1～2.4 m、2.7～3.0 m 聚集 狀態(tài)，說(shuō)明縱肋的存在對(duì)土體位移的影響很大。 另一方面， 同等條件下工況J-4、J-2、J-1 的位移依次減小，說(shuō)明縱肋數(shù)量的增加可以降低上覆荷載對(duì)土體位移的影響。

分析可知，由于未限制土體右側(cè)的位移，使得一側(cè)土體處于無(wú)側(cè)限狀態(tài)。 最初位移最值出現(xiàn)在右上部，說(shuō)明此時(shí)傾向于發(fā)生土體的局部破壞，當(dāng)減少格柵尤其是減少縱肋時(shí)， 各高度位移都呈現(xiàn)出遞增的現(xiàn)象，說(shuō)明加筋土結(jié)構(gòu)朝著整體破壞的方向進(jìn)行。

3.3 土工格柵拉應(yīng)力分析

不同工況下土工格柵拉應(yīng)力的分布有所不同，拉應(yīng)力云圖如圖4 所示。 由圖4 可以看出，在逐級(jí)上覆荷載的作用下，土工格柵拉應(yīng)力主要由縱肋承擔(dān)，橫肋只在與縱肋的接觸點(diǎn)附近承受少量拉應(yīng)力，同層縱肋， 拉應(yīng)力自左向右呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，土體右端中下層筋材承受的拉應(yīng)力達(dá)到最值。

圖4 土工格柵拉應(yīng)力云圖譜

對(duì)比工況J-1 與J-3，發(fā)現(xiàn)兩者土工格柵的拉應(yīng)力大小和分布幾乎沒(méi)有差別，說(shuō)明雖然橫肋起到了一定的作用，但效果并不明顯，增減橫肋并沒(méi)有對(duì)土工格柵拉應(yīng)力造成影響。對(duì)比工況J-1、J-2，J-4，一方面土工格柵拉應(yīng)力依次增大，說(shuō)明土工格柵拉應(yīng)力主要由縱肋承擔(dān)，另一方面，縱肋數(shù)量較多時(shí)， 單個(gè)縱肋承受的拉應(yīng)力較小且趨向于局部破壞，隨著縱肋的減少，單個(gè)縱肋承受的拉應(yīng)力越大且趨向于整體破壞。

綜合各工況的拉應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，土工格柵沿縱肋方向受力并不均勻。 可以推測(cè)，假設(shè)上覆荷載繼續(xù)增大時(shí)，左側(cè)的土工格柵拉應(yīng)力依舊趨向于零，右側(cè)土工格柵拉應(yīng)力繼續(xù)增大且集中在中部縱肋上，易發(fā)生破壞。故加筋土土工格柵的力學(xué)特性，一方面受到布筋形式尤其是縱肋數(shù)量和位置的影響，另一方面也與上覆荷載大小相關(guān)，上覆荷載越大，土工格柵越趨向于拉斷破壞。

4 結(jié)論

（1）逐級(jí)上覆荷載作用下，具備完整布筋格柵的加筋土結(jié)構(gòu)趨向于發(fā)生局部破壞；當(dāng)土工格柵減少布筋尤其是減少縱肋時(shí)，加筋土結(jié)構(gòu)朝著整體破壞的方向進(jìn)行。

（2）逐級(jí)上覆荷載作用下，土工格柵拉應(yīng)力主要由縱肋承擔(dān)，橫肋僅僅起輔助作用。

（3）總體上，縱肋對(duì)加筋土力學(xué)性能的影響起主要作用。 一般情況下，縱肋數(shù)目與布筋形式越合理，加筋土力學(xué)性能越好。