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)學院，福建 福州 350007；2.福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院，福建 福州 350119）

0 前言

加筋土技術的應用最早可以追朔到新石器時代[1]，從仰韶遺址的發(fā)掘[2]可以證實早在公元前5000多年前，我們的祖先就掌握了利用草筋對土屋進行加固的技術，公元前2600年羅馬人[3]開始利用蘆葦對軟土路基進行加固，公元前1500年古巴比倫人[4]采用竹絲對擬建廟宇的軟土地基進行加固。在古代，由于生產(chǎn)力所限人們只能依靠天然材料進行加固。在近代，隨著人工材料的問世加筋技術的應用得到較為廣泛的推廣。第一次世界大戰(zhàn)期間美國曾用麻織布加固戰(zhàn)備公路，第二次世界大戰(zhàn)中英國曾用梢輥和帆布對路基進行加固供坦克通行，1958年美國佛羅里達州大西洋海岸防護工程中，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遭受臺風破壞的伊勢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年美國杜邦公司開發(fā)紡粘法長纖維無紡布以取代短纖維無紡布，1968年日本、英國、法國將土工織物應用于道路和海岸工程當中。很顯然，加筋土的理論研究晚于工程實踐，其理論研究最早開始于法國工程師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)定性和強度。加筋機理的研究主要通過現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、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理的一個重要內(nèi)容，而研究其界面作用特性試驗的方法主要有4種[6]：直剪試驗、拉拔試驗、扭剪試驗和斜板試驗。由于拉拔試驗能夠反應加筋材料的張力的傳遞過程，更能反應加筋的真實狀況[7～13]，從而被國內(nèi)外學者普遍用于研究加筋土的界面作用特性。盡管當前對于筋土界面作用特性的拉拔試驗研究很多，但是將分析結(jié)果與實際工程實測數(shù)據(jù)對比時，其吻合度往往不盡人意，甚至出現(xiàn)趨勢不同或者相反的情形[14]。這是因為室內(nèi)拉拔試驗存在很多干擾因素[15]，比如加載方式、側(cè)壁邊界效應、尺寸效應、填料厚度等。伴隨著計算機技術的發(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)拉拔試驗的有力補充[16]，國內(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力應變特征?？偨Y(jié)以往文獻可知有限元法研究筋土拉拔界面作用的加筋體全長范圍內(nèi)的應力應變的文獻很少，特別是不同因素影響下的應力應變特征。本文將通過有限元法研究不同的上覆土壓力、拉拔力、加筋體剛度、土體強度對筋土拉拔界面作用的影響。

1 數(shù)值模型的建立

為了更能真實模擬實際的工程剪切盒的幾何尺寸為5.0m×0.5m，加筋體長度為4.5m，如圖1所示。有限元計算需要對模型進行網(wǎng)格劃分，進而單元分析，最后反復迭代求解微分方程。如果接觸面不穩(wěn)定，會造成有限元單元的不穩(wěn)定，這樣可能無法在規(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。加筋材料在拉拔過程會與土體產(chǎn)生相對位移，如果考慮接觸面附近的顆粒在拉拔時發(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)采用福建長樂的砂土，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位移的方式。

圖1 拉拔試驗有限元模型

2 計算結(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，拉力為零的點距離筋材料始端為3m，上覆土壓力σ=30kPa時，拉力為零的點距離筋材料始端為2.0m，上覆土壓力σ=60kPa時，拉力為零的點距離筋材料始端為1.5m，上覆土壓力σ=120kPa時，拉力為零的點距離筋材料始端為1.0m。說明上覆土壓力越大，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)生相對位移的傳遞距離越小。因此，在設計加筋土結(jié)構(gòu)時，應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度的材料，避免出現(xiàn)材料本身抗拉強度不足和浪費。

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，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，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，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，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，則說明拉拔力越大荷載沿筋材的傳遞距離越大，意味著在設計加筋擋土墻時，底層的加筋體可適當加強，避免出現(xiàn)加筋材料沒有錨固區(qū)的情況造成擋墻的穩(wěn)定性不足而發(fā)生滑動破壞。由圖6可得，筋材剛度EA=1000kN/m時，荷載有效傳遞距離為2m，EA=1500kN/m時荷載有效傳遞距離為3m，EA=2000kN/m時荷載有效傳遞距離為4m，說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時最大位移為200mm，EA=1500kN/m時最大位移為150mm，EA=2000kN/m時最大位移為100mm，說明加筋體剛度越大最大位移越小。在設計時應該注意不同加筋體剛度時筋材最大拉力相同，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 不同拉拔力時筋材拉力分布情況

圖5 不同拉拔力時筋材位移分布情況

圖6 不同加筋剛度時筋材拉力分布情況

圖7 不同加筋剛度時筋材位移分布情況

由圖8可得，土的內(nèi)聚力c=20kPa時，內(nèi)摩擦角?=30°、20°、10°和1°時，加筋體的最大拉力均為120kN/m，說明土的內(nèi)摩擦角不影響加筋體的最大拉力，但是對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°時筋材的最大位移為60mm，位移為零的點距離筋材始端為1.5m；內(nèi)摩擦角?=30°時，筋材的最大位移為225mm，筋材全長均存在相對位移即筋材沒有錨固段。以上計算結(jié)果表明，加筋體剛度過小出現(xiàn)墻面位移過大、荷載有效傳遞距離太小，而加筋體剛度過大出現(xiàn)材料浪費的現(xiàn)象，在設計加筋擋土墻的時候應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)摩擦角時筋材拉力分布情況

圖9 不同內(nèi)摩擦角時筋材位移分布情況

3 結(jié)語

上覆土壓力越大，拉拔作用的荷載傳遞距離越小，筋材的應變也越小。

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，筋材的應變也越小。

填料土體強度越大，拉拔作用的荷載傳遞越小，筋材的應變也越小。