土工格栅加筋拉拔试验界面特性细观分析

赖汉江， 郑俊杰， 甘 甜， 董友扣

(华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

自1965年法国工程师Henri Vidal提出[1]现代加筋土技术以来，该技术已广泛应用于公路、铁路、机场等重大工程建设中。然而，目前对加筋土技术的理论研究远远落后于工程实践，这在很大程度上制约了加筋土技术的推广与应用。

土体具有较好的抗压性能，但其抗剪性能较差，基本无抗拉能力，将筋材加入土体中，可以起到扩散土体应力、增加土体模量、限制土体侧向位移和增加土体与其他材料之间的摩擦阻力等作用[2]。其中，筋材与填土界面的摩擦特性直接影响加筋的效果，因此，其技术指标在工程设计中占有十分重要的地位。直剪试验和拉拔试验能够很好地反映筋土之间的工作状态，国内外学者[3～11]通过直剪试验和拉拔试验，研究了筋材与填料的界面特性。但目前的研究主要还是在宏观方面，对加筋界面的细观研究还处于起步阶段。土体为散体材料，有限元分析方法将土体假设为连续介质，忽视了土体的离散本质特性，不能很好地模拟土颗粒的细观行为，而离散元法(DEM)允许各单元体之间的相互分离，保证了加筋土中土颗粒能够自由流动，从而实现对其细观行为的研究。

本文采用离散元法软件PFC2D，根据双轴试验和格栅拉伸试验颗粒流模型，不断改变参数进行模拟试算确定土颗粒和土工格栅的参数，然后建立不同界面的加筋土拉拔试验模型，从细观角度对土工格栅与不同填土的界面特性进行分析。

1 加筋土拉拔试验细观模型

1.1 模型建立

如图1所示，建立土工格栅加筋拉拔试验模型，模型尺寸为900 mm×300 mm，格栅长为1300 mm。模型中砂土颗粒采用纯圆形和非圆形两类颗粒，以模拟不同表面的砂土颗粒，为更好的与室内模型试验条件相符，数值模型设置重力场，并且通过伺服机制给上下两个刚性墙加恒载。

图1 土工格栅拉拔试验模型

纯圆形颗粒模型采用的半径分别为1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm、2.2 mm和2.4 mm，五种粒径颗粒的体积各占总体积的1/5。

非圆形颗粒模型基于PFC2D软件中的“Clump”方法，以“面积等效”、“质量等效”[12]为原则，将纯圆形颗粒构造成长形颗粒(长短轴比分别为1∶1.25和1∶1.5)、三角颗粒和四边形颗粒，如图2所示。

图2 非圆形颗粒模型结构

1.2 材料细观参数的确定

(1) 砂土细观参数确定

砂土细观参数通过建立纯圆形颗粒的双轴试验模型进行试算，使得模型土颗粒表现出的宏观性质与表1的砂土宏观性质相吻合。双轴试验颗粒流模型、砂土应力应变曲线以及莫尔圆如图3所示，最终确定材料细观参数见表2。

表1 地基土材料宏观参数

表2 地基土颗粒及边界细观参数

图3 双轴试验颗粒流模拟

(2)格栅细观参数确定

根据文献[11]中的土工格栅拉伸试验数据，格栅的细观参数通过建立相应的平行黏结格栅拉伸试验模型进行试算，使模型中格栅应力应变曲线与文献[11]中格栅试验的应力应变曲线相吻合。土工格栅拉伸试验模型如图4(a)所示，格栅长200 mm，颗粒半径4 mm。将格栅右端的第一个颗粒固定，对左端第一个格栅颗粒施加向左的恒定速率，进行拉伸模拟，并记录左端第一个颗粒力与位移的关系，如图4(b)所示，最终确定格栅细观参数见表3。

图4 土工格栅拉伸试验颗粒流模拟

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

2 结果分析

2.1 变形图分析

图5为不同形状颗粒工况下拉拔试验变形图，由图可知：(1)在拉拔过程中，土颗粒随着格栅向左运动；(2)各模型土颗粒的变形影响范围均较小(如图中点划线所示)；(3)在格栅拉出端，格栅两侧土颗粒由于受到模型边界限制和挤压，水平运动路线被切断，颗粒向两边运动，在另一端则由于格栅周围的颗粒向前运动而出现空隙，格栅两侧的土颗粒向靠近格栅方向运动(如图中虚线所示)；(4)各模型在格栅周围出现不同程度的空隙。

图5 不同形状颗粒工况下拉拔变形

2.2 颗粒旋转量分析

图6给出了不同形状颗粒工况下土颗粒旋转量分析图，正值表示颗粒逆时针旋转。在土工格栅两侧较小范围内(如图中虚线所示)，旋转角度较大的颗粒较集中，但不是所有格栅两侧土颗粒的旋转量都较大；在相同拉拔位移下，不同形状土颗粒的最大旋转量和旋转量幅度不同，旋转量幅度大小关系为：四边形颗粒>三角形颗粒>纯圆颗粒>长形颗粒(1∶1.25)>长形颗粒(1∶1.5)。

图6 不同形状颗粒工况下土颗粒旋转量分析

2.3 水平位移分析

图7给出了不同形状颗粒工况下土颗粒水平位移云图，正值表示位移方向水平向右。由图可知，靠近格栅一侧的土颗粒随着格栅向左运动，离格栅越远水平位移越小，其原因是格栅向左运动给周边土颗粒一个向左的摩擦力，使土颗粒向左运动，导致土颗粒之间存在相对位移，从而实现摩擦力的传递，同时由于摩擦力在传递过程中的损耗，离格栅越远的颗粒水平向位移量越小。

以15 mm为一层，通过分段统计模型中颗粒水平位移量，如图8所示为不同形状颗粒工况下各层土颗粒平均水平位移变形曲线，图中显示格栅上部水平位移量与幅值大于格栅下部，分析其原因：上部土体所受法向应力及本身重力的作用方向相同，使得颗粒与格栅之间的相互作用力大，在相同的接触面摩擦系数下其受到的摩擦力大，故靠近格栅处的水平位移量大；而下部则相反，下部土体所受法向应力向上而本身重力向下，使得颗粒与格栅之间的相互作用力变小，从而受到的向左的摩擦力变小。图中还显示，在相同条件下，不同形状颗粒的最大位移量关系为：纯圆颗粒>四边形颗粒>三角形颗粒>长形颗粒(1∶1.25)>长形颗粒(1∶1.5)，分析其原因：不同颗粒的咬合程度不同，非圆颗粒咬合程度大，在拉拔过程中较难产生错动，水平位移量较小。

由图7与图8可得，以格栅为中心线，两边的水平向位移为零的高度点并不对称，格栅上部高度小于格栅下部，即格栅上部剪切带宽度小于格栅下部剪切带宽度，这与文献[3]的试验结果一致。同时图7还显示，各模型剪切带宽度关系为：纯圆颗粒<四边形颗粒<三角形颗粒<长形颗粒(1∶1.25)<长形颗粒(1∶1.5)，这主要是因为颗粒间的咬合程度越大，颗粒间越不易错动，越有利于颗粒间力的传递。

图7 不同形状颗粒工况下水平位移云图

图8 分层平均水平位移

2.4 竖向位移分析

图9给出了不同形状颗粒工况下土颗粒竖向位移云图，正值表示位移方向竖直向上。图10给出了不同形状颗粒工况下土颗粒分层(每层厚度15 mm)平均竖向位移统计图。由图9和图10可知：(1)土颗粒竖向位移量曲线整体呈S型，各工况曲线均存在3个竖向位移为0的点；(2)格栅上侧靠近格栅处土颗粒向下运动，颗粒位移量随与格栅距离的增大而减小，减至0值后向反方向增大，在30 mm附近达到向上运动位移量最大值后又开始减小，再次出现0值后开始增大，在模型边界处位移量达到向下位移最大值；(3)格栅下侧靠近格栅处的土颗粒向下运动，在距格栅15 mm附近达到向上运动的最大位移量后开始随与格栅距离增大而减小，出现0值后开始反向增大，在模型下边界处达到向上运动位移量的最大值；(4)在模型的左侧，由于受到模型边界的限制，格栅两侧土颗粒运动路线被切断，格栅上侧颗粒往上运动，格栅下侧往下运动，且两端的位移量都较大，近似呈对称分布。

2.5 拉拔力分析

图11为拉拔力与拉拔位移关系曲线图，图中显示：(1)格栅拉拔力随着拉拔位移的增加而增加，但增幅不断减小，拉拔力最后趋于某一定值；(2)同一拉拔位移下，各模型的拉拔力大小不同。各模型拉拔力大小关系为：四边形颗粒>三角形颗粒>长形颗粒(1∶1.5)>长形颗粒(1∶1.25)>纯圆颗粒，原因可能是：(1)不同土颗粒之间的咬合嵌锁程度不同；(2)长短轴不同而引起的平均惯性矩不同。更为具体的土工格栅与填土界面受力机理还有待作进一步的研究与分析。

图9 不同形状颗粒工况下竖向位移云图

图10 分层平均竖向位移

图11 拉拔力与拉拔位移关系曲线

3 结 论

本文采用PFC2D离散元法软件，根据双轴试验和格栅拉伸试验颗粒流模型，确定了土颗粒和土工格栅的参数，建立了不同界面的土工格栅加筋土拉拔试验模型，从细观角度分析了筋土在不同界面的特性，得出以下结论：

(1)拉拔过程中，旋转量较大的土颗粒在格栅两侧较集中，但不是所有格栅两侧土颗粒的旋转量都较大。

(2)不同形状颗粒模型的水平位移大小不相等，其关系为：纯圆颗粒>四边形颗粒>三角形颗粒>长形颗粒(1∶1.25)>长形颗粒(1∶1.5)。

(3)筋土拉拔过程中，格栅两侧的剪切带宽度不相等，格栅下侧的剪切带宽度大于格栅上侧，且不同形状颗粒模型的剪切带宽度不相等，其关系为：纯圆颗粒<四边形颗粒<三角形颗粒<长形颗粒(1∶1.25)<长形颗粒(1∶1.5)

(4)各颗粒模型的竖向位移曲线呈S型，以格栅为中心两边呈大致对称分布。

(5)加筋土拉拔过程中，不同形状颗粒模型的拉拔力不相等，各模型拉拔力大小关系为：四边形颗粒>三角形颗粒>长形颗粒(1∶1.5)>长形颗粒(1∶1.25)>纯圆颗粒。

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