土工合成材料加筋土动力特性研究现状及展望

徐振华+霍兵兵+郑海艳+潘越

摘 要：从试验和数值分析方法两个方面阐述了目前土工合成材料加筋土动力特性的研究现状及其在在的问题。并提出今后要从减小尺寸效应，建立贴近实际的动本构模型入手，研究出更具有参考性的动力参数，使其在工程结构设计应用中更合理。

关键词：加筋土；动力特性；试验研究；数值研究

土工合成材料加筋土技术已广泛地应用于工程建设中。早期人们是将天然植物如稻壳、茅草等掺入土体中来改善土体的整体稳定性，但并无理论基础。后来法国工程师Vidal提出了加筋土概念及其设计理论，从而为加筋土技术研究奠定了基础。土工合成材料加筋土技术的应用提高了加筋结构的力学性能。研究在动荷载作用下加筋结构的动力特性已至关重要，这是因为加筋土的动力特性指标在加筋土工程结构设计中至关重要，直接影响了加筋土结构的安全稳定性。

1 加筋土动力特性概述

加筋土结构的应用已引起国内外岩土工程界人士的极大关注，随着加筋土技术应用领域的拓宽，对加筋土技术进行动力方面的研究已成为一个不可回避的重要课题。加筋土的动力特性研究思路大多是以试验为基础，研究土的动应变、阻尼比、动强度与振动孔压等特性。目前还出现了用数值模拟来研究加筋土动力特性的方法，这种方法的可使用性已得到研究人员的证实。大量的研究数据表明土工合成材料加筋土的动力特性与动荷载、频率、振动周次及筋材物理性质密切相关。

2 加筋土动力特性研究现状

2.1 加筋土动力特性试验研究

纵观各大文献，加筋土的动力特性试验有动三轴试验、共振柱试验、动扭剪试验、动直剪试验以及动单剪试验等。其中，动三轴试验和共振柱试验是目前研究土工合成材料加筋土动力特性最常见的方式。

2.1.1 动三轴试验研究。动三轴试验能较好的模拟加筋土的实际受力状态，至今已有许多学者采用动三轴试验研究了加筋土的动力特性，为工程结构设计提供了依据。谢婉丽等通过对不同加筋层数的黄土试样进行了不同动应力和不同围压作用下的动三轴试验，发现在动荷载作用下对土体加筋可以约束其侧向变形，使土体的抗震性能得到增强，并且随着动应力和围压的增大，加筋土体的轴向累积动应变越大。杨燕等用普通窗纱模拟土工合成材料，对加筋土体进行了大量的动三轴试验，研究得出了动模量随围压的增大而增大，但阻尼比随着围压增大而稍有减小。杨帅东等通过对加筋土样进行固结不排水动三轴剪切试验。研究了在不同筋材、不同加筋层数、不同围压和固结应力比条件下加筋土的动弹性模量变化规律。李文旭等等通过对加筋粘土进行动三轴试验，发现在粘性土中布置格栅筋材，在一定程度上提高了加筋土体的动强度特性，随着加筋层数的增多，加筋土体的动强度也越大。

由于用来做动三轴试验的加筋土样多为重塑土样，且它的尺寸效应比较明显，所以用动三轴试验测得的数据与实际相差甚大，但是我们也能从数据中总结规律并加以总结用于实际工程设计中，使设计结果更加安全，这也为工程计算提供了极大的方便。

2.1.2 共振柱试验研究。最早是日本工程师Iida在1938年把共振柱技术引入土工试验的，共振柱试验是利用波动理论在土试样上施加振动力，然后改变驱动频率，测其共振频率。最后根据土试样尺寸，测得的共振频率，和端部的约束条件就能算出加筋土的动力参数。

在国外，Mohamam H.Maher等在动力特性方面对加筋砂进行共振柱试验，测出了加筋砂的动剪切模量G与阻尼比D。比较分析了纤维含量对加筋砂的剪应变值、侧向应力，、动剪切模量与阻尼比的影响，得出了加筋土结构的抗震性能比较好的结论。在国内，大多数人都利用共振柱试验研究了非加筋土的动力特性，很少人针对加筋土作动力特性研究分析，这为研究人员又提供了一个新的研究领域。

2.1.3 其它试验研究。张小江等采用他们实验室设计的单轴静、动力拉压试验仪，研究了纤维加筋粘性土在静动荷载作用下的相关动力特性。试验研究结果表明，纤维加筋土和素土相比，其极限拉应力、极限拉应变、动强度、动模量、临界断裂韧度等都有相当程度的提高。并且得到土体进行纤维加筋后，即使在动载作用下发生破坏，还能继续承受一定程度的静荷载，其整体性仍能得到保持。

2.2 加筋土动力特性数值分析方法研究

随着研究方式的创新，对土工合成材料加筋土动力特性进行计算机数值分析势在必行，目前已有研究人员运用此方法做了较多研究。兰州铁道学院梁波等从加筋机理考虑，建立了加筋强度的等效约束力有限元模型，研究分析了粉煤灰在粘着破坏和拉力破坏两种情况下的动强度指标。为今后在数值模拟方面对加筋土动力特性的研究分析打下了基础。匡希龙等利用有限元软件ANSYS10.0建立了加筋土的黏弹塑性力学响应模型，该模型更能真实的反映加筋土复合体在循环荷载作用下的变形特征。为以后对加筋土动力特性的有限元模型建立提供了依据。数值分析结果的准确性取决于加筋土本构模型及其参数取值的合理性，但这仍需要通过室内试验确定和验证。

3 结论与展望

本文较为详细的介绍了土工合成材料加筋土动力特性的研究现状。对加筋土动力特性的研究已经成为岩土工程界的热点之一，目前已有大多数人作了相关研究，但由于对加筋土动力特性的研究方法不同，实验人员所用的试验设备，试验手段、加筋材料也有区别，所以各个研究人员整理的加筋土动力特性规律差异也很大。另外在加筋土动力特性的数值分析方面，对加筋土有限元模型的建立及其参数取值仍需进一步探讨研究。

关于针对土工合成材料加筋土动力特性的试验研究方面，加筋材料的物理参数及性质没有统一的标准，试验中采用的加筋土样多为重塑土样，尺寸效应明显，怎样能更真实的反应加筋土体的动力特性，还需人们多做研究。同样，在计算机数值分析方面，建立更贴近实际的加筋土动本构模型，筋土界面相互作用参数的确定，仍是需要解决的难题。

参考文献

[1] 谢婉丽，薛建功，常波.加筋土动力特性的三轴试验研究[J].灾害学， 2008（9）.

[2] 杨燕，柏署，张军.加筋土的动三轴试验研究[J].路基工程，2009（5）.

[3] 杨帅东，余湘娟，李玉起，王志强.加筋土动弹性模量的动三轴试验研究[J].世界地震工程，2010（26）.

[4] 李文旭，王宁，韩志型，姚勇.土工格栅加筋黏性土动力性能的试验研究[J]工业建筑，2011，41（7）.

[5] 张小江，周克骥，周景星.纤维加筋土的动力特性试验研究[J].岩土工程学报，1998，20（3）.

[6] 梁波，杨有海，孙遇棋.加筋粉煤灰的静动强度指标试验与研究[J].实验力学，1998，13（1）.

作者简介：徐振华（1989- ），女，河南周口人，青岛理工大学，硕士研究生。