土工织物与砂土界面特性数值模拟研究

张俊腾，尤文贵，袁亚芳，杨祁

（福建农业职业技术学院，福州 350119）

0 前言

“土工织物”一词最早是由J.P.Giroud与J.Perfetti于1977年提出来的，他们把透水的土工合成材料称为“土工织物”。土工织物在我国的应用可以追溯到1977年江苏省长江嘶马护岸工程中，可见起步较晚。因其质量轻、体积小且能够适应地基的较大变形，在90年代便被广泛的应用在公路、铁路、机场、港口等重大工程建设领域当中。土工织物的界面特性作为工程设计重要指标直接关系到工程建设的安全性和经济性。国内外学者已有很多学者对筋土界面特性进行了研究，但仍然处理探索阶段。Reddy[1]通过室内直剪试验研究了筋土界面特性，研究了加筋土界面的位移与剪切力的关系。Anubhav[2]采用直剪试验研究了砂土与土工织物的界面特性。Arulrajah[3]采用大型直剪试验研究了筋土界面特性，试验结果表明加筋体能够显著增加土体的抗剪强度。周志刚[4]采用直径为15.2cm高为12.0cm的剪切盒，以南方常见的红砂岩风化土和砂卵石风化土为土样研究了筋材与土之间的剪切性能。试验结果表明，采用基于强度理论的τ=c+σntgφ关系不能描述筋材与土体处于剪切破坏之前的状态。Duncan-Chang的双曲线[5]模型能够较好的描述该状态，但是仍然有其局限性。为了弥补这一局限性，周志刚结合了南京水利科学研究院的非线性模型进行了改进进而提出了全阶段的推广双曲线下模型。王军[6]采用美国Geocomp公司生产的ShearTracⅢ大型直剪仪，以福建平潭的砂土为土样，研究了土工织物与砂土的界面特性，提出了强度峰值前双曲线模型和峰值后位移软化模型的组合模型。吴海等[7]通过大型直剪仪研究了不同上覆土压力对筋土界面特性的影响。周健等[8-9]采用离散元数值模拟，分析了砂土与土工织物的力学特性。综上，对于筋土界面特性的研究大多数只考虑单一因素的影响，很少考虑多因素的影响。文章将采用有限元数值模拟方法，分析多因素对土工织物与砂土界面特性的影响，以期供工程设计人员参考。

1 数值模型建立

相对于室内试验而言，采用有限元数值模拟不但能提供大量数值计算结果而且还能够考虑筋土界面的线弹性、非线性和弹塑性性状。本节采用砂土为土样，通过改变单一变量法人方法建立不同的有限元模型，分析上覆土压力、土体压缩模量、土体强度、加筋体长度、加筋体间距和接触面对直剪试验剪切力-位移即筋土界面本构关系的影响。

图1 剪切试验有限元模型

为了更加真实的模拟实际工程的加筋土层，剪切试验的几何模型为：下盒长度5m，上盒长度4.5m，厚度均为0.5m，土工织物的长度为4.5m。砂土的本构模型采用M-C模型，排水类型为非排水，土工织物为弹塑性材料其轴向刚度EA=1000 kN/m，其余参数如上表所示。

土体参数 表1

图2 不同上覆土压力下筋土界面本构关系

图3 不同土体压缩模量下筋土界面本构关系

图4 不同土体内摩擦角下筋土界面本构关系

2 计算结果分析

图5 不同土体内聚力下筋土界面本构关系

图6 不同土工织物长度下筋土界面本构关系

图7 不同土工织物间距下筋土界面本构关系

图8 不同接触面折减强度下筋土界面本构关系

如图 2，当上覆土压力 σ=10kPa、30 kPa、60 kPa、120 kPa时对应的最大剪切应力分别为80kPa、120 kPa、180 kPa、280 kPa。很显然，最大剪切应力随着上覆土压力的增大显著增大，说明上覆土压力对加筋土内部稳定性贡献极大。如图3，最大剪切应力对土体压缩模量的变化不敏感，均在90 kPa附近。如果从王军的组合双曲线模型[6]的角度看，较大的土体压缩模量能够把强度峰值提前并且更容易出现峰值后位移软化的现象。如图4-5，与压缩模量相反的是提高土体的强度能够将本构模型的峰值延后，并且能够大幅度的提高筋土界面的最大剪切应力。如图6，当土工织物的间距为1m时，其长度L=2m所对于的最大剪切应力为40kPa，长度L=4m所对应的最大剪切应力为80kPa，增幅100%。

如图7，土工织物间距Sv=1.0m、Sv=0.8m、Sv=0.6m、Sv=0.4m和Sv=0.2m所对应的最大剪切应力分别为 20kPa、40 kPa、50 kPa、70 kPa和 90 kPa。说明筋土界面最大剪切应力随着土工织物的间距的缩小呈线性增长。引入土工织物与土体的接触面的强度折减系数，采用数值模拟可以很好的分析筋土界面特性。如图8，折减系数越小代表土工织物与土体的接触面的摩擦系数越小，对应的最大剪切应力也越小。因此，在工程设计的时候应该选择表明粗糙的土工织物作为加筋材料。

3 结语

①土工织物的加筋效果受上覆土压力、土体压缩模量、土体强度、加筋体长度、加筋体间距和接触面多种因素的影响。

②在一定程度上增大上覆土压力、提高土体密实度和强度、加大土工织物长度、加密土工织物间距和选择粗糙的土工织物均能提高加筋效果。