土工布拉拔摩擦作用下本构模型构建研究

任泽栋　王璐

摘要：土工布是坡面生态防护工程中的重要材料，为探究其与上下垫层材料之间的拉拔力学本构关系，通过土工布拉拔力学性能试验，对竖向应力σ_z=25～100 kPa的多种不同竖向荷载条件下的土工布拉拔摩擦试验开展研究，推导构建了双曲线型的土工布拉拔摩擦本构模型。结果表明：土工布在坡面粉土接触作用下的拉拔摩擦强度-拉拔位移关系曲线τ-μ具有典型的非线性特征，试验数据构建的双曲线型本构模型能够较好地反映其非线性力学特性。

关键词：土工布； 拉拔力学特性； 摩擦作用； 本构模型

中图法分类号：TU41

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.012

文章编号：1006-0081（2023）12-0072-04

0引言

土工布兼具造价低、易透水、协调能力好、易反滤、施工便利等一系列优点，在水库、河道、抽水蓄能电站等水利水电工程，尤其是土质边坡坡面生态防护工程中得到广泛应用［1-3］。

土工布生态防护结构由下部耕植土、防护层、上部耕植土3个部分组成，土工布与上下接触材料之间存在拉拔摩擦关系。在坡面生态防护工程实践中，由于基础差异沉降，土工布因3层材料变形不协调，而导致其与上、下部的接触材料之间发生拉拔摩擦位移，这种拉拔摩擦位移不断积聚使土工布局部产生“夹具效应”，张拉变形不断增大直至破坏［4-6］。部分学者对土工布及其接触材料之间的力学特性做了研究，但有关本构模型构建方面的探究相对较少［7-9］。坡面生态防护工程中，土工布嵌入土体内部，土工布与土体之间的拉拔力学特性对坡面防护效果及边坡浅表层稳定至关重要［10-11］，开展土工布及坡面土体间的拉拔力学特性研究十分必要。

1试验设备及原理

1.1试验设备

土工布拉拔试验设备如图1中所示，该设备主要

由拉拔模塊、竖向加载模块、数据记录模块等3个部

分组成。土工布拉拔模块由上、下两个试验盒组成，试验盒内放置土工布上保护层和下垫层材料，二者中间放置土工布。试验过程中对土工布施加拉拔位移，使得土工布与其接触材料之间发生拉拔摩擦。竖向加载模块向土工布上保护层施加竖向荷载σz，以此模拟工程中的荷载作用。数据记录方面，试验过程中的传感器主要用于记录土工布的拉拔摩擦力F及拉拔位移μ。

1.2试验原理

2土工布拉拔摩擦本构模型构建

2.1试验方案及试验结果

2.2拉拔摩擦本构模型构建

3结论

本文对坡面生态防护土工布与其接触的粉土之间的拉拔摩擦受力特点进行分析，指出了土工布及其两侧接触土体的作用机理。详细介绍了土工布拉拔仪试验设备及其试验原理，利用土工布拉拔仪对不同竖向荷载作用下的土工布与其接触面之间的力学特性进行了试验研究，并就σz=25～100 kPa的多种覆土压力条件下，土工布拉拔摩擦τ-μ曲线做了对比，结果显示土工布在坡面粉土接触作用下的τ-μ具有典型的非线性特征。随着拉拔位移的增大，拉拔摩擦强度同步增大，但增速不断减缓并趋于稳定。试验结果验证了本文所推导的土工布在接触拉拔摩擦作用下的双曲线本构模型能够较好地反映土工布与坡面土体间的非线性力学特征，可为相关力学特性研究提供参考。

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（编辑：唐湘茜，张爽）

Construction of constitutive model under pull-out friction of geotextile

REN Zedong WANG Lu

（1.China Renewable Energy Engineering Institute，Beijing 100120，China；

2.Beijing Municipal Bureau of Coordinated Administrative Law Enforcement for Urban Management，Beijing 100045，China）

Abstract：As an important material in slope ecological protection engineering，geotextile was used to investigate the tensile mechanical constitutive relationship between it and the upper and lower cushion materials.Through the tensile mechanical performance test of geotextile，the tensile friction test of geotextile under various vertical load conditions with a vertical stress of 25～100 kPa was studied，and a hyperbolic type of geotextile tensile friction constitutive model was derived and constructed.The results indicated that the tensile friction strength displacement relationship curve of geotextile under the contact effect of slope silt had typical non-linear characteristics，and the hyperbolic constitutive model constructed from experimental data can better reflect its non-linear mechanical characteristics.

Key words：geotextile； pull-out properties； friction； constitutive model