循环动载作用下筋-土界面拉拔特性的数值分析

张贵生 杜衍庆 练象平 路遥

【摘    要】：筋-土界面作用机理对研究加筋土结构性能具有重要意义。基于验证的有限元数值方法模拟筋-土界面拉拔过程，研究界面循环正应力初值、幅值和频率对筋-土界面拉拔特性的影响，结果表明：增加筋-土界面循环正应力频率或幅值，导致筋-土界面相互嵌固咬合和摩擦作用力降低。因此，高频重载作用下加筋土结构的稳定性应引起重视。

【关键词】：循环动载；筋-土界面；拉拔试验；加筋土结构

【中图分类号】：TU472.34【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）03-04-05

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.002

Numerical Analysis of Pull-out Characteristics of Reinforcement-soil Interface

under Cyclic Dynamic Loading

ZHANG Guisheng1，DU Yanqing1， LIAN Xiangping1， LU Yao2

（1. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd.， Tianjin 300392， China;

2. School of Civil and Transportation Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401 ， China）

【Abstract】：The interaction mechanism of reinforcement-soil interface is of great significance to study the structural performance of reinforced soil. Based on the verified finite element numerical method， the pull-out process of the reinforcement-soil interface was simulated， and the influence of the initial value， amplitude and frequency of the interface cyclic normal stress on the pull-out characteristics of the reinforcement-soil interface was studied. The results showed that when the frequency and amplitude of interface cyclic normal stress was increased， mutual embedding， occlusion and friction between reinforcement and soil interface decreased. The stability of reinforced soil structure under high frequency and heavy load should be paid attention to.

【Key words】：cyclic dynamic load ; reinforcement -soil interface; pull-out test； reinforced soil structure

加筋土通過向填料中加入筋材来增加自身强度，筋材与填料土体的相互作用决定加筋效果；因此，开展筋-土界面相互作用研究具有重要意义。目前，拉拔试验或直剪试验是国内外研究筋-土界面相互作用机理的重要试验手段，在筋材与填土类型、界面参数等对作用机理的影响方面取得了较为丰硕的成果[1～2]；但受模型尺寸与条件、标准选择等因素影响，试验结果在全面反映筋-土界面相互作用机理方面有待进一步完善。

现有大量的研究结果表明[3～4]，基于有限元或离散元等数值计算方法，通过设置合理的筋-土界面本构模型，可有效对筋-土界面特性开展多因素、多尺度的变参数分析并研究筋材拉拔力及位移、应力和应变的发生、发展与变化规律。如Jensen等[5]、Wang等[6]和易富等[7]采用PFC离散元软件模拟筋-土间的直剪试验，研究了直剪过程中筋-土界面特性及筋材周边土体的变化规律，重点研究了筋-土界面间力的传导机理，在格栅加筋效果的最佳孔径比等方面取得了较好的成果。

既有研究主要针对静载作用下筋-土界面特性，考虑到实际中大量加筋土用于道路支挡结构中，筋-土界面或筋材往往承受交通循环荷载作用，但动载作用下筋-土界面特性的研究相对较少。本文基于有限元数值方法，模拟研究拉拔试验中循环正应力为循环荷载作用下的筋-土界面作用特性。

1 筋-土界面拉拔特性数值模拟

1.1 模型的建立

采用ABAQUS有限元软件平面应变状态来模拟拉拔过程，建模尺寸与既有实际箱子尺寸一致，长×宽为800 mm×420 mm，格栅筋材长度和厚度分别1 040 、1 mm，网格划分尺寸设定0.04 m。见图1。

模拟拉拔试验筋材从左侧加载拉拔，土体底部边界限制位移，左侧即加载一侧土体受箱子边界限制水平方向位移。

填料土体采用摩尔-库伦屈服准则的弹塑性本构、筋材采用弹性本构模拟，采用罚函数模拟筋-土界面摩擦接触属性，根据室内拉拔试验测定格栅和填土参数。见表1。

通过3个分析步完成，即初始分析步、静载施加分析步和动载施加分析步。静载分析步施加重力荷载和恒定荷载；动载分析步建立时间-荷载关系，施加循环荷载。通过设置格栅和上下土体的接触属性完成筋-土相互作用的构建，筋-土界面摩擦系数设置为0.9。

1.2 模拟方案

为分析动载作用下的筋-土界面特性，筋-土界面正应力为动载循环作用，即重点研究界面正应力初始值s0、幅值An和频率fn变化时，筋材拉拔特性和筋材位移沿长度分布的特征。见表2。

1.3 模拟验证

为了验证数值模拟方法的准确性，选取既有拉拔试验结果[8]进行对比分析，以界面正应力sn=10 kPa为例，对比分析拉拔过程中不同加载端位移时筋材沿长度方向位移变化。不同加载端位移的数值模拟和拉拔试验测得的筋材位移量相差较小，表明模拟筋-土界面拉拔试验的数值方法是可靠的。见图2。

选取sn为50～75 kPa、频率f为0.1 Hz对比分析界面正应力变化时剪应力与加载端位移的变化。数值模拟结果较试验结果曲线走势更为顺滑、曲线波动范围更小，可准确完成整个循环荷载的施加，较好反映试验数据结果走势，基于本文数值模拟开展界面动载作用下的筋-土界面特性研究是可行性的。见图3。

2 模拟结果分析

2.1 界面循环正应力初值对拉拔特性的影响

选取3种界面循环正应力进行分析，即An、fn和拉拔速率相同，仅改变s0，模拟所得筋材拉力与加载端位移。初始阶段，拉拔力均随加载端位移增加而增加，由于界面正应力为循环荷载，拉拔力同加载端位移关系呈波动变化，随拉拔进行，拉拔力逐渐达到峰值，后续拉拔力达到相对稳定状态，此后加载端位移持续增加，而拉拔力保持稳定，终至筋材被拔出破坏（20 mm），模拟拉拔过程结束；而且，随界面循环正应力初值增大，拉拔力峰值呈递增趋势且进入稳定波动状态时加载端位移随之增加，即达到稳定状态的时间后移。见图4和图5。

分析界面循环正应力初值对拉拔过程中筋材不同位置处的位移变化影响，相同界面循环正应力初值下，随加载端位移增加，测点1、2和3相继发生移动且随着距加载端越远，出现初始位移时加载端位移亦越大。另外，随界面循环正应力初值的增大，初始位移的滞后性表现愈加明显且在相同加载端位移时，测点位移量呈减小趋势，反映出筋材拔出的阻抗作用增大，筋-土间相互作用得到提升。见图6。

对比同一测点处s0为10、15、20 kPa时的位移量，s0为10 kPa时，位移值最大，随初值增加位移呈递减趋势，这是因为在幅值为5 kPa即界面正应力较小时，拉力沿筋材长度方向传递较完全且界面正应力对位移沿筋材传递影响较大。

2.2 界面循环正应力频率对拉拔特性的影响

选取s0为15 kPa、An为5 kPa、fn分别为0.1、0.2、0.5 Hz，研究界面循环正应力频率对筋材拉力与拉拔位移的影响。随着fn增大，峰值拉拔力呈衰减趋势且至峰值稳定状态时的加载端位移量略微减小，即达到峰值稳定状态时间提前，主要原因为随着fn增大，上覆荷载震动周期减小，整体振动强度增加，导致土体颗粒易发生重新排列，使得筋材拔出的阻抗作用减弱，从而呈现出峰值拉拔力产生减小的情况。见图7和图8。

随着测点位置距加载端距离的增加，位移量呈递减趋势且表现出明显的滞后性。相同加载端位移时，测点位移量随频率增大而增加，主要原因是随着频率增大，填土颗粒发生更多次的重新排列组合，导致筋-土间的嵌固咬合和摩擦作用力降低，埋置土体内部筋材拔出难度降低，其位移量也随之增加。表明增加界面正应力作用频率导致筋-土界面作用降低。见图9。

2.3 界面循环正应力幅值对拉拔特性的影响

选取s0为15 kPa、fn为0.1 Hz、An分别为2.5、5、10 kPa，研究幅值对筋材拉力与拉拔位移关系的影响。相同加载端位移时，随着An不断增加，拉拔力减小，主要是因为界面正应力最小值随幅值的增加而减小，由于循环速度较快，筋材拔出过程中表现出两种不同状态，即界面正应力最小值时筋材持续拔出，但在界面正应力较大时筋材不会移动，故而界面正应力最小值决定了筋材拔出时筋-土界面阻抗作用的大小，呈现出峰值拉拔力随幅值增大而减小的情况。An为10 kPa时，加载端拉拔力-加载端位移關系曲线中上升阶段存在波动起伏状况，主要原因是随着幅值增大，界面循环正应力最大差值增大，拉拔过程中不同界面正应力时土体产生的塑性变形程度不同，即在拉拔阶段时筋-土界面接触部位易产生部分土体凸起，也同样存在土体凸起部位消失情况，从而在拉拔力方面表现出骤增和骤降现象，即筋材拉拔过程中拉拔力-加载端位移曲线的异常波动情况。见图10和图11。

相同加载端位移时，测点位移随幅值的增加而增加；各测点初始移动时的加载端位移量减小且随距加载端距离增加而愈加明显，表明增加界面循环正应力的幅值，促进了拉力沿筋材长度方向的传递，表现出相同加载端位移时筋材各测点变形量有所增加。见图12。

3 结论与展望

1）随着筋-土界面循环正应力初值增加，拉拔过程中拉拔力峰值呈递增趋势，筋材沿长度距加载端越远，测点位移量呈逐步递减趋势。

2）随界面循环正应力频率或幅值的增加，拉拔力峰值呈递减趋势，距加载端不同距离处的位移量呈递增趋势。

3）增加界面循环正应力频率，导致筋-土界面相互嵌固咬合和摩擦作用力降低；因此，在高频荷载作用下，加筋土结构的稳定性要引起重视。

筋材水平拉拔力作用模式是影响筋-土界面特性的重要因素，未来可通过改变筋材水平拉拔力的大小和频率，进一步深入研究筋-土相互作用特性。

参考文献：

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