土工格栅层间距对地基承载力影响细观研究

2018-05-04吴敏

陕西水利 2018年2期

吴敏

（浙江省德清县水利工程管理所，浙江德清 313200）

1 前言

土是一种离散颗粒体，其结构松散、土体粘聚力小，因此其抗拉和抗剪强度较低。在土中加入抗拉性能较好的材料，例如土工格栅，利用格栅高拉伸强度、整体性等特显，能够有效提高土体的抗拉和抗剪强度[1]。将该技术应用于地基中，通过土工格栅和填土之间的摩擦作用和土工格栅，能够有效提高地基承载力，减小地基沉降。目前对土工格栅加固地基已有较多的试验研究[2]、数值模拟[3]和工程应用[4]。其中，土工格栅加筋土地基承载力的影响因素较多，例如土工格栅层间距、加筋长度、埋深等因素。而相关试验及工程研究只是停留在经验总结上，数值模拟也大多为有限元模拟，并未从细观上解释土工格栅在地基中的作用机理。

本文采用离散元模拟软件PFC2D对土工格栅地基进行了数值模拟，研究地基中土工格栅的层间距对地基承载力的影响。

2 土工格栅地基数值模型验证

2.1 模型试验介绍

采用Latha[5]等人通过缩尺试验研究土工格栅层间距对地基承载力的结果。该实验在模型箱中进行，模型箱尺寸为90 cm×90 cm×60 cm（长×宽×高），如图1所示。实验中地基采用干砂堆积，干砂相对密实度为70%，重度为15.6kN/m3，内摩擦角为44°。采用正方形钢板对基础进行加载，钢板尺寸为15 cm×15 cm。试验中设定首层埋深为15 cm，加筋长度为90 cm，在分别设置土工格栅层间距15 cm、10 cm和6 cm对地基承载力的影响，其中间距为15 cm设置3条土工格栅，间距为10 cm设置4条土工格栅，间距为6 cm设置6条土工格栅，试验结果如图2所示。

图1 土工格栅地基模型实验示意图

图2 模型试验层间距影响地基承载力结果

2.2 土工格栅加筋土地基离散元模型的建立

PFC2D中提供的基本单元是圆盘颗粒，通过圆盘代替离散的颗粒，通过相互接触的颗粒之间的弹簧和滑动准则来模拟颗粒之间的接触力。运用PFC2D软件建立的土工格栅加筋土地基数值模型如图3所示。地基土体颗粒间采用线性模型（Linear contact model），土工格栅颗粒采用平行黏结模型（Linear contact bond model），模型参数如表1所示。

图3 土工格栅加筋地基PFC2D模型

表1 模型参数

2.3 离散元模型验证

通过上述建立的数值模型结果，对无加筋地基以及在地基中埋设土工格栅首层埋深为15 cm，加筋长度为90 cm，间距10 cm，土工格栅4条的情况分别进行了模拟，结果如图4所示。

图4 模型试验和数值模拟结果对比

从图4可以看出，对于无加筋砂土地基，数值模拟结果与实测结果较为吻合，较好模拟了在分级加载过程中地基的沉降变形，说明数值模拟所选模型参数较为合理。对于加筋地基，数值计算结果接近略小于模型试验结果，可以认为所建立的数值模型能够较好的反映加筋土地基的工作特性。

3 土工格栅作用原理

首先对2.1节中首层埋深为15 cm，加筋长度为90 cm，间距10 cm，土工格栅4条工况下进行了数值计算结果并对计算结果进行了分析。图5为不同竖向加载下土工格栅中间沉降变形量及对应的土工格栅颗粒间张力的大小。从图5（a）可以看出，随着竖向压力的增大，土工格栅沉降量增大，沉降增大速率减小；土工格栅拉应力也不断增大，拉应力速率变大。这说明随着竖向压力的增大，土工格栅发挥作用越加明显，土工格栅拉应力增长速率变大，沉降增大速率减小。

图5 不同竖向荷载下土工格栅中心变形及拉应力大小

图6 为竖向压力为300 kPa时，土工格栅沿自身长度方向的拉应力分布。可以看出，土工格栅中心部位拉应力最大，左右以中心对称。这说明土工格栅加固地基时，最大拉应力发生在加载部位下部，因此在实际工程设计中，应考虑土工格栅拉应力分布的不均匀性。

图6 土工格栅拉应力分布

4 土工格栅层间距对地基承载力的影响

采用土工格栅地基PFC2D数值模型分别对表2中各个组合进行了地基承载力计算，每个组合首层埋深均为15 cm，加载板宽度为15 cm，土工格栅长度为90 cm。图7为组合A在300 kPa竖向荷载下的承载力模拟结果。从图7可以看出，随着土工格栅间距的减少，地基承载力逐渐增大，增长幅度逐渐减小。假设一条土工格栅造价为1个单位，则间距为15、10、6、5cm的造价分别为3、4、6、7个单位，相邻两个增长幅度分别为33%、50%、33%，而对应的承载力增长幅度分别为55%、18%、2%。综合造价与承载力提高幅度，可以看出土工格栅层间距为10 cm即4层土工格栅时最为合适。