土工格栅纵横肋的加筋土力学特性仿真研究

2020-06-30张杨杨刘奇苏耀辉

江苏建材 2020年3期

关键词：趋向于格栅土工

张杨杨，刘奇，苏耀辉

（1. 中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州221116；2. 中国矿业大学孙越崎学院，江苏徐州221116）

0 引言

土工格栅是一种由纵肋和横肋构成的网状加筋土材料，凭借其对土体有效的加筋作用，近年来在工程上得到广泛应用[1]。文章借助非线性有限元软件ABAQUS，采用数值模拟的方法，对加土筋结构力学性能进行仿真分析，最后给出研究结论。

1 有限元模型的建立

利用平面应变理论构建二维加筋土有限元模型。数值模拟时，土体采用莫尔-库仑模型[2]，土工格栅采用拉杆单元，并通过添加设置不同受压，来模拟其真实受力状态。土工格栅与填土之间的接触采用嵌入区域，把土工格栅作为嵌入区域嵌入到土体中；各结构部分采用平面4 节点无限元单元来模拟真实的土体。在加筋土结构左侧和底部设置边界条件来模拟土体与地面和其他墙体之间的接触[3]。

土体和土工格栅的物理力学参数见表1。

表1 模型基本参数

2 计算工况设计

为研究不同筋材形式及纵横肋数量对加筋土结构力学性能的影响，本次试验共设计了四种工况，不同工况下土工格栅的布筋方式、纵横肋减少形式如表2 所示。

表2 土工格栅工况

3 仿真结果分析

3.1 加筋土体应力

不同工况下加筋土体的应力分布云图如图1所示。由图1 可知，在逐级上覆荷载的作用下，加筋土体应力自上而下递增且有明显的分层现象，故将土体依据应力大小分为S1、S2、S3 层。应力最终在土体右下部达到最值。

图1 加筋土体应力云图谱

工况J-3 的应力较工况J-1 无太大变化，故未在图1 中展示。工况J-2、J-4 与工况J-1 相比有所不同，一方面工况J-1、J-2、J-4 的应力峰值依次增大，另一方面工况J-1 的S3 层较小，仅有局部破坏的趋势；工况J-2、J-4 土体的S1 层基本保持不变，但S2 层朝右上方扩大，土体右上角具有应力集中的趋势，S3 层扩大，朝着再分层的情况发展，总体来说朝着整体破坏的方向发展。

可以判断在荷载作用下，纵肋对调整加筋土体内部的应力起主导作用，横肋仅起辅助作用，配合纵肋生效。同等荷载条件下，横肋的增减对加筋土体应力分布并无太大影响；但当纵肋减少时，加筋土体应力峰值增大，且朝着整体破坏的方向发展。

3.2 加筋土体位移

不同工况下加筋土体位移分布大致相同，位移云图如图2 所示。由图2 可以看出，在逐级上覆荷载的作用下，加筋土体自左下到右上变形，且在右上部达到最值。

如图2 所示，在原有模型的右侧建立路径，每0.3 m 为一层取一次数据，绘制不同工况下土体位移与高度的关系曲线如图3 所示。由图3 可以看出，一方面土体位移随着逐级上覆荷载的增大而逐渐增大,但增幅较为有限；另一方面随着高度的增加，相邻层土体位移的差距越来越小。

图2 加筋土体位移云图谱

图3 加筋土体位移随上覆荷载变化曲线

工况J-3 的位移较工况J-1 无太大变化，故未在图3 中展示。同时，这说明不设横肋对土体的位移并未造成较大影响。工况J-2、J-4 与工况J-1 相比有较大的差别，一方面工况J-1 没有聚集现象，工况J-2 呈现出0.3 m、0.6～1.2 m、1.5～2.1 m、2.4～3.0 m 聚集状态，工况J-4 呈现出0.3～0.6 m、0.9～1.2 m、1.5～18 m、2.1～2.4 m、2.7～3.0 m 聚集状态，说明纵肋的存在对土体位移的影响很大。另一方面，同等条件下工况J-4、J-2、J-1 的位移依次减小，说明纵肋数量的增加可以降低上覆荷载对土体位移的影响。

分析可知，由于未限制土体右侧的位移，使得一侧土体处于无侧限状态。最初位移最值出现在右上部，说明此时倾向于发生土体的局部破坏，当减少格栅尤其是减少纵肋时，各高度位移都呈现出递增的现象，说明加筋土结构朝着整体破坏的方向进行。

3.3 土工格栅拉应力分析

不同工况下土工格栅拉应力的分布有所不同，拉应力云图如图4 所示。由图4 可以看出，在逐级上覆荷载的作用下，土工格栅拉应力主要由纵肋承担，横肋只在与纵肋的接触点附近承受少量拉应力，同层纵肋，拉应力自左向右呈现出先增大后减小的趋势，土体右端中下层筋材承受的拉应力达到最值。

图4 土工格栅拉应力云图谱

对比工况J-1 与J-3，发现两者土工格栅的拉应力大小和分布几乎没有差别，说明虽然横肋起到了一定的作用，但效果并不明显，增减横肋并没有对土工格栅拉应力造成影响。对比工况J-1、J-2，J-4，一方面土工格栅拉应力依次增大，说明土工格栅拉应力主要由纵肋承担，另一方面，纵肋数量较多时，单个纵肋承受的拉应力较小且趋向于局部破坏，随着纵肋的减少，单个纵肋承受的拉应力越大且趋向于整体破坏。

综合各工况的拉应力云图可以发现，土工格栅沿纵肋方向受力并不均匀。可以推测，假设上覆荷载继续增大时，左侧的土工格栅拉应力依旧趋向于零，右侧土工格栅拉应力继续增大且集中在中部纵肋上，易发生破坏。故加筋土土工格栅的力学特性，一方面受到布筋形式尤其是纵肋数量和位置的影响，另一方面也与上覆荷载大小相关，上覆荷载越大，土工格栅越趋向于拉断破坏。