加筋土拉拔界面作用的数值分析

2022-11-21谢美凤张俊腾尤文贵

安徽建筑 2022年11期

谢美凤，张俊腾，尤文贵

（1.福建船政交通职业学院，福建福州 350007；2.福建农业职业技术学院，福建福州 350119）

0 前言

加筋土技术的应用最早可以追朔到新石器时代[1]，从仰韶遗址的发掘[2]可以证实早在公元前5000多年前，我们的祖先就掌握了利用草筋对土屋进行加固的技术，公元前2600年罗马人[3]开始利用芦苇对软土路基进行加固，公元前1500年古巴比伦人[4]采用竹丝对拟建庙宇的软土地基进行加固。在古代，由于生产力所限人们只能依靠天然材料进行加固。在近代，随着人工材料的问世加筋技术的应用得到较为广泛的推广。第一次世界大战期间美国曾用麻织布加固战备公路，第二次世界大战中英国曾用梢辊和帆布对路基进行加固供坦克通行，1958年美国佛罗里达州大西洋海岸防护工程中，采用聚氯乙烯有纺织物作为加固材料，1959年日本采用有纺织物砂袋和合成材料片修复遭受台风破坏的伊势湾海岸的海堤和围堤，1960年荷兰采用尼龙有纺织物加固海岸防止受海浪淘刷，1962年美国杜邦公司开发纺粘法长纤维无纺布以取代短纤维无纺布，1968年日本、英国、法国将土工织物应用于道路和海岸工程当中。很显然，加筋土的理论研究晚于工程实践，其理论研究最早开始于法国工程师Henri.Vidal[5]提出的加筋土的加筋原理：利用加筋材料的抗拉性能通过其与土体的嵌固和摩擦作用，从而提高土体的稳定性和强度。加筋机理的研究主要通过现场试验、室内试验、解析理论分析和数值模拟等方法。筋土界面作用特性是研究加筋机理的一个重要内容，而研究其界面作用特性试验的方法主要有4种[6]：直剪试验、拉拔试验、扭剪试验和斜板试验。由于拉拔试验能够反应加筋材料的张力的传递过程，更能反应加筋的真实状况[7～13]，从而被国内外学者普遍用于研究加筋土的界面作用特性。尽管当前对于筋土界面作用特性的拉拔试验研究很多，但是将分析结果与实际工程实测数据对比时，其吻合度往往不尽人意，甚至出现趋势不同或者相反的情形[14]。这是因为室内拉拔试验存在很多干扰因素[15]，比如加载方式、侧壁边界效应、尺寸效应、填料厚度等。伴随着计算机技术的发展，数值模拟作为研究筋土拉拔界面作用特性的一种新方法引起了研究人员极大的兴趣。作为室内拉拔试验的有力补充[16]，国内外很多研究人员[17-19]利用有限元法研究了筋土拉拔界面作用的筋材应力应变特征。总结以往文献可知有限元法研究筋土拉拔界面作用的加筋体全长范围内的应力应变的文献很少，特别是不同因素影响下的应力应变特征。本文将通过有限元法研究不同的上覆土压力、拉拔力、加筋体刚度、土体强度对筋土拉拔界面作用的影响。

1 数值模型的建立

为了更能真实模拟实际的工程剪切盒的几何尺寸为5.0m×0.5m，加筋体长度为4.5m，如图1所示。有限元计算需要对模型进行网格划分，进而单元分析，最后反复迭代求解微分方程。如果接触面不稳定，会造成有限元单元的不稳定，这样可能无法在规定的迭代次数内求得近似解，甚至出现不收敛[20]的情况。加筋材料在拉拔过程会与土体产生相对位移，如果考虑接触面附近的颗粒在拉拔时发生的微小变形很容易造成接触面不稳定。因此，本文土体的本构模型采用不考虑土颗粒变形的M-C，参数采用福建长乐的砂土，各材料的参数详下表所示。筋材刚度EA=1000kN/m。荷载的施加方式采用给定预位移的方式。

图1 拉拔试验有限元模型

2 计算结果分析

由图2可知，加筋体在不同上覆土压下最大拉力均位于筋材的始端沿着筋材越靠近末端拉力越小，上覆土压力σ=10kPa时，拉力为零的点距离筋材料始端为3m，上覆土压力σ=30kPa时，拉力为零的点距离筋材料始端为2.0m，上覆土压力σ=60kPa时，拉力为零的点距离筋材料始端为1.5m，上覆土压力σ=120kPa时，拉力为零的点距离筋材料始端为1.0m。说明上覆土压力越大，拉力的传递距离越短。由图3可知，加筋体的位移最大值位于筋材始端，沿着筋材方向越靠近末端其位移越小，上覆土压力越大接触面发生相对位移的传递距离越小。因此，在设计加筋土结构时，应该注意加筋材料的有效利用，比如加筋挡土墙底层的加筋材料和顶层的加筋材料由于上覆土压力不同可以选择不同抗拉强度的材料，避免出现材料本身抗拉强度不足和浪费。

土体参数

图2 不同上覆土压力筋材拉力分布情况

图3 不同上覆土压力筋材位移分布情况

由图4和5可得，拉拔力F=30kN/m时，加筋体内力沿着筋材自外向内逐渐减少，距离墙面板0.3m处其内力消散至20%以下。拉拔力F=60kN/m时，加筋体内力沿着筋材自外向内逐渐减少，距离墙面板0.5m处其内力消散至20%以下。拉拔力F=120kN/m时，加筋体内力沿着筋材自外向内逐渐减少，距离墙面板1.9m处其内力消散至20%以下。拉拔力F=200kN/m时，加筋体内力沿着筋材自外向内逐渐减少，距离墙面板2.4m处其内力消散至20%以下，则说明拉拔力越大荷载沿筋材的传递距离越大，意味着在设计加筋挡土墙时，底层的加筋体可适当加强，避免出现加筋材料没有锚固区的情况造成挡墙的稳定性不足而发生滑动破坏。由图6可得，筋材刚度EA=1000kN/m时，荷载有效传递距离为2m，EA=1500kN/m时荷载有效传递距离为3m，EA=2000kN/m时荷载有效传递距离为4m，说明加筋体刚度越大荷载的有效传递距离越大。由图7可得，筋材刚度EA=1000kN/m时最大位移为200mm，EA=1500kN/m时最大位移为150mm，EA=2000kN/m时最大位移为100mm，说明加筋体刚度越大最大位移越小。在设计时应该注意不同加筋体刚度时筋材最大拉力相同，但是最大位移不同，加筋体刚度越大，筋材的位移也越小，荷载的传递距离也越小。

图4 不同拉拔力时筋材拉力分布情况

图5 不同拉拔力时筋材位移分布情况

图6 不同加筋刚度时筋材拉力分布情况

图7 不同加筋刚度时筋材位移分布情况

由图8可得，土的内聚力c=20kPa时，内摩擦角ϕ=30°、20°、10°和1°时，加筋体的最大拉力均为120kN/m，说明土的内摩擦角不影响加筋体的最大拉力，但是对荷载的传递距离有较大的影响，内摩角越大其传递距离越小。由图9可得，内摩擦角ϕ=30°时筋材的最大位移为60mm，位移为零的点距离筋材始端为1.5m；内摩擦角ϕ=30°时，筋材的最大位移为225mm，筋材全长均存在相对位移即筋材没有锚固段。以上计算结果表明，加筋体刚度过小出现墙面位移过大、荷载有效传递距离太小，而加筋体刚度过大出现材料浪费的现象，在设计加筋挡土墙的时候应注意选择合适的加筋体刚度，并采用土质较好的砂土作为填料。