張貴生 杜衍慶 練象平 路遙

【摘? ? 要】：筋-土界面作用機(jī)理對(duì)研究加筋土結(jié)構(gòu)性能具有重要意義?；隍?yàn)證的有限元數(shù)值方法模擬筋-土界面拉拔過程，研究界面循環(huán)正應(yīng)力初值、幅值和頻率對(duì)筋-土界面拉拔特性的影響，結(jié)果表明：增加筋-土界面循環(huán)正應(yīng)力頻率或幅值，導(dǎo)致筋-土界面相互嵌固咬合和摩擦作用力降低。因此，高頻重載作用下加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性應(yīng)引起重視。

【關(guān)鍵詞】：循環(huán)動(dòng)載；筋-土界面；拉拔試驗(yàn)；加筋土結(jié)構(gòu)

【中圖分類號(hào)】：TU472.34【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）03-04-05

【DOI編碼】：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來(lái)增加自身強(qiáng)度，筋材與填料土體的相互作用決定加筋效果；因此，開展筋-土界面相互作用研究具有重要意義。目前，拉拔試驗(yàn)或直剪試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)外研究筋-土界面相互作用機(jī)理的重要試驗(yàn)手段，在筋材與填土類型、界面參數(shù)等對(duì)作用機(jī)理的影響方面取得了較為豐碩的成果[1～2]；但受模型尺寸與條件、標(biāo)準(zhǔn)選擇等因素影響，試驗(yàn)結(jié)果在全面反映筋-土界面相互作用機(jī)理方面有待進(jìn)一步完善。

現(xiàn)有大量的研究結(jié)果表明[3～4]，基于有限元或離散元等數(shù)值計(jì)算方法，通過設(shè)置合理的筋-土界面本構(gòu)模型，可有效對(duì)筋-土界面特性開展多因素、多尺度的變參數(shù)分析并研究筋材拉拔力及位移、應(yīng)力和應(yīng)變的發(fā)生、發(fā)展與變化規(guī)律。如Jensen等[5]、Wang等[6]和易富等[7]采用PFC離散元軟件模擬筋-土間的直剪試驗(yàn)，研究了直剪過程中筋-土界面特性及筋材周邊土體的變化規(guī)律，重點(diǎn)研究了筋-土界面間力的傳導(dǎo)機(jī)理，在格柵加筋效果的最佳孔徑比等方面取得了較好的成果。

既有研究主要針對(duì)靜載作用下筋-土界面特性，考慮到實(shí)際中大量加筋土用于道路支擋結(jié)構(gòu)中，筋-土界面或筋材往往承受交通循環(huán)荷載作用，但動(dòng)載作用下筋-土界面特性的研究相對(duì)較少。本文基于有限元數(shù)值方法，模擬研究拉拔試驗(yàn)中循環(huán)正應(yīng)力為循環(huán)荷載作用下的筋-土界面作用特性。

1 筋-土界面拉拔特性數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件平面應(yīng)變狀態(tài)來(lái)模擬拉拔過程，建模尺寸與既有實(shí)際箱子尺寸一致，長(zhǎng)×寬為800 mm×420 mm，格柵筋材長(zhǎng)度和厚度分別1 040 、1 mm，網(wǎng)格劃分尺寸設(shè)定0.04 m。見圖1。

模擬拉拔試驗(yàn)筋材從左側(cè)加載拉拔，土體底部邊界限制位移，左側(cè)即加載一側(cè)土體受箱子邊界限制水平方向位移。

填料土體采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)、筋材采用彈性本構(gòu)模擬，采用罰函數(shù)模擬筋-土界面摩擦接觸屬性，根據(jù)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)測(cè)定格柵和填土參數(shù)。見表1。

通過3個(gè)分析步完成，即初始分析步、靜載施加分析步和動(dòng)載施加分析步。靜載分析步施加重力荷載和恒定荷載；動(dòng)載分析步建立時(shí)間-荷載關(guān)系，施加循環(huán)荷載。通過設(shè)置格柵和上下土體的接觸屬性完成筋-土相互作用的構(gòu)建，筋-土界面摩擦系數(shù)設(shè)置為0.9。

1.2 模擬方案

為分析動(dòng)載作用下的筋-土界面特性，筋-土界面正應(yīng)力為動(dòng)載循環(huán)作用，即重點(diǎn)研究界面正應(yīng)力初始值s0、幅值A(chǔ)n和頻率fn變化時(shí)，筋材拉拔特性和筋材位移沿長(zhǎng)度分布的特征。見表2。

1.3 模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，選取既有拉拔試驗(yàn)結(jié)果[8]進(jìn)行對(duì)比分析，以界面正應(yīng)力sn=10 kPa為例，對(duì)比分析拉拔過程中不同加載端位移時(shí)筋材沿長(zhǎng)度方向位移變化。不同加載端位移的數(shù)值模擬和拉拔試驗(yàn)測(cè)得的筋材位移量相差較小，表明模擬筋-土界面拉拔試驗(yàn)的數(shù)值方法是可靠的。見圖2。

選取sn為50～75 kPa、頻率f為0.1 Hz對(duì)比分析界面正應(yīng)力變化時(shí)剪應(yīng)力與加載端位移的變化。數(shù)值模擬結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果曲線走勢(shì)更為順滑、曲線波動(dòng)范圍更小，可準(zhǔn)確完成整個(gè)循環(huán)荷載的施加，較好反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果走勢(shì)，基于本文數(shù)值模擬開展界面動(dòng)載作用下的筋-土界面特性研究是可行性的。見圖3。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 界面循環(huán)正應(yīng)力初值對(duì)拉拔特性的影響

選取3種界面循環(huán)正應(yīng)力進(jìn)行分析，即An、fn和拉拔速率相同，僅改變s0，模擬所得筋材拉力與加載端位移。初始階段，拉拔力均隨加載端位移增加而增加，由于界面正應(yīng)力為循環(huán)荷載，拉拔力同加載端位移關(guān)系呈波動(dòng)變化，隨拉拔進(jìn)行，拉拔力逐漸達(dá)到峰值，后續(xù)拉拔力達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，此后加載端位移持續(xù)增加，而拉拔力保持穩(wěn)定，終至筋材被拔出破壞（20 mm），模擬拉拔過程結(jié)束；而且，隨界面循環(huán)正應(yīng)力初值增大，拉拔力峰值呈遞增趨勢(shì)且進(jìn)入穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)時(shí)加載端位移隨之增加，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間后移。見圖4和圖5。

分析界面循環(huán)正應(yīng)力初值對(duì)拉拔過程中筋材不同位置處的位移變化影響，相同界面循環(huán)正應(yīng)力初值下，隨加載端位移增加，測(cè)點(diǎn)1、2和3相繼發(fā)生移動(dòng)且隨著距加載端越遠(yuǎn)，出現(xiàn)初始位移時(shí)加載端位移亦越大。另外，隨界面循環(huán)正應(yīng)力初值的增大，初始位移的滯后性表現(xiàn)愈加明顯且在相同加載端位移時(shí)，測(cè)點(diǎn)位移量呈減小趨勢(shì)，反映出筋材拔出的阻抗作用增大，筋-土間相互作用得到提升。見圖6。

對(duì)比同一測(cè)點(diǎn)處s0為10、15、20 kPa時(shí)的位移量，s0為10 kPa時(shí)，位移值最大，隨初值增加位移呈遞減趨勢(shì)，這是因?yàn)樵诜禐? kPa即界面正應(yīng)力較小時(shí)，拉力沿筋材長(zhǎng)度方向傳遞較完全且界面正應(yīng)力對(duì)位移沿筋材傳遞影響較大。

2.2 界面循環(huán)正應(yīng)力頻率對(duì)拉拔特性的影響

選取s0為15 kPa、An為5 kPa、fn分別為0.1、0.2、0.5 Hz，研究界面循環(huán)正應(yīng)力頻率對(duì)筋材拉力與拉拔位移的影響。隨著fn增大，峰值拉拔力呈衰減趨勢(shì)且至峰值穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的加載端位移量略微減小，即達(dá)到峰值穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間提前，主要原因?yàn)殡S著fn增大，上覆荷載震動(dòng)周期減小，整體振動(dòng)強(qiáng)度增加，導(dǎo)致土體顆粒易發(fā)生重新排列，使得筋材拔出的阻抗作用減弱，從而呈現(xiàn)出峰值拉拔力產(chǎn)生減小的情況。見圖7和圖8。

隨著測(cè)點(diǎn)位置距加載端距離的增加，位移量呈遞減趨勢(shì)且表現(xiàn)出明顯的滯后性。相同加載端位移時(shí)，測(cè)點(diǎn)位移量隨頻率增大而增加，主要原因是隨著頻率增大，填土顆粒發(fā)生更多次的重新排列組合，導(dǎo)致筋-土間的嵌固咬合和摩擦作用力降低，埋置土體內(nèi)部筋材拔出難度降低，其位移量也隨之增加。表明增加界面正應(yīng)力作用頻率導(dǎo)致筋-土界面作用降低。見圖9。

2.3 界面循環(huán)正應(yīng)力幅值對(duì)拉拔特性的影響

選取s0為15 kPa、fn為0.1 Hz、An分別為2.5、5、10 kPa，研究幅值對(duì)筋材拉力與拉拔位移關(guān)系的影響。相同加載端位移時(shí)，隨著An不斷增加，拉拔力減小，主要是因?yàn)榻缑嬲龖?yīng)力最小值隨幅值的增加而減小，由于循環(huán)速度較快，筋材拔出過程中表現(xiàn)出兩種不同狀態(tài)，即界面正應(yīng)力最小值時(shí)筋材持續(xù)拔出，但在界面正應(yīng)力較大時(shí)筋材不會(huì)移動(dòng)，故而界面正應(yīng)力最小值決定了筋材拔出時(shí)筋-土界面阻抗作用的大小，呈現(xiàn)出峰值拉拔力隨幅值增大而減小的情況。An為10 kPa時(shí)，加載端拉拔力-加載端位移關(guān)系曲線中上升階段存在波動(dòng)起伏狀況，主要原因是隨著幅值增大，界面循環(huán)正應(yīng)力最大差值增大，拉拔過程中不同界面正應(yīng)力時(shí)土體產(chǎn)生的塑性變形程度不同，即在拉拔階段時(shí)筋-土界面接觸部位易產(chǎn)生部分土體凸起，也同樣存在土體凸起部位消失情況，從而在拉拔力方面表現(xiàn)出驟增和驟降現(xiàn)象，即筋材拉拔過程中拉拔力-加載端位移曲線的異常波動(dòng)情況。見圖10和圖11。

相同加載端位移時(shí)，測(cè)點(diǎn)位移隨幅值的增加而增加；各測(cè)點(diǎn)初始移動(dòng)時(shí)的加載端位移量減小且隨距加載端距離增加而愈加明顯，表明增加界面循環(huán)正應(yīng)力的幅值，促進(jìn)了拉力沿筋材長(zhǎng)度方向的傳遞，表現(xiàn)出相同加載端位移時(shí)筋材各測(cè)點(diǎn)變形量有所增加。見圖12。

3 結(jié)論與展望

1）隨著筋-土界面循環(huán)正應(yīng)力初值增加，拉拔過程中拉拔力峰值呈遞增趨勢(shì)，筋材沿長(zhǎng)度距加載端越遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)位移量呈逐步遞減趨勢(shì)。

2）隨界面循環(huán)正應(yīng)力頻率或幅值的增加，拉拔力峰值呈遞減趨勢(shì)，距加載端不同距離處的位移量呈遞增趨勢(shì)。

3）增加界面循環(huán)正應(yīng)力頻率，導(dǎo)致筋-土界面相互嵌固咬合和摩擦作用力降低；因此，在高頻荷載作用下，加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要引起重視。

筋材水平拉拔力作用模式是影響筋-土界面特性的重要因素，未來(lái)可通過改變筋材水平拉拔力的大小和頻率，進(jìn)一步深入研究筋-土相互作用特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]凌天清，周濱，吳春波， 等. 筋土界面摩擦特性影響因素分析[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2009，9（5）：7-12.

[2]萬(wàn)亮，楊和平. 格柵加筋膨脹土拉拔試驗(yàn)測(cè)試值的數(shù)值模擬[J]. 公路交通科技，2020，37（2）：31-39.

[3]張孟喜，陳高峰，朱引，等. H-V加筋飽和砂土性狀的三軸試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2010，31（5）：1345-1351.

[4]周健，王家全，孔祥利，等. 砂土顆粒與土工合成材料接觸界面細(xì)觀研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（1）：61-67.

[5]Jensen R P，EdilT B，Bosscher P J，et al. Effect of particle shape on interface behavior of DEM-simulated granular materials[J]. International Journal of Geomechanics，2001，1（1）：1-19.

[6]Wang Z J，Jacobs F，Ziegler M. Visualization of load transfer behaviour between geogrid and sand using PFC2D[J]. Geotextiles and Geomembranes，2014，42（2）：83-92.

[7]易富，張利陽(yáng). 土工格柵拉拔試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?yōu)化及加筋特性研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2020， 20（1）：73-81.

[8]徐超，石志龍. 循環(huán)荷載作用下筋土界面抗剪特性的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2011， 32（3）：655-660.