土工合成材料加筋工粘接性能試驗研究與數值模擬分析

楊楠 于明鑫 岳川云 馮穎

摘 要：在實驗室里研究土木合成材料加筋工粘接性能的測試常常都是采用固結排水三軸剪切的實驗進行研究，所涉及的性能有粘結土的應力、強度和體變這3個方面。從實驗的結果我們便不難發現，若是要增大高壓壓實度土體的體積的穩定性就得通過加筋的方式進行，但是通過加筋的方式會使得土體的剪脹體變有所降低，而土體的剪縮體卻不會有所降低或升高。實驗采用的試件有加筋試件和素土試件，這兩者最大的區別是軸向應變，當軸向的應變低的時候加筋試件低于素土試件的強度，素土試件慢慢高于加筋試件，這就要軸向應變增大到一定的程度，這也存在加筋對土體強度有推遲的現象，這也隨著筋材的加筋層數和拉伸模量的增多，這種推遲的現象也會表現的尤為明顯。在實驗中通過改變加筋的層數和筋材的拉伸模量來控制土體的峰值強度，實驗表明隨著加筋層數的增大，這也使得土體的峰值強度在一定的范圍內是有所增大的，但是一旦過了峰值，再通過改變加筋的層數對于增強土體的峰值強度就不會有多大的改變性，除了通過改變加筋的層數，還可以通過改變拉伸模量的筋材來控制土體殘余強度，使得土體的應力應變的特性也會有較大的改變。

關鍵詞：土工合成材料;粘接性能;數值模擬分析

中圖分類號：U412.22;TG491? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1001-5922（2020）10-0022-04

Abstract：In the laboratory， the test of bond performance of civil composite reinforcement is usually carried out by consolidation drainage triaxial shear test， which involves three aspects： the stress， strength and volume change of cohesive soil. From the experimental results， it is not difficult to find that if we want to increase the volume stability of the high-pressure compaction soil， the method of reinforcement must be carried out， but through the way of reinforcement， the shear swelling body of the soil will be reduced， while the shear shrinkage body of the soil will not be reduced or increased. The test pieces used in the experiment are reinforced specimen and plain soil specimen. The biggest difference between them is the axial strain. When the axial strain is low， the reinforced specimen is lower than the strength of plain soil specimen， and the plain soil specimen is slowly higher than the reinforced specimen， which requires the axial strain to increase to a certain extent， which also has the phenomenon that the reinforcement delays the soil strength. With the increase in the number of reinforced layers and tensile modulus of the reinforcement， this delay phenomenon will also be particularly obvious. In the experiment， the peak strength of the soil is controlled by changing the number of layers of reinforcement and the tensile modulus of reinforcement. The experiment shows that with the increase of the number of layers of reinforcement， the peak strength of the soil is increased in a certain range， but once the peak value is exceeded， the peak strength of the soil will not be greatly changed by changing the number of layers of reinforcement， except through by changing the number of reinforcement layers， the residual strength of soil can be controlled by changing the reinforcement material of tensile modulus， so that the stress-strain characteristics of soil will be greatly changed.

Key words：geosynthetics; bonding performance; numerical simulation analysis

0 引言

隨著現在科技的快速發展，國家土木工程數量上也有了質的飛躍，為了使土木工程能夠長期使用，常常通過一些加固技術來對工程進行加固處理，土工合成材料的加筋土體常常使用的是回填土和加筋材料進行復合體，其中筋材和土體對于加筋土體的強度和變形的特性，他們兩者的相互作用也是占據了主要的作用性。

1 土工合成材料加筋工粘接性能試驗研究

1.1 試驗方法

實驗選用的材料有呈現褐紅黃色的紅砂巖風化土，選擇這種材料的原因是它含有鐵錳氧化物[1]，這就使得這種材料具有好的密實性、壓縮性和粘結性等，還有一方面的原因那便是含有白云母和少量的細砂，并帶著高嶺土團塊。依據以往的實際操作中，湖南長沙高速公路兩側巖土的實驗報告可以知道，紅砂巖風化土的顆粒的顆粒數量實在一半以上，粒徑是控制在2mm到0.073mm的范圍內，具體的形態特征見下面的表1和表2，從表中我們可以從分類的特征看，這種土質是在粉土和粉性粘土的界限中的。本實驗的實驗材料的粉粒的含量會隨著時間的推移而有所增加，這就會導致工程在本質上有所改變，實驗中我主要是測量工程實驗的物理特性，實驗使用的土木格柵[2]是比較容易弄破橡皮膜的，而且土木格柵的網眼的尺寸是比較大的，選擇小尺寸的實驗結果的可靠性低比較低的，因此選擇較為柔性的土木織物[3]和土工布來作為加筋材料，用拉伸實驗來測定力學性質。

表3為實驗結果。在實驗中當非飽和土的空隙的水是被拉伸的狀態，而且試樣當時在透水石上的時候，在透水石中吸水量也會隨之有所增大，實驗中為了避免這一現象的發生，我們常常都會將透水石放在電爐上進行烘烤一下，這樣也可以將試樣在固結的時候進行順利的排水，經過多次的實驗，試件的固結排水時間通常是定在24h以內的，以上非飽和土的排水實驗的時候，常常都是通過測量試樣中排出的孔隙的水的體積。非飽和土的三相系統是由土粒骨架、孔隙水和孔隙氣組成的，實驗中我們常常都是測量受壓室中的流體體積，這樣來測定試樣的體積變化。實驗測量的方式是將受壓的氣體沖入量管里，這種量管的外管是透明的有機玻璃管，內管是玻璃的滴定管，通過氣壓差來測量氣壓的變化量。

1.2 試驗結果及分析

圖1是在不同的壓實度下加筋土體的體變的特性，其中正值表示的是壓縮的狀態，負值表示的是膨脹的狀態。

圖1中的a和b是在90%的壓實度時，低圍壓是在kPa下，土體的試件是為剪脹，當圍壓是在100kPa以上的時候，土體試件壓縮和剪脹的順序就會顛倒，除了圍壓的影響以外，還有一個原因那便是軸向應變的增大也會使得土體的體變有所改變，從實驗中我們不難發現通過加筋的方式可以使得剪脹性會有所抑制的作用。

從表4中當壓實度控制在95%，不同圍壓的素土表現為體積膨脹，通過加筋的方式，實驗現象仍然是剪脹[4]，當是同等的圍壓的時候，加筋試件的膨脹性仍然是相較于素土試件是較低的。從表4中我們可以知道，當處于不同的圍壓下的時候，土體的剪脹性就會有所不同，如果是加筋的土體對于土體剪脹的抵制效果就會有所不同，當圍壓增大的時候，加筋的效果就會有所降低，除了以上的2個原因會影響剪脹性，不同程度的壓實度也會有所影響，壓實度大就會使得剪脹性也會有所增大，加筋的土體可以使得土體的剪脹性有所減少，加筋土體相對而言穩定性相較于其他不加筋的要好得多。依據公路施工的相關規程對于回填土的壓實度[5]的要求是要達到90%的標準以上，當是處于這種壓實度下，實驗所用的土的體變就會處向剪脹的方向靠近，經過多次實驗，我們可以知道通過加筋的方式對于土體的剪脹性會有所限制性，并且通過加筋的而方式可以使得土體的體積的穩定性有大幅度的提升。

2 土工合成材料加筋工數值模擬分析

2.1 數值分析的計算模型

實驗所使用的土體單元模型土體是粘彈塑性的混合體，應力的函數關系是非線性的，格柵單元的模型的受力特點是不能壓，只能拉，并且抗彎的剛度也是較小的，和薄膜材料的性質上相同，所以就用薄膜的單元來模擬筋材的應力的應變的特性，還有一個原因那便是土工格柵的抗拉強度和模量相較于其他類型的格柵是要好得多，拉伸曲線在應變力是較小的情況時，是呈現出直線的狀態，為了使土木格柵在填土中的拉力是比抗拉強度要小得多，把格柵單元的本構關系看成線彈性[6-8]。接觸單元的本構模型，對于界面的接觸問題現在已經有很多接觸單元，像有厚度的單元、無厚度單元和兩節點單元等一系列的單元。如圖2所示。

2.2 數值計算分析

圖3是某個地區建造土木格柵的加筋式的擋墻。實驗的試樣是墻高6m，沒有滲水的情況發生，使用的填土是砂性土，填土的密度是1.8t/m3，摩擦角是φ=30°，擋墻的面板是C20砼板，面板厚是20cm，一共的層數是10層，土木格柵的距離是0.6m，和墻面銜接的非常牢固，地基采用的碎石的土地基，地基的承受的載壓力是相當高的，壓縮性就相對較小了。如圖4所示。

3 結語

當紅砂巖風化土的壓實度是不同的時候，對應的體變特性也會有所不同，高壓的時候土體是剪脹，而當處于低壓的時候，土體處于剪縮的狀態，通過加筋就可以對于土體進行抑制其剪脹性，而對于土體的剪縮體不會有多大的改變，通過加筋可以使得加筋土體的穩定性增強，但是通過加筋的方式使得土體應力的特性的改善有所滯后的現象。還有就是固結的過程中，筋材和土體都是會有壓縮的現象，通過剪切，筋材若是恢復就得通過拉伸。為了增強土體的峰值和殘余強度，通過加筋的方式可以使得2種強度會有一定程度的提升，和以往的相比，圖像顯示峰值確實有很大程度的增大，通過應力和應變的曲線可知是改變土體的應變特性。當素土和加筋試件同時做實驗的時候，加筋試件峰值都是在強度較大的應變的地方，應變當在一定大的范圍的時候，峰值仍然處于較高的地方，切峰值的在圖中所占的地方是比較寬的，這也使得加筋試件的延性是比較高的。為了獲得更好的峰值強度，我們可以選擇拉伸模量低，并對此進行筋層的增加，和拉伸模量高的實驗材料相比，峰值的強度和其相比是提升了不少，除了峰值強度提升了不少，土體的殘余強度也是提升了不少。通過增大拉伸模量來改變土體的應變的特性。

參考文獻

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