張楊楊，劉奇，蘇耀輝

（1. 中國礦業(yè)大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州221116；2. 中國礦業(yè)大學孫越崎學院，江蘇 徐州221116）

0 引言

土工格柵是一種由縱肋和橫肋構(gòu)成的網(wǎng)狀加筋土材料，憑借其對土體有效的加筋作用，近年來在工程上得到廣泛應用[1]。 文章借助非線性有限元軟件ABAQUS，采用數(shù)值模擬的方法，對加土筋結(jié)構(gòu)力學性能進行仿真分析，最后給出研究結(jié)論。

1 有限元模型的建立

利用平面應變理論構(gòu)建二維加筋土有限元模型。 數(shù)值模擬時，土體采用莫爾-庫侖模型[2]，土工格柵采用拉桿單元，并通過添加設(shè)置不同受壓，來模擬其真實受力狀態(tài)。 土工格柵與填土之間的接觸采用嵌入?yún)^(qū)域， 把土工格柵作為嵌入?yún)^(qū)域嵌入到土體中； 各結(jié)構(gòu)部分采用平面4 節(jié)點無限元單元來模擬真實的土體。在加筋土結(jié)構(gòu)左側(cè)和底部設(shè)置邊界條件來模擬土體與地面和其他墻體之間的接觸[3]。

土體和土工格柵的物理力學參數(shù)見表1。

表1 模型基本參數(shù)

2 計算工況設(shè)計

為研究不同筋材形式及縱橫肋數(shù)量對加筋土結(jié)構(gòu)力學性能的影響， 本次試驗共設(shè)計了四種工況，不同工況下土工格柵的布筋方式、縱橫肋減少形式如表2 所示。

表2 土工格柵工況

3 仿真結(jié)果分析

3.1 加筋土體應力

不同工況下加筋土體的應力分布云圖如圖1所示。 由圖1 可知，在逐級上覆荷載的作用下，加筋土體應力自上而下遞增且有明顯的分層現(xiàn)象，故將土體依據(jù)應力大小分為S1、S2、S3 層。 應力最終在土體右下部達到最值。

圖1 加筋土體應力云圖譜

工況J-3 的應力較工況J-1 無太大變化，故未在圖1 中展示。工況J-2、J-4 與工況J-1 相比有所不同，一方面工況J-1、J-2、J-4 的應力峰值依次增大，另一方面工況J-1 的S3 層較小，僅有局部破壞的趨勢；工況J-2、J-4 土體的S1 層基本保持不變，但S2 層朝右上方擴大，土體右上角具有應力集中的趨勢，S3 層擴大，朝著再分層的情況發(fā)展，總體來說朝著整體破壞的方向發(fā)展。

可以判斷在荷載作用下，縱肋對調(diào)整加筋土體內(nèi)部的應力起主導作用，橫肋僅起輔助作用，配合縱肋生效。同等荷載條件下，橫肋的增減對加筋土體應力分布并無太大影響；但當縱肋減少時，加筋土體應力峰值增大，且朝著整體破壞的方向發(fā)展。

3.2 加筋土體位移

不同工況下加筋土體位移分布大致相同，位移云圖如圖2 所示。 由圖2 可以看出，在逐級上覆荷載的作用下，加筋土體自左下到右上變形，且在右上部達到最值。

如圖2 所示， 在原有模型的右側(cè)建立路徑，每0.3 m 為一層取一次數(shù)據(jù)，繪制不同工況下土體位移與高度的關(guān)系曲線如圖3 所示。 由圖3 可以看出，一方面土體位移隨著逐級上覆荷載的增大而逐漸增大,但增幅較為有限；另一方面隨著高度的增加，相鄰層土體位移的差距越來越小。

圖2 加筋土體位移云圖譜

圖3 加筋土體位移隨上覆荷載變化曲線

工況J-3 的位移較工況J-1 無太大變化，故未在圖3 中展示。 同時，這說明不設(shè)橫肋對土體的位移并未造成較大影響。工況J-2、J-4 與工況J-1 相比有較大的差別， 一方面工況J-1 沒有聚集現(xiàn)象，工況J-2 呈現(xiàn)出0.3 m、0.6～1.2 m、1.5～2.1 m、2.4～3.0 m 聚集狀態(tài)， 工況J-4 呈現(xiàn)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 狀態(tài)，說明縱肋的存在對土體位移的影響很大。 另一方面， 同等條件下工況J-4、J-2、J-1 的位移依次減小，說明縱肋數(shù)量的增加可以降低上覆荷載對土體位移的影響。

分析可知，由于未限制土體右側(cè)的位移，使得一側(cè)土體處于無側(cè)限狀態(tài)。 最初位移最值出現(xiàn)在右上部，說明此時傾向于發(fā)生土體的局部破壞，當減少格柵尤其是減少縱肋時， 各高度位移都呈現(xiàn)出遞增的現(xiàn)象，說明加筋土結(jié)構(gòu)朝著整體破壞的方向進行。

3.3 土工格柵拉應力分析

不同工況下土工格柵拉應力的分布有所不同，拉應力云圖如圖4 所示。 由圖4 可以看出，在逐級上覆荷載的作用下，土工格柵拉應力主要由縱肋承擔，橫肋只在與縱肋的接觸點附近承受少量拉應力，同層縱肋， 拉應力自左向右呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，土體右端中下層筋材承受的拉應力達到最值。

圖4 土工格柵拉應力云圖譜

對比工況J-1 與J-3，發(fā)現(xiàn)兩者土工格柵的拉應力大小和分布幾乎沒有差別，說明雖然橫肋起到了一定的作用，但效果并不明顯，增減橫肋并沒有對土工格柵拉應力造成影響。對比工況J-1、J-2，J-4，一方面土工格柵拉應力依次增大，說明土工格柵拉應力主要由縱肋承擔，另一方面，縱肋數(shù)量較多時， 單個縱肋承受的拉應力較小且趨向于局部破壞，隨著縱肋的減少，單個縱肋承受的拉應力越大且趨向于整體破壞。

綜合各工況的拉應力云圖可以發(fā)現(xiàn)，土工格柵沿縱肋方向受力并不均勻。 可以推測，假設(shè)上覆荷載繼續(xù)增大時，左側(cè)的土工格柵拉應力依舊趨向于零，右側(cè)土工格柵拉應力繼續(xù)增大且集中在中部縱肋上，易發(fā)生破壞。故加筋土土工格柵的力學特性，一方面受到布筋形式尤其是縱肋數(shù)量和位置的影響，另一方面也與上覆荷載大小相關(guān)，上覆荷載越大，土工格柵越趨向于拉斷破壞。

4 結(jié)論

（1）逐級上覆荷載作用下，具備完整布筋格柵的加筋土結(jié)構(gòu)趨向于發(fā)生局部破壞；當土工格柵減少布筋尤其是減少縱肋時，加筋土結(jié)構(gòu)朝著整體破壞的方向進行。

（2）逐級上覆荷載作用下，土工格柵拉應力主要由縱肋承擔，橫肋僅僅起輔助作用。

（3）總體上，縱肋對加筋土力學性能的影響起主要作用。 一般情況下，縱肋數(shù)目與布筋形式越合理，加筋土力學性能越好。