循环荷载作用下土工格栅剪切特性的颗粒流细观分析 The particle flow mesoscopic analysis of geogrid shear properties under cyclic loading.pdfVIP

水 利 学 报 2014年9月 SHUILlXUEBAO 第45卷第9期 文章编号：0559—9350(2014)09—1082—09 循环荷载作用下土工格栅剪切特性的颗粒流细观分析 王家全，王宇帆，黄世斌，唐成远 (广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006) 摘要：以循环荷载作用下土工格栅与砂土的直剪室内试验结果为基础，对法向循环荷载作用下筋土直剪过程进行 三维颗粒流模拟，开发CLUMP颗粒板替代顶墙施加法向循环荷载。与静载作用室内试验结果相对比，数值试验 可以从宏细观角度分析土工格栅在直剪试验中筋土作用特性。研究结果表明：离散元PFC数值试验可以较好地再 现筋土界面作用特性。相比静载作用情况，法向循环荷载使得试样上部区域和筋土界面区域颗粒位移明显增加， 循环荷载峰值谷值交替出现，筋土界面区域孔隙率呈现波动变化，颗粒旋转明显，滑动比较大。随着土工格栅埋 深的增加，法向循环荷载影响逐渐减弱，筋土界面剪应力峰值上升，循环荷载弱化了土工格栅的加筋作用。循环 荷载作用下土工格栅与土颗粒的咬合力以及颗粒间的静摩擦阻力、滑动摩擦阻力与滚动摩擦阻力是形成土工格栅 加筋作用的主要原因。 关键词：循环荷载；筋土界面；颗粒流；细观机理 中图分类号：TU43 文献标识码：A 1研究背景 在实际工程应用中，土的抗拉、抗剪强度不高，整体稳定性较差，制约了许多土木工程的建设 和发展。而20世纪60年代初法国工程师Vidal提出的加筋土技术…能够明显改善上述缺点，因而在建 筑、公路和水利工程中得到了大量应用；同时为了更好地认识其原理，有关加筋土机理试验也相继 在国内外展开。刘文白等∽。分析土工格栅与土的界面摩擦作用，进行了直剪摩擦试验和拉拔摩擦试 验，测试了两种试验条件的界面摩擦特性。Lopes‘31研究了围压、土的密实度和位移速度对筋土界面 摩擦特性的影响。Dietz等¨1使用改良的能稳定测量摩擦和膨胀的直剪仪，进行了室内砂一筋材界面试 验。这些研究主要集中分析筋土界面相互作用的复杂机理等，同时土工合成材料的属性和填料的种 拟，研究了不同的竖向压力作用和不同格栅刚度对拉拔结果的影响。李磊等怕。通过室内拉拔试验，表 明带加强节点土工格栅的极限拉拔阻力较传统土工格栅有一定程度的提高。杨广庆等¨1通过试验表 明：土工格栅与砂砾料接触面抗剪强度较高，而与黏土接触面抗剪强度很低。汪明元等”。对土工格栅 与压实膨胀土的界面特性进行拉拔试验并分析了筋土界面的拉拔性状。由于实际加筋土工程在频繁 的交通荷载及地震等自然因素下失稳严重，人们对筋土界面作用特性的研究不再仅局限于承受静荷 载作用，开始触及承受循环荷载等动荷载作用的情况。Raju等∽1分析了单一和循环荷载作用下土体内 筋材随荷载变化的应变和位移关系，指出荷载频率对筋土界面摩阻力影响很小，而荷载大小对筋土 界面拉拔稳定性影响较大。徐超等¨“…探讨了在法向循环荷载与静荷载两种条件下土工格栅与石英砂 收稿la期：2013-09—26；网络出版日期：2013-06—12 网络出版日期：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／11．1882．TV1104．004．html 基金项目(院科博1011) 作者简介：王家全(1981一)，男，广西南宁人，博士，教授，主要从事加筋结构、细观岩土力学和地基基础的研究。 E—mail：wjquanl999@163．eom 一1082— 万方数据 界面的抗剪性能，研究了法向循环荷载特征对土工格栅与石英砂界面剪切特性的影响。上述研究基 本上是通过室内试验宏观地探讨了筋土界面的力学性质。而通过数值模拟筋土界面的特性，即以连 续介质力学为基础的有限元方法研究加筋土界面特性室内试验，也只能分析其宏观特性，未能涉及 细观层面。对于离散元法，能够从砂土颗粒的角度进行分析，有助于从细观角度进一步分析砂土与 土工合成材料的加筋机理。 笔者基于离散单元颗粒流理论和PFC3D程序，在解决法向循环荷载的施加等问题后，以文献 [11]循环荷载作用下土工格栅与砂土的