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土工织物、土工膜
在拔出荷载下土工格栅与土壤相互作用的实验和离散单元法研究
王志杰， 菲利克斯bull;雅各布斯，马丁bull;齐格勒
亚琛工业大学岩土工程研究所,52074亚琛,德国
文章信息
文章历史:2015年2月19日收到
收到修改版2015年9月10
接受2015年11月1
上传网络2015年11月28日
关键词:土工合成材料、离散单元法(DEM)、土工格栅土壤界面、拔出荷载、承压强度、可视化
文摘
土工格栅与土壤相互作用是描述土工格栅加固机制是一个关键问题。为了研究土工格栅与土壤界面的作用机理，实验和数值拉拔测试进行了土工格栅和改良嵌入颗粒土壤样品。在实验室测试中，已经观测过的两个不同的失效模式取决于在本研究中的土工格栅的横向数量。很明显，随着土工格栅横向数量的增加，最大拉拔阻力不断增加。在数值的调查中离散单元PFC二维软件已经被使用，在拉拔荷载下土工格栅与土壤的相互作用不仅定性的研究力的分布沿着土工格栅和样本而且能够定量研究土工格栅的力，以及随着横向土工格栅数量的不同，沿着土工格栅分布的应变和位移变化情况。横向的土工格栅的贡献的数值得到总拉拔阻力被用来解释在实验室拉拔测试中的不同的失效模式。基于傅立叶系列近似方法，在样本中接触和力的重新定位被预留在不同的夹具位移中。而且，土工格栅的正应力分布平面上，这是一个决定性的参数，只能在拉拔实验的测试中间接的被评估。在数值的模拟中使用傅立叶近似方法被直接得到。实验和DEM方法研究的结果提出了研究人员对在拉拔荷载作用下土工格栅和土壤相互作用的改进的理解。
1.介绍
作为在实践中一种重要的增强材料，土工格栅已被广泛用于处理各种岩土工程问题，如地层稳定结构，提高承载力的基本方法，在柔软的人行道上减少车辙深度等等。土工格栅加固效果取决于土工格栅与周围土壤的相互作用，因此，土工格栅与土壤的界面作用行为一直被认为是探讨土工格栅加固机制的一个重要因素。
图1显示了实践中在土坯墙加固中土工格栅的一个典型的应用。失效可能发生在土工格栅加筋结构内部沿潜在滑移的平面上。为了研究土工格栅加固结构的失效机制,许多研究人员进行了各种各样关于土工格栅和土壤之间的界面行为以及一般复合材料的复合行为的实验室测试。在所有实验方法中，拉拔测试被认为是一个用于研究土工格栅与土壤界面行为更好的方法。经过在各种各样的土工格栅与土壤类型中进行了大量的拉拔实验,这些研究已经表明了各种各样的因素对在拉拔荷载作用下关于土工格栅响应的影响。它对设计土工格栅加筋土结构提供了有用的提示。除了传统的拉拔测试，埃尔森和巴瑟斯特开发了一个新奇的拉拔测试实验装置使用透明颗粒土壤来评估土工格栅与土壤之间的相互作用。它能满足土工格栅之间的相对水平位移的可视化以及观察其周围的土壤。
离散单元法（DEM)在用于捕捉不连续媒介在微观层面上的运动行为时有特定的优势，也被用于研究在拉拔荷载作用下土壤与土工格栅的相互作用。通过模拟拉拔测试模拟土工格栅与压载物之间的交互，受到拉拔荷载下土工格栅的最佳孔径大小也被讨论。Z在松散或密实土壤样本中进行了数值拉拔测试来研究压实作用对拉拔荷载响应的影响。F和M 研究了压载物形状对土工格栅和压载物的连锁效应的影响。C和T使用DEM和提供详细的土壤与土工格栅体系的响应的仿真结果重现实验性的拉拔测试。C 研究了土块形状对拉拔阻力和接触力的分布的影响。S 研究了基于模仿土体活动和土工格栅变形行为的连锁效应。上述所有DEM 的研究提供了在土工格栅与土壤界面上的详细观察。然而，由于各种各样的土工格栅和土壤的弹塑性以及他们之间相互作用的高灵敏度等很多影响因素，嵌入土壤的土工格栅的复合应力应变行为是非常复杂的。因此，土工格栅加固机制到现在还没有确切描述，研究土工格栅和土壤界面行为仍然是一个至关重要的问题。
在这篇文章中，从嵌入粒状土的不同改良土工格栅中得到的实验和数值的拉拔测试结果已经被提出。这些土工格栅样本被改良通过不同数量的横构件。与3D建模相比，二维数值模拟在提供见解给关键机制来减少计算时间上有特定优势。因此，在DEM基础上被伊塔斯加发展的商业性软件颗粒流程序，已被用于数值研究。2D数值模型的限制在本文的最后部分进行了讨论。
这个研究的目的是研究在不同数量横构件下土工格栅的拉拔荷载响应以及向研究人员提供在微观层面上对于土工格栅和土壤相互作用的更详细的见解。
2.实验室拉拔测试和分析
2.1.试验装置
图2展示了应用于此研究的拉拔设备的简图。
拉拔箱由内部尺寸为长宽高435，300，200（单位：毫米）的钢材制成。不同于美国试验材料学会测试标准中推荐的灵活的超载系统，在这个研究中垂直荷载通过一个坚硬的金属板被施加于样本的上方。在研究中应该注意的是上部和底板部的竖直力被压力传感器记录下来（正如图2中展示的那样），而且平均值被认为是在土工格栅平面的正常压力。在测试期间土工格栅平面内的正常压力通过调整施加在顶板上的垂直荷载被大约保持恒定。夹具是由两块用螺栓拴在一起的两块钢板组成。为了使在拉拔过程中土工格栅与夹具之间的相对位移最小，土工格栅样本和两块钢板之间被放置两层砂纸。另外，在这项研究中夹具位移速率为1mm/min根据美国材料与试验学会D6706-01(2001)，因为这个速率被用于大多数的拉拔测试中。为了得到随着土工格栅的位移分布，柔韧的不锈钢丝被用于连接不同的土工格栅位置和拉拔箱外面的线性位移，正如图二中所示的那样。在整个拉拔过程中拉拔力和夹具位移和沿着土工格栅自身的位移被记录下来。在这项研究中，拉拔失败与否由最大拉拔荷载定义。
2.2.测试材料
2.2.1. 颗粒土
在这项研究中，干燥且高度球状的颗粒土被使用。根据粗颗粒土的分类，大多数谷物的形状属于近圆形。砾石的尺寸从2mm到8mm根据颗粒粒径分布是由筛选材料严格控制，正如图3中所示，土壤样本的试验密度是1.56g/cmsup3;，相对密度0.85，土壤样本的内摩擦角为40.9°,基于大型直剪试验宽、直径、高分别为305，305，124，单位：毫米。
2.2.2.土工格栅
为了单独研究土工格栅的由于摩擦和和承压所产生的阻力，四种改良的土工格栅(S0-没有横向构件的土工格栅；S1-只有中间一个横向构件的土工格栅；S3-有三个横向构件的土工格栅；SV-有规律性横向构件的土工格栅）被应用在这个研究中，正如图4所示的那样，前三个类型的土工格栅（S0,S1,S3）被制成通过精心从规律的双轴土工格栅产品中移除相应的横向构件。通过由刚性热焊接连接的水平预应力拉伸构件制造。而且，为了研究在拉拔行为上对土工格栅抗拉刚度的影响。两种类型抗拉刚度为J0-2%为700kN/m（SG-30）和J0-2%为1350kN/m（SG-60）的双轴土工格栅产品已经被使用。产品名称中涉及到的数字，例如SG-30中的30表示在机械和机械纵向的抗拉强度(单位:k N / m)，作为可信度为95%的置信值。双轴土工格栅是由孔径尺寸近似为32mmtimes;32mm和厚度为1mm的聚丙烯制成。
应该注意的是拉伸速率效应对聚丙烯土工格栅的张力应变行为是很重要的。
在研究中被报道的两种土工格栅的抗拉刚度和抗张强度由实验室拉力试验获得试验由生产商以每分钟20%plusmn;5%的速率进行控制。应变速率直到大约每分钟2%的拉伸试验没有展现出明显的速率影响自从在研究中被报道的土工格栅由预应力拉伸构件制造以来。相同或者类似的双轴焊接聚丙烯土工格栅正如被报道的那样被用于大规模的三轴和双轴压缩试验和加筋墙模型试验中。
2.3. 测试过程
土壤样本按照四个水平层被准备在拉拔箱中并且每一层被控制达到目标密度1.56g/cm3，在准备了前两层的土壤之后，土工格栅样本被放在下半区样本的底部并且土工格栅的前端一定要通过夹具坚定的连接在加载装置上。柔韧的不锈钢钢丝在不同位置被连接在土工格栅上（正如图2中所展示的那样）。记录下沿土工格栅上的位移分布。然后最后两层土壤被放置在土工格栅上。其次是样本上的顶板。然后垂直压力被施加在刚性顶板上。在加载过程中，顶板和底版上垂直力被压力传感器记录下来（如图二所示）并且其平均值被认为是土工格栅平面上正常的压力，土工格栅平面上的正常压力在测试期间被维持大致恒定通过调节施加在顶板上的垂直荷载。土工格栅以每分钟1mm的恒定速率从位于前端的箱子中拉出直到下列的条件中有一个首先被满足：⑴土工格栅的纵向拉伸构件失效.⑵最大夹具位移80mm。
2.4.测试程序
一个详细的测试程序在表1中被列出，不同数目的横构件在拉拔阻力上作用在这个项目中被研究和土工格栅抗拉刚度在拉拔行为上的影响。
2.5. 实验室测试结果
2.5.1. 抗拔力
图5展示了抗拔力反抗夹具位移关于土工格栅SG-30 和SG-60 等各类的土工格栅样本实验室测试。对于一般性的土工格栅来说：总抗拔力包含了：纵向构件引起的摩擦阻力和横向构件引起的支撑阻力。图5中S0土工格栅展示了土壤和纵向构件之间的摩擦行为。可以看出在S0测试中纵向构件的摩擦阻力与这些在S1,S3,SV测试中有额外横向构件的支承阻力相比非常小。正如期望的那样，随着越来越多的横向构件，总抗拔力也在增加。不同数量的横构件在抗拔力上的影响在SG-30土工格栅上与SG-60土工格栅相似。相应的，在S1和S3的测试中，纵向构件和横向构件的焊接连接失效会造成抗拔力的突然下降。根据齐格勒和蒂莫(2004)在焊接土工格栅上的研究，土体活动区域，会导致土工格栅横向构件前面的支撑阻力，随着夹具位移的逐渐增加。在S1测试中，在单个横向构件的前面的一个很大的土体区域将会被活化。相似的行为在S3测试中也能被看到因为附近的横向构件之间的空间很大（112mm），在SV测试中，然而，这样的区域被邻近间距仅为32mm的横向构件所限制。因此，连接失效只发生在S1和SV测试中由于很大的连接荷载。在SV测试中，这些连接荷载的值被限制在连接强度以下并且同时一个不同的失效模型也被观察到。即纵向构件破裂。应该注意的是，在SV测试中，SG-30 土工格栅在50kpa和100kpa的正压力下没有拉拔失效，但是发生了纵向构件的材料失效。抗拔力随着正压力的增加而增加。然而，当正压力从50kpa增加到100kpa时，抗拔力的增量在这项研究中并不具有重要意义由于焊接的失效或者土工格栅纵向构件的失效。在试验性的拉拔测试中，基于不同数量横向构件的土工格栅样本上两种不同的失效模式已经被观察到。图6总结了在实验室测试中对应土工格栅横向构件数目的最大抗拔力。随着土工格栅横向构件数目的增加，最大抗拔力也显著增加。例如，与正压力为20kpa的S0测试中的最大抗拔力相比，在S1测试中最大抗拔力的增量是237%，S3测试是503%，SV是1250%，分别的，在这项研究中，横向构件对与抗拔力的贡献比A主持研究的更大，因为大抗拉刚度土工格栅横向构件的全效应已经被激起。由于纵向和横向构件的焊接接头的失效或者土工格栅纵向构件的失效。正压力从50kpa增加到100kpa对与最大抗拔力的影响对于SG-30 土工格栅是不明显的，然而，在施加相同正压力的情况下，最大抗拔力可以通过使用更高抗拉刚度的土工格栅来显著增加,如图6所示。
在SV试验系列，两个测试（SG-30土工格栅，正压力为20kpa；SG-60土工格栅，正压力为50kpa）显示出拉拔失效，土壤和土工格栅之间的摩擦系数在以上两个测试中都接近于1.在这项研究中对于不同的土壤和土工格栅结合体系每个土体土工格栅界面的刚度与在直剪试验中得到的土体与土体界面刚度大致相同。
2.5.2. 沿着土工格栅的位移分布
在实验室的测试中，沿着土工格栅的位移分布可以通过固定在土工格栅不同位置上的位移传感器获得。图7展示了在SG-30和SG-60中在夹具位移为2mm的情况下沿着土工格栅的位移分布。在每个测试中，最大位移发生在土工格栅的加载端，并且向自由端逐渐减少。在S0测试中，土工格栅很容易从样本中被拉出在仅有由土工格栅纵向构件产生的摩擦阻力的情况下。整个土工格栅的伸长量（从加载端到自由端）随着横向构件的增加是很小的，由于土工格栅横向构件引起的支撑阻力的影响，沿着土工格栅的位移急剧减少。在SV测试中，大的伸长主要存在于土工格栅的前面部分。在建立与有规律性横向构件的土工格栅上的相关研究中，相似的沿着土工格栅的位移分布已经被报告。通过比较在SG-30和SG-60土工格栅中相应测试中的位移分布，可以观察到SG-60在测试中的伸长量更小。
因为SG-60有更大的抗拉刚度。
3.动力效应模型研究与分析
为了得到在拉拔荷载下土工格栅与土体界面上更深的认识，离散单元软件二维颗粒流代码被应用于这项研究。在数值模拟中利用严格的实体（粒子和墙）和软接触。第二牛顿定律被用于校正刚体的位置由于作用于软接触上的力。建立在力与位移法基础上，接触力被替换。在动力效应模型研究中当刚体的力或位移达到期望值时上述两个连续过程的循环终止。尽管二维数值模型的局限性，在土体和土工格栅基本界面上的行为可以用适当的计算时间使用二维颗粒流代码得到。
3.1.数值模拟与校准
图8显示了应用于动力效应模型研究中的数值模型，颗粒土根据使用线形接触刚度模型建立的游离颗粒建模同时土工格栅根据由W发明的使用分段线形模型建立的结合颗粒建模。由于动力效应模型仿真的微观输入参数通常由已知的宏观反应来校准调节。在动力效应模型研究中关于土壤和土工格栅的微观输入参数通过数值型直剪试验和数值型拉伸测试来调节校准。各自地，微观输入参数通过比较
仿真结果和相应的实验数据被反复调整直到得到和H建议相似的行为。应该注意的是，课题中土工格栅的数值模拟和校准是建立在SG-
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