土工合成材料加筋工粘接性能试验研究与数值模拟分析

来源:用户上传      作者:杨楠 于明鑫 岳川云 冯颖

　　摘 要：在實验室里研究土木合成材料加筋工粘接性能的测试常常都是采用固结排水三轴剪切的实验进行研究，所涉及的性能有粘结土的应力、强度和体变这3个方面。从实验的结果我们便不难发现，若是要增大高压压实度土体的体积的稳定性就得通过加筋的方式进行，但是通过加筋的方式会使得土体的剪胀体变有所降低，而土体的剪缩体却不会有所降低或升高。实验采用的试件有加筋试件和素土试件，这两者最大的区别是轴向应变，当轴向的应变低的时候加筋试件低于素土试件的强度，素土试件慢慢高于加筋试件，这就要轴向应变增大到一定的程度，这也存在加筋对土体强度有推迟的现象，这也随着筋材的加筋层数和拉伸模量的增多，这种推迟的现象也会表现的尤为明显。在实验中通过改变加筋的层数和筋材的拉伸模量来控制土体的峰值强度，实验表明随着加筋层数的增大，这也使得土体的峰值强度在一定的范围内是有所增大的，但是一旦过了峰值，再通过改变加筋的层数对于增强土体的峰值强度就不会有多大的改变性，除了通过改变加筋的层数，还可以通过改变拉伸模量的筋材来控制土体残余强度，使得土体的应力应变的特性也会有较大的改变。
　　关键词：土工合成材料;粘接性能;数值模拟分析
　　中图分类号：U412.22;TG491            文献标识码：A           文章编号：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
　　随着现在科技的快速发展，国家土木工程数量上也有了质的飞跃，为了使土木工程能够长期使用，常常通过一些加固技术来对工程进行加固处理，土工合成材料的加筋土体常常使用的是回填土和加筋材料进行复合体，其中筋材和土体对于加筋土体的强度和变形的特性，他们两者的相互作用也是占据了主要的作用性。
　　1 土工合成材料加筋工粘接性能试验研究
　　1.1 试验方法
　　实验选用的材料有呈现褐红黄色的红砂岩风化土，选择这种材料的原因是它含有铁锰氧化物[1]，这就使得这种材料具有好的密实性、压缩性和粘结性等，还有一方面的原因那便是含有白云母和少量的细砂，并带着高岭土团块。依据以往的实际操作中，湖南长沙高速公路两侧岩土的实验报告可以知道，红砂岩风化土的颗粒的颗粒数量实在一半以上，粒径是控制在2mm到0.073mm的范围内，具体的形态特征见下面的表1和表2，从表中我们可以从分类的特征看，这种土质是在粉土和粉性粘土的界限中的。本实验的实验材料的粉粒的含量会随着时间的推移而有所增加，这就会导致工程在本质上有所改变，实验中我主要是测量工程实验的物理特性，实验使用的土木格栅[2]是比较容易弄破橡皮膜的，而且土木格栅的网眼的尺寸是比较大的，选择小尺寸的实验结果的可靠性低比较低的，因此选择较为柔性的土木织物[3]和土工布来作为加筋材料，用拉伸实验来测定力学性质。
　　表3为实验结果。在实验中当非饱和土的空隙的水是被拉伸的状态，而且试样当时在透水石上的时候，在透水石中吸水量也会随之有所增大，实验中为了避免这一现象的发生，我们常常都会将透水石放在电炉上进行烘烤一下，这样也可以将试样在固结的时候进行顺利的排水，经过多次的实验，试件的固结排水时间通常是定在24h以内的，以上非饱和土的排水实验的时候，常常都是通过测量試样中排出的孔隙的水的体积。非饱和土的三相系统是由土粒骨架、孔隙水和孔隙气组成的，实验中我们常常都是测量受压室中的流体体积，这样来测定试样的体积变化。实验测量的方式是将受压的气体冲入量管里，这种量管的外管是透明的有机玻璃管，内管是玻璃的滴定管，通过气压差来测量气压的变化量。
　　1.2 试验结果及分析
　　图1是在不同的压实度下加筋土体的体变的特性，其中正值表示的是压缩的状态，负值表示的是膨胀的状态。
　　图1中的a和b是在90%的压实度时，低围压是在kPa下，土体的试件是为剪胀，当围压是在100kPa以上的时候，土体试件压缩和剪胀的顺序就会颠倒，除了围压的影响以外，还有一个原因那便是轴向应变的增大也会使得土体的体变有所改变，从实验中我们不难发现通过加筋的方式可以使得剪胀性会有所抑制的作用。
　　从表4中当压实度控制在95%，不同围压的素土表现为体积膨胀，通过加筋的方式，实验现象仍然是剪胀[4]，当是同等的围压的时候，加筋试件的膨胀性仍然是相较于素土试件是较低的。从表4中我们可以知道，当处于不同的围压下的时候，土体的剪胀性就会有所不同，如果是加筋的土体对于土体剪胀的抵制效果就会有所不同，当围压增大的时候，加筋的效果就会有所降低，除了以上的2个原因会影响剪胀性，不同程度的压实度也会有所影响，压实度大就会使得剪胀性也会有所增大，加筋的土体可以使得土体的剪胀性有所减少，加筋土体相对而言稳定性相较于其他不加筋的要好得多。依据公路施工的相关规程对于回填土的压实度[5]的要求是要达到90%的标准以上，当是处于这种压实度下，实验所用的土的体变就会处向剪胀的方向靠近，经过多次实验，我们可以知道通过加筋的方式对于土体的剪胀性会有所限制性，并且通过加筋的而方式可以使得土体的体积的稳定性有大幅度的提升。
　　2 土工合成材料加筋工数值模拟分析
　　2.1 数值分析的计算模型
　　实验所使用的土体单元模型土体是粘弹塑性的混合体，应力的函数关系是非线性的，格栅单元的模型的受力特点是不能压，只能拉，并且抗弯的刚度也是较小的，和薄膜材料的性质上相同，所以就用薄膜的单元来模拟筋材的应力的应变的特性，还有一个原因那便是土工格栅的抗拉强度和模量相较于其他类型的格栅是要好得多，拉伸曲线在应变力是较小的情况时，是呈现出直线的状态，为了使土木格栅在填土中的拉力是比抗拉强度要小得多，把格栅单元的本构关系看成线弹性[6-8]。接触单元的本构模型，对于界面的接触问题现在已经有很多接触单元，像有厚度的单元、无厚度单元和两节点单元等一系列的单元。如图2所示。
　　2.2 数值计算分析
　　图3是某个地区建造土木格栅的加筋式的挡墙。实验的试样是墙高6m，没有渗水的情况发生，使用的填土是砂性土，填土的密度是1.8t/m3，摩擦角是φ=30°，挡墙的面板是C20砼板，面板厚是20cm，一共的层数是10层，土木格栅的距离是0.6m，和墙面衔接的非常牢固，地基采用的碎石的土地基，地基的承受的载压力是相当高的，压缩性就相对较小了。如图4所示。
　　3 结语
　　当红砂岩风化土的压实度是不同的时候，对应的体变特性也会有所不同，高压的时候土体是剪胀，而当处于低压的时候，土体处于剪缩的状态，通过加筋就可以对于土体进行抑制其剪胀性，而对于土体的剪缩体不会有多大的改变，通过加筋可以使得加筋土体的稳定性增强，但是通过加筋的方式使得土体应力的特性的改善有所滞后的现象。还有就是固结的过程中，筋材和土体都是会有压缩的现象，通过剪切，筋材若是恢复就得通过拉伸。为了增强土体的峰值和残余强度，通过加筋的方式可以使得2种强度会有一定程度的提升，和以往的相比，图像显示峰值确实有很大程度的增大，通过应力和应变的曲线可知是改变土体的应变特性。当素土和加筋试件同时做实验的时候，加筋试件峰值都是在强度较大的应变的地方，应变当在一定大的范围的时候，峰值仍然处于较高的地方，切峰值的在图中所占的地方是比较宽的，这也使得加筋试件的延性是比较高的。为了获得更好的峰值强度，我们可以选择拉伸模量低，并对此进行筋层的增加，和拉伸模量高的实验材料相比，峰值的强度和其相比是提升了不少，除了峰值强度提升了不少，土体的残余强度也是提升了不少。通过增大拉伸模量来改变土体的应变的特性。
　　参考文献
　　[1]Wencan Qi， Jing Wang， Xie Quan，et al. Catalytic Ozonation by Manganese， Iron and Cerium Oxides on γ-Al2O3 Pellets for the Degradation of Organic Pollutants in Continuous Fixed-Bed Reactor[J]. Ozone： ence & Engineering， 2020， 42（2）：136-145.
　　[2]肖衡林，王钊，黄杰.3种不同土工格栅在土木工程中的应用[J].公路，2002（11）：99-101.
　　[3]郑人龙.土木工程中土工织物的应用[J].郑州工学院学报，1988（02）：33-42.
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　　[5]江瑜，李品，胡琦.寒冷地区沥青路面低温施工压实度控制试验分析[J].湖南交通科技，2020，46（01）：35-38.
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