土工格栅与土相互作用的有限元分析

　　1　引　　言

　　一般认为,埋设在土中的格栅在受到拉拔作用时,土对格栅的阻力由两部分组成,即格栅表面摩阻力和土对格栅横肋内侧的反力(以下简称为横肋阻力(Koerner等,1989)):

　　式中　P,F和R分别为拉拔力,摩阻力和横肋阻力。由于在格栅屈服破坏以前,摩阻力与横肋阻力并非随拉拔力线性增大,因此很难直接用式(1)进行计算和设计。Wilson-Fahmy与Koerner(1993)曾提出了一种简化的有限元分析方法,把格栅简化为梁,从而按一维问题来处理。

　　由于格栅是由横肋(transverse bars)、纵肋(longitudinal ribs)和孔眼(apertures)组成,在拉拔状态下显然是一个平面问题。本文在试验工作的基础上,提出了一种格栅与土相互作用的平面应力问题的有限元分析方法,可以估算埋在粗粒土(砂,回填材料等)中的土工格栅的抗拉拔特性,包括荷载与变形关系,格栅位移沿受拉方向的分布,土反力分布以及摩阻力与横肋阻力的承载比等。在分析模型中,土对格栅的阻力用非线性弹簧来模拟,弹簧的特性参数由专门设计的小型拉拔试验槽来测试。将有限元结果与在按试行中的欧洲标准建造的大型格栅试验槽中的试验结果进行了比较,以验证其可靠性和实用性。

　　2　试验设施及试验结果

　　2·1　小型格栅拉拔试验

　　为了研究格栅在拉拔状态下摩阻力和横肋阻力的承载份额,同时也为了给有限元分析提供计算参数,我们研制了一套小型的格栅拉拔试验装置,如图1所示。模型槽由三层标准的混凝土梁的铸模(500mm×100mm×100m)组成。土样在槽中被击实到要求的密度。下部两层铸模之间留有6mm宽、100mm长的缝隙,被测试的格栅试件从缝中穿过。上部的铸模中放置加压的气袋,可施加15~250kPa的超载压力,以模拟不同的土层厚度。

　　试验分两种,一种如图1(b)所示,只将格栅的纵肋埋置于土中,以此来测定摩阻力;另一种如图1(c)所示,将格栅的一条横肋及相连的纵肋埋置在土中,将测定的拉拔力减去相应变形的摩阻力,即可得横助阻力与变形的关系。

　　在试验中采用了两种土介质,一种是砂(D60=0.58mm,不均匀系数Cu=1.45),另一种是级配良好的回填材料(山皮土)。试验结果在图2中给出。试验中采用的格栅为Netlon公司生产的产品Tensar80RE(标准拉伸强度8kN/m,破坏应变11.5%)。对每种土都分别采用了15,48,96,140kPa四种超载压力。土样通过标准击实方法控制其容重(砂土γ=17.2kN/m3,回填土γ=21.2kN/m3)。格栅试件在不同土介质、不同超载压力下以1mm/min的速率拉伸,直至破坏。

　　由图2可以看到,摩阻力在格栅变形很小的情况下即很快增长,迅速达到峰值,此后不随格栅变形增加而变化。相对来说,横肋阻力的增加则较为平缓,但很快就占主导地位,承担90%左右的拉拔荷载(见图2(a₁)和(b₁))。