土工网与土相互作用机理的有限元分析

　　1　前　　言

　　土工网已在欧洲、北美、日本等国工程上得到了广泛应用,一些国家基于经验还编写了相应的规范。在我国,土工网以其优良的性能和应用的简便性也引起了工程界的广泛关注。但由于土工网在岩土工程中的作用机理、设计理论、计算方法等都研究得很不够,不能适应土工网在岩土工程中的应用需要,致使不少实际工程不得不简单仿效已建的工程。而实际工程条件,可以说没有两个是完全相同的,这就无法预测工程的安全程度,往往不是浪费就是不安全。由于土工网与土相互作用机理复杂,其理论研究仍很不成熟,已编出的规范在指导设计和施工方面有很大的局限性,从而大大制约了土工网在土木工程中的应用。针对这一情况,国内外正在进行广泛的研究。结果表明,土工网能提高土体承载能力,降低土体的沉降和侧向位移^[1~3]。但目前为止,有关土工网与土相互作用的力学机理还没有系统的理论研究报道。现有的研究成果主要来源于土工织物与土相互作用的机理研究。其核心主要是:土工网与土的摩擦作用制约了土体的侧向变形,土工网的张力膜效应产生的拉力分量承担了部分土体水平应力和垂直应力^[4,5]。本文通过对土工网处理桥头跳车的力学模型进行有限元分析,对土工网与土相互作用机理提出了不同的看法。

　　本文的计算结果由笔者编制的有限元程序算出。该程序算出的土体沉降及侧向位移结果得到了湘潭龙云立交桥和株州白关桥桥头跳车实体工程长期观测结果的验证[1]。本文关于土工网与土相互作用机理的研究结果,得到了土工网加筋土试件的压缩试验和直剪试验的验证;同时在曼谷AIT校园的软土上,用土工网加筋修筑的6m高足尺荷载试验路堤,其长期应力、应变监测数据也验证了本文研究结果的合理性。

　　2　非线性有限元分析

　　2·1　力学模型

　　将铺有土工网的路堤近似地看作平面应变的三层连续体系,即将土体、土工网、土工网与土体界面分别作为独立的结构层次。

　　土体采用八节点等参单元。在等参单元中,形成单刚及计算面力、体力的等效荷载向量都使用高斯数值积分,积分的阶次n=2。界面单元用古德曼(Goodman)单元表示,即由四节点弹簧单元———两个法向弹簧和两个切向弹簧表示,这些弹簧可以计算界面的切向和法向应力。界面单元的厚度不进入计算结果,界面单元及邻近的八节点等参单元及土工网单元之间,只有通过结点才有力的联系。土工网单元用二维薄膜单元表示,它近似于埋在土里的薄膜,只能承受张力,不考虑弯曲应力。

　　柔性挡土墙(如板桩墙)在土压力作用下,其轴线将发生挠曲变形,墙后土的性质与墙的变形有十分密切的关系。桥台是刚性挡土墙,墙的变形可以忽略不计,为简化计算,忽略了桥台与填土之间的摩擦力影响。土工网处理桥头跳车的力学模型如图1所示。