基于離散-連續(xù)耦合方法的土工格室加筋碎石承載能力數(shù)值模擬

汪海年，張　然，周　俊，劉　玉，尤占平,3

基于離散-連續(xù)耦合方法的土工格室加筋碎石承載能力數(shù)值模擬

汪海年1,2，張然1，周俊1，劉玉1，尤占平1,3

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064； 2. 中交通力建設(shè)股份

有限公司, 陜西 西安 710075； 3.密歇根理工大學(xué) 土木工程與環(huán)境學(xué)院, 美國(guó) 霍頓 49931)

摘要：土工格室加筋碎石基層材料具有較強(qiáng)的適應(yīng)路基變形能力，然而其承載能力與變形機(jī)理并不明確.通過采用離散-連續(xù)耦合的算法分別對(duì)格室高度為100、150、200 mm;格室焊炬為400、600、800 mm的9種土工格室加筋碎石基層復(fù)合結(jié)構(gòu)與無格室碎石基層復(fù)合結(jié)構(gòu)在加載過程中的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并對(duì)土工格室結(jié)構(gòu)彈性模量進(jìn)行對(duì)比分析.研究結(jié)果表明：對(duì)碎石采用土工格室加筋處理后，路基承載能力得到了較大的提高，土工格室結(jié)構(gòu)層彈性模量提高比例最大為38.61%；格室高度一定的情況下，土工格室結(jié)構(gòu)層的承載能力隨著格室焊距的減小而增強(qiáng)；在格室焊距一定的情況下，土工格室結(jié)構(gòu)層的承載能力隨著格室高度的增大相應(yīng)提高；型號(hào)為400～200 mm的土工格室結(jié)構(gòu)層，豎向變形大的區(qū)域占整個(gè)下承層頂面面積的17.36%，且分布較均勻，加筋效果最好.

關(guān)鍵詞：道路工程；土工格室；加筋結(jié)構(gòu)；承載能力；數(shù)值模擬

0引言

川藏公路南線路基受水分和季節(jié)性凍融等因素的影響比較顯著，易使道路發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞[1].目前土工格室的加固對(duì)象多為土體顆粒[2-4]，對(duì)級(jí)配碎石層進(jìn)行加固，構(gòu)成的復(fù)合整體直接作為路面結(jié)構(gòu)層使用的相關(guān)應(yīng)用鮮見報(bào)道.柔性基層(級(jí)配碎石)能夠適應(yīng)路基產(chǎn)生的大變形，但柔性基層的路面結(jié)構(gòu)使面層層底產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力[5].采用土工格室對(duì)級(jí)配碎石層進(jìn)行加固，可以抵消一部分拉應(yīng)力，起到側(cè)向約束作用[6-7].因此，在路面結(jié)構(gòu)中設(shè)置級(jí)配碎石層，并采用土工格室對(duì)碎石進(jìn)行加筋處理，對(duì)于土工格室的工程應(yīng)用有很大的實(shí)際意義.在以上研究基礎(chǔ)上，本研究提出在路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)用土工格室來降低路基不均勻變形對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響.

離散元方法在對(duì)散體材料進(jìn)行研究時(shí)存在明顯的優(yōu)勢(shì)[8].但是需要數(shù)目龐大的顆粒單元，且受制于目前計(jì)算機(jī)的發(fā)展水平，研究無法實(shí)現(xiàn)[9].而能夠發(fā)揮離散元與有限差分法各自優(yōu)勢(shì)的離散-連續(xù)耦合的方法，已成為目前工程界研究的熱點(diǎn)課題[9-10].

目前,國(guó)內(nèi)研究者采用的離散元方法多運(yùn)用二維流程序，不能真實(shí)地反映土工合成材料與填料間的力學(xué)行為[11-13].因此，采用三維顆粒流程序PFC3D結(jié)合有限差分軟件FLAC3D，對(duì)土工格室加固碎石的作用機(jī)理進(jìn)行分析,既能與實(shí)際更加吻合，又可節(jié)約計(jì)算資源.

1離散-連續(xù)耦合的分析方法

1.1土工格室加筋碎石基層復(fù)合結(jié)構(gòu)模型

采用PFC3D建立土工格室結(jié)構(gòu)層和保護(hù)層的模型，同時(shí)采用FLAC3D建立下承層的模型，其模型示意如圖1所示[14].

1.2離散-連續(xù)耦合計(jì)算思路

本文中的離散-連續(xù)耦合算法通過考慮交界面處PFC3D中的墻體單元與FLAC3D中的連續(xù)有限單元的相互接觸位移作用實(shí)現(xiàn).在計(jì)算過程中交界面處的信息，在FLAC3D和PFC3D模型中來回交互，通過多次耦合完成數(shù)值模型的計(jì)算.數(shù)據(jù)按照二進(jìn)制方式傳遞，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性.

圖1　數(shù)值模型結(jié)構(gòu)

2土工格室加筋碎石復(fù)合結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型的建立

2.1土工格室加筋碎石復(fù)合結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型

土工格室模型采用規(guī)則排列的球體單元建立，如圖2所示. 下承層三維計(jì)算模型下承層采用FLAC3D建立，計(jì)算模型高為0.9 m，長(zhǎng)和寬都為0.6 m，三維計(jì)算模型如圖3所示.

2.2材料模型參數(shù)

土工格室PFC3D模型中顆粒單元的微觀參數(shù)以及下承層模型物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示.

圖2　土工格室模型

表1　材料模型參數(shù)

3土工格室加筋碎石結(jié)構(gòu)的耦合分析

3.1格室焊距對(duì)加筋效果的影響

土工格室焊距有400、600、800 mm3種，格室高度為100、150、200 mm.加載位置為格室中孔正上方，逐級(jí)加載，最大荷載為1.1 MPa.當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)，繼續(xù)對(duì)土工格室保護(hù)層模型進(jìn)行加載.虛擬加載過程中不同土工格室加筋碎石結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示.由圖4可以看出，在加載前期由于荷載逐級(jí)增大，土工格室結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力與應(yīng)變同時(shí)增大，此時(shí)的結(jié)構(gòu)層處于彈性變形階段.在加載后期，荷載維持在1.1 MPa的水平，此時(shí)應(yīng)力不再增加，應(yīng)變緩慢的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)層表現(xiàn)出塑性變形的特性.為了更精確地分析不同焊炬對(duì)土工格室承載能力的影響，從圖4中統(tǒng)一選取彈性區(qū)間內(nèi)應(yīng)變?yōu)?‰，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)層的彈性模量，利用這一指標(biāo)來表征各結(jié)構(gòu)層的承載能力.

在同一高度下，對(duì)不同焊炬的土工格室結(jié)構(gòu)層的彈性模量進(jìn)行比較，如圖5所示.由圖5可以看出，碎石結(jié)構(gòu)層采用土工格室進(jìn)行加筋之后，構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈性模量均有顯著的提高.土工格室結(jié)構(gòu)層彈性模量的提高比例最小為15.91%，最大為38.61%.在同一高度條件下，隨著格室焊距的減小，其彈性模量逐漸提高，結(jié)構(gòu)層的承載能力也隨之提高.焊炬為400 mm時(shí)，彈性模量提高百分比最大，分別為23.12%、30.54%、38.61%.

圖4　不同焊炬結(jié)構(gòu)層應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5　相同高度結(jié)構(gòu)層的彈性模量

數(shù)值模擬驗(yàn)證：室內(nèi)采用承載板試驗(yàn)，取土工格室高度為150 mm時(shí)的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示.由表2可知，室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬兩者采用土工格室進(jìn)行加筋后，碎石結(jié)構(gòu)層的彈性模量均有顯著的提高，結(jié)構(gòu)層的彈性模量都是隨著焊距的增大逐漸降低，彈性模量誤差分別為4.90%、5.29%、4.24%，誤差較小.因此該數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果是可靠的.

3.2格室高度對(duì)加筋效果的影響

對(duì)焊距相同條件下，格室高度不同的土工格室結(jié)構(gòu)層的彈性模量進(jìn)行比較分析，如圖6所示.

表2　室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算彈性模量對(duì)比

從圖6中可以看出,與未加筋結(jié)構(gòu)層的彈性模量相比，對(duì)碎石進(jìn)行土工格室加筋后，結(jié)構(gòu)層的彈性模量明顯提高，提高量最小為15.91%，最大為38.61%.在格室焊距相同時(shí)，隨著格室高度的增加，且土工格室結(jié)構(gòu)層的彈性模量值得到了顯著的提高，土工格室結(jié)構(gòu)層的承載能力也隨之提高.當(dāng)格室高度為200 mm時(shí)，彈性模量提高最大，分別為38.61%、31.67%、35.42%.這說明，在同一焊距條件下，土工格室的承載能力隨著格室高度的增加而增強(qiáng).

圖6　相同焊距結(jié)構(gòu)層的彈性模量

3.3下承層豎向變形分析

為了比較不同型號(hào)的加筋結(jié)構(gòu)層對(duì)下承層豎向變形的影響，筆者選取了400～200 mm、600～200 mm、800～200 mm的加筋結(jié)構(gòu)層與未加筋的結(jié)構(gòu)層的FLAC3D的下承層模型的豎向位移進(jìn)行了對(duì)比.將不同的變形范圍的區(qū)域面積所占下承層頂面面積的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表3所示。

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)未加筋的結(jié)構(gòu)層施加完荷載后，下承層豎向變形量大于8 mm的范圍占整個(gè)下承層頂面面積的2.8%，且變形大的區(qū)域主要集中在加載位置的正下方.對(duì)碎石采用土工格室加筋處理且加載完成后，下承層的豎向位移明顯降低，其中采用型號(hào)為400～200 mm的土工格室結(jié)構(gòu)層的加筋效果最好，豎向變形大的區(qū)域占整個(gè)下承層頂面面積的17.36%，且分布較均勻.出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)椋翰捎猛凉じ袷覍?duì)碎石層進(jìn)行加筋處理后，土工格室加筋結(jié)構(gòu)的網(wǎng)兜效應(yīng)與梁板效應(yīng)的作用開始體現(xiàn).

4結(jié)論

1)對(duì)碎石采用土工格室加筋處理后，路基承載能力得到了很大的提高.土工格室結(jié)構(gòu)層彈性模量提高比例最大為38.61%.

2)在格室高度一定的情況下，隨著格室焊距的減小，土工格室結(jié)構(gòu)層的承載能力增強(qiáng).

3)在格室焊距一定的情況下，隨著格室高度的增大，土工格室結(jié)構(gòu)層的承載能力相應(yīng)提高.

4)型號(hào)為400～200mm的土工格室結(jié)構(gòu)層豎向變形大的區(qū)域占整個(gè)下承層頂面面積的17.36%，且分布較均勻，加筋效果最好.

筆者所模擬的級(jí)配碎石為單一級(jí)配，下一步將對(duì)不同級(jí)配、不同公稱最大粒徑碎石的加筋效果進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)采用定量方法分析加筋結(jié)構(gòu)層力鏈分布，考慮加筋結(jié)構(gòu)與路面結(jié)構(gòu)的耦合受力分析，對(duì)加筋碎石結(jié)構(gòu)層施工性能與長(zhǎng)期性能也有待進(jìn)一步驗(yàn)證.

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Numerical Simulation of the Bearing Capacity for Geocell Reinforced Gravel Based on Discrete-Continuous Coupling Calculation

WANG Hainian1,2, ZHANG Ran1, ZHOU Jun1, LIU Yu1, YOU Zhanping1,3

(1. Key Laboratory of Road Structure and Material Transportation, Chang’an University, Xi’an 710064,China; 2.Traffic in The Power Construction Co., LTD, Xi’an 710064,China; 3.School of Civil Engineering and Environment, Polytechnic University of Michigan, Horton 49931, America)

Abstract:The base material of geocell reinforced gravel has strong ability to adapt to the deformation of the subgrade, but its bearing capacity and deformation mechanism not clear. The discrete-continuous coupling calculation was used to calculate the mechanical properties of different geocell reinforced gravel composite structure and the composite structure in which the geocell was not set up in the process of loading. The geocells include 9 kinds whose height is 100mm, 150mm and 200mm，whose welding torch is 400 mm, 600 mm and 800 mm. Then the elasticity modulus of the bearing layer is analyzed. The results indicated that the bearing capacity of the subgrade got an obvious improvement after gravel was enforced by the geocell. Elasticity modulus of structure layer increased by 38.61%. When the height of the geocell is fixed, with the decreasing of the geocell welding torch, the loading capacity of geocell structural layer is increasing. When the geocell welding torch is fixed, with the increasing of the geocell height, the loading capacity of geocell structural layer is accordingly increasing. The geocell model of 400-200mm, which big vertical displacement accounted for 17.36% of whole bearing layer area, evenly distributed, and the best reinforced.

Key words:road engineering; geocell; reinforced structure; bearing capacity; numerical modeling

收稿日期:2014-10-10；

修訂日期：2014-12-01

基金項(xiàng)目：交通運(yùn)輸部科技資助項(xiàng)目(201231879210)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2014BAG05B04)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CHD2012ZD013)

作者簡(jiǎn)介：汪海年(1977—)，男，江蘇漣水人，長(zhǎng)安大學(xué)教授，博士，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料性能及道路工程數(shù)值仿真研究，E-mail: wanghainian@aliyun.com.

文章編號(hào):1671-6833(2016)01-0049-05

中圖分類號(hào)：U416

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201410012

引用本文：汪海年，張然，周俊，等.基于離散-連續(xù)耦合方法的土工格室加筋碎石承載能力數(shù)值模擬[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016，37(1)：49-53.