基于ABAQUS在非飽和路基中高吸力土工布排水研究

張佩浩 胡天文

1 引言

土工布廣泛應(yīng)用于巖土工程和環(huán)境工程，土工布在工程中可以起到多方面的作用，排水作用是其工程使用功能之一。土工布不僅可以沿垂直其平面的方向排水，也可以沿其平面方向排水。在多雨地區(qū)以及季節(jié)性凍脹地區(qū)，道路或邊坡工程常出現(xiàn)雨水入滲土基軟化土體的情況，可引發(fā)眾多道路病害，故需盡快將土中水份排出，從而提高土基模量，增加道面服役壽命。本文通過對高吸力土工布在路基中排水的模擬研究，得出高吸力土工布對路基的排水規(guī)律，對工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

2 問題描述與模型簡化

為了便于研究土工布對路基水分排出的能力，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渫獗碜龇浪幚?，僅露出土工布進(jìn)行排水，如圖1所示。一段路基的橫截面滲流狀態(tài)不會沿路基長度的變化而有大的變化，因此在ABAQUS中將路基簡化為二維形態(tài)，如圖2所示。

圖1 高吸力土工布排水試驗(yàn)箱

圖2 二維狀態(tài)的排水試驗(yàn)箱

3 建模過程和具體參數(shù)的確定

建立30cm×30cm的shell部件，通過分割功能創(chuàng)造中層空間賦予土工布其他層給予土壤。研究對象為滲流，限制所有節(jié)點(diǎn)的位移，因此力學(xué)參數(shù)并無影響。對于非飽和土，其滲透系數(shù)與飽和度有關(guān)，而飽和度則通常被表示成基質(zhì)吸力的函數(shù)，因此獲取非飽和土土水特征曲線至關(guān)重要[2]。通過FredlundSWCC儀獲取土水特征曲線并與滲透系數(shù)一并賦予材料屬性。采用Soils瞬態(tài)分析步，計算期為兩個月。土工布露出端定義荷載surfaceporefluid，幅值曲線如圖3。使用代表平面四節(jié)點(diǎn)的孔壓單元CPE4P劃分網(wǎng)格，提交任務(wù)。

4 計算結(jié)果分析

按照沿模型箱深度提取含水率和流線數(shù)據(jù)如圖4～5，可以看出路基水分表層最先降低，水分向土工布匯集并經(jīng)土工布排出模型箱外，前30d內(nèi)排水穩(wěn)定迅速，后期隨著非飽和土的飽和度降低基質(zhì)吸力增大，土工布排水速率降低。高吸力土工布在較大的非飽和程度范圍內(nèi)保持奪水能力。

圖3 土工布露出端排水速度的幅值曲線

圖4 模型箱在不同時刻不同深度處的含水率

圖5 模型箱內(nèi)流體速度分量及大小

[1]徐日慶，王景春.土工合成材料應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005，4.

[2]費(fèi)康，彭劼.ABAQUS巖土工程實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2017，1.