加筋土界面力学特性试验及颗粒流数值模拟研究

摘要

按照国家和山东省“十三五”科技创新发展规划确定的重大发展战略，青岛沿海地区已成为全球海洋科技创新中心、双向融入“一带一路”试验区，因此交通基础设施投资建设力度大，地铁、高铁、高速公路工程项目在此汇集，交通荷载作用下路基路堤工程长期服役性能、边坡变形行为特征、演化模式及稳定性研究成为焦点问题。土工合成材料加筋技术应用于路堤边坡工程，可有效解决路堤服役期关键问题：①工后沉降问题，特别是差异沉降问题；②长期稳定性问题。研究交通荷载作用下加筋垫层筋土界面特性对解决路堤服役期关键问题至关重要，由于加筋土工程中筋材和土体之间作用机理复杂，加筋土理论和设计参数研究仍落后于加筋土技术广泛应用的步伐，影响筋土界面力学特性的因素较多，在试验研究筋土界面特性的方法尚不够完善。本文基于不同土工合成材料与不同土质之间的筋土界面力学特性进行研究，对完善加筋土设计理论，推进加筋土技术应用发展具有理论与实践意义。 本文针对土工合成材料和砂土之间的筋土界面力学特性问题，以加筋土工程的作用机理为研究基础，进行室内大型直剪试验，采用传感器测试技术记录试验数据。采用厦门艾思欧标准砂来配置不同颗粒级配的砂土，考虑不同的直剪界面：①无加筋界面；②格栅筋土界面；③土工布筋土界面。对影响筋土界面力学特性的三个因素（土工合成材料类别、不同颗粒级配的砂土和不同法向应力）进行分析研究。为了对宏观物理试验结果进行补充，通过颗粒流分析程序软件 PFC2D，建立适合于实际试验的筋土直剪试验，并从细观角度得到直接剪切过程中颗粒的运动规律，以及得到影响筋土界面的因素对筋土界面的影响规律，验证与试验的一致性。本文的主要研究内容和结论如下： （1）通过筋土界面大型直剪试验，在法向应力较低时（50kPa），土工布对于细砂的加筋效果比粗砂的效果显著，土工格栅对粗砂的加筋效果比细砂的效果更加显著；当法向应力较大时（110kPa），筋材的类别对提升筋土界面强度幅度的影响减小。在法向应力较低时（50kPa），填料的颗粒级配对筋土界面的力学特性影响较小；法向应力较大时（110kPa），颗粒直径相近的砂土与筋材作用效果较好，颗粒直径大小对筋土界面的力学特性影响较小。 （2）筋土界面在法向应力较低作用下时（50kPa），达到峰值强度时的剪切位移较短；在法向应力较大时（110kPa），达到峰值强度时的剪切位移较长。剪胀率随着法向应力增大而减小。筋材在法向应力较大时（110kPa），更能发挥其加筋效果作用。 （3）对根据试验结果所得的筋土界面的抗剪强度进行拟合，筋土界面所得的抗剪强度包线的内摩擦角变化幅度均在 4°以内，土工合成材料类别对筋土界面的内摩擦角影响不大。格栅对筋土界面提供的“粘聚力”大于土工布。 （4）利用PFC2D颗粒流数值模拟软件建立筋土界面直剪模型，通过fish语言对不同颗粒级配的砂土和不同法向应力的筋土界面直剪模型进行运行计算，直剪过程中颗粒之间接触链的产生方向与直剪方向一致，并且随着直剪位移增大，接触力链越加密集和粗实。直剪所得应力应变分析规律与物理试验较为一致，表明该数值模拟可以较准确地模拟筋土的直剪过程，模拟的试验结果可行。 研究成果可以为加筋土技术应用于交通基础设施工程实际提供理论支撑依据。通过建立合适的数值计算模型，利于推进加筋土工程高精度高效率数值模型建设方法，同时可以节省经济成本。

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