CN110044725B - 一种获取平面型筋-土界面拉拔力学行为的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种获取平面型筋‑土界面拉拔力学行为的方法，包括以下步骤：(1)在一定上覆压力下，对加筋土结构的筋‑土界面实施一次拉拔试验，获取荷载‑位移曲线数据；(2)在获得的荷载‑位移曲线中，取三个特征点，将这三个点的数值代入计算公式，以确定控制参数；(3)将控制参数代入模型计算公式，确定各阶段的荷载位移‑曲线、剪应力分布、内部位移分布等力学行为曲线，并得到完整的力学行为特征曲线；(4)其他上覆压力时，换算步骤(2)的控制参数，重新代入步骤(3)，得到在其他上覆压力下的各力学行为特征曲线。与现有技术相比，本发明通过仅实施一次拉拔试验来确定所需要拉拔参数，可以很好地获取筋‑土界面拉拔力学行为。

Description

一种获取平面型筋-土界面拉拔力学行为的方法

技术领域

本发明涉及加筋土结构技术领域，具体涉及一种获取平面型筋-土界面拉拔力学行为的方法。

背景技术

加筋土技术广泛的应用于土木工程建设中。土工合成材料作为一种重要的加筋材料，以其优越的工程特性在加筋土工程实践中被广泛使用，土工合成材料加筋土的筋土界面作用研究也逐渐成为了岩土工程研究的一个热点。国内外学者已经对加筋土筋土界面的相互作用机理进行了大量的研究，但由于加筋土筋土界面特性的影响因素众多，界面作用机理十分复杂，特别是当前对加筋粗粒土的筋土界面作用机理研究还比较缺乏，仍需对筋土界面特性进行的深入研究。拉拔试验主要用于测定土工合成材料埋在土内时与周围土体的摩擦特性。

拉拔试验可更为合理地反映加筋土结构中筋材受力情况。常规的拉拔试验容易获取拉拔荷载-位移曲线，而要得到剪应力、轴力以及内部位移分布及演化规律，则需要安装应变片、柔性位移计等大量监测元件，且通常来说，必须做若干组不同上覆荷载条件下的拉拔试验才能得到完整数据，同时，该试验具有周期长、成本高、监测困难以及监测不稳定等缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种获取平面型筋-土界面拉拔力学行为的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种获取平面型筋-土界面拉拔力学行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在一定上覆压力下，对加筋土结构的筋-土界面实施一次拉拔试验，获取荷载-位移曲线数据；

(2)在获得的荷载-位移曲线数据中，取三个数据点，将这三个数据的数值代入模型计算公式，以确定控制参数；

(3)将控制参数代入模型计算公式，确定各阶段的荷载位移曲线，并将各阶段的荷载位移曲线连接在一起，即得到完整的力学行为特征曲线；

(4)其他上覆压力时，换算步骤(2)的控制参数，重新代入步骤(3)，得到在其他上覆压力下的荷载-位移曲线。基于三线型界面剪切-滑移模型(考虑加筋土界面处的残余抗剪强度)，在一定的假设条件下，将全过程拔出行为可以分为弹性阶段、弹性-软化阶段、弹性-软化-滑移阶段、软化-滑移阶段和滑移阶段五个连续阶段，分别对应摘要附图中的OA段、AB段、BD段、DE段和EF段，其中第四、第五阶段为破坏阶段，试验过程中无法测量。

步骤(2)所取的三个数据点分别为荷载-位移曲线第一阶段末端、第二阶段末端和曲线最高点。步骤(2)所取的三个数据点为A(u₁,P₁),B(u₂,P₂),C(u₃,P₃)，所述的控制参数包括δ₁,δ_f,k,a_d,d_u和τ_f，控制参数具体通过模型计算公式(1)-(4)确定：

δ₁＝u₁，δ_f＝u₂ (1)

P_deb＝P₂，P_u＝P₃ (2)

其中，u₁,u₂,u₃＝A,B,C点的位移；P₁,P₂,P₃＝A,B,C点的拉拔力；δ₁＝峰值剪切强度时的剪切位移；δ_f＝残余剪切强度时的剪切位移；P_deb＝界面进入滑移破坏时拉拔力；P_u＝极限拉拔力；b_g＝筋材宽度；τ_f＝峰值剪切强度；λ,λ₁,λ₂＝表示界面和增强材料属性的常量；k＝折减系数；a_d＝滑移开始时的软化段长度；d_u＝极限拉拔力对应的滑移段长度。

步骤(3)包括第一阶段、第二阶段和第三阶段，其中：

第一阶段的荷载-位移曲线通过模型计算公式(5)确定：

第一阶段的内部位移分布通过模型计算公式(6)确定：

第一阶段的内部剪应力分布通过模型计算公式(7)确定：

其中，P＝拉拔力；δ＝剪切位移；τ＝界面剪切应力；L＝筋材长度；x＝离筋材尾部的距离。

第二阶段的荷载-位移曲线通过模型计算公式(8)、(9)确定：

第二阶段的内部位移分布通过模型计算公式(10)确定：

第二阶段的内部剪应力分布通过模型计算公式(11)确定：

其中，Δ＝筋材拉拔端总位移；a＝软化段长度；

第三阶段的荷载-位移曲线通过模型计算公式(12)、(13)确定：

第三阶段的内部位移分布通过模型计算公式(10)确定：

第三阶段的内部剪应力分布通过模型计算公式(11)确定：

τ＝kτ_f (15)

其中，d＝滑移段长度。

在其他上覆压力时，换算步骤(2)的控制参数，通过模型计算公式(16)、(17)确定：

τ_f＝Γσ_v (16)

其中，Γ＝界面剪切强度常数；σ_v＝土体上覆压力；φ_sr＝界面摩擦角；ν＝土体泊松比；ψ＝土体剪胀角；K₀＝砂土侧向土压力系数。

步骤(1)的荷载-位移曲线数据也可通过文献实验数据得到。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过仅实施一次拉拔试验来确定所需要拉拔参数，将这些参数代入本发明提出的基于三线型剪切-滑移模型的土工合成材料拉拔行为解析解，该解析解基于三线型界面剪切-滑移模型(考虑加筋土界面处的残余抗剪强度)，在一定的假设条件下，将全过程拔出行为可以分为弹性阶段、弹性-软化阶段、弹性-软化-滑移阶段、软化-滑移阶段和滑移阶段五个连续阶段。对于每个阶段，推导出了拉拔阻力-位移关系、界面剪应力分布和轴向应力分布沿筋材长度的封闭形式解，可以很好地获取筋-土界面拉拔力学行为，包括其他上覆荷载条件下的拉拔荷载-位移曲线、剪应力、轴力以及内部位移分布等，还能更好的指导土工合成材料的生产和生产工艺的改进，节省原材料，提高产品质量，增加加筋土工程的安全性，且对筋材的设计计算及施工优化具有重要的指导意义。本发明方法方便快捷，准确性好。

附图说明

图1为拉拔试验正视示意图；

图2为拉拔试验俯视示意图；

图3为拉拔试验得到的荷载-位移曲线；

图4为逻辑流程框图；

图5为计算预测的荷载-位移曲线与Perkins和Cuelho拉拔试验的对比；

图6为计算预测内部位移分布与Perkins和Cuelho拉拔试验的对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本实例采用Perkins和Cuelho在1999年所进行的土工织布拉拔试验进行验证，所有试验数据均取自那次试验。首先对想要探索的加筋土结构进行一次拉拔试验(设置上覆荷载为15kPa)，试验示意图如图1、2，通过文献实验数据，将得到的荷载-位移曲线，土体、平面型筋材的性质参数记录下来。如下表所示：

表1：Perkins和Cuelho拉拔试验参数

如图5所示，星号点表示上覆荷载为15kPa时所得到的荷载-位移数据，分别在荷载-位移曲线第一阶段末端，第二阶段末端和曲线最高点取三个控制点：A(2.3mm,6.9kN/m),B(11.5mm,15.9kN/m),C(25.6mm,19.8kN/m)，将三个控制点的数值代入方程(1)(2)(3)(4)，其他参数均为土体和筋材的几何与力学性质参数，得到6个控制参数δ₁,δ_f,k,a_d,d_u和τ_f。

δ₁＝u₁&δ_f＝u₂ (1)

P_deb＝P₂&P_u＝P₃ (2)

计算所得到的控制参数如下表：

表2：计算所得到的控制参数

将6个参数代入公式(5)，得出第1阶段的荷载位移曲线；将6个参数代入公式(6)(7)，得到第1阶段的内部位移分布和剪应力分布，内部位移分布如图6曲线①所示

将6个参数代入公式(8)(9)，联合可得出第2阶段的荷载位移曲线；将6个参数代入公式(10)(11)，得到第2阶段的内部位移分布和剪应力分布，内部位移分布如图6曲线②所示。

将6个参数代入公式(12)(13)，得出第3阶段的荷载位移曲线；将6个参数代入公式(14)(15)，得到第3阶段的内部位移分布和剪应力分布，内部位移分布如图6曲线③所示。

τ＝kτ_f (15)

将上述三阶段的各条曲线连接在一起，即为完整的力学行为特征曲线。计算所得15kPa下的荷载位移曲线如图5的实线所示。

若要得到其他上覆压力下的荷载位移曲线、内部位移分布和剪应力分布，将步骤2)中的控制参数是τ_f按照公式(16)(17)进行换算，其他参数不变，再重新从步骤3)开始，即可其他上覆压力下的荷载位移曲线、内部位移分布和剪应力分布。此处预测上覆荷载35kPa下的荷载-位移曲线，如图5的虚线所示，三角形点为试验数据，所预测的荷载-位移曲线与试验数据十分吻合。

τ_f＝Γσ_v (16)

符号含义：

a＝软化长度；

a_d＝滑移开始时的软化长度；

a_u＝软化-滑移阶段开始时的软化长度；

b_s＝试验箱宽度；

b_g＝筋材宽度；

d＝滑移长度；

D_b＝筋材埋深；

d_u＝最大拉拔力时的滑移长度；

E_g＝筋材弹性模量；

k＝折减系数；

L＝筋材长度；

P＝拉拔力；

P_deb＝破坏时拉拔力；

P_u＝最大拉拔力；

P₁＝A点时拉拔力；

P₂＝B点时拉拔力；

P₃＝C点时拉拔力；

q＝土体上覆荷载；

t_g＝筋材厚度；

u₁,u₂,u₃＝A,B,C点的位移；

Γ＝界面剪切强度常数；

γ＝土体重度；

δ＝剪切位移；

δ_f＝残余剪切强度时的剪切位移；

δ_l＝峰值剪切强度时的剪切位移；

Δ＝筋材末端总位移；

φ_sr＝界面摩擦角；

λ,λ₁,λ₂＝表示界面和增强材料属性的常量；

ν＝土体泊松比；

σ_v＝土体上覆压力；

τ＝界面剪切应力；

τ_f＝峰值剪切强度；

τ_r＝残余剪切强度；

ψ＝土体剪胀角。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种获取平面型筋-土界面拉拔力学行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在一定上覆压力下，对加筋土结构的筋-土界面实施一次拉拔试验，获取荷载-位移曲线数据；

(2)在获得的荷载-位移曲线数据中，取三个特征点，将这三个特征点的数值代入模型计算公式，以确定控制参数；

(3)将控制参数代入模型计算公式，确定各阶段的荷载-位移、剪应力分布、内部位移分布的力学行为特征曲线，并将各阶段的曲线连接在一起，即得到完整的力学行为特征曲线；

(4)其他上覆压力时，换算步骤(2)的控制参数，重新代入步骤(3)，得到在其他上覆压力下的荷载-位移曲线、剪应力分布、内部位移分布的力学行为特征曲线；

步骤(2)所取的三个特征点分别为荷载-位移曲线第一阶段末端、第二阶段末端和曲线最高点；

步骤(2)所取的三个数据点为A(u₁,P₁),B(u₂,P₂),C(u₃,P₃)，所述的控制参数包括δ₁,δ_f,k,a_d,d_u和τ_f，控制参数具体通过模型计算公式(1)-(4)确定：

δ₁＝u₁，δ_f＝u₂ (1)

P_deb＝P₂，P_u＝P₃ (2)

其中，u₁,u₂,u₃＝A,B,C点的位移；P₁,P₂,P₃＝A,B,C点的拉拔力；δ₁＝峰值剪切强度时的剪切位移；δ_f＝残余剪切强度时的剪切位移；P_deb＝界面进入滑移破坏时拉拔力；P_u＝极限拉拔力；b_g＝筋材宽度；τ_f＝峰值剪切强度；λ₁,λ₂＝表示界面和增强材料属性的常量；k＝折减系数；a_d＝滑移开始时的软化段长度；d_u＝极限拉拔力对应的滑移段长度；

步骤(3)包括第一阶段、第二阶段和第三阶段，其中：

第一阶段的荷载-位移曲线通过模型计算公式(5)确定：

第一阶段的内部位移分布通过模型计算公式(6)确定：

第一阶段的内部剪应力分布通过模型计算公式(7)确定：

其中，P＝拉拔力；δ＝剪切位移；τ＝界面剪切应力；L＝筋材长度；x＝离筋材尾部的距离；

第二阶段的荷载-位移曲线通过模型计算公式(8)、(9)确定：

第二阶段的内部位移分布通过模型计算公式(10)确定：

第二阶段的内部剪应力分布通过模型计算公式(11)确定：

其中，Δ＝筋材拉拔端总位移；a＝软化段长度；

第三阶段的荷载-位移曲线通过模型计算公式(12)、(13)确定：

第三阶段的内部位移分布通过模型计算公式(14)确定：

第三阶段的内部剪应力分布通过模型计算公式(15)确定：

τ＝kτ_f (15)

其中，d＝滑移长度；

在其他上覆压力时，换算步骤(2)的控制参数，通过模型计算公式(16)、(17)确定：

τ_f＝Γσ_v (16)

其中，Γ＝界面剪切强度常数；σ_v＝土体上覆压力；φ_sr＝界面摩擦角；

ν＝土体泊松比；ψ＝土体剪胀角；K₀＝砂土侧向土压力系数。

2.根据权利要求1所述的一种获取平面型筋-土界面拉拔力学行为的方法，其特征在于，步骤(1)的荷载-位移曲线数据也可通过文献实验数据得到。

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