基于ABAQUS的土工格柵層位置影響路面彎沉有限元分析

趙 昊， 賈孟宗

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

加筋土的應(yīng)用歷史已悠久[1]。土工格柵憑借著自身占地少、協(xié)調(diào)性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在路基中被廣泛使用[2]。普通高速公路路基路面四分之一模型及土工格柵如圖1所示，其中，土工格柵可放置于公路各面層之間。徐超[3]通過(guò)平板荷載試驗(yàn)方法研究了不同加筋材料和加筋層數(shù)對(duì)土工格柵加筋土地基承載特性的影響。隨著有限元軟件的發(fā)展，一些學(xué)者也通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)加筋土承載能力和變形特征進(jìn)行了一定研究[4-5]。

在數(shù)值模擬時(shí)，不同的路基面層連接方式對(duì)路面彎沉值的影響甚至大于土工格柵本身的影響，本文基于ABAQUS對(duì)比分析了不同土工格柵位置、不同面層間相互作用對(duì)于路面彎沉最大值的影響。

圖1 模型尺寸示意

1 材料模型驗(yàn)證

高速公路各面層密度均為2×10-9t/mm3；路面厚度與材料參數(shù)如表1所示。

路基材料考慮拉壓非對(duì)稱(chēng)Drucker-Prager模型：摩擦角β和膨脹角ψ均為40°，應(yīng)力比K取1；率相關(guān)參數(shù)為冪法則乘數(shù)D=10，指數(shù)n=1；壓力P=0.7～1.5 MPa(本文取1.5 MPa)；Drucker-Prager模型的硬化參數(shù)如表2所示。

為驗(yàn)證模型材料參數(shù)的正確性，采用1 m×1 m×1 m的正方體模型，輸入材料參數(shù)，測(cè)試Drucker-Prager模型本構(gòu)關(guān)系曲線(xiàn)，測(cè)試后選取唯一節(jié)點(diǎn)，繪制其應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，結(jié)果如圖2所示，其中TestCompression表示單元受壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，TestPulling表示單元受拉時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。結(jié)果表明：材料在拉伸、壓縮條件下表現(xiàn)出不同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，這與實(shí)際中土的材料本構(gòu)關(guān)系相符。

表1 路面的幾何與材料參數(shù)

表2 Drucker-Prager模型的硬化參數(shù)

圖2 測(cè)試單元拉壓非對(duì)稱(chēng)行為曲線(xiàn)

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

本文需要分析土工格柵位置對(duì)高速公路彎沉量的影響，共考慮了三種格柵位置，裝配完成后模型如圖3(a)、3(b)、3(c)所示。材料參數(shù)選取如表1、表2所示，模型網(wǎng)格數(shù)量結(jié)點(diǎn)總數(shù): 67 183單元總數(shù): 57 387，部件間的連接方式非別為綁定連接、面面接觸。

圖3 有限元模型

2.2 荷載及邊界

載荷條件：重力Z軸分量為-9 810 N/tonne；頂端角點(diǎn)50 mm×100 mm區(qū)域施加壓強(qiáng)載荷(p=1.5 MPa)。結(jié)果如圖4所示。

圖4 荷載及邊界

邊界條件：由于本文中模型取為1/4對(duì)稱(chēng)模型，因此在全局坐標(biāo)系中，模型x=0平面面施加x平面對(duì)稱(chēng)邊界X=Ry=Rz=0；y=0面施加y平面對(duì)稱(chēng)邊界Y=Rx=Rz=0；x=400 mm平面約束其法向X=0；y=400 mm平面約束其法向Y=0；底部z=0處約束其法向位移Z=0位移的四周和底端施加法相約束。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

高速公路層與層之間考慮兩種連接形式：表面與表面綁定(a)；面面接觸(b)。

格柵層位于上部時(shí)，公路橫斷面內(nèi)彎沉量及局部放大示意如圖5所示；格柵層位于中部時(shí)，公路橫斷面內(nèi)彎沉量及局部放大示意如圖6所示；格柵層位于下部時(shí)，公路橫斷面彎沉量及局部放大示意如圖7所示。

(a)綁定鏈接

(a)綁定鏈接

(a)綁定鏈接

圖8 彎沉路徑

利用ABAQUS/Standard求解，在后處理模塊沿彎沉方向創(chuàng)建路徑1，如圖8所示；并繪制不同情況下高速公路的彎沉曲線(xiàn)如圖9所示，其中各圖名的含義如表3所示。

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)路基路面工程施工過(guò)程，公路橫斷面上的每一層都按照一定的施工技術(shù)進(jìn)行分層填埋、壓實(shí)。不同面層之間有著顯著的分界面，分界面之間既可以傳遞豎向力，又可以傳遞切向力。在有限元仿真計(jì)算中，需要通過(guò)考慮界面之間的相互作用來(lái)與實(shí)際情況對(duì)應(yīng)。面層之間采用綁定連接與接觸連接時(shí)，這種不同的界面連接方式對(duì)路面彎沉量造成的影響甚至大于土工格柵布置位置的影響(約為5倍)，如圖9所示。因此，采用正確的有限元模型、界面連接方式對(duì)有限元分析結(jié)果極其重要。

(2) 無(wú)論界面間采用何種連接方式，有限元計(jì)算結(jié)果總是呈現(xiàn)這樣一個(gè)趨勢(shì)：隨著土工格柵層的上移，路面的彎沉量逐漸增大，而且對(duì)應(yīng)位置的土工格柵層受力越發(fā)不均勻，這對(duì)于土工格柵長(zhǎng)期工作將產(chǎn)生不良影響。

表3 曲線(xiàn)名稱(chēng)及含義

圖9 彎沉曲線(xiàn)