基于有限元模拟的土工格室加筋基层力学响应及工程应用研究.pdf
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1、本研究利用本研究利用abaqus有限元模拟不同因素对基层承载能力影响,通过应力应变云图,竖向沉降量、回弹模有限元模拟不同因素对基层承载能力影响,通过应力应变云图,竖向沉降量、回弹模量、塑性变形量随荷载变化曲线等分析不同基层承载能力差异,验证承载板试验结论。同时对格室加固量、塑性变形量随荷载变化曲线等分析不同基层承载能力差异,验证承载板试验结论。同时对格室加固材料进行研究,对比填料为单粒级碎石、沥青面层材料进行研究,对比填料为单粒级碎石、沥青面层半刚性基层混合铣刨料、沥青面层铣刨料及乳化沥半刚性基层混合铣刨料、沥青面层铣刨料及乳化沥青冷再生混合料对结构层加固效果分析,为开展工程试验提供指南和有理
2、论支持。开展试验路验证承载青冷再生混合料对结构层加固效果分析,为开展工程试验提供指南和有理论支持。开展试验路验证承载板试验结论正确性并跟踪观测路面服役效果,对机械化施工方式进行改进与完善。板试验结论正确性并跟踪观测路面服役效果,对机械化施工方式进行改进与完善。关键词关键词 土工格室土工格室,混合铣刨料混合铣刨料,abaqus有限元模拟有限元模拟,工程试验工程试验 Research on Mechanical Response and Engineering Application of Geocell Reinforced Base Based on Finite Element Simula
3、tion Xinping He1,Hu Lan2,Jin Liu1,Meimei He1,Anshu Liu3,Lili Yan4 1China Highway Engineering Consultants Corporation,Beijing 2Highway School,Changan University,Xian Shaanxi 3China Railway Design Group,Tianjin 4Fushun Transportation Comprehensive Administrative Enforcement Team,Fushun Liaoning Receiv
4、ed:Jul.25th,2023;accepted:Aug.15th,2023;published:Aug.25th,2023 何新平 等 DOI:10.12677/hjce.2023.128125 1093 土木工程 Abstract In this study,abaqus was used to simulate the influence of different factors on the load-bearing capacity of the base.The difference in load-bearing capacity of the different bases
5、was analyzed through a stress-strain cloud map,vertical settlement,resilience modulus and plastic deformation curve with load,etc.,and the conclusion of the load-bearing plate test was verified.At the same time,the reinforcement materials of the cell were studied,and the reinforcement effect of the
6、sin-gle grain gravel,asphalt surfacing and semi-rigid base mixed milling material,asphalt surfacing milling material and emulsified asphalt cold recycled mixture were compared to provide guidance and theoretical support for engineering tests.To carry out trial road verification of load-bearing board
7、 test conclusions and monitor the pavements performance,improvements and refinements to mechanized construction methods will be made.Keywords Geocell,Mixed Milling Materials,Abaqus finite Element Simulation,Engineering Test Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed und
8、er the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 纵观交通行业发展史,土工格室出现时间较晚,相比而言土工格室在国外应用较早,国内仍然处于探索阶段。卢硕 1针对软土地基进行土工格室加筋处理同时利用有限元模拟得出:土工格室加筋层应力扩散效果明显,将上部荷载向下传递,传递效率在 90%左右。土工格室加筋碎石结构层可提高路基变形模量约 15%,回弹模量约 10%。王世立 2通过数值模拟与室内试验相结合,研究了土工格室加
9、筋土处理桥头过渡段不均匀沉降现象的效果,得出结论:土工格室加筋土铺设层数、压实度对其治理效果影响明显,而含水率影响较小。土工格室最上层铺设长度为 10 m15 m、铺设间距为 2 m2.5 m 时降低不均匀沉降效果最好,且由上至下,土工格室铺设长度可逐渐减小。M.P.Vibhoosha 等 3根据总结的大量文章及试验,得出了土工格室可以使垂直应力扩散至更深层区域,土工格室配筋约可减少 50%垂直应力并提高承载能力约 34 倍。0.3 m 厚度的土工格室加筋土基视为梁,而 0.15 m 厚度的加筋土基表现为张拉膜,张拉膜效应是增加承载能力的重要原因。Ahn Jaehun 等 4通过落锤弯沉仪试验
10、、承载板试验和降雨模拟试验得出加筋后路面弹性模量提高,未加筋基层厚度为 600 mm 的路面提供与加筋路面相同的弹性模量值,当使用格室加筋基层后,设计人员可降低路面厚度;降雨试验得出格室加筋基层可有效处理地表径流。近年来许多学者对土工格室加筋结构进行了探索,但并没有形成完备的理论体系,只是针对不同场景进行了研究,因此加快国内土工格室加筋结构体系的构建和完善对行业发展非常必要。Abaqus 提供了大量的材料模型,输入参数即可模拟水泥混凝土、钢筋、岩土、高分子材料、金属、液体等材料性能。Abaqus 可以对应力、应变、位移等相关参数进行验证,除此之外还可以模拟光、电、温度等耦合作用、热传导、岩土力
11、学分析等 5 6。本研究利用土工格室加筋沥青面层半刚性基层混合废弃铣刨料,在承载板试验的基础上结合Abaqus 有限元模拟分析,对试验数据进行分析、验证与预测,选择加筋效果更好的试验方案。铺设试验路,对该路段服役过程持续跟踪并采集土工格室加筋结构层数据,给出沥青路面各结构层用料类型及厚Open AccessOpen Access何新平 等 DOI:10.12677/hjce.2023.128125 1094 土木工程 度等推荐值。2.土工格室加固混合铣刨料基层结构有限元模型建立土工格室加固混合铣刨料基层结构有限元模型建立 2.1.有限元模型和边界条件有限元模型和边界条件 Figure 1.Ge
12、ocell mode 图图 1.土工格室模型 Figure 2.Quarter bearing plate model 图图 2.四分之一承载板模型 Figure 3.Overall model of road structure 图图 3.道路结构整体模型 土工格室加固混合铣刨料基层结构整体模型如图 13 所示。模型结构由上至下分别为保护层、土工格室加筋基层、水稳碎石结构层、土基。土工格室采用焊距 20 cm、高度 10 cm 规格,与室内试验参数保持一致。整体道路结构模型为轴对称结构,为减少计算量方便计算机运行且不影响结果前提下,取整体结构四分之一进行分析,则模型长度为 100 cm、宽度
13、 100 cm。为了准确分析应力传递过程中,格室加筋对结构层的作用影响深度,将土基结构加深至整体道路模型深度为 2 m,更准确的模拟道路实际情况。何新平 等 DOI:10.12677/hjce.2023.128125 1095 土木工程 刚性承载板同取四分之一,即为半径 15 cm、厚度 0.2 cm 扇形结构。2.2.结构材料参数选取结构材料参数选取 实际工程中土体材料的种类、特性繁多,模拟中无法实现完全贴合实际土体的全部特性,只能实现模拟一类土的性质,因而建模时要对土体材料模型进行简化。土工格室做加筋结构层,在极限荷载作用下最大拉应变仍处于线弹性范围,因此在模拟中选择线弹性 7 8。模型中
14、道路基层铣刨料与地基土材料均采用摩尔库伦理论进行模拟计算,Abaqus 中选择摩尔库伦模型模拟。根据试验路勘察得出各项材料的参数如下表 1 所示:Table 1.Model material parameter 表表 1.模型材料参数 材料名称 质量密度 g/cm3 杨氏模量 E/MPa 泊松比 摩擦角/粘聚力/KPa 沥青面层 2.3 1300 0.25 承载板 7.8 206,000 0.3 土工格室 0.95 500 0.3 高强度土工格室 1.8 2930 0.3 混合铣刨料 2.2 200 0.35 20 10 单粒级碎石 2.5 400 0.35 25 乳化沥青 冷再生混合料 2.
15、3 1200 0.3 25 20 水稳碎石 2.3 3000 0.3 地基土 1.8 40 0.4 2.3.分析步分析步 Abaqus 中分析步包含通用分析步(General steps)和通用摄动分析步(Linear perturbation steps)。在模拟道路基坑开挖时,前一步分析步的结束状态为下一分析步的初始状态,属于通用分析步。模拟过程中需考虑工后沉降问题,路基一般在自重作用下趋于平衡,沉降量几乎为零,其沉降量主要产生原因为行车荷载与路面荷载,因此在有限元模拟分析过程中考虑地应力平衡。分析步设置为两步,第一步为地应力、平衡初始应力,第二步为静力、通用。2.4.边界条件与相互作用边
16、界条件与相互作用 模型结构为整体1 4,方型道路结构模型等同于箱体,边界受到位移限制。X 轴与 Y 轴方向的纵向截面,边界条件不允许箱体向水平方向移动,因此限制位移和转角使其完全固定。其余两个侧面限制其法相位移,模型底部限制所有方向位移。2.5.荷载与网格划分荷载与网格划分 网格划分的疏密程度与模拟结果精确度相关,网格过密导致计算量成倍增加使运行负担加重,而网格过疏可能使结果精确度不足,因此在网格划分时要权衡两个因素影响比重,使运行结果精密度较高且网格数量合适。考虑作用在承载板上的荷载主要集中在承载板周围以及承载板下方区域,即应力与位移何新平 等 DOI:10.12677/hjce.2023.
17、128125 1096 土木工程 主要发生在该区域附近,因此将承载板周围网格局部加密,其他部位网格划分相较稀疏,整体结构网格单元总数在 5 万个左右较为合适。针对道路结构,近似全局尺寸采用 0.09,局部加密部位适当缩小尺寸;承载板、土工格室近似全局尺寸分别采用 0.02、0.04。选择单元属性为 C3D8(即实体八结点线性六面体单元)对道路结构层进行网格划分、M3D4(即四结点四边形膜单元)对土工格室进行网格划分、C3D8(即八结点线性六面体单元薄壳,膜应变)对刚性承载板进行网格划分。3.土工格室结构参数对基层力学响应影响土工格室结构参数对基层力学响应影响 3.1.保护层厚度影响保护层厚度影
18、响 向承载板施加垂直方向荷载后,应力不仅沿着垂直方向向下传递,还分布在荷载以外的很大范围内,由于刚性承载板与结构层之间模量差距悬殊,若无保护层结构可能导致应力无法有效扩散导致结果不准确,同时考虑实际施工过程中,摊铺机直接作用于格室结构层上可能导致格室侧壁压弯或压坏而提前失去约束作用,保护层可对土工格室起到一定保护作用,为此利用 Abaqus 有限元模拟不同厚度保护层对格室加筋基层的力学响应影响。保护层材料与土工格室填料种类相同,此模型材料采用沥青面层半刚性基层混合铣刨料,保护层厚度分别取无保护层、3 cm、5 cm 和 10 cm 对结构层承载能力影响分析对比。图 4 为不同保护层厚度对格室加
19、固基层竖向变形量影响对比图。Figure 4.Comparison of the influence of different protective layer thickness on the vertical deformation of cell reinforced base 图图 4.不同保护层厚度对格室加固基层竖向变形量影响对比图 综上所述,根据不同保护层厚度对应的荷载位移曲线得出,保护层的存在对结构层承载能力有提升,保护层起到了帮助应力扩散的作用,使作用在承载板上的荷载有效传递到格室加筋基层结构中。5 cm保护层效果好于 3 cm 保护层,10 cm 保护层相比于 5 cm 和
20、3 cm 保护层,其对结构层承载能力没有提升,且效果与无保护层基本相同。从实际考虑,保护层的存在及其厚度的增加使道路结构整体厚度也增加,保护层的主要作用是扩散应力和避免土工格室施工过程中被破坏,因此不适合采用过厚的保护层,推荐采用 3 cm 厚度。3.2.土工格室模量影响土工格室模量影响 随着土工格室生产工艺不断更新,为了满足机械化施工要求,新型高强度土工格室逐渐普及,由于其提升抗拉强度、降低延展率而使土工格室加筋层整体刚度提升,路面结构承载能力也有不同程度的加强。为了比较高强度格室加筋基层效果提升程度,模型中对两种模量格室进行对比分析,其中普通强度何新平 等 DOI:10.12677/hjc
21、e.2023.128125 1097 土木工程 土工格室模量为 500 MPa,高强度土工格室模量为 2930 MPa。图 5 为两种格室加固沥青面层半刚性基层混合铣刨料作柔性基层的荷载位移曲线图。Figure 5.Comparison of reinforcement effect of geocell with different strength 图图 5.不同强度土工格室加筋效果对比图 3.3.土工格室高度影响土工格室高度影响 为了比较格室高度对加筋结构层承载能力的影响情况,模拟格室高度分别为 20 cm、15 cm 和 10 cm时结构层荷载与沉降量关系,同时对比单层 20 cm 土
22、工格室与双层各 10 cm(共 20 cm)土工格室对结构层承载能力的影响。图 6 为其他条件相同时,三种高度格室加筋层的荷载位移曲线。Figure 6.Loading and displacement curves of reinforced layer with different height 图图 6.不同高度格室加筋层荷载位移曲线图 根据结果得出,单层 20 cm 高度格室与双层各 10 cm 高度格室加固铣刨料后结构层的荷载位移曲线重合,说明理论上高度相同情况下,单层与双层的施工工艺对路面承载能力无影响。但在实际施工过程中,需要考虑机械压实对格室的破坏程度与两层格室之间联接程度对承
23、载能力的影响。从图 6 可以看出,当荷载超过 0.4 MPa 后,高度对格室加筋影响逐渐明显。高度 20 cm、15 cm、10 cm格室加固层荷载位移曲线拐点荷载依次为 0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa。当位移为 60 mm 时,三种高度格室加筋层对应荷载分别为 0.79 MPa、0.87 MPa、0.98 MPa,说明随着格室高度降低结构层承载能力何新平 等 DOI:10.12677/hjce.2023.128125 1098 土木工程 逐渐提升。但该结论与室内试验结论相反,这是由于 Abaqus 模拟承载板试验过程中设置竖向总位移为100 mm,通过向承载板施加荷载使结构层
24、达到竖向沉降目的。当土工格室高度降低时,该结构层高度也随之降低,水稳碎石结构层则发挥更大作用,而水稳碎石结构层模量是格室模量的数倍,其强度也远远高于格室加筋结构层。尤其当格室高度降低为 10 cm 时,竖向位移同为 10 cm 下降至水稳碎石结构层表面,水稳碎石层发挥主要承载作用,因此格室高度越低反而整体结构层承载能力越强。但在足尺试验时,路面结构层不会产生模拟设定深度的竖向沉降量,实际道路在行车荷载作用下弯沉也较小,因此土工格室加筋层整体提供主要强度,此时为格室高度增加,路面结构承载能力越强。3.4.水稳碎石结构层对结构承载能力影响水稳碎石结构层对结构承载能力影响 为了分析水稳碎石下基层对整
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