張根寶 何仕林 陳昌富 徐長節(jié) 毛鳳山

(①湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院,益陽 413000,中國)(②湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410082,中國)(③湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410082,中國)(④城市地下基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)湖南省工程研究中心,益陽 413000,中國)(⑤江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心,南昌 330013,中國)

0 引 言

加筋水泥土樁錨結(jié)構(gòu)在軟土地基加固和建筑基坑支護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用逐漸增多,應(yīng)用效果獲得了業(yè)界的認(rèn)可(孫超等,2018; 王炳等,2019)。工程中通常用鋼筋作為加筋水泥土結(jié)構(gòu)的加筋體,由于水泥土適用地層的土體常具有一定的腐蝕性,導(dǎo)致鋼筋銹蝕,從而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。相比于鋼筋,GFRP(玻璃纖維增強(qiáng)塑料)筋具有抗腐蝕性能好、抗拉強(qiáng)度高、抗磁性能好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)(朱鴻鵠等,2012),將GFRP筋替代鋼筋作為加筋體具有重要的應(yīng)用前景。

實(shí)際工程中,錨固系統(tǒng)失效通常是由巖土體與錨固體界面產(chǎn)生的滑移破壞導(dǎo)致的(尤春安等,2009),加筋水泥土結(jié)構(gòu)的承載性能主要取決于水泥土與加筋體的界面黏結(jié)性能。由于缺少關(guān)于水泥土與GFRP筋界面黏結(jié)性能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,將GFRP筋作為加筋體的加筋水泥土結(jié)構(gòu)還未在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。因此,開展GFRP筋-水泥土界面黏結(jié)性能的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

目前,大部分學(xué)者都是通過現(xiàn)場及室內(nèi)拉拔試驗(yàn)來研究筋體-巖土體界面的黏結(jié)性能。洪成雨等(2017)通過現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)指出土釘表面粗糙度、灌漿壓力及上覆土壓力是影響界面摩阻力的關(guān)鍵參數(shù),葉新宇等(2021)通過室內(nèi)模型試驗(yàn)指出注漿壓密效應(yīng)是影響土釘抗拔性能的重要因素。張冠軍等(2002),于寧等(2004),Chen et al.(2018)通過室內(nèi)拉拔試驗(yàn)對(duì)筋體-水泥土界面的黏結(jié)性能進(jìn)行了研究,指出水泥土的抗壓強(qiáng)度、摻入比、齡期以及筋體的表面形態(tài)對(duì)筋體-水泥土界面的黏結(jié)性能有重要影響。關(guān)于GFRP筋在不同黏結(jié)介質(zhì)中的黏結(jié)性能研究主要集中在混凝土、風(fēng)化巖(白曉宇等,2018,2020)以及砂漿(薛偉辰,2005; 張景科等,2014)等方面,著重考慮了GFRP筋的直徑、肋距等表面形態(tài)特征對(duì)界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響(郝慶多等,2008; 羅小勇等,2015),并基于回歸分析建立了界面黏結(jié)滑移模型(陸新征等,2005; Chen et al.,2020)。關(guān)于GFRP筋在水泥土介質(zhì)中黏結(jié)性能的研究報(bào)道較少,主要通過水泥土中GFRP筋拉拔試驗(yàn)得到界面黏結(jié)滑移曲線,并基于拉拔破壞后筋體附著水泥土的形態(tài)特征對(duì)筋體-水泥土界面承載過程進(jìn)行初步分析(陳昌富等,2019; Chen et al.,2020)。

上述研究的關(guān)注點(diǎn)側(cè)重于筋體-巖土體界面的黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律,對(duì)于界面黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)揮機(jī)制,即界面黏結(jié)滑移過程中黏結(jié)體應(yīng)力變形和剪切帶演化等,未做深入分析。GFRP筋-水泥土界面的黏結(jié)性能涉及到水泥土與GFRP筋兩種材料之間的復(fù)雜相互作用,通過室內(nèi)或現(xiàn)場的拉拔試驗(yàn)僅能在宏觀上獲得GFRP筋-水泥土的界面黏結(jié)滑移曲線,無法從細(xì)觀上獲取GFRP筋-水泥土黏結(jié)滑移過程中筋體與土體共同受力變形的特征。數(shù)值仿真方法可以從內(nèi)部揭示材料相互作用機(jī)制,能夠?yàn)樵囼?yàn)研究提供有效補(bǔ)充。因此,已有學(xué)者采用數(shù)值模型對(duì)結(jié)構(gòu)體-巖土體界面承載機(jī)理進(jìn)行了研究,主要包括樁-土界面(錢建固等,2015)、加筋體-混凝土界面(王海龍等,2011)以及巖石錨桿界面(車納等,2018; 方威等,2018)等。大部分?jǐn)?shù)值模擬是采用有限元法、有限差分法等方法,無法準(zhǔn)確描述界面的接觸關(guān)系以及變形破壞的細(xì)觀機(jī)理。離散元法能有效地模擬材料的宏細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)及變形破壞過程(Potyondy et al.,2004),但單元數(shù)量受到計(jì)算效率的限制。國產(chǎn)離散元軟件MatDEM依靠圖形處理器在平衡單元數(shù)量和計(jì)算效率方面性能優(yōu)良,成為巖土和地質(zhì)工程領(lǐng)域離散元模擬的重要工具(劉春等,2020)。然而,有關(guān)GFRP筋-水泥土界面黏結(jié)特性方面的數(shù)值仿真研究,目前尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

為此,本文采用離散元數(shù)值模擬方法,對(duì)GFRP筋在水泥土中的拉拔試驗(yàn)和界面黏結(jié)滑移響應(yīng)進(jìn)行了全過程數(shù)值仿真,重點(diǎn)考察了界面黏結(jié)滑移過程中界面位移場演化、剪切帶發(fā)展規(guī)律以及膠結(jié)破壞演化等在室內(nèi)試驗(yàn)中無法獲取的關(guān)鍵特征和信息,從細(xì)觀上揭示了GFRP筋-水泥土界面黏結(jié)滑移破壞機(jī)制,并通過參數(shù)分析研究了筋體形態(tài)特征對(duì)界面黏結(jié)特性的影響規(guī)律。

1 水泥土中GFRP筋拉拔試驗(yàn)離散元模擬

1.1 離散元模型建立

為深入分析GFRP筋-水泥土界面黏結(jié)滑移特性,采用國產(chǎn)矩陣離散元軟件MatDEM對(duì)陳昌富等(2019)開展的水泥土中GFRP筋單元體拉拔試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。單元體試驗(yàn)(陳昌富,2019)中所制備的單元體試樣如圖1所示,基于單元體試樣的對(duì)稱性,建立了其二維離散元模型,如圖2所示。

圖1 單元體試樣

圖2 水泥土中GFRP筋拉拔試驗(yàn)離散元模型(單位:mm)

模型中間部分為帶肋GFRP筋,筋體直徑為16mm,肋間距與肋高分別為10mm及1mm,筋體周圍為水泥土,水泥土試樣直徑為190mm,高為120mm,GFRP筋與水泥土的黏結(jié)長度為80mm。采用MatDEM中的Toolcut函數(shù)切割堆積模型來實(shí)現(xiàn)筋體肋的外輪廓模擬。顆粒間采用線彈性接觸模型,單元平均粒徑為1.5mm(顆粒粒徑介于1.23～1.77mm),總數(shù)為323617個(gè),其中:水泥土單元數(shù)為262472個(gè),GFRP筋單元數(shù)為40356個(gè),邊界單元數(shù)為20789個(gè)。

1.2 材料設(shè)置

本文離散元模型的力學(xué)性質(zhì)主要受單元的接觸模型和宏細(xì)觀力學(xué)參數(shù)控制。在MatDEM中,模型材料參數(shù)的輸入值為5個(gè)宏觀力學(xué)參數(shù),包括楊氏模量E、泊松比v、抗壓強(qiáng)度Cu、抗拉強(qiáng)度Tu和內(nèi)摩擦系數(shù)μi。對(duì)于線彈性接觸模型,單元的5個(gè)細(xì)觀力學(xué)參數(shù)(法向剛度Kn、切向剛度Ks、斷裂位移Xb、初始抗剪力Fs0和摩擦系數(shù)μp)可由5個(gè)宏觀力學(xué)參數(shù)以及單元直徑d通過(Liu et al.,2017)給出的轉(zhuǎn)換公式計(jì)算得到。轉(zhuǎn)換公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

由于隨機(jī)堆積模型的力學(xué)性質(zhì)通常會(huì)比設(shè)定值小,因此,為獲得力學(xué)性質(zhì)更準(zhǔn)確的材料,需要對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)訓(xùn)練。材料訓(xùn)練的過程為:先用設(shè)定的材料參數(shù)來建立隨機(jī)堆積模型; 然后對(duì)堆積模型進(jìn)行單軸壓縮、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度測(cè)試,獲得堆積模型的實(shí)際彈性模量和強(qiáng)度; 再通過實(shí)測(cè)值和設(shè)定值的比率反復(fù)調(diào)整細(xì)觀參數(shù),直至各材料力學(xué)性質(zhì)收斂于設(shè)定值。

參考本課題組已開展的水泥土中GFRP筋拉拔試驗(yàn)所采用實(shí)際材料的物理力學(xué)性質(zhì)(陳昌富等,2019),本文數(shù)值建模過程中設(shè)置的水泥土與GFRP筋的宏觀力學(xué)參數(shù)如表1所示,通過材料訓(xùn)練及轉(zhuǎn)換公式得到的水泥土與GFRP筋的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 水泥土與GFRP筋的宏觀力學(xué)參數(shù)

表2 水泥土與GFRP筋的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

1.3 模型平衡及荷載施加

對(duì)模型賦予材料參數(shù)后,模型中各單元間受力會(huì)發(fā)生急劇變化。為了防止模型由于驟然增加的單元間應(yīng)力而炸裂,需要對(duì)模型進(jìn)行強(qiáng)膠結(jié)平衡,將單元間賦予足夠大的抗拉力和初始抗剪力,隨后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)平衡,將系統(tǒng)的能量迅速耗散。對(duì)模型不斷進(jìn)行膠結(jié)與平衡,直至單元運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),從而獲得穩(wěn)定的數(shù)值模型來滿足高精度的模擬。

模型加載方案與試驗(yàn)(陳昌富等,2019)保持一致。采用位移控制的準(zhǔn)靜態(tài)加載方式,對(duì)GFRP筋頂部施加緩慢速度來模擬位移荷載的施加,拉拔速度為0.01mm/時(shí)間步,直至筋體拔出長度為20mm時(shí)停止模擬,為滿足較高精度的數(shù)值模擬,需要進(jìn)行足夠多的迭代計(jì)算,本文模型中設(shè)置迭代計(jì)算次數(shù)為10萬次。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 荷載-位移曲線

圖3為GFRP筋-水泥土拉拔試驗(yàn)荷載-位移曲線的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)(陳昌富等,2019)結(jié)果對(duì)比,兩者變化趨勢(shì)基本一致,拉拔荷載先隨著位移的增加而增大,達(dá)到峰值點(diǎn)后呈現(xiàn)波動(dòng)式衰減。離散元模擬的荷載-位移曲線顯示的峰值點(diǎn)荷載與試驗(yàn)記錄的峰值點(diǎn)荷載非常接近,都處于8～10kN之間。然而,峰值點(diǎn)后波動(dòng)式衰減段的荷載值卻略高于試驗(yàn)值,這可能是由于離散元模型中的水泥土顆粒單元與實(shí)際土顆粒在力學(xué)行為與形狀上存在差異性所導(dǎo)致的,比如試驗(yàn)中筋體周圍存在部分土顆粒被剪碎的情況,但數(shù)值模型中模擬水泥土的顆粒單元無法破碎。

圖3 荷載-位移曲線

另一方面,從圖3中可觀察到荷載-位移曲線上存在5個(gè)荷載特征點(diǎn)a、b、c、d、e,可依次定義為荷載初始點(diǎn)、第1峰值點(diǎn)、第1谷值點(diǎn)、第2峰值點(diǎn)以及第2谷值點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)GFRP筋拔出位移為1mm、4mm、10mm(一個(gè)肋間距)、14mm、20mm(兩個(gè)肋間距)時(shí)的筋體端部荷載。

2.2 界面位移場演化分析

圖4為GFRP筋-水泥土拉拔試驗(yàn)?zāi)M結(jié)束后(s=20mm)的模型位移云圖。從圖中可以看出,筋體拔出對(duì)周圍水泥土的位移影響范圍主要發(fā)生在兩者界面處,靠近筋體上部的水泥土位移影響范圍呈現(xiàn)出一個(gè)倒錐形喇叭口,這與試驗(yàn)(陳昌富等,2019)觀察一致。

圖4 拉拔結(jié)束后水泥土位移云圖

為了進(jìn)一步從細(xì)觀上研究GFRP筋-水泥土的界面黏結(jié)滑移破壞機(jī)制,對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行聚焦,選取圖4中黃色矩形框?qū)?yīng)的界面處3個(gè)肋距長度范圍來進(jìn)行研究,提取荷載-位移曲線上不同拉拔位移下的GFRP筋-水泥土界面位移場演化情況,如圖5所示。

圖5 不同拉拔位移下界面附近水泥土位移場演化過程

圖5a～圖5e是水泥土凸起部分的塑性區(qū)由初步形成發(fā)展至貫通的過程,當(dāng)筋體拔出至s=1mm時(shí),此時(shí)筋體與水泥土近似處于彈性平衡狀態(tài),筋體受拉時(shí)肋凸起部分對(duì)周圍水泥土有擠壓作用,在水泥土凸起部分開始形成塑性區(qū)(圖5b); 隨著筋體繼續(xù)拔出,水泥土凸起部分的塑性區(qū)不斷擴(kuò)大,直到筋體拔出至s=4mm時(shí),塑性區(qū)貫通整個(gè)水泥土凸起部分,界面處開始發(fā)生剪切破壞形成破壞面1(圖5e),在云圖中表現(xiàn)為位移量達(dá)到1.5mm的紫色區(qū)域和位移量不足1mm的黃綠色區(qū)域分界線,此時(shí)曲線上荷載達(dá)到最大值。圖5e～圖5h為水泥土凸起部分的塑性區(qū)貫通后進(jìn)入塑性變形階段并與筋體發(fā)生相對(duì)滑移的過程,當(dāng)s>4mm時(shí),筋體與水泥土開始發(fā)生相對(duì)滑移,界面處滑動(dòng)的水泥土顆粒形成滑動(dòng)區(qū)并沿著破壞面1移動(dòng),并填充在筋體相鄰肋間區(qū)域伴隨筋體向上移動(dòng),并由于滑動(dòng)產(chǎn)生擠壓導(dǎo)致部分堆積水泥土再次附著在筋體肋間表面形成堆積區(qū)(圖5f黃色虛線區(qū)域)。堆積區(qū)水泥土顆粒的增加導(dǎo)致界面處的摩阻力及機(jī)械咬合力減弱,從而使得筋體與水泥土的黏結(jié)作用持續(xù)減弱,直至筋體拔出至s=10mm時(shí),曲線上荷載降低至第1谷值點(diǎn); 當(dāng)拉拔位移s=14mm時(shí),界面處發(fā)生第2次剪切破壞形成破壞面2(圖5g),此時(shí)曲線上荷載上升至第2峰值點(diǎn)。需要注意的是,與第1次剪切破壞相比,第2次剪切破壞形成的塑性區(qū)及剪切破壞面較小,所以曲線上拉拔荷載第2次上升的幅度要小于第1次; 當(dāng)s>14mm時(shí),滑動(dòng)區(qū)沿著破壞面2移動(dòng),直至筋體拔出至20mm時(shí),由于肋前堆積區(qū)土顆粒的增加(圖5h),筋體與水泥土的黏結(jié)作用再次減弱,曲線上荷載下降至第2谷值點(diǎn)。

由上述分析可知,在界面黏結(jié)滑移過程中筋體附近水泥土發(fā)生了兩次剪切破壞,水泥土內(nèi)剪切帶演化過程可以通過剪切顆粒數(shù)變化來刻畫,如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),剪切顆粒數(shù)隨拉拔位移的增加總體呈上升趨勢(shì),在拉拔初期(0mm

圖6 不同拉拔位移下剪切顆粒數(shù)的變化

2.3 膠結(jié)破壞演化分析

本文數(shù)值模型中水泥土顆粒間是通過膠結(jié)作用連接的,由以上位移場演化分析可知,隨著筋體的拔出會(huì)引起周圍水泥土顆粒的滑移,同時(shí),相鄰的水泥土顆粒間會(huì)發(fā)生相對(duì)位移。當(dāng)單元間法向相對(duì)位移超過斷裂位移Xb時(shí),相互膠結(jié)的顆粒單元間將發(fā)生膠結(jié)破壞并生成裂隙。

GFRP筋體附近水泥土變形破壞的發(fā)展過程可以通過離散元模型中顆粒膠結(jié)破壞情況反映。MatDEM中記錄了拉拔過程模型中膠結(jié)破壞的變化情況,如圖7所示。

圖7 不同拉拔位移下膠結(jié)破壞演化

從圖中可以看出,膠結(jié)破壞區(qū)域隨著拉拔位移的增加逐漸從GFRP筋-水泥土界面處沿徑向朝兩側(cè)土體擴(kuò)展; 膠結(jié)破壞區(qū)域在拉拔端一直往斜上方向發(fā)展,在自由端則逐漸呈斜上轉(zhuǎn)斜下的趨勢(shì)。

圖8為拉拔荷載和膠結(jié)破壞數(shù)隨拉拔位移的變化關(guān)系。結(jié)合圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn),膠結(jié)破壞曲線與荷載-位移曲線都存在分段現(xiàn)象,且兩者之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系:在拉拔初期(s=1mm),水泥土與筋體開始產(chǎn)生擠壓作用,在界面處有零散的膠結(jié)破壞特征; 隨著拉拔位移的增加,荷載位移曲線基本呈線性關(guān)系,膠結(jié)破壞數(shù)增加也較快; 當(dāng)拉拔荷載上升至第1峰值時(shí)(s=4mm),零散的膠結(jié)破壞點(diǎn)逐漸在界面處擴(kuò)展成連續(xù)的破壞面并形成裂紋,隨后拉拔荷載逐漸降低,膠結(jié)破壞數(shù)增長減慢; 當(dāng)s>10mm時(shí),膠結(jié)破壞由界面處逐漸向兩側(cè)土體擴(kuò)展,拉拔荷載再一次上升; 直至s=14mm時(shí),擴(kuò)展至水泥土中的膠結(jié)破壞數(shù)上升幅度不再明顯,拉拔荷載再次降低,此時(shí)膠結(jié)破壞曲線趨于水平。

圖8 拉拔荷載和膠結(jié)破壞數(shù)隨拉拔位移的變化關(guān)系

3 界面黏結(jié)滑移特性參數(shù)分析

為了進(jìn)一步分析GFRP筋體形態(tài)特征對(duì)筋土界面承載特性的影響,基于試驗(yàn)所用的GFRP筋的形態(tài)參數(shù),結(jié)合實(shí)際GFRP筋產(chǎn)品參數(shù)可選范圍,分別在10mm肋距和1mm肋高情形下,變化筋體肋高和肋距,考察GFRP筋體與水泥土界面黏結(jié)滑移響應(yīng)的演化規(guī)律。

3.1 肋距的影響

筋體肋高為1mm,不同肋距下GFRP筋體單元在水泥土中拉拔荷載-位移曲線變化,如圖9所示。由圖9a可知,肋距變化對(duì)荷載位移曲線的影響主要體現(xiàn)在殘余段,特別是殘余段荷載峰值點(diǎn)和谷值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的拉拔位移,而對(duì)荷載峰值和谷值的影響則并不明顯。圖9b為不同肋距下荷載特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載值的變化趨勢(shì)?？梢钥吹?肋距對(duì)特征點(diǎn)荷載值影響很小,荷載值隨肋距變化趨勢(shì)近似為水平線,荷載第1峰值點(diǎn)都在9.04kN上下,荷載第2峰值點(diǎn)荷載都在6.12kN附近,荷載第1谷值點(diǎn)都在3.34kN附近。圖9c為荷載峰值點(diǎn)和谷值點(diǎn)對(duì)應(yīng)拉拔位移隨肋距變化趨勢(shì)圖?？梢园l(fā)現(xiàn),荷載特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)位移值均與肋距成線性增長關(guān)系,荷載第1峰值對(duì)應(yīng)位移增長率為0,荷載第1谷值對(duì)應(yīng)位移增長率為0.96,荷載第2峰值對(duì)應(yīng)增長率為1.45。

圖9 肋距對(duì)界面黏結(jié)特性的影響

結(jié)合前文界面位移場演化分析,不難發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生上述肋距影響的主要原因在于,筋體肋距只影響界面附近塑性區(qū)的發(fā)展速率,而對(duì)塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)模影響較小,具體表現(xiàn)為圖5e中塑性區(qū)貫通區(qū)域并未完全調(diào)動(dòng)肋間土體,圖5g中滑動(dòng)區(qū)只涉及筋體長度,兩者均未受到肋距的直接影響。

3.2 肋高的影響

圖10為肋距為10mm時(shí)不同肋高下GFRP筋體單元在水泥土中拉拔荷載-位移曲線對(duì)比。從圖10a可以看出,肋高變化主要對(duì)荷載特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載值影響顯著,對(duì)荷載特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)位移值影響很小。值得說明的是,如圖10b所示,荷載峰值隨著肋高增加而增大,當(dāng)肋高為2.0mm時(shí)達(dá)到最大(荷載第1和第2峰值分別為11.6kN和9.2kN),繼續(xù)增大肋高,則會(huì)引起荷載峰值降低。荷載谷值也有類似變化趨勢(shì)。說明在恒定肋距下,存在最優(yōu)肋高,可以最大程度調(diào)動(dòng)界面黏結(jié)強(qiáng)度。從圖10c可知,荷載特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)位移對(duì)肋高變化不敏感,均分別保持在4mm、1倍肋距、1.5倍肋距和2倍肋距附近。

圖10 肋高對(duì)界面黏結(jié)特性的影響

肋高所產(chǎn)生的影響依舊可從界面附近塑性區(qū)發(fā)展規(guī)模的角度分析,肋高直接決定了圖5e中土體貫通塑性區(qū)的高度和圖5g中堆積區(qū)土楔的體積,前者表現(xiàn)為膠結(jié)破壞顆粒數(shù)量大小,后者則表現(xiàn)為拉拔隨動(dòng)土體質(zhì)量大小。

4 結(jié) 論

本文通過建立GFRP筋-水泥土拉拔試驗(yàn)的二維離散元數(shù)值模型,對(duì)GFRP筋-水泥土界面黏結(jié)滑移破壞全過程進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)合荷載-位移曲線、界面位移場演化、剪切帶發(fā)展及膠結(jié)破壞演化和參數(shù)分析,深入研究了GFRP筋-水泥土界面黏結(jié)滑移破壞機(jī)制。得到以下結(jié)論:

(1)數(shù)值模擬得到的荷載-位移曲線可分為上升段、下降段、殘余上升段、殘余下降段4個(gè)階段,拉拔荷載先隨著位移的增加而增大,達(dá)到峰值點(diǎn)后呈現(xiàn)波動(dòng)式衰減,與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了本文數(shù)值模型的可靠性。

(2)GFRP筋-水泥土界面黏結(jié)滑移全過程會(huì)發(fā)生兩次剪切破壞,當(dāng)拉拔位移為4mm時(shí)生成破壞面1,隨后發(fā)生第1次剪切破壞,當(dāng)拉拔位移至10mm(一個(gè)肋間距)時(shí)生成破壞面2,隨后發(fā)生第2次剪切破壞,這也造成了拉拔荷載經(jīng)歷兩次上升與下降。

(3)剪切帶內(nèi)剪切顆粒數(shù)隨拉拔位移的增加總體呈上升趨勢(shì),在拉拔初期上升趨勢(shì)相對(duì)明顯,隨著滑動(dòng)區(qū)的發(fā)展上升趨勢(shì)逐漸減緩。

(4)膠結(jié)破壞點(diǎn)初次形成于GFRP筋-水泥土界面處,隨著拉拔位移的增加逐漸從界面處沿徑向往兩側(cè)水泥土擴(kuò)展,膠結(jié)破壞曲線與荷載-位移曲線都存在分段現(xiàn)象,且兩者之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(5)GFRP筋體肋距主要影響荷載特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)位移值,對(duì)荷載峰值和谷值影響很小; 筋體肋高對(duì)荷載峰值和谷值影響顯著,且在恒定肋距下,存在最優(yōu)肋高可最大程度調(diào)動(dòng)界面黏結(jié)強(qiáng)度。

本文研究尚存在一定局限性,一方面,試驗(yàn)中GFRP筋體的肋是呈三維螺旋狀上升的,其引起的非對(duì)稱效應(yīng)影響需要進(jìn)行三維數(shù)值仿真研究; 另一方面,GFRP筋-水泥土界面黏結(jié)性能受到多種因素影響,如圍壓、筋體直徑以及水泥土配比和齡期等,對(duì)應(yīng)的影響機(jī)制擬在后續(xù)工作中進(jìn)一步研究。