地基土中土工格栅的模拟(Geogrid)

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1 引言

在一些地基工程和路面工程中，例如在垃圾填埋场上修路，为了满足承载力要求和控制沉降，需要在地基土中安装土工合成材料，最典型的土工合成材料是土工格栅(Geogrid)。Geogrid在实践中经常被用于加固堤坝或挡土结构。从效果看，砂类土使用Geogrid的效果最好，能够显著提高土的承载力，对于粘性土作用不大。

从外形上看，Geogrid的工作性能类似于FLAC3D的Cable结构元，主要提供抗拉能力，因而早期的Plaxis可以使用地层锚杆Anchors近似模拟Geogrid，现在Plaxis已经发展出独立的Geogrids结构元，通过使用界面元考虑了土-结构的相互作用。这个笔记简要讨论了Geogrid的模拟过程。

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2 Geogrid理论

Geogrid主要用来改善土的性能，包括增强土的承载力以及控制差异沉降。它是具有轴向刚度(axial stiffness )的线性结构，没有弯曲刚度。这意味着Geogrid只能承受拉力而没有压力。经常使用的一些场景如下图所示。

Plaxis模拟Geogrid的过程很简单，各向同性材料只需要提供轴向参数EA。不过，真实的应用需要使用各向异性材料模型来避免不真实的剪切变形。另外，大部分岩土工程软件都提供了模拟Geogrid的能力，例如Slide, RS2, FLAC, GeoStudio, Geo5等，可以参考比较不同软件的处理方法。

3 模拟过程

模拟过程很简单，模型的地层为砂层，无地下水，土使用Mohr-Coulomb模型，不过对于砂层或许使用硬化土模型更合适些，但目前没作比较。需要设置的其它类型包括：(1) 5层Geogrid，每层之间的距离为0.5m, 为了考虑土-结构相互作用，在每层中设置了正负界面元; Geogrid共有4种材料模型，按最简单的各向同性材料对待，只需要输入一个材料参数EA---轴向刚度；(2) 基础plate以及基础上的线性载荷。计算步骤分三步：第一步是初始阶段，第二步安装Geogrid和界面元，第三步安装板和线性载荷。

4 模拟结果

网格变形图显示出第一层Geogrid的变形量最大，然后变形影响逐渐减小。重要的是，假如把载荷从目前的100kPa改变为200kPa，计算结果会出现错误信息，意味着载荷过大，同时也意味着Geogrid并不能从本质上减小土的沉降，主要作用是将上部的载荷分布在一个更大的表面积，使沉降更加均匀，不出现差异沉降。