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基于集料成像的离散元建模方法研究土工格栅-集料联锁机理
Erol Tutumluer博士1；黄海博士2；卞学成博士3
摘要：土工格栅是道路施工中常用的稳定加固手段。影响土工格栅和集料之间相互作用或联锁机制的因素可能包括但不限于集料尺寸和形状、土工格栅类型和特性。为了更好地量化这些影响，本文介绍了一种聚合图像辅助离散元法（DEM）建模方法。对不含和含土工格栅加强集料剪切箱样品进行的室内直剪试验的离散元模型模拟表明，集料成像辅助离散元建模能够准确预测不含和含土工格栅加强集料的强度特性。土工格栅的使用通过限制集料在剪切带中的移动来提高集料组件的抗剪强度，这通常被称为该集料土工格栅复合系统中的土工格栅刚度效应。文中还对具有不同开口形状和几何结构的土工格栅对机械联锁的影响进行了初步研究，以证明集料图像辅助离散元建模模型的有效性及其量化土工格栅孔径大小和形状相对于集料尺寸和形状的个体影响的潜力，以及各种土工格栅产品的肋形、刚度和肋间连接处的刚度。DOI: 10.1061/ (ASCE) GM.1943-5622.0000113. copy; 2012 American Society of Civil Engineers.
数据库主题标题：土工格栅；集料；剪切试验；成像技术。
作者关键词：土工格栅；集料；连锁机理；直剪试验；集料形状；棱角性；离散元建模。
1.伊利诺伊州厄巴纳61801，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校土木与环境工程系教授，（第一作者）。电子邮箱：tutumlue@ilinois.edu
2. 华盛顿州普尔曼99163，华盛顿州立大学土木与环境工程系助理教授。电子邮箱hai.huang@wsu.edu
3. 伊利诺伊州厄巴纳61801，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校土木与环境工程系客座学者。电子邮箱：bianxc@illoines.edu
注意：本手稿于2010年2月13日提交，于2010年12月27日批准，2010年12月29日在线发布。讨论期开放至2013年1月1日；各篇论文必须分开讨论。本文是《国际地质力学杂志》2012年8月1日第12卷第4期的一部分。copy;ASCE，ISSN 1532-3641/2012/4-391–398/$25.00。
引言
土工格栅是道路施工中用于机械稳定和加固最常用的土工合成材料。当放置在颗粒基层中时，土工格栅可抑制颗粒基层的横向扩展，并且通过联锁，可在土工格栅周围形成相对较硬的层。土工格栅的颗粒基层加固对于确保其在具有薄热拌沥青（HMA）表面和路基加州承载比介于3%和8%之间的低至中体积道路上的成功和有益应用至关重要。除了可能减少集料中的剪切变形外，控制集料移动，特别是在靠近热拌沥青表面层的上部，也可能减少热拌沥青表面的疲劳。因此，土工格栅夹层系统通常可用于减少路面系统的总厚度以达到目标设计寿命或延长路面的设计寿命。
Chan等人（1989）详细记录了土工格栅在路面基层中的早期应用。土工格栅在软土地基上加固颗粒覆盖层的路基约束应用中更为普遍。根据最近由荷兰国家运输和基础设施信息技术中心（CROW）为软土路基土减少厚度沥青路面开发的土工合成材料设计程序，厚度减少量通常取决于其类型和强度/刚度特征。土工合成材料和骨料以及与土工格栅相结合的路基土壤与土工织物相比具有更好的增强效果（van Gurp和van Leest 2002）。Tingle和Webster（2003）以及Giroud和Han（2004）的设计方法考虑了土工格栅通过增加承载力系数Nc而提高土工织物的增强效益。此外，在Giroud和Han（2004）方法的情况下，解决方案中还考虑了孔径稳定性模量。
根据伊利诺伊大学最近的研究，发现总覆盖层厚度取决于土工合成材料，骨料和地下土壤强度的类型和强度/刚度特征（Tutumluer和Kwon 2006）。在不含土工格栅的情况下，基层减少了很多，因此，当使用土工格栅而不是土工织物时，可以观察到效益。研究结果的汇编是为了在《路基稳定性手册》（IDOT 2005）中为伊利诺伊州交通部（IDOT）制定厚度减小指南。为了帮助量化土工格栅在地基加固中的有效性，伊利诺伊大学开发了一个有限元程序，以正确分析土工格栅加固柔性路面，同时考虑到未结合集料基层和路基层的非线性、应力依赖性行为（Kwon等人2005）。有限元模型考虑了颗粒基础材料的载荷引起的硬化（各向异性模量特性）的方向依赖性以及基础过程中的压实和预加载引起的残余应力。为了验证这个模型，设计和建造了九个仪表化路面部分，以测量路面响应，监测路面性能，并量化土工格栅加固柔性路面的有效性（Al-Qadi等人，2008）。
机械联锁对土工格栅在机械稳定和路面加固中的性能至关重要。这是土工格栅的典型特性，当在土工格栅顶部压实分级良好的颗粒填料时，使较粗糙的颗粒部分地穿过土工格栅的孔以将其锁定到位。颗粒层组件的机械联锁和由此产生的横向约束解释了挤压土工格栅与土工织物和其他土工格栅相比所提供的性能，即使与美国陆军工程兵团研究（Webster 1992）和其他研究（Berg等人2000）所证明的某些指标特性（如模量或极限拉伸强度）的可比值相比也是如此。
关于土工格栅和骨料颗粒之间的联锁，Jewell等人（1984）的研究通过使用大剪切箱测试早期确定了土壤和土工格栅相互作用的重要机制。测试了7种用孔径为17.3 mm的双轴土工格栅加固的颗粒土。对于采用的各种土壤等级测量的峰值直接剪切力和滑动阻力表明，聚集颗粒的相对尺寸及其与网格孔径相比的等级对破裂区域的尺寸有影响。因此，Jewell等人（1984）的研究发现为了解土工格栅加固路面系统的基本机理，通过选择土工格栅的类型来确定预期的集料粒径和级配奠定了基础。
离散单元法（DEM）是模拟复杂土/集料土工格栅相互作用的最现实的建模技术之一。这种微尺度数值模拟方法完全能够通过再现实际几何形状，正确分配土工格栅和土壤属性以及计算聚集粒度分布和形状来建模土壤/骨料颗粒与土工格栅的最真实的相互作用。在这种方法中，可以通过模拟单个粒子或元素，并计算它们的运动和组件的整体行为，来模拟多个处于大动态运动中的相互作用物体。不同元件结合条件下的力-位移定律和运动定律控制元件组件内每个元件的运动和接触。
德国ITASCA小组和英国诺丁汉大学最近的工作重点是研究聚合物和土工格栅的相互作用，并使用三维粒子流程代码DEM程序(PFC3D)对限制效应进行建模（Konietzky等人2004;McDowell等人，2006）利用球形离散元素。DEM建模研究的结果涵盖了土工格栅与周围土壤/骨料在拉拔和三轴试验，荷载传递机制，变形，粒子重排等方面的相互作用领域。建模模拟结果表明，当施加的载荷被移除时，在土工格栅附近产生相当大的水平残余应力。所产生的残余应力可直接与柔性路面系统中使用土工格栅基础加固所增加的约束和加固有关。Konietzky等人（2004）和McDowell等人（2006）两者研究都表明，在土工格栅上方和下方大约10厘米处出现了一个加强的（即较高模量）区域，因此发生了锁定的永久残余应力区域，预计这将取决于骨料的大小和土工格栅类型。
影响土工格栅和骨料之间的相互作用或互锁机制的因素是骨料形态特征，例如形状，纹理和角度，这些都不能通过具有球形元素的DEM程序容易地适应。因此，在本研究中使用聚合图像辅助DEM建模方法，其特征在于使用逼真的多面体元素形状来表示角粒子。最近引入了这种聚合图像辅助DEM技术来研究多尺度聚集体形态特性对颗粒组件性能的影响，特别是用于模拟铁路轨道结构中的骨料压载物行为（Tutumluer等人，2007）。因此，本文的目的是论证这种集料图像辅助DEM技术在研究和量化集料和土工格栅特性对土工格栅-集料互锁机制的个体效应方面的适用性和潜力。随后，将展示具有各种土工格栅开口形状的土工格栅加筋骨料样品的DEM模拟的初步结果，以证明该建模应用的潜力，以更好地理解联锁机制。
聚合图像辅助离散元建模方法
成像技术提供了对集料形状、纹理和棱角特性的详细测量，并在过去二十年中成功地用于量化集料形态。在各种颗粒形态指数中，均使用伊利诺伊大学图像分析仪（UIAIA）开发的平面和细长（F＆E）比，角度指数（AI）和表面纹理（ST）指数都是关键指标（Tutumluer等人2000年；Rao等人2002年；Pan和Tutumluer，2007年）。UIAIA系统的特点是从三个正交视图中采集单个聚集粒子的图像，以量化基于成像的Famp;E比、AI和ST形态指数。然后，聚集图像辅助DEM建模方法根据UIAIA处理的俯视图、前视图和侧视图，将三维聚集形状重新创建为单个DEM元素。该单元形态重构过程的优点是能够准确捕捉到聚集体颗粒的实际尺寸和角形状。作为示例，图1显示了实际的聚集粒子和相应的DEM代表元素之间的比较。
图1.实际聚合粒子与BLOKS3D DEM程序生成的离散元素表示的比较
在这项研究中，使用伊利诺伊大学开发的DEM程序bloks3d用于模拟对不含和含有土工格栅加强集料样品进行直接抗剪强度试验（Ghaboussi和Barbosa 1990；Zhao等人2006）。以三维多面体或块体为代表的不可变形块体模拟颗粒，作为模拟颗粒与土工格栅互锁、颗粒与土工格栅接触、颗粒间力传递等离散单元相互作用的基本单元。每个顶点的坐标和每个面的顶点标识每个粒子或块。建立了角面接触、边面接触、边面接触和面面接触的四种逼真的接触类型，并将其应用于颗粒材料建模。任何数量的不同大小的颗粒都可以构成指定的颗粒级配。也可以通过对单个集料颗粒的图像分析来量化集料颗粒的形状、倾斜度和表面纹理，以提供真实的集料聚合体。Tutumluer等人（2007）已成功利用图像分析铁路道渣压载集料，用于压载层特性的建模。
表面内摩擦角theta;
法向接触刚度
剪切接触刚度
尺寸、形状和级配
图2. BLOKS3D DEM程序中使用的主要模型参数
图2显示了两个接触的离散元素。可以看出，除了颗粒的形状和尺寸外，还有其他主要的模型参数，例如表面粗糙度（表面摩擦角theta;）和法向和剪切接触刚度。这些模型参数可以根据材料特性进行调整，通常需要通过实验室试验进行校准和验证。
集料-土工格栅相互作用的研究
图3.伊利诺伊大学的直接剪切强度测试装置
在安装土工格栅和不安装土工格栅的情况下，分别对重组清洁白云石集料样品进行了直接抗剪强度试验。图3显示了伊利诺伊大学的大型剪切箱试验装置。试验装置为方形盒，侧面尺寸为305 mm（12 英寸），试样高度为203 mm（8英寸）。底部152mm高（6英寸高）部件的总行程为102mm（4英寸），其大小足以记录峰值剪切应力。垂直（法线方向）和水平称重传感器能够施加和记录高达50kN的载荷大小。设备控制和数据采集通过操作员通过内置显示器控制的自动数据采集系统进行管理，测试数据保存在个人计算机上。
试验材料
筛分尺寸 （cm）
通过重量百分比(%)
图4.试验集料样品的级配
颗粒数百分比（％）
角度指数范围
图5.测试的白云石的AI分布
使用具有46times;64mm矩形孔开口的土工格栅，通常用于铁路压载加固应用。测试的集料是一种均匀分级的白云石材料，具有均匀粒度分布，如图4所示。白云石集料颗粒的平均长细比率也为1：1，从UIAIA扫描结果得到的AI分布如图5所示。值得注意的是，AI越高，集料颗粒的角度就越大。
样品制备
根据以下步骤在下剪切箱中制备干净的白云石样品：
1.用升降机（通常两个76mm升降机）将集料放置在下箱中。
2.对于每一次提升，在平坦的树脂玻璃压实平台上使用振动压实机，并进行压实，直到观察不到颗粒的明显移动。
3.将上环放在下箱顶部，用一层集料填充，并压实。记录总重量。
根据以下步骤制备安装土工格栅的白云石样品：
1.获得与先前记录的重量相同的干净集料（这确保所有样品均制备成43%的相同空隙）。
2.将集料样品压入两个升降机的下部箱体中。
3.将土工格栅放置在下剪切箱集料顶部，并将其牢牢固定在下剪切箱上。
4.将上环（高76 mm）放在下箱顶部，用一层集料填满箱中，并压实。
测试前，将盒子和环组件放入剪切装置中。下箱体夹紧到位，承重板放在上环内的压载物上。将一个气囊放置在轴承板上，打开空气供应，并使用一个直列式压力调节器设置正常压力。记录施加剪切力的称重传感器直接对着上环进行调节。启动LabVIEW数据记录器软件，记录试验过程中的法向力和剪切力。加载速度设置为12.2 mm/min.（0.48英寸/分钟）的输入剪切速率。每分钟约4%应变，并进行试验，直到剪切力输出达到峰值或出现10%应变。
实验室测试结果
在三个法向应力水平（69、117和172kpa）下，在剪切箱中水平剪切含土工格栅和不含土工格栅的白云石集料样品，以建立正
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资料编号：[2008]
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