玄武岩纤维加筋黏土数值模拟及机理研究

高磊 胡国辉 秦仕伟

高磊,胡国辉,秦仕伟. 2021. 玄武岩纤维加筋黏土数值模拟及机理研究[J]. 工程地质学报,29(1):237-246. doi:10.13544/j.cnki.jeg.2019-551 doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2019-551
引用本文: 高磊,胡国辉,秦仕伟. 2021. 玄武岩纤维加筋黏土数值模拟及机理研究[J]. 工程地质学报,29(1):237-246. doi:10.13544/j.cnki.jeg.2019-551 doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2019-551
Gao Lei, Hu Guohui, Qin Shiwei. 2021. Numerical simulation and mechanism of basalt fiber-reinforced clay[J]. Journal of Engineering Geology, 29(1): 237-246. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2019-551
Citation: Gao Lei, Hu Guohui, Qin Shiwei. 2021. Numerical simulation and mechanism of basalt fiber-reinforced clay[J]. Journal of Engineering Geology, 29(1): 237-246. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2019-551

玄武岩纤维加筋黏土数值模拟及机理研究

doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2019-551
基金项目: 

国家自然科学基金 51508159

中央高校基本科研业务费专项资金 2019B12914

详细信息
    作者简介:

    高磊(1984-),男,博士,副教授,主要从事工程地质和环境岩土方面的研究. E-mail:gaoleihhu@hhu.edu.cn

  • 中图分类号: P642.13+9

NUMERICAL SIMULATION AND MECHANISM OF BASALT FIBER-REINFORCED CLAY

Funds: 

the National Natural Science Foundation of China 51508159

Fundamental Research Funds for the Central Universities 2019B12914

  • 摘要: 为研究玄武岩纤维加筋黏土的力学特性及纤维加筋机理,采用ABAQUS有限元软件构建了玄武岩纤维加筋黏土数值分析模型,同时基于Python语言对ABAQUS建模进行了二次开发,按纤维与干土质量的百分比0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%和0.60%,考虑了不同纤维长度和分布模式的影响,建立了一系列玄武岩纤维加筋黏土的无侧限抗压试验数值分析模型,并结合室内试验结果进行了对比验证,探讨了纤维加筋机理。结果表明:(1)采用筋土分离的方法,在ABAQUS中基于Python语言进行二次开发可实现纤维加筋土模型的简化建立,模拟结果与室内试验结果基本相符; (2)玄武岩纤维的掺入可以显著提高土体的无侧限抗压强度,并减少土体的侧向鼓胀变形量,纤维掺量、长度和分布模式对土体强度和侧向鼓胀变形量均具有一定影响; (3)纤维加筋机理与纤维在土体中的受力特征有关,通过对不同掺量、长度和分布模式的纤维在土体中受力特征的分析,可以解释其对土体力学特性的影响规律。
  • 图  1  纤维及接触过渡层示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of fiber and contact transition layer

    图  2  纤维随机生成算法框架图

    a.总体流程; b随机旋转; c.随机平移

    Figure  2.  Frame diagram of fiber random generation algorithm

    图  3  纤维模型效果图

    Figure  3.  Effect drawing of fiber model

    图  4  土体网格划分

    Figure  4.  Soil meshing

    图  5  不同纤维掺量模拟值与试验值对比

    Figure  5.  Simulated value and experimental value of different fiber content

    图  6  不同纤维长度模拟值与试验值对比

    Figure  6.  Simulated value and experimental value of different fiber length

    图  7  土样强度随纤维掺量变化关系

    Figure  7.  Strength of soil sample varies with fiber content

    图  8  土样变形随纤维掺量变化关系

    Figure  8.  Deformation of soil sample varies with fiber content

    图  9  土样强度随纤维长度变化关系

    Figure  9.  Strength of soil sample varies with fiber length

    图  10  土样变形随纤维长度变化关系

    Figure  10.  Deformation of soil sample varies with fiber length

    图  11  土样强度随纤维分布变化关系

    Figure  11.  Strength of soil sample varies with fiber distribution

    图  12  土样变形随纤维分布变化关系

    Figure  12.  Deformation of soil sample varies with fiber distribution

    图  13  纤维应力云图(单位:MPa)

    a. 0.05%(掺量); b. 0.60%(掺量); c. 4 mm(长度); d. 12 mm(长度); e.水平(分布模式); f. 45°(分布模式)

    Figure  13.  Fiber stress nephogram(unit: MPa)

    图  14  “纤维土柱-网”加筋模式(Gao et al., 2015)

    a.纤维土柱; b.纤维土网

    Figure  14.  Model of fiber and soil column-net(Gao et al., 2015)

    表  1  无侧限抗压试验模拟方案

    Table  1.   Simulation scheme of unconfined compressive strength test

    编号 掺量/% 长度/mm 分布模式 纤维根数 纤维束数(1束=30根)
    S1 0 0 0 0
    S2 0.05 12 随机 11429 381
    S3 0.10 12 随机 22858 762
    S4 0.15 12 随机 34287 1143
    S5 0.20 12 随机 45716 1524
    S6 0.25 12 随机 57145 1905
    S7 0.30 12 随机 68574 2286
    S8 0.35 12 随机 80003 2667
    S9 0.60 12 随机 137148 4572
    S10 0.05 4 随机 34287 1143
    S11 0.05 8 随机 17144 572
    S12 0.05 15 随机 9144 305
    S13 0.05 12 水平 11429 381
    S14 0.05 12 15° 11429 381
    S15 0.05 12 30° 11429 381
    S16 0.05 12 45° 11429 381
    S17 0.05 12 竖向 11429 381
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    表  2  土体物理力学参数

    Table  2.   Physical and mechanical parameters of soil mass

    密度/g·cm-3 弹性模量/MPa 泊松比 c/kPa φ/(°)
    1.72 20 0.3 75 35
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    表  3  玄武岩纤维物理力学参数

    Table  3.   Physical and mechanical parameters of basalt fiber

    密度/g·cm-3 弹性模量/MPa 泊松比 纤维丝直径/μm 每束纤维丝根数
    2.65 859 0.15 17 30
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-20
  • 修回日期:  2020-05-13
  • 刊出日期:  2021-02-01

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