土工格室加筋砂土试验颗粒流分析

为了进一步分析土工格室在土体中的加筋作用,以高强土工格室作为研究对象,采用室内3轴试验和颗粒流模拟的方法,研究土工格室加筋砂土的特性,并通过3维颗粒流分析程序(three dimension particle flow code, PFC~(3D))模拟加筋砂土在不同工况下的应力-应变特性、接触力分布情况、位移场分布规律等.结果表明,用PFC~(3D)能够较好地模拟加筋砂土的应力-应变特性;随着土工格室焊距的增大,加筋砂土模型的承载力也增大;土工格室的高度越高,加筋砂土的承载力越大;随着围压的升高加筋砂土的承载力也增大.最后,分析了在荷载作用下的加筋砂土的位移情况,得出在土工格室中间及其影响区域内土体颗粒在位移方向排列比较集中和整齐,且土体颗粒基本上沿着主应力方向,在土工格室影响区域外围向外扩散.     

土工格栅横肋与砂土接触面的细观试验

利用拉拔模型试验设备,在不同法向压力下进行一系列的拉拔试验,应用数码可视化跟踪技术,结合土体变形无标点量测技术来研究双向土工格栅横肋与砂土界面相互作用的细观特性.以数码可视化跟踪技术跟踪拍摄土工格栅横肋与砂土界面的相互作用过程,并通过量化分析得到界面的运动变化规律.分析结果表明,拉拔试验的似摩擦系数与上部法向应力相关,细观试验表明横肋与砂土接触的上下界面厚度并不一样,上界面厚度大于下界面厚度,横肋上界面运动较为剧烈.细观试验位移应变图显示,横肋刺入的破坏与Jewell提出的计算模式非常相似,但上部区域略大于下部区域,基本验证了Jewell刺入破坏机理.     

条带式带倾齿加筋的界面特性及拉拔机理

对低超载下的条带式带倾齿加筋进行大量的拉拔试验,研究拉拔力随齿筋倾角、齿筋高度、齿筋间距的变化特性.在拉拔试验的基础上,推测条带式带倾齿加筋极限拉拔阻力的组成：水平筋上下表面与土体界面摩擦阻力、齿筋的端面摩擦阻力（齿筋端面力的水平分量）、齿筋的侧阻力（拉拔方向前后两侧面压力差的水平分量）、水平筋与齿筋的左右两侧面与土体的摩擦阻力.运用极限平衡理论分析条带式带倾齿加筋砂土的界面作用机理,建立条带式带倾齿加筋极限拉拔力模型.     

网格状带齿加筋砂垫层界面特性的细观机理分析

为了研究网格状带齿加筋砂垫层结构筋土界面的细观作用机理,利用颗粒流程序,采用内置clump方法开发了可模拟砂土性状的椭圆形颗粒,建立了筋土拉拔试验的数值模型.与室内试验结果进行对比,分析了拉拔界面剪切带的演变与荷载传递机理.结果表明:在拉拔过程中,齿筋附近出现应力集中现象;相同的拉拔位移下,带齿加筋砂垫层体中的剪切带厚度明显大于加筋黏土体中的剪切带厚度,且剪切带的形状也发生了明显改变;齿筋的贡献度随拉拔位移的不同而有所差异,且每根齿筋的贡献度也不一致.     

砂土侧限下土工合成材料拉伸试验离散元模拟

为研究土工格栅拉伸性能,以室内无约束拉伸试验为基础,建立侧限约束下的格栅拉伸试验离散元PFC3D模型,分析拉伸速率、上覆荷载对其拉伸性能的敏感程度,探讨侧限约束下土体位移与格栅拉伸变形相互作用的机理,揭示筋土界面孔隙率的发展规律。结果表明:增大拉伸速率、上覆荷载均能提高格栅极限拉伸强度,其中上覆荷载在较小拉伸速率时对格栅的应变影响较大,其由8%减少到5.2%;靠近土工格栅筋土界面区域的土体位移最大,已初步形成筋土拉伸剪切位移带,上覆荷载越大,筋土拉伸剪切位移带的位移越小;随着土工格栅拉伸变形的增加,逐渐形成了筋土界面区域疏密相间的孔隙率分布特征,筋土上下界面部分区域的孔隙率变大,界面砂土发生剪胀现象。     

格栅加筋砂土拉拔试验界面特性的离散元模拟

采用二维颗粒流程序PFC2D建立格栅加筋砂土的格栅拉拔试验数值分析模型,分析了格栅拉拔过程中位移场、接触力、孔隙率、配位数等参数的变化规律.根据剪切带厚度将试样划分成四个区域,通过开发细观组构统计程序记录格栅拉拔过程中各区域砂土细观组构演化,探讨砂土颗粒的接触法向、接触力分量的各向异性演化规律及其与试样宏观抗剪强度之间的关系.研究结果表明:拉拔试验过程中,剪切带内平均法向接触力增大,切向接触力减小.剪切带内砂土抗剪强度受控于法向接触力及其各向异性的变化,拉拔过程中,砂土颗粒间法向接触力各向异性主方向的变化与大主应力的方向相一致.     

格栅节点加强对风积沙筋土界面力学性能的影响

在普通双向土工格栅上附加节点,可形成具有立体加筋效果的加强节点土工格栅。在普通双向土工格栅加筋风积沙拉拔试验和离散元数值模型的基础上,构建加强节点土工格栅加筋风积沙的三维离散元拉拔模型,研究加强节点排布方式、厚度、数量、相邻节点间距对筋土界面力学性能的影响。研究结果表明：在节点上侧加强、节点下侧加强和节点上、下两侧同时加强的排布方式中,上下两侧同时加厚对极限拉拔阻力和界面摩擦角的增幅最大;加强节点可优化土工格栅的加筋性能;当节点布置方式不变时,加强节点厚度和节点数量均与极限拉拔阻力增量呈现出良好的线性相关性;与普通土工格栅相比,加强节点土工格栅的剪切带范围更大,且限制土体位移的能力更强;当多个节点同时工作且相邻节点的间距较小时,相邻节点的影响区域互相重叠,使节点提供的极限拉拔阻力增量降低,产生节点群体效应;随着相邻节点的间距增大,节点影响区域的重叠范围减少,群体效应逐渐减弱。     

不同刺入深度下桩端受力的模型试验及数值模拟

通过自行设计的可视化模型试验,采用高清相机、显微数码及图像分析等技术,对纯砂中桩端埋入持力层不同深度的桩端刺入试验进行宏、细观研究.对随桩端刺入深度不同而产生相应的桩端刺入的受力、砂土的位移场和应变场及其细观机理进行分析研究.通过开发三维非圆颗粒,重点对纯砂中桩端刺入的室内试验进行PFC软件三轴数值模拟,将土体细观参数变化与宏观力学响应相联系,揭示桩刺入过程中桩端砂土的宏、细观演化机理.指出端阻力的发挥在细观上主要表现为桩端附近颗粒接触力的变化:桩端下部颗粒的压密范围、桩脚附近土体孔隙率和接触数变化趋势是端阻随埋深而变化的主要因素;达到极限端阻后,承载力的略微增加在细观上主要表现为持力层中桩侧颗粒孔隙率减小、接触力增大.     

高强格室和格栅格室加筋地基的试验对比

分别对纯砂地基、整体插接式高强土工格室加筋地基和格栅格室加筋地基进行了室内模型试验.通过对比荷载-沉降曲线、地表位移曲线、格室变形以及破裂面的滑移等,研究了整体插接式高强土工格室和格栅格室对加筋地基受力性能的影响,初步分析了2种格室加筋地基的加固机理和破坏模式.试验结果表明,与纯砂地基相比,整体插接式高强土工格室和格栅格室均能有效提高加筋地基承载力,减小地表位移,均化地基中的应力分布,其中格室的最优加筋宽度约在4倍基础宽度.对整体插接式高强土工格室和格栅格室加筋地基进行对比发现,格栅格室组成的筋土复合结构的整体性更好,刚度更大,能更好地约束砂土的侧向滑移,延缓地基中破裂面的出现,进而能更好地提高地基承载力,减小沉降.虽然整体插接式高强土工格室条带的强度较大,但容易在节点处出现沿次要受力方向上的撕裂性破坏,因此需要进一步加强节点强度,改进节点形式.     

单个土工格室加筋效果的影响因素分析

通过定速度压缩试验,研究了不同形状(圆形、六边形、正方形)及受不同侧限(柔性侧限、刚性侧限、无侧限)约束的单个土工格室加筋试样在圆形荷载作用下的承载力和变形特性,分析实验所得的荷载-位移曲线,探索不同形状、不同侧限约束作用对土工格室加筋效果的影响.结合试验,采用FLAC3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)对不同工况下的加筋土体进行了数值模拟,比较分析不同工况下的云图.结果表明:不同形状的格室单元对土体均有加筋效果,且圆形格室的加筋效果最好;侧限可以减小土工格室加筋土的水平位移,约束土体的变形,且侧限材料的模量越大,加筋土体的刚度越大.     

基于离散元的冲击荷载下加筋道砟细观研究

为了从细观上探究冲击荷载下加筋材料加固作用机制,通过离散元方法建立道砟颗粒模型,采用平行黏结模型建立土工格栅、土工格室柔性模型;通过对比室内道砟冲击试验和数值模拟结果,从宏观、细观上研究道砟竖向累积沉降和侧向变形,并对道砟应力链分布、颗粒接触和位移等进行细观分析。结果表明：在冲击高度为250 mm时,相较于未加筋道砟,土工格栅加筋道砟的竖向沉降和侧向变形分别减少24.4%和12.7%,土工格室加筋道砟分别减少33.5%和24.0%;由于道砟加固区存在垫层效应,土工格栅和土工格室加筋道砟的颗粒接触数分别增加9.3%和42.6%,平均接触力分别减少5.6%和16.7%;对比道砟颗粒平均位移,土工格栅和土工格室加筋工况相较于未加筋工况分别减少13.3%和21.1%,土工格室加固效果比土工格栅更为显著。     

土工格栅加筋地基承载特性数值分析

为研究加筋地基承载性能,基于已有室内试验结果采用有限差分法建立加筋地基数值模型,分析竖向荷载下土工格栅加筋地基的力学特性及加筋层数对土体的荷载-沉降变形特性、应力分布及土工格栅位移的影响,探讨筋土结构的内部土体和土工格栅应力位移场的演变规律,引入承载力提高系数综合分析加筋层数对加筋地基的沉降及承载力的影响。研究表明:在竖向荷载作用下,地基土体呈拱状不均匀沉降,基础两侧土体隆起变形,加筋后能够改善地基的不均匀沉降及减小侧向变形,约束基础两侧土体的隆起;土工格栅具有良好的应力扩散作用,加筋地基的承载力随着加筋层数的增加而增加,但增长幅度逐渐变缓,加筋层数为4层时承载力最高,为最佳加筋层数;土工格栅的有效埋深约为1.5B(B为基础宽度),当筋材埋深超出筋材有效深度影响范围,筋材的加筋作用不再增强。     

基于加筋路基中筋材应力性状的土工格室改进铺设方法

确定土工格室加筋路基中筋材内部的应力性状是控制工程成本、有效发挥土工格室加筋作用的关键因素。首先通过室内试验确定高强土工格室材料的应力-应变关系并以此确定其本构模型,而后基于ABAQUS有限元软件,采用分离式分析法分别建立土工格室及路基的计算模型,对多层土工格室加筋路基进行有限元分析。通过添加土工格室前后情况对比,改变土工格室的加筋层数进行分析,研究不同铺设层数的土工格室对路基沉降及侧向位移的影响。通过分析多层土工格室加筋路基内部筋材的拉应力性状,提出一种改进的铺设方法,并建立了有限元模型进行验证。结果表明:添加土工格室能够有效限制路基沉降及侧向位移,使路基的整体稳定性得到提高,具体表现为铺设1层土工格室时,路基中线处的竖向位移可减小36.2%,坡脚处的水平位移可减小74.8%,且路基的稳定性与土工格室铺设层数呈正相关。土工格室筋材内部拉应力由路基中线向路基两侧呈逐渐减小的趋势,在路基边缘位置已趋于零。采用多层土工格室加筋时,最底层的土工格室和最上层的土工格室承受较大的拉应力。在此规律的基础上,采用改进的土工格室铺设方法,在最大节约30%筋材的前提下,可取得大致相同的加筋效果。     

土工格栅与膨胀土界面摩擦阻力系数试验研究

为满足土工合成材料在道路工程应用中的技术要求,开展了合理选取土工格栅与膨胀土界面摩擦阻力系数的研究.以正交设计原理为指导,选取筋土界面参数的4个影响因素(上覆压力、膨胀土体含水量、土工格栅尺寸和拉拔速度),进行了筋土界面摩擦阻力系数测试的拉拔试验.通过分析筋土界面各参数的影响因素,提出了当量拉拔位移的概念和筋土界面参数拉拔试验测试结果的过程分析方法,获取了各影响因素对摩擦阻力系数的影响程度及其在拉拔试验过程中的变化规律,并提出了拉拔试验的测试要求、步骤和结束标准.     

土工格栅加筋膨胀土抗剪特性及边坡稳定性分析

近年来关于膨胀土边坡的病害处治逐渐转向了柔性防护领域,其中在膨胀土中植入土工格栅就是典型的一种。取十天高速西略段膨胀土加入不同层土工格栅,进行室内剪切试验,研究加筋对膨胀土抗剪强度的影响;再结合现场试验,考察筋材对膨胀土边坡稳定性的影响,以此来探讨加筋膨胀土的抗剪作用机理。试验结果表明:加筋使得剪应力峰值、峰值区域、残余强度以及峰值出现所对应的位移均得到提高;加土工格栅可以有效抑制土样剪切带的发展及土体的双向变形,提高其延性,推迟塑性破坏的出现,改善土体的变形特征,导致破坏模式发生变化;加筋能有效增大土体的黏聚力,而内摩擦角变化不大;加土工格栅能减小坡体的位移变形,增大土体抗滑移强度,提高坡体的稳定性。     

土工格栅拉拔试验及筋材受力特性分析

为了研究土工格栅的筋土界面作用特性与受力变形特征,利用自行研发的土工合成材料拉拔试验装置,对土工格栅进行不同竖向荷载的室内拉拔试验,分析格栅不同嵌固长度处的位移及应变特性,以揭示筋土相互作用的受力机理。结果表明,随着拉拔力的增加,土中格栅受力沿着嵌固长度方向发展,格栅前部分的应变持续明显增大;拉拔力沿格栅嵌固长度对周围土体的影响减少减弱,格栅嵌固长度越大,其相对位移与格栅应变越小;随着竖向荷载的增加,土工格栅的应变总趋势是变小;在拉拔力相对较小时,25 k Pa、50 k Pa和75 k Pa竖向荷载作用下格栅应变发展趋势相近,但随着拉拔力的变大,格栅受到土体摩擦力沿嵌固长度扩展,嵌固长度越大格栅后半段变形越少,末段格栅受力越小。     

含水率和冻融循环对筋土界面剪切特性的影响

制作了一套可实现温度控制的筋土界面直剪试验设备。为了研究含水率、界面温度、冻融循环次数对筋土界面剪切特性的影响,开展11组土工格栅-砂土界面直剪试验。研究结果表明,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随含水率的增加而减小,当含水率提高时,筋土间的抗剪强度减弱。加筋可显著提高冻土的抗剪强度,当界面温度为-10℃时,土工格栅-砂土界面剪应力峰值较冻结后砂土的剪应力增加了约20%。筋土界面剪应力随着界面温度的降低而增大,当界面温度在0℃以下时,剪应力较大且剪应力-剪切位移曲线会出现峰值强度和残余强度,而在无冻结情况下,筋土界面剪应力稳定值基本相同。冻融循环后筋土界面的抗剪强度减小,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随着冻融循环次数的增加而减小,但在4次冻融循环后趋于稳定。研究成果可为冻土地区土工格栅加筋土结构的设计和应用提供理论依据。     

基于双层Euler梁理论的土工格室加筋体变形计算

针对路堤工程中车辆荷载直接作用于路面板,再经路堤填土传递作用于土工格室加筋垫层的荷载传递实际,并考虑路堤填土刚度、地基土的排水固结效应对土工格室加筋体受力变形的影响,将土工格室加筋体视为置于Kelvin地基上的下梁、路面板视为置于Winkler地基上的上梁,基于双层Euler梁理论,建立考虑路面板-路堤-土工格室加筋垫层-地基土相互作用的上下梁挠曲变形微分方程并求解.将本文解答所得格室加筋体内力位移与传统弹性地基梁法计算结果进行比较,两者吻合良好.在此基础上,分析了格室体刚度、路堤填土刚度、地基反力系数、地基土固结度等因素对路面板及格室体挠曲变形的影响.结果表明:路面板及格室加筋垫层的挠曲变形会随着格室体刚度的增大及地基反力系数的增大而减小,随地基土固结度的增大而增大;此外,路堤填土刚度增大会减小路面板的挠曲变形但会增大格室加筋垫层的挠曲变形.     

高强土工格室加筋砂土性状的三轴试验

通过三轴试验方法研究了高强土工格室加筋土的强度及其变形破坏特性,探论了在不同加筋情况下,土工格室加筋土强度影响因素及其变化规律,分析了在筋材用量相同的情况下,如何选择更合理、更经济的加筋形式.试验结果表明:加筋后土体的强度和抵抗变形的能力明显增强;在围压一定的情况下,格室高度的提升对加筋土强度的提升程度远远大于节点间距减小的影响;在筋材用量相同时,选择格室高度高但是相对层数少的加筋方式更合理;对加筋效果系数和强度参数分析发现,随着围压的增加,加筋效果系数降低,土工格室加筋有助于提高土体的黏聚力和增大内摩擦角,其中黏聚力的提高更显著.     

基于模型试验和数值模拟的土工格室加固高填路堤稳定性：以新疆G216线民丰段为例

为研究土工格室加固高填路堤的稳定性,通过开展室内模型试验,分析了在持续荷载作用下素土边坡和土工格室加固高填路堤边坡的沉降量和最大水平位移;基于室内模型试验,建立有限元模型,分析了不同加固条件下的坡顶沉降量、最大水平位移及土工格室应变,研究了土工格室高度、铺设间距以及不同铺设部位对高填路堤稳定性的影响。结果表明:铺设土工格室能降低边坡土体的沉降量和最大水平位移,进而提高边坡的承载力;素土边坡剪应变自坡顶至坡脚形成贯通的滑移带,铺设土工格室后,滑移带的位置由边坡表层深入坡体内部,且滑移带未完全贯通;增加土工格室的高度,边坡的沉降量和最大水平位移先减小后趋于稳定,安全系数先增大后逐渐平缓;边坡的沉降量、最大水平位移随土工格室铺设间距的增大而增大;减小土工格室铺设间距0.6~0.7倍,最大水平位移降低1.5~2倍,坡顶沉降量减小1.5~1.8倍,安全系数增大1.1~1.3倍。高填土路堤的侧向位移主要发生在边坡底部H/3处,在边坡底部H/3处减小土工格室的铺设间距、增加土工格室的高度能更好约束侧向位移和沉降量,是提高路堤稳定性更为经济合理的加筋方案。