土工格室与砂土拉拔试验离散元细观分析

为研究土工格室加筋砂土的界面作用特性,采用离散元程序(PFC3D)建立土工格室加筋砂土的拉拔试验数值模型,分析了拉拔过程中的筋土界面位移、格室节点受力及界面接触力和孔隙率等宏细观参数的变化规律,揭示了土工格室加筋砂土在拉拔过程中筋土界面作用的宏细观机理。结果表明:格室拉拔阻力主要由格室纵肋界面摩擦阻力及格室横肋的被动承载力组成,界面摩擦阻力在前期发挥主要作用,而横肋的被动承载力在后期发挥主要作用;筋土界面区域的土体接触力和局部孔隙率随拉拔位移发生疏密相间的变化,界面区域砂土发生脱空,同时局部土体产生剪胀作用,对应界面孔隙率增大;宏观上随着拉拔位移增加,颗粒挤密咬合能力增强,对应的细观参数(界面接触力和界面局部孔隙率)发生起伏变化,界面区域接触力增大从而使得拉拔阻力随格室拉拔位移的增大而增大。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

土工格栅加筋砂土的三轴试验研究

为研究土工格栅的加筋机理,文章设计了3种不同网格尺寸的土工格栅,采用应变控制式三轴仪进行加筋砂土的不固结不排水三轴剪切试验,探究土工格栅网格尺寸、加筋层数及围压对砂土强度特性的影响。试验结果表明：未加筋时,砂土主要表现为中上部鼓胀破坏,随着加筋层数的增加,砂土的破坏形态依次转变为中部鼓胀破坏和剪切破坏;素砂和加筋砂土的偏应力-轴向应变曲线表现为应变软化型。不同网格尺寸的土工格栅对砂土的强度特性影响不同,土工格栅网格尺寸为3 mm×3 mm时,加筋效果类似硬化的“土工布”;1层土工格栅加筋时,随着土工格栅网格尺寸的减小,对砂土的强度影响不大;2、3层土工格栅加筋时,网格尺寸越小,加筋效果越好;加土工格栅可有效提高砂土的黏聚力,当土工格栅网格尺寸较小时,土工格栅还可提高砂土的内摩擦角。     

土工格室加筋效果的室内试验

通过室内模型试验，比较土工格室和土工格栅加筋材料加筋后软土顶面的应力和承载力的变化，分析不同填料，不同筋材和不同的格室高度对加筋效果的影响。     

土工格室加筋碎石基层变形机理的数值模拟

为了研究土工格室加筋碎石柔性基层材料的力学性能与变形机理,采用离散-连续耦合的方法对粒径为10~20 mm和20~30 mm的2档碎石和带有级配的碎石填料,以及3种最大粒径(NMAS)分别为37.500,31.500和26.500 mm的连续级配的集料碎石结构层在加载过程中的力学性能进行数值计算。同时对800 mm/200 mm(格室焊距/格室高度),600 mm/200 mm和400 mm/150 mm这3种类型的土工格室加筋结构层进行力链分析。研究结果表明:在同一型号的土工格室下,不同填料结构层承载能力大小排序为:级配碎石;粒径为20~30 mm的碎石;粒径为10~20 mm的碎石。当连续级配碎石的公称最大粒径为31.500 mm时,土工格室加筋碎石结构层的承载能力最好。碎石结构层加筋后,加载板正下方区域的平均应力较未加筋时的应力增大38.4~49.5 k Pa,同时传递到下承层中心区域的荷载减小25.9~40.0 k Pa,强力链分布明显受到了一定的限制,强力链主要分布在土工格室范围内,弱力链主要分布在土工格室范围外。     

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.     

土工格室加固饱和黄土地基性状及承载力

采用正交试验设计方法,以土工格室规格、格室填料类型、填料压实度和承载板大小为影响因素,进行了土工格室加固饱和黄土地基承载力的室内模型试验。试验结果表明:土工格室加固方法适宜于处理厚度小于3m的浅层饱和黄土地基,加固后地基承载力可提高2～3倍,说明用土工格室加固饱和黄土地基是一种简单、实用的方法。同时,基于水平向加筋体复合地基原理,推导了土工格室加筋体地基承载力的计算公式。     

土工格室生态边坡稳定性数值模拟分析

针对土工格室柔性护坡技术的前期阶段,经常出现边坡整体失稳这一问题,利用ABAQUS建立边坡-土工格室-铆钉之间相互作用的三维有限元模型,采用强度系数折减法,以边坡坡顶的位移突变作为边坡失稳判断的标准,将计算所得到的不同铆钉分布情况下土工格室防护边坡的稳定安全系数进行比较,并在降雨条件下模拟分析了生态边坡稳定性的变化情况.计算结果表明:土工格室通过控制塑性区的发展很好地提高了边坡的整体稳定性;在格室中添加铆钉以及减小铆钉的分布间距均可有效地提高边坡的稳定性,而铆钉长度的作用效果则不明显;格室可减小降雨对土体更深部位的影响,达到应力重新分布的作用;边坡在降雨条件下最大水平位移发生在坡脚,降雨入渗将明显改变边坡塑性区的发展状况.     

高强土工格室加筋砂地基模型试验变形分析

高强土工格室采用新型U形钉节点, 材料抗拉强度为传统格室的10倍左右. 将土工格室置于地基, 形成土工格室结构层, 针对纯砂地基和不同格室焊距的土工格室加筋砂地基进行多组模型试验. 分析试验所得荷载-沉降曲线, 结果表明土工格室加筋能明显提高地基承载力,减少地基沉降. 在一定范围内, 格室焊距越小, 加筋效果越明显. 将Winkler弹性地基梁计算方法运用于高强土工格室加筋砂地基沉降计算中, 得出弹性地基梁的有限长梁解, 通过试验所得实测数据较为精确地确定了计算所需参数; 对比试验和计算结果, 给出了高强土工格室加筋砂地基结构层变形计算方法, 并且得出高强土工格室这一新型材料的相关计算参数.     

基于强度折减法的加筋挡土墙动力稳定性分析

地震作用下的稳定性是加筋挡土墙的主要设计内容之一.基于拉格朗日有限差分原理与强度折减法,采用FLAC 3D数值模拟软件,对一座高5 m的土工格栅加筋挡土墙进行数值模拟. 分析其动力及强度折减作用下墙面板最终位移、关键点时程位移、土体沉降、各层土工格栅拉力最大值以及单层土工格栅拉力值分布. 结果表明:关键点的位移与折减系数有较好的对应关系,加筋挡土墙处于临界稳定状态下的强度折减系数可作为动力稳定系数,在突破稳定系数后,各项参数值均有明显变化.     

带加强节点土工格栅加筋路堤动力响应的颗粒流分析

采用基于离散元理论的颗粒流软件建立了路堤二维数值模型,研究了交通荷载下无筋路堤、普通土工格栅加筋和带加强节点土工格栅加筋路堤的不同动力响应.通过比较不同工况的位移矢量图和颗粒接触力分布情况,发现由于加强节点的存在,带加强节点的土工格栅比普通土工格栅能更有效地减少路堤顶部的累积沉降,限制边坡的隆起;相比无筋路堤,加筋路堤的加载板正下方颗粒接触力集中形成柱状承载结构,能够有效地将上部荷载均匀传递给下部土体.     

土工网格加筋桥头路堤的受力分析

运用摩擦动员理论对有限元计算结果进行分析，结合试验和实体工程观测资料的对比，研究土工网格加筋土体的垂直应力、水平应力、剪应力的变化规律以及对路堤沉降和整体稳定性的影响。分析结果表明：加筋使土体内部的应力重新分布，垂直应力和水平应力减小，剪应力增大，摩擦动员率提高，抗剪强度有效发挥，加筋土体的受力状态得到明显改善；加筋后，路堤沉降和侧向位移减小，其整体稳定性、承载能力和抵抗变形的能力增强；结果还表明，土工网格的加筋效果优于金属条带。     

不同温度环境下加肋土工膜与砂土界面拉拔试验的颗粒流数值模拟

为了研究垃圾填埋场衬垫系统中加肋土工膜与砂土界面特性,通过对比室内拉拔试验,运用离散单元法的二维颗粒流程序(2D particle flow code,PFC2D),模拟了不同加肋高度和温度组合下的加肋土工膜与砂土界面拉拔试验,得到了加肋土工膜与砂土界面的宏观应力-应变曲线、细观颗粒间位移场和应力场的变化规律.研究结果...     

泥石流启动试验的数值模拟研究

采用离散元颗粒流程序PFC3D(Particle Flow Code)对泥石流启动过程的模型试验进行数值模拟研究.考虑泥石流启动过程中砂土的非饱和特性,在前期研究的基础上对模型进行改进,利用微小颗粒模拟水团,并通过设置黏结模型模拟土颗粒间的基质吸力.将数值模拟结果与室内模型试验进行对比分析,分析得出泥石流的启动表现为后部土体推挤前部土体快速下滑.非饱和状态下,颗粒间的基质吸力提供了一定的土体强度,当渗透力和重力引起的下滑力克服这种颗粒间的黏结力时,土体由非饱和状态逐渐转变为饱和状态,泥石流才会启动.与原有未考虑非饱和特性的数值模拟方法对比,结果表明,使用PFC3D并考虑土体非饱和特性,可以更接近地模拟流滑型泥石流的破坏形态和启动过程.