筋土界面特性宏细观分析试验仪器研制与应用

为了更全面地分析筋土界面相互作用特性,改制了一台可视加筋土界面特性宏细观分析的试验仪器,可开展不同土工合成材料与填料的直剪和拉拔试验;该仪器改进了试验箱的尺寸,可方便两种试验的对比分析,增加了图像摄录系统,可进行试验过程的细观分析。使用新研制仪器分别进行了土工合成材料（土工格栅和土工布）加筋尾矿砂的直剪和拉拔试验,试验结果表明:两种试验条件下,土工格栅与尾矿的界面参数（似黏聚力和似摩擦角）及似摩擦系数均比土工布与尾矿的界面参数和似摩擦系数大;直剪试验下筋材网孔的有无对筋-尾矿界面参数均有较大影响,拉拔试验下筋材网孔有无对筋-尾矿界面参数似黏聚力的影响较为显著,对似摩擦角的影响较小。随着宏观变量法向应力的增加,细观参数孔隙率减小,平均接触数增加,反映在宏观上的现象就是填料颗粒被压密,筋材需要克服的阻力增大。该试验仪器能够较好地分析筋土界面宏细观特性,获得关键技术指标以用于加筋结构的设计。      

土工格栅与砂土的细观界面特性研究

对大尺寸土工格栅筋土拉拔试验进行颗粒流数值模拟,从细观角度研究了筋土界面特性。分析结果表明,利用颗粒流理论及程序中的"clump"方法开发的类三角形砂土颗粒与实际砂土颗粒性状较一致;拉拔过程中筋土上下界面并不对称,下界面扰动范围比上界面大;在砂土密实度及法向应力较低情况下,筋土界面厚度随法向应力的增大而减小,两者呈一负相关的线性关系。     

节点突起影响格栅加筋性能的离散元研究

为研究筋土界面特性及节点突起对格栅加筋性能的影响,采用三维离散元方法,通过副颗粒的引入从构造上对节点处突起进行了模拟,并对含节点突起的三向土工格栅拉拔过程进行了仿真分析,系统研究了筋-土界面剪胀效应,揭示了宏观强度发展与细观组构演化的内在关联,明确了节点突起对格栅工作性能的改善。研究结果表明,傅里叶系数曲线与拉拔力曲线偏离较大,综合考虑法向接触力幅值与各向异性程度的组构演化系数更能准确反映宏观强度的发展;节点突起调整了纵肋内力分布,允许筋-土间发生较大程度的相对位移,更有助于材料性能的充分发挥。研究成果可为从细观角度优化格栅加筋性能提供参考。     

三向土工格栅筋-土界面特性拉拔试验研究

现有关于格栅与土的筋-土界面特性研究多以单、双向格栅为研究对象,而对三向土工格栅筋-土界面特性开展的试验研究较少。以三向土工格栅为研究对象并考虑0°和90°两种拉拔方向的影响(记为TX_0工况和TX_90工况),开展了一系列室内拉拔试验,通过对三向土工格栅沿拉拔方向4个断面的位移进行量测,分析了格栅拉伸应变、筋-土相对位移、界面摩阻力分布及格栅变形与破坏模式,并分别从峰值剪切强度和残余剪切强度两个方面对筋-土界面强度参数和表观摩擦系数的变化规律进行了探讨。研究结果表明:由于平面外挠曲变形的影响,TX_0工况下横肋的嵌锁作用随法向应力增大而增强,从而使TX_0工况的拉拔性能逐渐优于TX_90工况;拉拔过程中,筋-土界面摩阻力的发挥是一个渐进的过程,其分布形式不断发生调整,筋-土界面呈弹塑性-软化特征;TX_0工况的筋-土界面摩擦角显著大于TX_90工况,黏聚力则刚好相反,法向应力较高时TX_0工况的筋-土界面强度更高,更有利于材料性能的发挥。     

土工格栅筋土拉拔界面的弹性-指数软化模型与性状

土工格栅被广泛应用于路堤、边坡、挡土墙等加筋土工程,而筋土界面分析是研究加筋作用机理的关键。根据土工格栅拉拔荷载下的受力状态,分析了拉拔试验实际剪应力与位移关系,发现界面软化阶段剪应力与位移近似呈指数分布,已有计算模型大多高估了界面剪应力,提出了能够考虑界面渐进破坏及非线性特性的弹性-指数软化模型。通过筋土界面基本控制方程,得到了土工格栅拉拔荷载下不同阶段受力状态的计算模型。对界面剪应力发展历程及分布规律展开了较为细致的研究,同时进行了参数分析,包括剪切刚度、抗拉刚度、加筋长度、软化指数衰减特征系数等。结果表明,土工格栅拉拔过程中,当筋土界面处于弹性阶段时,界面剪应力不均匀性及界面最大剪应力随剪切刚度增大而增加,弹性模量则相反;软化阶段内,加筋长度越长,界面软化现象越明显,加筋长度较短时,可近似认为界面剪应力呈均匀分布;软化指数衰减特征系数越大,界面剪应力波动越大,其峰值往拉拔端移动;进入残余阶段后,界面剪应力由拉拔端向自由端增大且逐渐趋于残余应力。研究成果可为加筋土工程土工格栅选取提供理论指导。     

剪切速率和材料特性对筋-土界面抗剪强度的影响

土工合成材料与填料之间的界面强度参数是加筋-土工程设计的关键技术指标,筋-土界面的直剪试验和拉拔试验在界面剪切特性试验研究中应用最为广泛。利用土工格栅、土工织物与砂土的直剪试验和拉拔试验,研究了剪切速率和筋材性质对筋-土界面强度的影响。研究结果表明,当剪切速率不超过一定界限（如7.0 mm/min）时,其对直剪试验结果的影响可以忽略;筋-土界面强度受加筋材料及砂土特性的影响,双向聚丙烯土工格栅和土工织物与砂土之间的内摩擦角与纯砂接近,界面强度较高,而玻纤格栅因其延伸率低和网格尺寸较小,与砂土的界面强度比较低。     

关于土工格栅合理网孔尺寸的研究

土工格栅与土之间的界面参数是表征土工格栅加筋作用的重要参数,对土工格栅加筋土结构的稳定和变形破坏特征有显著影响。目前各类规范或标准关于格栅-土界面参数的取值均未考虑土工格栅特有的网孔结构尺寸的影响,致使实际工程中土工格栅的选用存在较大的人为性。针对这一问题,首先通过室内试验和数值方法的对比分析,建立了土工格栅界面特性研究的数值模型,并验证了数值方法研究土工格栅界面特性的可行性。以土工格栅界面特性研究的数值模型为基础,进一步开展了不同网孔尺寸条件下土工格栅界面特性的研究。研究结果表明,土工格栅网孔结构的网孔尺寸对格栅-土的界面特性有显著影响。通过分析不同网孔尺寸对界面特性影响的规律发现,为了更直观地揭示土工格栅的加筋作用,应该将格栅-土界面的摩擦作用从界面综合的摩擦作用中剥离出来。同时,土工格栅的合理网孔尺寸应保证格栅-土之间的有效接触面积占整个界面面积的1/3左右。     

可视大模型加筋土直剪数采仪的研发与应用

研制了一台适用于多种工况下的大尺寸可视直剪试验仪器,可开展不同土工合成材料与土体作用的直剪试验。该仪器改进了加载方式与反力系统,实现了直剪试验正面可视及自动化采集试验数据,并可测量土工物在土中的应变,为探索筋土界面特性与筋土受力机制以及筋土位移分析提供了新的可能。使用新研制的试验装置开展了以砾类粗粒土为填料的土工格栅直剪试验,试验结果表明:加筋土较素土的界面内聚力增加,内摩擦角降低;格栅应变总体随着剪切位移的增加而增大,格栅横肋与土体的嵌阻力快速增大造成格栅应变增长较快,但直剪作用使格栅产生的最大应变值远小于格栅的屈服应变值。素粗粒土直剪界面厚度小于格栅加筋土的界面厚度,在筋土直剪界面处粗粒土主要以平移运动为主,同时部分中小颗粒存在平转位移模式。     

高摩阻超静定土工格栅在粗粒土夹层中的剪胀作用研究

在加筋土工程中,采用异型格栅和设置粗粒土夹层可以有效增强筋土相互作用。然而粗粒土夹层厚度的确定方法仍有待进一步研究。基于一种带有凸起节点结构的高摩阻超静定土工格栅（high resistance hyperstatic geogrids,简称HRHG）与砾石的直剪试验结果,建立了剪切硬化筋土界面的剪胀本构模型,并进一步研究了筋土剪胀应力在土体内引起附加应力的分布规律。通过开展不同法向压力（30、50、80 kPa）下的直剪试验,研究了不同粗粒土夹层厚度（60、100、140、180 mm）对筋土相互作用的影响,并与筋土界面剪胀应力的分布规律进行了对比分析。结果表明,筋土界面剪胀本构模型可以有效计算剪缩位移和剪胀位移,且最终剪胀位移随法向压力增加而减小。由界面剪胀应力引起的粗粒土中附加应力随着与筋土界面距离的增加而降低,但是剪胀范围逐步增大。粗粒土夹层厚度的增加可以有效提高界面剪切强度,但存在最优夹层厚度使界面剪切强度的增幅迅速降低。最优夹层厚度随着法向压力的增加而减小。通过对比分析最优夹层厚度与剪胀应力比之间的关系,提出了基于筋土界面剪胀本构模型的确定最优夹层厚度的半经验公式,可为HR...     

试验条件对土工格栅与膨胀土界面拉拔性状的影响

采用高密度聚乙烯（HDPE）单向土工格栅,以及南水北调中线工程新乡段的膨胀性泥灰岩风化土,在填土尺寸为600 mm×600 mm×600 mm的大型叠环式剪切试验机上进行一系列拉拔试验,研究了土工格栅与试验箱侧壁距离、拉拔速率、上覆荷载大小等试验条件因素对筋土界面拉拔性状的影响。结果表明：不排水条件下,土工格栅与试验箱侧壁的距离,对峰值拉拔力、界面强度与切向刚度的影响不大;拉拔速率较大时,拉拔力增长较快,其拉拔力峰值和界面强度较大;上覆荷载和拉拔力不同,格栅的变形量及筋土相对位移量不同,不同上覆荷载下界面摩阻力沿格栅埋入长度分布的非均匀程度不同,并可导致较小上覆荷载下界面平均摩阻力反而较大的反常行为。     

土工格栅−建筑渣土界面摩阻特性试验研究

为了研究格栅?建筑渣土的界面摩阻特性,进行了4种不同级配的建筑渣土与3种格栅（两种双向格栅和一种三向格栅）的界面直剪摩阻试验。试验表明,格栅?建筑渣土界面摩阻应力和单位剪位移关系均可用双曲线模型表示;界面摩阻强度与垂直压力呈线性关系;格栅类型、填料级配等决定筋?土界面摩阻特性,其中格栅的拉伸模量影响最为明显;格栅的拉伸模量越大,筋?土界面似摩阻系数越大,界面似黏聚强度越大。似摩阻系数不受渣土级配影响,由格栅类型决定。似黏聚强度既受到渣土级配影响又与格栅特征有关,在本研究的4种级配渣土条件下,对于三向格栅?渣土界面,中、细砾为主的级配渣土的似黏聚强度最大,而对于双向格栅?渣土界面,粗砾为主的级配渣土的似黏聚强度最大。剪切前后渣土颗粒级配变化不明显,可忽略其影响。     

带加强肋单向土工格栅的拉拔试验

在水平-垂直加筋体系研究的基础上,对单向土工格栅设置了加强肋,使其具备立体加筋效果。通过大量的拉拔试验,研究了带加强肋土工格栅加筋的筋-土界面特性。通过对汇总得到的36组拉拔试验数据进行分析,探讨了肋间距与肋厚对极限拉拔阻力的影响情况。试验结果表明：在相同法向应力作用下,带加强肋土工格栅的极限拉拔阻力明显高于普通土工格栅,其极限拉拔阻力随着加强肋肋厚的增加而显著增加,并随着加强肋肋距的增加而逐渐减小。在试验基础上,进一步分析了带加强肋土工格栅与砂土的相互作用机制,探讨了极限拉拔阻力的影响因素,建立了拉拔阻力理论公式,并将试验结果与理论值比较,二者基本吻合。     

土工格栅加筋橡胶砂强度特性试验研究

橡胶砂作为轻质、耗能填料在土木工程中有广泛的应用前景,但其强度往往会随橡胶含量的增大而降低。土工格栅常用于对散体材料的加筋补强,研究土工格栅对橡胶砂强度特性的加筋效应具有重要意义。基于三轴压缩试验,对3种不同格栅布置方式（1、2、3层）下的干燥橡胶砂强度特性展开研究,重点考察加筋层数对不同围压（50、100、200 kPa）下、不同配比（0%、10%、20%、30%、40%）橡胶砂的强度参数,如峰值强度、似黏聚力、内摩擦角的影响规律。结果表明：土工格栅加筋橡胶砂的强度参数,包括峰值强度、似黏聚力、内摩擦角,相对于未加筋橡胶砂均有明显提高,提高幅度随土工格栅加筋层数的增加而增大,随着围压的降低而增大;土工格栅对配比为20%橡胶砂的强度加筋效应最为明显;土工格栅加筋橡胶砂的强度参数恢复系数与加筋密度之间呈良好的线性关系;土工格栅加筋橡胶砂的强度特性可由试验所得的经验恢复函数较好地估计。     

土工格栅与碎石土混合料界面作用的大型直剪试验研究

土工合成材料在各类加筋土工程中运用时,面临的问题主要是加筋体结构的稳定性、安全性及长期服役性能,而筋土界面摩擦特性对加筋体结构的稳定性与安全性有着直接的影响。目前对黏土和砂土的研究居多,针对现场常见的碎石土混合料与格栅界面相互作用的研究却鲜有报道。本文以兰州至海口高速公路广西南宁经钦州至防城港段改扩建工程项目为背景,通...     

砂土与格栅界面相互作用的直剪试验研究

筋材与土体接触面的相互作用较为复杂,它是加筋土工程设计中的关键所在。为了研究筋土界面的作用机制,采用福建标准砂与玻璃纤维土工格栅进行了一系列室内大型直剪试验,较为系统地分析了格栅横肋与纵肋及格栅几何尺寸对于筋土界面强度特性的影响。试验结果表明,格栅的横肋与纵肋在界面强度中均发挥了较大的作用,两者表现为不同的作用机制,当剪切位移较小时格栅横肋的被动阻力和纵肋的摩阻力起到共同承担荷载的作用;随着剪切位移的增大,横肋的被动阻力进一步提升,纵肋发挥了较为显著的提高筋材刚度的框架作用。因此,格栅的纵横肋需要按合理比例搭配才能发挥出较大的筋土界面强度。     

土工格栅加筋砂土的变形与破坏机理解析

利用可考虑局部破坏的非线性弹塑性有限元，对无加筋和加筋砂土的平面应变压缩试验结果进行了从小变形到破坏的全过程数值解析。加筋砂土试验体用土工格栅分6层和11层进行加筋加固。将等价二维有限元解析所得到的解析结果与试验得到的实测值进行了较为伞面的比较，结果表明：合理的二维非线性弹塑性有限元解析，不仅可以较为精确的模拟加筋砂土的平均心力-应变特性，而且还可以全面地调查试验体的局部应力-应变分布以及剪切破坏发生状况，从而，对加筋砂土的变彤破坏以及加筋材的加州机理有一个更加全面合理的认识。