加筋地基的加筋机理和破坏模式试验研究与颗粒流数值模拟

摘要

用水平加筋改善砂土地基的承载力和变形特性已有很多学者进行了研究，但是水平加筋地基有一个很大的缺陷，就是必须先挖除地基土才能进行施工。进行水平加筋地基施工时必须先把加筋范围内的地基土挖除，然后再分层铺设加筋体并回填地基土，每回填一层土都要进行夯实。竖向加筋就可以不动原有地基土而直接进行施工，竖向加筋既可以加固新建构筑物地基也可以对已有构筑物的地基进行加固。为了对加筋地基有一个深入全面的认识，本文对这两种类型的加筋砂土地基进行了室内模型试验研究和颗粒流(PFC2D)数值模拟分析，对条形基础下加筋砂土地基的承载力和变形破坏性状进行了较为深入的研究。 首先对国内外加筋地基研究成果进行了系统的总结，并对近期相关模型试验和数值分析研究进展进行了介绍。分析这些研究成果发现：前人的水平向加筋基地研究主要是研究加筋深度DR(基础底面到最底层加筋的距离)、加筋间距d(相邻两层加筋间的垂直距离)、顶层加筋深度U(基础底面到最顶层加筋的距离)、加筋体的长度L和加筋材料(如：金属条带、土工网、土工格栅、土工格室等)等参数对加筋地基承载力性能的影响，而缺乏对加筋布置形式的研究，显然这是前人研究加筋地基的不足之处，根据本文的研究发现布筋形式也是一个影响加筋地基承载力的重要因素；和水平加筋相比，竖向加筋的研究和机理认识要少的多。为了更全面地认识加筋地基的加筋机理和破坏模式，对加筋地基的承载力特性有更全面的研究，本文对水平加筋地基和竖向加筋地基进行了较系统的模型试验研究。 本文重点关注加筋地基变形破坏过程和土压力分布情况，通过这两方面来分析加筋地基的加筋机理和破坏模式，进而分析加筋地基的承载力性能。室内模型试验采用数字照相无标点变形量测系统来观测分析地基土体的位移破坏过程，在地基土中埋设土压力传感器量测地基土压力分布情况。在模型试验的基础上，借助颗粒流理论在处理土与结构物的相互作用、大变形与破坏等方面的优势和能模拟砂土颗粒细观特性等特点，用PFC2D程序模拟了加筋地基在变形破坏过程中土体的位移破坏和地基土压力分布情况，进一步揭示加筋地基的加筋机理和破坏模式，从而对加筋地基进行了更为全面的认识。 由于前人已对水平加筋地基加筋深度DR、加筋间距d、加筋体长度L和顶层加筋深度U进行了大量的研究，得出了很多研究成果，已形成基本一致的认识，本文重点对布筋形式对承载力性能的影响进行研究，主要研究了不同加筋体长度(分为上长下短和上短下长两种)加筋、包裹式加筋、包围式加筋和加筋体边缘与基础一侧成角度的加筋这几种布筋形式对地基承载力的影响。前人对竖向加筋进行的研究很少，缺乏对竖向加筋的认识，本文重点对竖向加筋长度(L)、加筋距离(X)、顶间距(U)和倾斜(θ)加筋几种因素对地基承载力特性和变形破坏的影响进行研究。 颗粒流方法是一种细观力学的分析方法及数值模拟途径，从研究散体介质的细观力学特性出发，使数值模拟模型的力学特性逼近实际试验材料的力学特性，克服了传统连续介质力学模型的宏观连续性假设。用PFC2D程序生成了试验模型，对水平加筋和竖向加筋的典型试验进行了模拟分析，获得了基础受竖向荷载过程中地基土的位移场、应力场与荷载——位移关系，并与模型试验结果做了对比分析。结果表明颗粒流数值模拟土体细观力学特性很好的响应了土体的宏观力学特性，颗粒流模拟结果和模型试验结果比较吻合，因此PFC2D程序模拟分析加筋地基的承载力和变形特性是可行的，对颗粒流理论在加筋地基中的应用进行了可贵的探索。

目录

文摘

英文文摘

学位论文版权使用授权书及同济大学学位论文原创性声明

第1章绪论

1.1加筋土和加筋地基的概念

1.1.1加筋土的概念

1.1.2加筋地基

1.2加筋土技术的发展

1.3加筋土的机理

1.3.1加筋效果

1.3.2破坏模式

1.3.3加筋土抗剪强度包线

1.3.4加筋效果分析模式

1.4加筋土的试验研究方法

1.4.1原型试验

1.4.2模型试验

1.4.3三轴压缩试验

1.4.4直剪试验和拉拔试验

1.5加筋地基的设计方法和承载力计算方法

1.5.1加筋地基的设计方法

1.5.2加筋地基承载力计算方法

1.5.3加筋地基设计与应用中存在的问题

1.6竖向加筋地基研究进展

1.7本文的主要研究内容和创新点

1.7.1本文主要研究内容

1.7.2本文主要创新点

第2章试验概述与颗粒流理论在加筋地基中的应用

2.1引言

2.2试验概述

2.2.1模型试验装置与材料

2.2.2量测装置与数据采集

2.2.3试验准备及过程

2.3数字图像变形量测技术简介

2.3.1图像采集

2.3.2图像分析与变形量测法

2.3.3 Geodog图像分析程序的应用

2.4颗粒流理论在加筋地基中的应用

2.4.1颗粒流的基本理论

2.4.2加筋地基的颗粒流模拟

第三章水平加筋地基承载力的模型试验研究

3.1引言

3.2模型试验

3.3试验结果及分析

3.3.1基础荷载与沉降

3.3.2地基中土压力分布

3.3.3地基土体位移与破坏面的发展

3.4水平加筋地基的加筋机理和破坏模式

3.4.1水平加筋地基的加筋机理

3.4.2水平加筋地基的破坏模式

3.5本章小结

附图1

附图2

第四章竖向加筋地基承载力的模型试验研究

4.1引言

4.2模型试验

4.3试验结果及分析

4.3.1基础荷载与沉降

4.3.2地基中土压力分布

4.3.3地基土体位移与破坏面的发展

4.4竖向加筋地基的加筋机理和破坏模式

4.4.1竖向加筋地基的加筋机理

4.4.2竖向加筋地基的破坏模式

4.5本章小结

附图1

附图2

附图3

第五章加筋地基的颗粒流模拟分析

5.1引言

5.2 模型建立

5.3模型试验数据的获取

5.3.1基础荷载与沉降

5.3.2地基土压力分布

5.3.3地基土位移场

5.4模拟试验

5.5 模拟试验结果分析

5.5.1无筋地基PFC2D模拟结果及分析

5.5.2水平加筋地基PFC2D模拟结果及分析

5.5.3竖向加筋地基PFC2D模拟结果及分析

5.5.3竖向加筋地基PFC2D模拟结果及分析1基础塔载与沉降

5.5.3竖向加筋地基PFC2D模拟结果及分析2基础中土压力分布

5.5.3竖向加筋地基PFC2D模拟结果及分析3地基土体位移场分布

5.6本章小结

第六章结论和建议

6.1主要研究结论

6.1.1水平加筋地基研究结论

6.1.2竖向加筋地基研究结论

6.1.3PFC2D数值模拟分析结论

6.2进一步研究建议

参考文献

个人简历及攻读博士期间撰写的学术论文

致谢