季节冻土区水工加筋挡墙筋材与筋土复合体试验研究

摘要

加筋土挡墙是土-筋复合体，在外力作用下有较好的整体变形协调能力，利用土与拉筋间的摩阻力可以平衡作用于该复合体上的土压力。目前，如何利用该支挡结构的优势平衡季节冻土区的水平冻胀力，该结构加筋材料在季节冻土区的力学性能变化规律、该复合体在冻融循环环境中的变形规律等研究，已成为季节冻土区支挡结构的前沿课题。
　　本文对国内外季节冻土区支挡结构的相关研究进行了系统的分析和总结，指出了存在问题。在此基础上，对比分析历史与近年观测资料，开发设计相关试验设备，通过低温冻融试验、模型试验与数值分析相对照的方法，对季节冻土区支挡结构中关键问题进行了研究，主要研究工作及成果：
　　（1）恢复哈尔滨万家冻土观测场的各项观测设备，通过对历史与近年的实测数据资料整理分析，建立冻结指数与最大冻结深度间的关系，提出气候转暖条件下对理论公式的修正系数参考值。
　　（2）进行了15个加筋材料试样在相同正、负温条件下的蠕变试验，试验表明：蠕变变形值随荷载水平增加而增加，相同荷载水平条件下，负温条件时的蠕变变形值小于正温条件时的蠕变变形值。在正温环境中已稳定后的蠕变值受10次冻融循环影响，蠕变变形又一次增大，其增大幅值与荷载水平有关。首次提出塑料土工格栅低温蠕变影响系数的计算方法。
　　（3）150个加筋材料试样在5种工况下的相同条件下拉伸试验数据表明，负温环境下的拉伸强度高于正温环境的拉伸强度值；两种冻融状态（水中冻融50次和空气中冻融50次）下的100个加筋材料试样与50个对照组在5种工况条件下的低温拉伸试验数据首次表明，冻融循环对塑料土工格栅的力学性能没有影响。为该加筋结构在季节冻土区的推广应用提供了可靠数据。
　　（4）针对冻融循环过程中加筋土复合体内部水、热、力场的试验研究工作缺乏的科研现状，通过模型挡墙的冻融循环试验得到三大要素的试验数据，并提出了在冻结期内加筋格栅具有削减水平冻胀力、约束土体变形的作用，证明水工加筋挡墙能够起到减轻冻害的作用。
　　（5）在“开敞体系”条件下的粘性土冻结过程中，验证未冻区土体内水分向冻结缘处迁移的客观事实。由于水分迁移作用使得升温过程中挡墙顶面产生融沉现象，水分迁移剧烈区域土体含水量增加，土体模量下降，在自重作用下产生较大融沉变形，从而提出在春融期季节冻土区的加筋土挡墙应避免产生不允许的融沉变形。
　　（6）利用数值计算与试验结果对比的方法，得到土体经过冻融循环后的各项物理、力学指标均发生变化；因冻融循环后土体弹性模量下降，试验得到的位移数值远远大于未经冻融循环数值计算的结果，数值计算采用了未经冻融循环时的模型试验土体参数，故本文提出：季节冻土区水工加筋挡墙填土为粘性土时，春融期墙体将产生较大的融沉变形，当该变形不满足工程允许值时，建议采用无冻胀性的砂砾石作为填料组成筋-土复合体。

目录

季节冻土区水工加筋挡墙筋材与筋土复合体试验研究

EXPERIMENTAL STUDY ON PLASTIC GEOGRID AND COMPLEX STRUCTURE OF HYDRAULIC REINFORCED EARTH WALL IN SEASONALLY FROZEN AREA

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 项目研究的目的意义

1.2 加筋土挡墙技术研究综述

1.2.1 加筋土挡墙技术的优越性

1.2.2 加筋土挡墙技术研究现状综述

1.2.3 加筋土挡墙技术研究发展趋势

1.3 季节冻土区水工加筋挡墙技术应用与研究的主要问题

1.3.1 季节冻结深度的确定

1.3.2 加筋材料的耐久性问题

1.3.3 计算理论和计算方法的完善

1.4 本文研究的主要内容及方法

第2章 季节冻结深度的计算

2.1 计算冻结深度理论公式分析

2.1.1 斯蒂芬课题

2.1.2 鲁基扬诺夫公式

2.2 冻结深度计算公式的修正

2.3 本章小结

第3章 塑料土工格栅低温性能试验研究

3.1 塑料土工格栅的低温蠕变性能试验研究

3.1.1 蠕变试验测试设备的设计与开发

3.1.2 蠕变试验过程

3.1.3 试验结果整理与分析

3.2 低温条件下塑料土工格栅拉伸特性的试验研究

3.2.1 试验装置、材料

3.2.2 试验内容

3.2.3 试验结果整理与分析

3.3 冻融循环对塑料土工格栅拉伸特性的影响

3.3.1 试验仪器、材料

3.3.2 试验内容

3.3.3 试验结果整理与分析

3.4 低温条件下塑料土工格栅加筋的设计取值

3.4.1 塑料土工格栅的设计容许抗拉强度

3.4.2 塑料土工格栅低温蠕变影响系数的确定

3.5 本章小结

第4章 水工筋土复合体的冻融试验研究

4.1 试验内容及方法

4.1.1 试样的制备

4.1.2 试验仪器及方案

4.2 试验结果分析

4.2.1 加筋土挡墙降温过程分析

4.2.2 加筋土挡墙土压力测试结果分析

4.2.3 墙面板水平位移与挡墙顶面竖直位移测试结果分析

4.2.4 加筋格栅应变测试结果分析

4.2.5 冻融过程中的水分迁移分析

4.3 本章小结

第5章 加筋挡墙筋土共同作用及有限元分析

5.1 筋-土界面相互作用机理

5.2 水工加筋挡墙加载试验

5.2.1 概述

5.2.2 墙顶面裂缝分布

5.2.3 荷载-变形曲线

5.3 水工加筋挡墙有限元分析

5.3.1 塑料土工格栅加筋土的有限元分析模型

5.3.2 加筋挡墙填土的本构关系和单元类型

5.3.3 塑料土工格栅筋材的处理

5.3.4 计算网格和计算参数

5.3.5 有限元计算结果与试验结果对比分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

原创性声明和论文使用授权书

致谢

个人简历