红砂岩粗粒土加筋挡墙力学机理和地震稳定性研究

摘要

红层软岩主要是指侏罗纪到新近纪的陆相红色岩系,岩性为泥岩、砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、粉砂岩等,俗称红砂岩粗粒土,在我国分布广泛。区域性分布的红砂岩粗粒土在路基工程中得到了大量应用,但是红砂岩粗粒土填方路堤开裂、稳定性不佳及不均匀沉降等病害一直是普遍和突出的问题,给行车舒适性和安全性造成了极不利的影响。因此,红砂岩粗粒土加固处治技术是红层地区软岩填料应用于路基工程的关键之一。针对上述问题,本文依托湖南省交通厅科技项目“高速公路新型加筋土结构技术研究与示范工程”(200612)、湖南省教育厅科研项目“高速公路加筋土路堤力学行为与设计方法的研究”(08C199)等科研课题,结合湖南省湘潭至衡阳高速公路加筋红砂岩粗粒土路堤的建设,采用现场试验、室内试验、理论分析和数值模拟等方法,开展红砂岩粗粒土加筋路堤挡墙力学机理及地震稳定性的研究。主要进行了以下几个方面的工作:
　　 (1)针对湘南红层软岩填料,在湖南潭衡西线高速公路上进行红砂岩路堤大尺度原位推剪试验,分析红砂岩粗粒土在推剪力作用下的变形特性、力学特性以及破坏特征,得到红砂岩粗粒土原位推剪试样三维滑动面的简化处理方法。并以极限平衡为理论基础,推导在考虑三维滑动面时路堤填料强度参数计算公式,获得红砂岩粗粒土的强度指标。
　　 (2)采用格宾网和高强土工格栅等加强红层软岩填料,针对格宾网和土工格栅加筋红砂岩粗粒土,分别制备不同加筋层数、不同压实度和不同含水量的试样,进行一系列大三轴试验。主要研究加筋红砂岩粗粒土强度和应力.应变特性,分析红砂岩加筋粗粒土的宏观力学机理,并引入强度比参数分析加筋效果,探讨土的含水量和压实度、加筋层数等对加筋红砂岩粗粒土力学特性和变形的影响。将格宾网与土工格栅加筋效果进行对比,优选红砂岩粗粒土加筋加固方案。
　　 (3)以PFC3D程序和离散颗粒流理论为研究平台、利用FISH语言编程进行二次开发,建立格宾网加筋红砂岩粗粒土颗粒流数值模型,以大三轴试验、筋材拉伸试验及拉拔试验等为基础,校正颗粒流模型的细观力学参数。在此基础上,研究加筋红砂岩粗粒土细观加筋机理和细观力学特性,分析围压和加筋层数等对其细观力学特性的影响,并获得不同应变阶段加筋红砂岩粗粒土颗粒位移场分布特性和内部剪切带发展规律,为从本质上认识红砂岩粗粒土加筋加固机理提供了方法。
　　 (4)针对潭衡西线格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙试验段,在现场布置各种测试元器件,进行比较系统的监测,得到格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙墙面变形、墙后土压力分布、格宾网拉筋变形等规律。以FLAC3D为研究工具,建立格宾石笼面墙、土、格宾网、及接触面的三维耦合数值模型,对影响挡墙受力和变形的主要参数进行数值仿真与优化分析,提出红砂岩粗粒土路堤格宾加筋处治设计时要考虑的控制因素及可供设计和施工参考的资料。
　　 (5)利用FLAC3D动力分析模块,进行格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙抗震性能数值分析,通过室内拉拔试验和模型墙抗震试验结果校正数值模型参数。给出格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙在地震作用下的动力响应规律(加速度时程、位移时程、破坏模式等),系统分析结构材料参数以及地震动参数变化对挡墙动力响应的影响,提出格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙抗震设计位移控制标准、地震加速度系数取值方法以及不同抗震设防区格宾网合理竖向间距。
　　 (6)基于不同形状的简化破裂面,将挡墙加筋体划分成一定数量水平土条,针对不同模量加筋材料,提出地震作用下加筋土挡墙内部稳定性设计的水平条分方法,推导筋材拉力和所需筋材长度的计算公式,并分析填土内摩擦角、地震加速度系数对筋材拉力及所需筋材长度的影响。为加筋土挡墙抗震设计提供了方法。
　　 (7)考虑加筋对路堤抗侧刚度的影响及筋材与土体间的摩擦力,提出将加筋路堤简化为一个由弹簧、阻尼器、筋一土摩擦片相连接的竖向多质点体系。基于达朗贝尔原理,推导水平地震作用下加筋路堤多质点体系的动力方程,将动力方程所代表的动力学系统用状态空间予以描述,最后基于SIMIJIANK仿真平台建立动力方程的求解模型,得到加筋路堤地震反应结果。为加筋路堤地震反应预估提供了简化方法。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 选题来源与研究价值

1.2 国内外研究现状与进展

1.2.1 加筋土技术发展历程简述

1.2.2 加筋土结构试验研究进展

1.2.3 加筋土结构计算方法进展

1.2.4 红砂岩粗粒土填料应用与研究

1.2.5 土体细观力学行为研究进展

1.3 主要研究内容与创新及技术路线

1.3.1 主要研究内容与创新

1.3.2 主要研究方法与技术路线

第二章 红砂岩粗粒土路堤填料力学特性现场试验与分析

2.1 引言

2.2 红砂岩路堤填料现场推剪试验

2.2.1 试验概况

2.2.2 试验方法

2.3 试验结果与分析

2.3.1 强度与变形特性

2.3.2 红砂岩填料强度参数的二维分析方法

2.3.3 红砂岩填料强度参数的三维分析方法

2.5 本章小结

第三章 加筋红砂岩粗粒土强度和变形特性大三轴试验

3.1 引言

3.2 加筋粗粒土室内大三轴试验

3.2.1 试验概况

3.2.2 试验材料

3.2.3 试样制备

3.2.4 试验加（卸）载

3.3 试验结果与讨论

3.3.1 加筋层数对加筋红砂岩粗粒土强度和应力-应变特性的影响

3.3.2 含水量对加筋红砂岩粗粒土强度和应力—应变的影响

3.3.3 压实度对加筋红砂岩粗粒土强度和应力-应变的影响

3.3.4 围压对加筋红砂岩粗粒土应力-应变的影响

3.3.5 加筋效果评价与分析

3.3.6 与土工格栅加筋方案比较

3.3.7 饱和试样大三轴试验结果与分析

3.4 本章小结

第四章 加筋红砂岩粗粒土细观力学特性研究

4.1 引言

4.2 颗粒流基本理论

4.2.1 PFC3D离散颗粒流程序简介

4.2.2 颗粒流程序物理模型

4.2.3 颗粒流程序计算时步模型

4.2.4 颗粒流程序阻尼力学模型

4.2.5 颗粒流程序颗粒接触模型

4.3 红砂岩粗粒土细观力学特性三维颗粒流模拟

4.3.1 室内大三轴试验环境的PFC3D实现

4.3.2 大三轴试样颗粒生成

4.3.3 应力-应变关系模拟

4.4 加筋红砂岩粗粒土细观力学特性三维颗粒流模拟

4.4.1 格宾网加筋红砂岩粗粒土大三轴试样颗粒流模型

4.4.2 格宾网加筋红砂岩粗粒土应力-应变关系细观模拟

4.4.3 格宾网加固红砂岩粗粒土的细观机理分析

4.6 本章小结

第五章 格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙现场试验与优化分析

5.1 引言

5.2 格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙现场测试

5.2.1 试验段工程概况

5.2.2 监测断面元器件布置方案

5.2.3 现场试验段测试主要结果与分析

5.3 格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙现场试验段数值模拟

5.3.1 现场试验段数值模型及基本参数

5.3.2 数值模拟结果分析

5.4 加筋红砂岩粗粒土挡墙优化分析

5.4.1 地基土压缩模量的影响

5.4.2 地基土强度的影响

5.4.3 填料强度的影响

5.5 本章小结

第六章 格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙抗震性能与数值分析

6.1 引言

6.2 格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙抗震模型试验

6.3 地震作用下格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙性能数值分析

6.3.1 格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙地震响应数值模型校正

6.3.2 格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙抗震性能数值分析模型

6.3.3 格宾加筋红砂岩粗粒土挡墙抗震性能数值分析结果与讨论

6.4 本章小结

第七章 加筋土挡墙地震稳定性分析的水平条分方法

7.1 引言

7.2 水平条分分析方法

7.2.1 水平条分方法的基本假设

7.2.2 筋材拉力计算

7.2.3 筋材断面积与长度计算

7.2.4 水平条分法分析主要步骤

7.3 水平条分分析方法的验证

7.4 本章小结

第八章 基于SIMULINK高填方加筋路堤地震反应分析

8.1 引言

8.2 加筋路堤结构多质点离散体系

8.3 水平地震作用下结构的动力方程

8.4 加筋路堤地震反应SIMULINK模型

8.4.1 SIMULINK动态系统仿真软件简介

8.4.2 SIMULINK仿真模型实现

8.5 算例

8.6 本章小结

第九章 结论与展望

9.1 主要研究结论

9.2 主要创新占

9.3 继续研究方向

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要研究成果

一 发表的学术论文

二 主持或参加的科研工作