土工合成材料与土相互作用机理的试验研究和数值分析

摘要

土工合成材料加筋技术在工程中应用越来越广泛，相关加筋机理、试验手段及计算方法的研究引起了学术界的关注。本文从试验设备研制、影响因素分析、机理试验研究以及数值模拟方法等多方面入手，较为深入而系统地研究了土工格栅与砂土界面力学特性，分析了筋土相互作用机理，初步建立了统一的筋土界面本构关系，开发了具有一定普遍意义的加筋结构有限差分计算方法。本文获得的研究成果和结论如下： (1)研制开发了一套具有先进水平的、可进行大尺寸界面直剪试验和拉拔试验的大型多功能界面剪切仪。该仪器可在水平方向和竖直方向实现静载荷和循环载荷边界条件，其配套的PTV系统还可对界面附近土颗粒进行细观量测，为筋土界面力学特性和相互作用机理研究提供了试验平台，同时也可满足多种界面剪切试验的要求。 (2)在大型多功能界面剪切仪上进行土工格栅拉拔试验研究，分析了筋土界面力学特性及其影响因素，包括法向应力、土工格栅类型、试样长宽比和拉拔速率等。试验结果表明，上述因素均对筋土界面力学和变形特征产生了不可忽视的影响，研究成果对正确进行土工格栅拉拔试验、进行土工格栅与土相互作用机理研究具有积极的指导意义。 (3)在常规设备上进行拉拔试验，对土工格栅试样进行特定的裁剪加工，可在拉拔阻力中计算分离出纵肋摩擦阻力和横肋被动阻力。研究结果表明，被动阻力有着与摩擦阻力不同的作用机理和发展规律，且在拉拔阻力中占有较大份额。 (4)利用大型多功能界面剪切仪进行土工格栅拉拔试验，通过改变试样的横肋百分比和纵肋百分比，系统地研究了土工格栅与土相互作用机理。试验结果显示，土工格栅横肋百分比、横肋所处的位置和纵肋百分比都影响着被动阻力的发展，同时也就对拉拔力的发展产生了影响。 (5)首次根据拉拔试验结果计算获得了统一的筋土界面本构关系，在FLAC3D的基础上进行二次开发，建立了适用于加筋土数值计算的有限差分计算方法，并对土工格栅拉拔试验进行了数值模拟分析。计算结果在考虑土工格栅的拉伸力学特性的基础上，准确地描述了筋土界面非线性力学性质和应变软化的特性，并与试验结果吻合较好，验证了本构关系和计算方法的合理性和有效性。 (6)首次进行了法向循环荷载下土工格栅拉拔试验研究，初步探讨了法向循环荷载特征对筋土界面力学特性的影响。研究结果显示，法向循环荷载下土工格栅筋土界面表现出的拉拔力和体积变形呈相应的循环状态，进行加筋土结构分析计算时，可用拟静态荷载来代替循环荷载的作用。法向循环荷载的频率、振幅和波形等特征对界面力学特性都有一定的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1选题背景及研究意义

1.1.1土工合成材料加筋土工程

1.1.2筋土界面的破坏机制

1.1.3筋土相互作用的研究途径

1.2国内外研究现状及存在的问题

1.2.1筋土界面力学特性试验研究

1.2.2土工格栅与土相互作用机理研究

1.2.3筋土界面数值模拟研究

1.2.4循环荷载下筋土界面力学特性

1.2.5存在的问题

1.3研究内容及创新点

1.3.1研究内容

1.3.2创新点

第2章土工合成材料加筋机理与理论探索

2.1土工合成材料加筋作用

2.1.1提高土体的破坏强度

2.1.2改变土体的应力场和位移场

2.1.3改变土体的破坏模式和稳定性

2.2筋土界面应力传递机制

2.3土工合成材料加筋机理

2.3.1界面摩擦作用理论

2.3.2约束增强理论

2.3.3张力膜理论

2.3.4加筋垫层的应力扩散作用理论

2.3.5剪切带理论

2.4拉拔试验作用理论

2.4.1传统的受力分析

2.4.2考虑筋材拉伸特性的受力分析

2.4.3考虑被动阻力的受力分析

2.5研究思路与研究方向

第3章加筋土数值模拟的理论与方法

3.1三维快速拉格朗日法概述

3.2三维快速拉格朗日法的数学模型

3.3 FLAC3D程序及特点

3.4本构关系和接触面处理

3.4.1 Mohr-Coulomb模型的基本理论

3.4.2 Geogrid结构单元的计算理论

3.5小结

第4章大型多功能界面剪切仪的研制

4.1研制剪切仪的意义与构思

4.2剪切仪的开发研制

4.3剪切仪的技术参数

4.4剪切仪的细部结构

4.4.1框架和承载板

4.4.2土样箱和夹具

4.4.3液压加载系统

4.4.4试验控制系统

4.4.5数据采集系统

4.4.6细观测量系统

4.5剪切仪的主要特点

4.6 小结

第5章试验材料与其它试验设备

5.1试验材料的特性

5.1.1石英砂的物理力学特性

5.1.2土工格栅的物理力学性质

5.2常规拉拔试验设备

5.3小结

第6章筋土界面力学特性影响因素研究

6.1筋土界面力学特性试验

6.1.1试验研究方案

6.1.2拉拔试验步骤

6.2法向应力的影响

6.2.1法向应力对拉拔力的影响

6.2.2法向应力对土工格栅位移的影响

6.2.3法向应力对承载板位移的影响

6.3土工格栅类型的影响

6.4土工格栅试样长宽比的影响

6.5拉拔速率的影响

6.6 小 结

第7章土工格栅与土相互作用机理的试验研究

7.1试验研究方案

7.1.1常规设备的试验方案

7.1.2大型界面剪切仪的试验方案

7.2常规设备拉拔试验结果分析

7.2.1拉拔力的测量结果

7.2.2被动阻力和摩擦阻力的计算

7.2.3被动阻力与摩擦阻力的对比分析

7.3大型界面剪切仪的试验结果分析

7.3.1横肋百分比的影响

7.3.2横肋位置的影响

7.3.3纵肋百分比的影响

7.4常规试验设备的局限性与解决思路

7.5小结

第8章筋土界面特性数值模拟研究

8.1试验材料的本构关系

8.1.1砂土的本构关系

8.1.2土工格栅的本构关系

8.2统一的筋土界面本构关系

8.2.1建模基本思路

8.2.2考虑摩擦阻力的界面本构关系

8.2.3考虑被动阻力的界面本构关系

8.3常规设备拉拔试验的数值模拟

8.3.1计算模型和计算步骤

8.3.2 B类土工格栅拉拔试验模拟分析

8.3.3 A类土工格栅拉拔试验模拟分析

8.4大尺寸拉拔试验的数值模拟研究

8.4.1数值计算模型和计算步骤

8.4.2拉拔试验数值模拟分析

8.5小结

第9章法向循环荷载下筋土界面力学特性的初步研究

9.1试验方案

9.2法向循环荷载频率的影响

9.3法向循环荷载振幅的影响

9.4法向循环荷载波形的影响

9.5小结

第10章结论与展望

10.1结论

10.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果