土工格栅加筋砾类土力学特性和加筋机理试验研究

摘要

砾类土的颗粒尺寸、颗粒形状、力学特性与砂土和黏土不同。砾类土与黏土相比较有着较强的抗压强度和抗剪强度。加筋砾类土是指在砾类土中铺设土工筋材，是改善砾类土性质的有效手段之一。土工格栅加筋砾类土力学特性和加筋机理已经成为当前研究中的热点问题。特别是针对新疆地区砾类土筋土界面强度参数及影响因素、加筋复合体强度特性、破坏形态及加筋效果等问题的研究还很不足，影响了土工格栅加筋砾类土在工程中的进一步推广。
　　为合理诠释砾类土加筋机理和工作特性，结合课题研究及重大工程实际的需要，揭示砾类土—土工格栅加筋复合体的强度、变形、破坏特性，推动加筋土技术不断向前发展，开展土工格栅加筋砾类土力学特性和加筋机理研究。完成的主要研究工作和成果总结如下:
　　1)砾类土及土工格栅加筋砾类土大型三轴试验研究。采用新疆地区典型的砾类土试料，进行了不加筋及加不同间距土工格栅的砾类土大三轴试验，对不同颗粒形状的砾类土抗剪强度、变形特性、内摩擦角等进行比较，对加筋前后砾类土的应力—应变关系、强度特性、破坏形态及加筋效果进行研究，对砾类土的加筋机理及重大工程设计参数的选择具有较大的实用价值。
　　2)基于拉拔试验的土工格栅—砾类土界面特性研究。通过砾类土—土工格栅界面特性拉拔试验研究了界面特性的影响因素、筋土界面相互作用机理、界面强度参数和筋土相对位移的变化规律，提出了具有应变硬化型拉拔曲线的拉拔试样破坏标准及极限拉拔力的确定方法。考虑格栅伸长量对格栅—土接触面积的实时影响，得到了拉拔过程中筋—土界面实时长度的公式。引入界面综合摩擦角φ*sg的概念，给出了压实度K、法向压力σ、加筋砾类土界面综合摩擦角φ*sg的双参数函数φ*sg（Kσ）。通过试验研究了压实度、含水率对加筋砾类土筋土界面强度参数的影响，为加筋土计算理论的完善提供了理论基础。
　　3)土工格栅—砾类土接触界面影响带及加筋陡坡稳定性分析。通过将传统的土工合成材料拉拔仪进行改造，研发了一种可以观测土工合成材料—砾类土界面附近土颗粒位移的装置，直接观测到了筋土界面影响带的存在，并对其进行了测量。采用离散元法从细观尺度上揭示了砾类土—土工格栅拉拔试验过程中筋土界面区域的细观变化。充分考虑土工格栅对土体的间接加固，引入强度分布密度概念，提出了更能反映筋土相互作用机理的考虑加筋影响带的土工格栅加筋土坡稳定性分析方法—影响带法。
　　4)土工格栅砾类土加筋陡坡路堤离心模型试验研究。通过不加筋和不同加筋层间距的土工格栅砾类土加筋陡坡路堤离心模型试验，研究了土工格栅加筋砾类土坡的应变规律、边坡的变形规律以及破坏形式，验证了工程中应用较少的加筋陡坡路堤设计方案的合理性和结构的安全性。试验表明土工格栅加筋改变了边坡的破坏模式，加筋边坡由于土工格栅的阻隔没有形成连续的滑动面，破坏主要为坡面局部变形和土工格栅层间土的连续渐进变形为主。研究成果对设计中合理选择加筋层间距具有重大意义。
　　5)土工格栅砾类土加筋陡坡路堤现场试验研究。通过对两种不同路基边坡坡率下土工格栅加筋陡坡路堤现场原型试验，对填筑过程中以及填筑完毕后的土压力、格栅应变、路堤坡面变形进行了观测。分析了加筋砾类土陡坡路基垂直和水平土压力、土工格栅拉筋的应变、加筋土坡的侧向位移的分布及变化规律。研究了工程应用较少的加筋砾类土陡坡路基工作特性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 砾类土试验及理论研究现状

1．2．2 加筋砾类土强度试验和理论研究现状

1．2．3 土工格栅加筋结构分析方法现状

1．3 研究内容和技术路线及意义

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 论文的创新点

第二章 土工格栅加筋砾类土强度特性试验研究

2．1 引言

2．2 试验设备、材料及方法

2．2．1 试验设备

2．2．2 试验土样与加筋材料

2．2．3 试验设计与试样的制备

2．3 试验步骤

2．3．1 试样饱和

2．3．2 试样固结

2．3．3 试样剪切

2．4 试验结果及分析

2．4．1 应力应变关系分析

2．4．2 基于Mohr—Coulomb理论的强度特性分析

2．4．3 变形特性分析

2．5 土工格栅砾类土加筋效果分析

2．6 本章小结

第三章 土工格栅—砾类土界面强度特性试验研究

3．1 引言

3．2 试验装置与材料

3．2．1 试验装置

3．2．2 填料

3．2．3 土工格栅

3．3 试验设计

3．4 拉拔曲线特征及破坏标准的确定

3．5 拉拔过程中格棚的实时埋入长度

3．6 土工格栅—砾类土界面特性影响因素试验研究

3．6．2 拉拔速率对土工格栅—土界面特性的影响

3．6．3 颗粒形状及级配对土工格栅—砾类土界面特性的影响

3．6．4 含水率对土工格栅—土界面特性的影响

3．7 土工格栅—砾类土界面强度参数研究

3．7．3 界面强度实测值

3．7．4 界面强度参数主要影响因素

3．8 本章小结

第四章 土工格栅—砾类土界面影响带试验及加筋陡坡稳定性分析

4．1 引言

4．2 筋—土界面影响带理论

4．3 试验装置及土颗粒位移测量方法

4．3．1 试验装置

4．3．2 土颗粒位移测量方法

4．3．3 试验方案及试验材料

4．4 试验结果分析

4．5 砾类土—土工格栅拉拔试验界面特性细观分析

4．5．1 离散单元法(PFC颗粒流)基本理论

4．5．2 颗粒流三维模型的建立

4．5．3 数值计算分析

4．6 基于砾类土筋—土界面影响带的加筋土坡稳定性分析

4．6．1 基本原理

4．6．2 算例及分析

4．7 本章小结

第五章 土工格栅砾类土加筋陡坡路堤离心模型试验研究

5．1 引言

5．2 土工离心模型试验原型—模型相似性原理

5．3 土工格栅加筋陡坡路堤土工离心模型设计

5．3．1 离心模型原型概况

5．3．2 离心试验设备简介

5．3．3 试验模型相似关系设计

5．3．4 模型材料制备

5．3．5 模型设计

5．3．6 模型误差评估

5．3．7 观测内容与元器件布置

5．4 试验加载设计及试验过程

5．4．1 试验加载设计

5．4．2 试验过程

5．5 离心试验结果分析

5．5．1 不加筋模型(RS1)

5．5．2 加筋边坡模型(RS2)

5．5．3 加筋边坡模型(RS3)

5．5．4 加筋边坡模型(RS4)

5．6 基于离散元的加筋陡坡宏细观机理分析

5．6．1 颗粒流模型的建立

5．6．2 模拟结果及分析

5．7 本章小结

第六章 土工格栅砾类土加筋陡坡路堤工程应用研究

6．1 引言

6．2 试验路工程概况

6．2．1 工程地质条件

6．2．2 气象水文条件

6．3 现场试验路堤设计方案

6．3．1 试验路堤设计方案

6．3．2 路堤填料

6．3．3 土工格栅

6．4 试验方案设计

6．4．1 试验目的

6．4．2 试验观测内容

6．4．3 观测元器件与布设设计

6．4．4 现场试验段施工

6．4．5 观测原件埋设

6．5 现场测试数据分析

6．5．1 土工格栅应变分析

6．5．2 土压力分析

6．6 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况