土工格柵流變特性及格柵加筋擋土墻長期工作性能研究.pdf

1、作為天然的地質(zhì)材料，土具有很低或者幾乎沒有抗拉強度。因此為了提高土體承受側(cè)向荷載的能力，如同在混凝土中置入一定數(shù)量的鋼筋形成鋼筋混凝土、從而提高了這種復(fù)合材料的抗拉性能一樣，在土體內(nèi)適當(dāng)?shù)丶尤牖蜾佋O(shè)一定數(shù)量的具有較好抗拉性能的加筋材料，形成加筋土工結(jié)構(gòu)(ReinforcedEarthStructures)，依靠筋材與土體之間的摩擦和嵌鎖咬合作用，可以傳遞拉應(yīng)力并分擔(dān)土體的應(yīng)力，增加土體的變形模量，在一定程度上改善土體的強度和變形特性，達

2、到加固土工構(gòu)筑物與地基的目的。這種加筋材料一般以高分子聚合物等人工合成材料或鋼筋為主，在巖土工程中統(tǒng)稱為土工合成材料，主要抵抗拉力及其變形。土工合成材料可以分別用于加強土坡、加固軟土地基，在支擋結(jié)構(gòu)施工中鋪設(shè)一定數(shù)量的土工合成材料形成土工加筋擋土墻，然而隨著大量和大規(guī)模的工程建設(shè)，所面臨的土質(zhì)條件與地質(zhì)條件的復(fù)雜程度不斷加大，對軟基工程、滑坡工程和防護工程及其治理工程的實際需求越來越迫切，由于在施工效率、工程安全性和經(jīng)濟性等方面比其他技

3、術(shù)措施往往表現(xiàn)出更好的特性及適用性，土工合成材料技術(shù)及土工加筋技術(shù)在軟基加固工程、堤防工程、高速公路工程、鐵道工程等大量的工程實踐中得到日益廣泛的應(yīng)用，無論在數(shù)量上還是規(guī)模上都是史無前例的。盡管如此，目前關(guān)于土工加筋結(jié)構(gòu)的工作機理尚未得到清楚的認(rèn)識，設(shè)計理論與方法還遠遠落后于工程實踐，缺乏嚴(yán)密的分析理論與計算方法。另外，作為高分子聚合物的合成材料，各種土工合成材料在一定的環(huán)境溫度條件下和在拉力的長期作用下往往表現(xiàn)出比較明顯的蠕變特性粘性

4、效應(yīng)。然而考慮加筋材料的蠕變特性，土工加筋結(jié)構(gòu)的長期變形特性及其工作機理更缺乏系統(tǒng)而深入的探討。為此，本文分別以土工格柵這種土工合成材料和格柵加筋擋土墻這種土工加筋結(jié)構(gòu)作為研究對象，通過實驗室內(nèi)的蠕變試驗探討了土工格柵的蠕變特性及其非線性粘彈性本構(gòu)模型，同時考慮格柵的蠕變特性和填土的流變特性及土與格柵之間的相互作用效應(yīng)，通過有限元數(shù)值分析與計算探討了土工格柵加筋擋土墻的長期工作性能及其各種影響因素，為加筋擋土墻長期工作性能評價與工程設(shè)計

5、提供了重要參考依據(jù)。具體地，論文的主要研究內(nèi)容及所取得的研究成果包括下列方面： 1.土工格柵均布加筋邊坡穩(wěn)定性的上限極限分析。運用塑性極限平衡原理，基于極限分析上限定理，針對土工格柵均布加筋邊坡建立了穩(wěn)定性分析的上限解法，由此確定了格柵加筋邊坡臨界高度及穩(wěn)定數(shù)的上限，并與無加筋條件下邊坡的計算結(jié)果進行了對比分析，進而基于變動參數(shù)對比計算探討了格柵加筋邊坡坡角、頂面傾角、土的內(nèi)摩擦角及格柵抗拉強度對加筋土坡穩(wěn)定性的影響。在此基礎(chǔ)上

6、，進一步地采用等效粘結(jié)力考慮由于筋材加筋而引起的土體局部強度的增強效應(yīng)，并以無量綱參數(shù)kt/γH表達筋材的抗拉強度，運用極限分析上限解法確定了極限平衡狀態(tài)下所需要發(fā)揮的筋材抗拉強度，由此通過計算探討了臨界無量綱筋材抗拉強度參數(shù)kt/γH與描述邊坡的幾何特征和土的抗剪強度等參數(shù)之間的相關(guān)性。進而針對加筋邊坡中部分筋材發(fā)生拉拔破壞而失效的情況，探討了所需要的最小筋材長度對于土的強度特性和邊坡幾何特征參數(shù)的依賴性。 2.考慮格柵蠕變性

7、的筋土復(fù)合體應(yīng)力計算方法及影響因素分析。在詳細分析目前的土工格柵加筋理論的基礎(chǔ)上，將土工格柵加筋土看作宏觀上各向異性復(fù)合材料，假定格柵加筋土的宏觀應(yīng)力由土和筋材兩種微觀應(yīng)力所組成，并且假定格柵與土之間不發(fā)生相對滑動；土為理想彈塑性材料并滿足Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則；格柵為粘彈性材料。采用3參數(shù)粘彈性模型考慮格柵的蠕變特性，建立了筋土復(fù)合體應(yīng)力的計算方法，探討了格柵蠕變性對加筋土微觀應(yīng)力的影響。通過變動參數(shù)對比計算與分析考察了格柵

8、蠕變性參數(shù)、土的變形與強度參數(shù)等各種因素對筋土復(fù)合體應(yīng)力狀態(tài)的影響。 3.土工格柵蠕變特性的試驗研究及其非線性粘彈性本構(gòu)模型研究。土工格柵的蠕變特性對土工格柵加筋結(jié)構(gòu)的長期變形特性和穩(wěn)定性具有重要的影響。借助于青島頤中格柵股份有限公司的實驗室，針對荷載水平和環(huán)境溫度的各種不同組合，對于2種規(guī)格的土工格柵進行了大量的實驗室內(nèi)蠕變試驗，并對試驗結(jié)果進行了比較系統(tǒng)的對比分析，在此基礎(chǔ)上，通過對比分析綜合考察了土工格柵載荷一應(yīng)變等時曲線

9、、蠕變曲線及松弛曲線的變化特征及其對于荷載水平與環(huán)境溫度的依賴性，通過時間轉(zhuǎn)換因子將不同溫度下的蠕變試驗結(jié)果換算為某一特定溫度下的蠕變特性，進而通過曲線擬合確定了這一特定溫度下格柵長期強度計算模式和蠕變強度折減系數(shù)，為土工格柵加筋結(jié)構(gòu)長期工作性能的分析與評價提供了基礎(chǔ)?；谕凉じ駯诺拇罅咳渥冊囼灲Y(jié)果及不同條件下土工格柵蠕變特性的對比分析，采用粘彈性理論建立了能夠反映土工格柵蠕變特性基本特征的指數(shù)型模式和雙曲線模式等2種經(jīng)驗型非線性粘彈性

10、本構(gòu)模型，分別給出了有關(guān)本構(gòu)參數(shù)的合理確定方法。此外，通過模型預(yù)測與試驗結(jié)果的對比論證了所建議的兩種粘彈性本構(gòu)模型的可靠性。最后，探討了環(huán)境溫度和載荷水平對模型參數(shù)的影響，并建立了根據(jù)環(huán)境溫度與荷載水平估算模型參數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系。 4.土工格柵加筋擋土墻長期性能的粘彈塑性有限元分析。針對土工格柵加筋擋土墻，分別采用粘彈塑性流變模型和粘彈性蠕變模型考慮填土的非線性流變性與土工合成材料的非線性蠕變性，同時采用界面接觸單元模式和合理地選擇

11、界面參數(shù)考慮筋材與填土、填土與面板及面板之間的相互作用效應(yīng)，在數(shù)值計算中采用增量法反映逐層填筑等施工過程，采用初應(yīng)變迭代法反映填土流變性與格柵蠕變性的非線性粘性特征，針對二維平面應(yīng)變問題發(fā)展了格柵加筋擋土墻粘彈塑性有限元數(shù)值分析方法與計算程序系統(tǒng)。針對Denver粘性土試驗加筋擋土墻，通過試驗所提供的實驗數(shù)據(jù)合理地確定和標(biāo)定了計算模型中的有關(guān)參數(shù)，進而通過數(shù)值分析與實測結(jié)果的對比驗證了所建立的分析方法的合理性與可靠性。繼而針對某一給定的

12、土工格柵加筋擋土墻結(jié)構(gòu)模型，利用所發(fā)展的平面應(yīng)變有限元數(shù)值分析方法與計算程序進行了變動參數(shù)比較研究，由此探討了填筑過程、加筋長度和間距、模型參數(shù)等各種因素對格柵加筋擋土墻結(jié)構(gòu)長期變形與承載特性等長期工作性能的影響。數(shù)值計算與分析表明：填筑過程對格柵加筋擋土墻的面板水平位移、格柵拉力與應(yīng)變和地基水平位移與垂直沉降影響較大，加筋改變了墻后填土應(yīng)力分布模式，格柵加筋擋土墻面板位移與格柵拉力及應(yīng)變在經(jīng)歷一段時間后將達到某一穩(wěn)定狀態(tài)。這些結(jié)果與結(jié)