土工格室低路堤-剛性路面體系理論分析與試驗(yàn)研究.pdf

1、相對(duì)于高路堤而言,低路堤具有占地少、造價(jià)省,符合科學(xué)發(fā)展觀的特點(diǎn),近年來越來越受到工程界的親睞,但當(dāng)面對(duì)一些特殊土地質(zhì),尤其在穿越軟土地區(qū)時(shí),如果不采取有效的軟基處理措施,采用低路堤的效果往往會(huì)不盡如人意,這是由于低路堤因有限的填土高度無法有效擴(kuò)散上部荷載,容易引起差異沉降量過大的問題,為解決在軟弱土地區(qū)內(nèi)進(jìn)行低路堤設(shè)計(jì)中的荷載擴(kuò)散問題,本文提出將土工格室與其內(nèi)碎石等填料組成的加筋結(jié)構(gòu)層置于路基上部,構(gòu)成一種新型的土工格室低路堤-剛性路

2、面結(jié)構(gòu)體系。它綜合了土工格室結(jié)構(gòu)層能抗彎抗剪的特點(diǎn),低路堤在土地資源節(jié)約上的優(yōu)勢(shì)以及混凝土剛性路面的原材料在我國(guó)可以自給自足、更適合重交通量、設(shè)計(jì)壽命期長(zhǎng)等長(zhǎng)處,而具備良好的發(fā)展?jié)摿?但是對(duì)該體系的研究尚在起步階段。為此,本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“散體材料樁復(fù)合地基承載機(jī)理及其按變形控制設(shè)計(jì)理論研究”(項(xiàng)目編號(hào)51078138),以理論分析結(jié)合有限元數(shù)值模擬以及室內(nèi)模型試驗(yàn)為手段,針對(duì)此種新型結(jié)構(gòu)體系的承載機(jī)理、沉降兩方面開展較為深

3、入、系統(tǒng)的研究,主要工作分為以下幾點(diǎn):
　　(1)通過對(duì)國(guó)內(nèi)外已有的相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)分析,較為全面的梳理有關(guān)低路堤結(jié)構(gòu)、路基對(duì)交通荷載的響應(yīng),以及作為加筋土類中重要一員的土工格室的應(yīng)用與加固機(jī)理的知識(shí),作為對(duì)本文提出的新體系進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)性資料。
　　(2)針對(duì)土工格室結(jié)構(gòu)層作為下面層的適用性開展了研究,主要分為土工格室結(jié)構(gòu)層的抗彎能力和抗沖刷能力兩部分。在研究土工格室結(jié)構(gòu)層的抗彎能力時(shí),通過有限元反分析,定量的建立起彎曲

4、模量與跨中撓度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,可作為同類型實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理工作的參考;進(jìn)一步,設(shè)計(jì)了6組疊梁試驗(yàn)來研究土工格室結(jié)構(gòu)層的彎曲模量測(cè)定及其影響因素,試驗(yàn)結(jié)果表明:格室的展開寬度對(duì)彎曲模量值有較大的影響,在實(shí)際工程中應(yīng)盡可能的將格室展開至近正菱形。在分析剛性路面下基層的沖刷機(jī)理時(shí),認(rèn)為沖刷現(xiàn)象的內(nèi)因可歸結(jié)為積聚于板底的自由水的浸泡軟化作用,外因是交通荷載導(dǎo)致的動(dòng)水壓力的反復(fù)沖刷作用。而采用土工格室碎石結(jié)構(gòu)層不但可以在剛性路面下形成良好的排水通道,使

5、滲入水分可以及時(shí)排出,而且因?yàn)橥凉じ袷宜槭Y(jié)構(gòu)層獨(dú)特的強(qiáng)度與剛度的形成機(jī)理,它受到的水的軟化作用較小;借鑒土工膜袋防沖刷的成功經(jīng)驗(yàn),在土工格室結(jié)構(gòu)層上覆一層透水土工布,可減少動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)層的直接沖刷作用,保證它的抗沖刷能力。
　　(3)全面地闡述了本文所提出的土工格室低路堤-剛性路面結(jié)構(gòu)體系,說明了軟弱土地區(qū)的土工格室低路堤-剛性路面結(jié)構(gòu)體系的主要組成部分及各部分的功能,并深入地研究了該結(jié)構(gòu)體系承載特性。利用數(shù)值分析軟件ADNI

6、A建立起平面應(yīng)變模型,計(jì)算了交通荷載產(chǎn)生的應(yīng)力與變形在路堤中的擴(kuò)散問題,證明了土工格室結(jié)構(gòu)層的存在將大大改善混凝土路面板的受力狀態(tài),并讓路基內(nèi)部應(yīng)力更快的衰減。在工程設(shè)計(jì)實(shí)用性計(jì)算方面,研究結(jié)果表明,可用現(xiàn)行規(guī)范中的彈性地基雙層板計(jì)算模型來分析新體系的路面板臨界荷位處的荷載應(yīng)力。
　　(4)通過有限元模擬計(jì)算,定性地比較了路面下有無土工格室結(jié)構(gòu)層時(shí)的變形特點(diǎn),證明了設(shè)置土工格室結(jié)構(gòu)層可以有效減小地基表面的差異沉降;而與設(shè)置同樣厚度

7、同樣參數(shù)的土工格室墊層于地基表面的情況進(jìn)行了對(duì)比研究時(shí),發(fā)現(xiàn)總沉降值在采用土工格室結(jié)構(gòu)層時(shí)比以墊層形式置換出軟基中的部分軟土?xí)r明顯減小,而在控制差異沉降的表現(xiàn)上兩者相當(dāng)。進(jìn)一步對(duì)可能影響到板間差異沉降的7個(gè)因素設(shè)計(jì)了3個(gè)水平的正交試驗(yàn),對(duì)以板間差異沉降為試驗(yàn)指標(biāo)時(shí)進(jìn)行的極差分析與方差分析都表明,各因素的影響大小順序?yàn)?土工格室結(jié)構(gòu)層厚度>低路堤高度>軟基模量>低路堤填土的模量>土工格室結(jié)構(gòu)層模量>路面板厚度>路面板模量,所以要控制好板間

8、差異沉降,最有效的方法是提高土工格室結(jié)構(gòu)層的高度和低路堤的填土高度。
　　(5)基于相似理論,設(shè)計(jì)并完成了兩組具有可比性的室內(nèi)模型試驗(yàn),將模型試驗(yàn)中的六個(gè)小項(xiàng)分成三個(gè)階段來進(jìn)行,藉此來比較有無土工格室結(jié)構(gòu)層時(shí)兩種體系工作性能的差異,以研究土工格室低路堤-剛性路面體系的承載和變形特性。試驗(yàn)中采用加裝變速箱的強(qiáng)制式攪拌機(jī)驅(qū)動(dòng)將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)的連桿體系,成功的控制了小車運(yùn)動(dòng)距離和速度,實(shí)現(xiàn)了交通荷載的周期性模擬。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證