紅砂巖粗粒土加筋擋墻力學機理和地震穩(wěn)定性研究.pdf

1、紅層軟巖主要是指侏羅紀到新近紀的陸相紅色巖系,巖性為泥巖、砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖、粉砂巖等,俗稱紅砂巖粗粒土,在我國分布廣泛。區(qū)域性分布的紅砂巖粗粒土在路基工程中得到了大量應用,但是紅砂巖粗粒土填方路堤開裂、穩(wěn)定性不佳及不均勻沉降等病害一直是普遍和突出的問題,給行車舒適性和安全性造成了極不利的影響。因此,紅砂巖粗粒土加固處治技術是紅層地區(qū)軟巖填料應用于路基工程的關鍵之一。針對上述問題,本文依托湖南省交通廳科技項目“高速公路新型加筋土結

2、構技術研究與示范工程”(200612)、湖南省教育廳科研項目“高速公路加筋土路堤力學行為與設計方法的研究”(08C199)等科研課題,結合湖南省湘潭至衡陽高速公路加筋紅砂巖粗粒土路堤的建設,采用現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模擬等方法,開展紅砂巖粗粒土加筋路堤擋墻力學機理及地震穩(wěn)定性的研究。主要進行了以下幾個方面的工作:
　　 (1)針對湘南紅層軟巖填料,在湖南潭衡西線高速公路上進行紅砂巖路堤大尺度原位推剪試驗,分析紅砂巖粗

3、粒土在推剪力作用下的變形特性、力學特性以及破壞特征,得到紅砂巖粗粒土原位推剪試樣三維滑動面的簡化處理方法。并以極限平衡為理論基礎,推導在考慮三維滑動面時路堤填料強度參數(shù)計算公式,獲得紅砂巖粗粒土的強度指標。
　　 (2)采用格賓網(wǎng)和高強土工格柵等加強紅層軟巖填料,針對格賓網(wǎng)和土工格柵加筋紅砂巖粗粒土,分別制備不同加筋層數(shù)、不同壓實度和不同含水量的試樣,進行一系列大三軸試驗。主要研究加筋紅砂巖粗粒土強度和應力.應變特性,分析紅砂巖

4、加筋粗粒土的宏觀力學機理,并引入強度比參數(shù)分析加筋效果,探討土的含水量和壓實度、加筋層數(shù)等對加筋紅砂巖粗粒土力學特性和變形的影響。將格賓網(wǎng)與土工格柵加筋效果進行對比,優(yōu)選紅砂巖粗粒土加筋加固方案。
　　 (3)以PFC3D程序和離散顆粒流理論為研究平臺、利用FISH語言編程進行二次開發(fā),建立格賓網(wǎng)加筋紅砂巖粗粒土顆粒流數(shù)值模型,以大三軸試驗、筋材拉伸試驗及拉拔試驗等為基礎,校正顆粒流模型的細觀力學參數(shù)。在此基礎上,研究加筋紅砂巖

5、粗粒土細觀加筋機理和細觀力學特性,分析圍壓和加筋層數(shù)等對其細觀力學特性的影響,并獲得不同應變階段加筋紅砂巖粗粒土顆粒位移場分布特性和內(nèi)部剪切帶發(fā)展規(guī)律,為從本質上認識紅砂巖粗粒土加筋加固機理提供了方法。
　　 (4)針對潭衡西線格賓加筋紅砂巖粗粒土擋墻試驗段,在現(xiàn)場布置各種測試元器件,進行比較系統(tǒng)的監(jiān)測,得到格賓加筋紅砂巖粗粒土擋墻墻面變形、墻后土壓力分布、格賓網(wǎng)拉筋變形等規(guī)律。以FLAC3D為研究工具,建立格賓石籠面墻、土、格

6、賓網(wǎng)、及接觸面的三維耦合數(shù)值模型,對影響擋墻受力和變形的主要參數(shù)進行數(shù)值仿真與優(yōu)化分析,提出紅砂巖粗粒土路堤格賓加筋處治設計時要考慮的控制因素及可供設計和施工參考的資料。
　　 (5)利用FLAC3D動力分析模塊,進行格賓加筋紅砂巖粗粒土擋墻抗震性能數(shù)值分析,通過室內(nèi)拉拔試驗和模型墻抗震試驗結果校正數(shù)值模型參數(shù)。給出格賓加筋紅砂巖粗粒土擋墻在地震作用下的動力響應規(guī)律(加速度時程、位移時程、破壞模式等),系統(tǒng)分析結構材料參數(shù)以及地

7、震動參數(shù)變化對擋墻動力響應的影響,提出格賓加筋紅砂巖粗粒土擋墻抗震設計位移控制標準、地震加速度系數(shù)取值方法以及不同抗震設防區(qū)格賓網(wǎng)合理豎向間距。
　　 (6)基于不同形狀的簡化破裂面,將擋墻加筋體劃分成一定數(shù)量水平土條,針對不同模量加筋材料,提出地震作用下加筋土擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性設計的水平條分方法,推導筋材拉力和所需筋材長度的計算公式,并分析填土內(nèi)摩擦角、地震加速度系數(shù)對筋材拉力及所需筋材長度的影響。為加筋土擋墻抗震設計提供了方法。