加筋风积砂地基承载力试验研究及计算分析

针对沙漠地区风积砂土特殊的物理力学性质，以土工格栅为加筋材料对风积砂土进行加固。通过室内模型试验，对未加筋的风积砂土和15种布筋方式下的加筋风积砂地基承载力进行了试验研究。测定了各种布筋方式下加筋风积砂土的极限破坏荷载，分析了加筋土的变形以及应力扩散情况。根据试验结果，总结了不同布筋方式及不同埋深条件下，加筋风积砂地基承载力的变化规律，并推荐片式双层格栅为施工中有效的布筋方式，此布筋方式下的加筋风积砂地基承载力较风积砂地基承载力增加1．2倍。提出了加筋风积砂土的强度机理和破坏模式，建立了无埋深条件下片式单层格栅加筋风积砂地基承载力的计算公式。经试验验证，所得结果具有实用价值。     

双层立体加筋砂土的强度特性

在提出立体加筋方式的基础上,对水平–竖向复合加筋和竖向加筋两种加筋形式的立体加筋砂土进行大量的三轴试验。结果表明,相对于无筋土及传统的水平加筋砂土而言,立体加筋砂土强度有大幅度提高。对比分析竖向加筋率与立体加筋砂土强度之间的关系,比较不同围压下的强度变化。在试验基础上,分析立体加筋砂土的工作机制,并利用极限平衡理论建立双层立体加筋土的强度模型,最后将竖向加筋砂土的部分试验结果与理论值进行对比,结果表明二者基本吻合。     

单层立体加筋砂土性状的三轴试验研究

针对加筋土中传统的筋材布置特点,提出了立体加筋土的概念,并设计了采用轴对称布置的单层立体加筋砂土的试验方案,进行了48组镀锌铁皮和橡胶板两种筋材的单层立体加筋砂土的室内三轴试验,探讨了不同立体加筋方式、不同围压作用下应力–应变及强度变化规律。通过试验结果对比,分析了立体加筋砂土同传统水平加筋砂土之间应力–应变关系和强度指标的差异规律,竖向筋高度对立体加筋砂土的强度影响,单侧和双侧布置竖向筋材等两种布筋方式对立体加筋砂土强度的影响,以及不同变形模量的加筋材料对立体加筋土强度的影响。试验结果表明:立体加筋砂土的强度随竖向筋的高度增加而增大;立体加筋不仅能提高砂土的粘聚力,同时也能增加砂土的内摩擦角,尤其是双侧立体加筋砂土;在竖向筋总高度相同时,双侧立体加筋形式比单侧立体加筋能更有效提高砂土的强度。     

基于准黏聚力原理的加筋黏土强度理论浅析

目前已有不少学者提出了加筋砂土的加筋理论,然而在工程领域中,经常进行加筋的土具有黏性(黏聚力c≠0),目前还没有学者对加筋黏土的加筋理论进行探讨和分析,弄清加筋黏性土的加筋理论对工程建设有巨大的指导意义。文章基于加筋砂土的准黏聚力原理,分析了加筋黏土的加筋理论,以及对加筋黏土的抗剪强度公式进行了修正。     

基于Goodman界面单元的加筋砂土变形破坏有限元数值分析

利用非线性弹塑性有限元,对无加筋砂土和采用光滑铜板的加筋砂土平面应变压缩试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值解析.考虑到光滑铜板与砂土之间存在滑移,在有限元分析中采用Goodman连接单元作为界面单元.在有限元分析中还需考虑影响砂土变形强度的诸多特性,包括:(1) 围压大小的相关性;(2) 强度的各向异性;(3) 峰值前应变硬化及峰值后应变软化的非线性特性;(4) 剪胀性;(5) 应变局部化及剪切带形成特性等.结果表明,利用建议的有限元方法得到的加筋砂土平面应变压缩的应变-应力关系与室内试验结果吻合较好,最大应力比和峰值前刚度非常接近试验结果;提出的有限元分析方法可以较准确地捕捉到砂土的剪切带发生、发展状况,合理地模拟加筋砂土的渐进性破坏特性以及加筋材和砂土之间的相互作用机制.     

加筋砂土边坡渐进性变形破坏的数值分析

利用非线性弹塑性有限元方法对加筋砂土边坡的模型试验从加载开始到破坏的全过程进行数值分析,并与无加筋砂土边坡的状况进行比较.为研究边坡的面板效应,对带面板的加筋砂土边坡的变形破坏进行弹塑性有限元分析.在有限元分析中,砂土的本构关系选用应变硬化软化弹塑性模型,该模型可以考虑砂土的应变局部化、强度的各向异性以及应力水平相关等特性.结果表明,建议的非线性弹塑性有限元分析可以较好地模拟加筋砂土边坡的局部应力-应变分布以及剪切带发生、发展状况,有助于定量化地把握加筋砂土边坡的渐进性变形破坏特点以及加筋条带的加固机制和边坡的面板效应.     

聚丙烯纤维加筋砂土的剪胀特性

随机分布的聚丙烯纤维在土体中彼此交错形成网状,可显著提高砂土的抗剪强度,减少其峰值强度折减。描述土体剪胀规律的剪胀方程是建立纤维加筋土的本构模型的核心。以聚丙烯纤维加筋南京细砂为主要研究对象,通过不同围压下的常规三轴压缩试验,研究了不同纤维质量百分比含量对南京细砂强度、变形以及剪胀特性的影响。对比聚丙烯纤维加筋砂土与纯砂土的应力应变关系和强度特性,分解出聚丙烯纤维对砂土的内在约束应力。将外力克服剪胀阻力需要做的额外功分解为由土颗粒运动和纤维变形两部分所消耗的能量,利用纤维对土的内在约束应力表示与加筋纤维有关的耗散能,基于最小比能原理建立了聚丙烯纤维加筋砂土的剪胀方程,揭示了聚丙烯纤维加筋砂土的特殊剪胀特性。经过对比发现常规三轴压缩试验结果与模型结果具有良好的一致性。     

加筋砂土挡墙筋材层数影响的有限元分析

利用非线性弹塑性有限元对具有不同筋材层数砂土挡墙的模型试验结果进行了系列性的模拟与分析。有限元解析采用了基于修正塑性功砂土的硬软化弹塑性本构模型,它可以同时考虑砂土强度的各向异性、应力水平相关性、剪切应变局部化特性以及应力路径效应等。研究结果表明,利用这种较高精度的有限元解析方法对加筋砂土挡墙的变形破坏进行分析,不仅能较好地模拟加筋砂土挡墙基础底面的平均压力与沉降之间的关系,同时也能较好地再现筋材层数变化对加筋砂土挡墙承载力与变形的加筋加固影响。虽然本文所分析的各种工况中加筋材的抗拉总刚度 ( 或总重量 ) 不变,但随着所划分筋材层数的增多,加筋砂土挡墙的承载力明显增大。另外,利用以上建议的有限元方法也能合理地模拟不同层数加筋砂土挡墙的剪切带发生发展状况、加筋材的拉力、面板的水平土压力分布、以及加筋砂土挡墙的渐进性变形破坏特性,从而为定量化地把握和理解加筋砂土挡墙中筋材层数的变化影响和加固效果提供了一个有效的途径。     

扩展基础加筋风积砂地基室内模型试验研究

对扩展基础加筋风积砂地基进行室内模型试验研究,分析了不同布筋方式下加筋风积砂土体在下压荷载作用下的应力场、变形、破坏模式及承载力变化规律,提出加筋风积砂土体在下压荷载作用下的强度机理,并比较各种布筋方式的适用性。     

微生物固化纤维加筋砂土抗剪强度试验研究

微生物固化(MICP)技术能显著提高土体的抗剪强度,但微生物固化土体也存在脆性破坏特征显著的缺陷。向待固化砂土中掺入一定量的纤维,以改善微生物固化砂土的脆性破坏特性,并基于固结排水三轴试验研究了微生物固化纤维加筋砂土的抗剪强度特性,在此基础上探讨胶结次数、纤维含量、纤维长度以及试样初始相对密实度等参数对微生物固化纤维加筋砂土剪切特性的影响。最后,结合电镜扫描测试探究纤维加筋对微生物固化砂土剪切特性影响的内在机理。结果表明:MICP过程中,碳酸钙晶体能有效沉积在纤维表面,提高其表面粗糙度,且碳酸钙与砂的混合体能对纤维提供锚固作用,从而在一定程度上提高微生物固化砂土抗剪强度,并改善其应变软化特性,纤维具备改善微生物固化土体脆性破坏特征的潜力。     

加筋风砂土抗拔试验研究（Ⅰ）——基本性质和扩展基础抗拔模型试验

在典型沙漠地区进行了调研和现场采取土样，对风砂土样的基本性质进行了试验研究，研究了土工格栅与风砂土的摩擦特性，提出了土工格栅改良加固沙漠地区风砂土力学性能的方法。通过室内模型试验，研究了在上拔荷载作用下加筋风砂土地基扩展基础的力学性能，包括应力、位移、变形、破坏机理和承载能力的研究。     

上拔与水平力组合作用下加筋风积沙斜柱扩展基础试验

在土工格栅加筋风积沙、土工网垫加筋风积沙以及未加筋风积沙地基条件下,开展了3个不同尺寸斜柱扩展基础上拔水平力组合荷载作用下9个工况的现场试验。根据基础的顶部荷载与位移、基底土压力变化以及地表裂缝分布情况,分析了基础尺寸、加筋材料及其铺设方式对风积沙斜柱扩展基础承载性能的影响规律,研究了加筋风积沙地基的破坏机理。结果表明：加筋风积沙斜柱扩展基础上拔水平力组合荷载作用下①其承载机理是基础底板上方地基压缩挤密-塑性区出现并进一步发展-局部剪切破坏的渐进破坏过程,且地基破裂面具有不对称性;②土工格栅提高了风积沙地基的抗拔和抗倾覆的承载能力和抗变形能力,且铺设层间距越小,改善效果越好;土工网垫由于其易变形特点,不能提高甚至降低了风积沙地基承载能力;③降低基础露头高度、增加基础埋深、扩大基础底板尺寸均可有效提高基础上拔和水平承载力。     

土工格栅层式加筋风积砂的本构模型研究

以广泛分布于内蒙古沙漠地区的风积砂为研究对象,对不加筋风积砂和不同层数的加筋风积砂做了一系列的固结排水常规三轴试验,探讨其强度变化规律和体积变化规律,并分析加筋机理,得到加筋风积砂的本构模型,并验证了本构模型的精确性。     

加筋风砂土抗拔试验研究(II)——抗拔载荷能力计算分析

通过对典型沙地土样的分析试验和室内模型试验,对未加筋风砂土和土工格栅的15种不同加筋条件下风砂土地基扩展基础的上拔承载性能进行了试验研究.根据试验结果,确定了加筋风砂土地基扩展基础承受上拔荷载的计算模式和理论计算公式.研究了分别由风砂土和土工格栅引起的上拔承载能力,按计算值和实测值分项进行了对比分析,提出了有效的土工格栅加筋形式,即平铺一层和二层土工格栅.提出了进一步需要研究的"锚固长度"问题.     

水泥固化滨海风积砂力学特性试验及细观数值仿真

滨海风积砂因结构松散、自稳能力差、级配不良不易压实,被视为一种特殊土。水泥固化是常用的加固手段,而水泥剂量对风积砂力学性能的影响规律及细观作用机制目前尚不清楚。利用GDS土工三轴试验仪,对不同水泥剂量(0%,4%,6%)的水泥固化滨海风积砂进行不同有效围压(50,100,150 k Pa)下的CD试验。结合室内试验数据和水泥砂样显微照片,建立水泥固化滨海风积砂细观结构的颗粒流PFC2D模型,进行三轴试验的细观数值仿真分析。研究结果表明,水泥固化滨海风积砂应力–应变关系呈应变软化型,水泥剂量对滨海风积砂强度贡献明显,对体变影响相对较小。采用颗粒平行黏结方式的颗粒流数值仿真能有效反映水泥固化滨海风积砂的细观力学特性,水泥剂量对水泥固化滨海风积砂的黏结破坏数、配位数、位移场均有显著影响。     

气泡混合风积沙土配合比试验研究

风积沙在新疆广泛分布,掺加风积沙的气泡混合土是解决道路软基病害的有效手段。本文以水泥、自制固化剂X3、XG1、南疆当地两种风积沙为材料,通过配合比试验,研究气泡混合风积沙土可能的强度规律。结果表明:风积沙1粒径较小,掺入气泡混合土后其强度优于风积沙2;气泡混合风积沙土容重越大,其抗压强度也越大;以自制固化剂X3、XG1为胶凝材的气泡混合风积沙土28d强度均高于水泥为胶凝材的气泡混合风积沙土,容重1000kg/m3的X3、XG1气泡混合风积沙土强度分别为为2.48MPa和2.69MPa,分别为水泥气泡混合风积沙土的1.6倍和1.72倍,固化效果良好;通过扫描电镜微观结构分析可知,XG1固化的微观形貌优于水泥固化的微观形貌是前者强度优于后者的主要原因。     

加筋风积沙地基直柱扩展基础抗拔试验

通过3个直柱扩展基础在风积沙和加筋风积沙两种地基条件下的上拔荷载、上拔和水平力组合荷载6个工况的现场试验,研究风积沙、加筋风积沙地基直柱扩展基础抗拔承载性能和机理。试验结果表明:①上拔荷载下,风积沙和加筋风积沙地基均呈整体突变性破坏;②上拔和水平力组合工况下,风积沙、加筋风积沙地基直柱扩展基础的水平荷载主要由基础自重承担,水平位移决定了基础抗拔极限承载性能;③土工格栅可提高风积沙地基抗拔和抗水平力承载性能,上拔、上拔和水平力组合工况下基础的上拔极限承载力较风积沙地基分别提高了21.7%和32.8%。     

风积砂混凝土基本力学性能及影响机理

以不同质量分数风积砂代替河砂配制风积砂混凝土,研究其基本力学性能和影响机理.用核磁共振（NMR）技术、CT切片法和扫描电子显微镜（SEM）分析混凝土内部孔隙演变特征、受荷面的初始损伤、界面过度区（ITZ）结构形态及水化产物微观形貌.基于美国ACI经验模型,构建了考虑砂子细度模数或者比表面积变化的抗压强度预测模型.结果表明：当风积砂掺量为20%时,混凝土力学性能最优;适量风积砂改善混凝土抗压强度的机理在于其优化了颗粒级配,改善了混凝土内部孔径分布范围及ITZ结构,减小了受荷面的初始损伤;建立的抗压强度预测模型与试验结果吻合度较高.     

压实风积沙土层盐分迁移规律研究

针对沙漠地区风积沙路基发生盐渍化病害现象,探究压实风积沙土层水、热、盐变化规律。自制下垫面为硫酸钠盐渍土地基的风积沙土柱试验设备,以自然环境条件下6个月(6月—12月)的实时监测数据为基础,分析压实风积沙土层内水、热、盐的时空分布规律与迁移特征。研究结果表明:受外界环境温度影响,压实风积沙土层分影响剧烈区(0～50cm)与薄弱区(50～120cm),随着埋深增加,土柱内部温度变化幅度趋于平缓,各层温度到达峰值具有滞后效应;受含盐下垫面与压实素土风积沙含盐量的浓度梯度作用,压实风积沙土层深部区域被盐分迁入,由无到有。风积沙土层内盐分的存在,为盐分的进一步迁移奠定了物源基础。由外界温度影响,土层浅部受水分赋存形态的变化与蒸发牵引作用,促使水分携带盐分在压实风积沙土层内部逐渐向上发生迁移;盐分在土层整个埋深断面上呈现"高—低—高"的分布特征。受外界环境荷载周而复始作用,压实风积沙土层浅部盐分将渐渐积聚,由少到多,随着时间推移将形成盐渍化病害。