土工合成材料加筋边坡宏细观机理模型试验研究

通过包裹式加筋边坡模型试验对加筋边坡宏观变形模式、宏观力学性状、筋土界面细观作用和剪切破坏带处土颗粒运动进行研究,分析土工合成材料加筋边坡宏细观机理。砂土加筋边坡由于加筋体的存在,宏观变形上呈现为类似黏性土边坡的整体滑移破坏模式,出现圆弧状剪切破坏带;坡顶上部基础 p – s 曲线类似基础整体剪切破坏弹性、弹塑性和塑性破坏三阶段,曲线各阶段变化与主剪切破坏带整体发展有密切关系;细观上筋土界面处筋材与土颗粒摩擦和咬合作用提供“似黏聚力”;“主剪切破坏带”内颗粒的滚动摩擦、“过渡区”内颗粒的滚动摩擦和滑动摩擦和“稳定区”内颗粒的咬合作用构成整个剪切破坏带抗滑阻力。筋土界面处筋材与土颗粒相互作用所提供的“似黏聚力”和主剪切破坏带的发展和贯通所提供的滚动摩擦和滑动摩擦是形成加筋砂土边坡整体滑移、改变整个边坡破坏模式的内在原因。     

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。     

有地下结构的饱和砂土液化宏细观离心机试验

利用自行设计的离心机细观图像观测系统,在离心机上对有地下结构的饱和砂土层进行了地震液化宏细观模型试验。离心机细观图像观测系统主要由高速摄像机、地铁车站模型和工控机组成。摄像机安装在地铁车站模型内部,通过深埋和浅埋车站模型可以实时动态记录地震发生过程中砂土地基不同深度砂颗粒运动细观图像,同时测量了加速度和超孔隙水压力等宏观地震响应特性。利用图像处理技术对拍摄的细观照片进行分析,从颗粒运动特性、颗粒长轴定向、接触法向、接触数和孔隙率等细观组构参量的动态变化揭示不同深度的饱和砂土地基液化的细观机制。试验表明：深层砂土在地震作用下的运动表现为类似管涌特征,颗粒长轴经过地震后偏向竖直方向,而浅层砂土的运动表现为砂沸,颗粒长轴排列地震后较均匀。饱和砂土地震响应宏观特征与细观组构变化具有良好的一致性。试验结果有助于从细观层面揭示砂土液化的机理。     

加筋砂土挡墙承载力及渐进性变形破坏的有限元分析方法

 为开发一种可以合理模拟加筋砂土挡墙承载力及渐进性变性破坏特征的数值分析方法,利用可考虑应变局部化的非线性弹塑性有限元法对一系列的加筋砂土挡墙模型试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值分析。有限元分析中,砂土的本构关系采用基于修正塑性功的硬化–软化弹塑性模型,该模型引入应变局部化参数S用以描述砂土单元峰值以后的局部剪切破坏效果。模型试验结果与有限元计算结果比较表明：建议的非线性弹塑性有限元分析不仅可以较好地模拟分析加筋砂土挡墙基础底面的平均压力与沉降之间的关系,而且也能合理地模拟加筋砂土挡墙基础的剪切破坏的发生与发展状况、筋材的拉力以及挡墙面板的水平土压力分布等,它可以定量化地分析加筋砂土挡墙的渐进性变形破坏特征以及条带加筋材料的加固机制。     

基于离心模型试验和断裂理论的加筋边坡合理布筋方式研究

利用离心模型试验研究了下部加密、中间加密 ,全断面均匀加密三种布筋方式的加筋边坡的坡面侧向位移及位移场等变形性态。结果表明 ,中间加密布筋是加筋边坡经济合理的布筋方式。结合离心模型的试验成果 ,用断裂理论分析和解释了加筋在边坡土体剪切破坏过程中的阻裂机理 ,素土边坡和不同布筋方式加筋边坡的变形破坏机理 ,加筋边坡与素土边坡滑动面形状不同的机理 ,以及中间加密布筋是加筋边坡合理布筋方式的机理 ,得出了边坡中下部H/ 3 H/ 2范围内加密布筋是加筋边坡最经济合理的布筋方案的结论     

界面特性及填料粒径影响格栅加筋性能的离散元研究

为研究筋土界面细观结构演化及填料粒径对加筋效果的影响,采用“clump”方法开发了可模拟砂土性状的椭球形颗粒,建立三维离散元模型并结合室内试验结果验证了模型的正确性,系统分析了拉拔阻力、格栅应变、局部孔隙率等力学响应并揭示了其发展规律。拉拔试验结果显示大粒径填料置换后表观黏聚力提高显著而摩擦角变化不大,进行宏细观分析后发现,置换体系颗粒发生了更大程度的位置重排,拉拔力增量主要来源于摩擦阻力。研究成果可为从细观角度探究筋土界面机理提供新的认识。     

土工合成材料大型直剪界面作用宏细观研究

利用大型直剪模型试验设备，在不同竖向压力下进行一系列的土工合成材料直剪试验，应用数码可视化跟踪技术，结合土体变形无标点量测技术来研究双向土工格栅与砂土直剪界面作用的宏细观特性，同时分析界面附近土压力分布规律，并研究界面颗粒运动变化规律和细观组构演化特征与宏观特性的关联。分析结果表明，直剪筋土界面附近竖向压力分布从前端依次向后端减少；直剪界面位移达25 mm时，形成了稳定的剪应变集中带；在筋土界面（6～8）D₅₀粒径厚度范围内，界面颗粒以旋转和平动方式同时位移，该范围外颗粒以平动方式沿剪切方向位移，且位移较小；在剪切过程中，界面颗粒发生旋转，土体发生剪胀，孔隙率增大，平均接触数减小，颗粒重新被压密，孔隙率减小，平均接触数增多，颗粒长轴排列趋于水平方向，各细观组构处于相对稳定状态。     

不同加筋方式下碎石桩复合地基承载性能试验研究

制作一套碎石桩复合地基室内模型试验装置,开展11组加筋碎石桩复合地基室内模型试验和2组未加筋对比试验,以研究不同包裹长度、加筋间距及加筋组合方式下复合地基承载能力、桩土应力比、承载能力改善率和桩体鼓胀变形情况。试验结果表明：相比较传统碎石桩,筋材的加入对复合地基承载力有明显提升,全长包裹的垂直加筋提升效果最为显著;复合地基承载力提升较大的加筋方式对应的承载能力改善率和桩土应力比值较大,承载能力改善率随加筋长度和加筋间距的增加而增大;复合地基的桩土应力比值随沉降增加呈现出一定幅度的波动,并随加筋间距缩小和加筋长度增加而增大;不同加筋方式下桩身变形规律存在一定差异,采用全长包裹的垂直加筋方式下,桩体鼓胀变形较为均匀且变形量小,对复合地基承载能力的提升以及桩体鼓胀变形的抑制效果更佳。     

砂土颗粒级配对筋土界面抗剪特性的影响

为了研究砂土与土工合成材料相互作用时筋土界面的抗剪强度以及剪胀特性,采用3种不同级配的砂土分别与土工格栅和土工织物进行室内大型直剪试验,研究不同颗粒级配、密实度、筋材种类以及竖向应力对界面剪切特性的影响,并对界面剪胀系数进行分析。试验结果表明：粗砂和细砂与筋材的界面剪切强度要明显大于粗细混合砂;松砂剪切过程中只有剪缩效应的存在,但密实砂土呈现出明显的剪胀过程;当竖向应力较大时,筋土界面达到峰值剪切强度所需的剪切位移比低应力时大;粗砂与土工格栅作用时达到峰值剪切强度所需的剪切位移比与土工织物作用时大,而细砂则相反。     

低超载下条带式带齿加筋界面特性

在提出立体加筋的基础上,对条带式带齿加筋砂土进行了低超载下大量的拉拔试验来研究筋土的界面特性,分析了带齿筋的条带式加筋对拉拔性能的影响,探讨了不同上层覆压下筋条的拉拔力与水平位移的关系以及似摩擦系数f*的变化规律。在试验成果分析的基础上,分析了条带式带齿加筋与砂土的相互作用机理,建立了条带式带齿加筋砂土的拉拔力模型。并将试验结果与理论值比较,二者基本吻合。     

土工膜/土工织物界面大型斜坡模型试验研究

复合衬垫系统广泛应用于垃圾卫生填埋场,是防止渗沥液污染物渗漏扩散的重要屏障。在垃圾重力及沉降作用下易造成斜坡上复合衬垫系统拉伸破坏或沿其界面产生滑移而失稳。目前,由于缺乏对复合衬垫系统内部剪力传递机理的认识,仍难完全解决以上两大岩土工程问题。因此,设计并采用复合衬垫系统大型斜坡模型试验装置开展了其内部剪力传递机理的研究。该装置通过砂袋加载模拟填埋过程,采用手拉葫芦为核心的滑移控制系统再现了土工膜/土工织物界面的渐进累积破坏过程。试验结果表明：当外部剪力小于峰值强度时,界面不会进入残余状态,上覆的土工合成材料锚固端的拉力也非常小;但当外部剪力超过界面峰值强度时,界面就会逐渐进入残余状态,并最终达到残余强度。同时,薄弱界面上覆的土工合成材料锚固端的拉力也显著增加,严重时甚至被完全拉断。     

Shear strength of landfill liner interface in the case of varying normal stress

Landfills are sequentially filled by solid waste lifts, thus normal stress on the liner interface changes in different shear stages, which may affect selection of interface strength in landfill slope stability analysis. Shear tests were conducted at the liner interfaces of geomembrane/geotextile (GM/GT) and geomembrane/geocomposite/sand (GM/GC/Sand), and the normal stress changed in different shear stages. Values of friction angles on both the GM/GT and GM/GC/Sand interfaces obtained by direct and simple shear tests under increasing normal stress in the hardening, softening, and large-displacement stages were lower than those obtained by the traditional direct shear test. The reduction was greater for peak friction angles. Since the peak liner interface strength obtained by staged loading is lower than the peak interface strength by using the traditional shear test method, using the peak shear strength obtained from the traditional direct shear test for the base floor liner to conduct slope stability analysis may cause an un-conservative result. It is necessary to consider the effects of normal stress changes on the liner interface strength in landfill slope stability analysis.     

非柔性加筋材料加筋土的强度特性分析

通常的加筋土所用的筋材一般为柔性材料 ,仅考虑筋的抗拉强度 ,加筋后土体强度的提高表现为粘聚力有很大的提高 ,而内摩擦角几乎不变 ;而特殊的一些加筋工程 ,所用的筋为非柔性材料 ,其特点是具有抗拉、抗剪和抗弯强度 ,根据非柔性材料的以上特点 ,通过建立复合体单元受力破坏模式 ,将加筋土体的破坏分为摩擦型破坏和拉断型破坏 ,分析了轴对称三轴试验条件下非柔性加筋材料加筋土的强度特性 ,通过静力平衡条件 ,得出大小主应力之间关系 ,该式表明 ,非柔性材料加筋后土体的粘聚力和内摩擦角均增大许多 .结果对有关加筋土工程的合理设计计算有参考价值     

岩石结构面峰值摩擦角应力效应试验研究

 工程上常采用不随应力变化的岩石结构面抗剪强度参数,不能反映结构面摩擦角应力效应的变化规律。为研究结构面摩擦角与法向应力的相关度,首先对中砂、水泥、硅粉、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行研究,获得与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作10组具有不同表面起伏度和粗糙度的结构面,并利用自制的高精度岩石结构面直剪仪对系列法向应力下的结构面摩擦角进行直剪试验研究和数据统计分析,结果表明：结构面峰值摩擦角及其变化率均随法向应力的增加而降低,而不是通常认为的峰值摩擦角为定值;结构面残余摩擦角随法向应力的变化并不是很明显;具有不同起伏程度和粗糙度系数的模型结构面在相同法向应力下的峰值摩擦角也有差异;结构面峰值摩擦角应力效应和JRC-JCS (JRC为粗糙度系数,JCS为壁岩强度)准则中所确定的峰值摩擦角变化规律相一致,而且粗糙度系数越大结构面峰值摩擦角的应力效应越明显。     

强震诱发单一弱面斜坡塌滑有限元模拟

 基于汶川大地震形成的崩塌滑坡数量多、分布密度大、影响面积大等特点,分析复杂结构斜坡地震力作用下的破坏机制,给出斜坡中某点在微震和强震作用下的应力–应变曲线。指出在地震力作用下斜坡会产生附加应力,其与原始应力叠加形成总应力,当总应力超过岩体的抗拉强度时发生拉张破裂,并给出拉张破裂的判据。用有限元模拟了单一弱面斜坡强震作用下的拉张破裂过程。结果表明：当第一主(拉)应力大于等于岩石的抗拉强度时,岩体发生拉张破裂,不能再承受拉力,但可承受压力;如果总应力状态满足塑性屈服准则,则发生剪切破坏;在地震动力作用过程中,拉张破裂区不断累加,即在松动区的松散程度和松散范围都在增大;在地震动力作用下,含有弱面的斜坡很容易沿弱面发生拉张破裂。     

茂木式真三轴试验机的端部摩擦效应

茂木式真三轴试验中需要在加载装置和试件之间至少设置两对刚性接触的垫块,由于加载过程中端部摩擦限制了试件的自由变形,因而提高了试样的测试强度。为定量评估端部摩擦效应,采用同一批红砂岩试样开展不同端部摩擦因数和中间主应力条件下的双向压缩试验,试验结果表明,不同端部摩擦因数条件下的试件强度测试值存在显著差异,相同中间主应力条件下摩擦因数从0.12提高到0.28时,最大主应力极限值提高5.5%~43%。基于试验数据分析采用不同破坏准则时摩擦效应的合理性,结果表明应变能准则对双向受压工况适用性最好。基于试验数据和应变能准则,建立摩擦效应的定量表达式,绘制考虑摩擦效应的中间主应力效应曲线,分析摩擦效应对1 2?-?曲线形状的影响,分析结果与试验数据吻合良好。通过试验揭示摩擦效应的重要影响,建立定量分析模型,对于评价真三轴试验数据的可靠性具有重要参考意义。     

Effect of soil-reinforcement interaction coefficient on reinforcement tension distribution of reinforced slopes

This paper examines the effect of the mobilized reinforcement tension within reinforced soil slope at a different level of soil-geosynthetic interaction. The mobilized reinforcement tension is assumed, in most design methods for the internal stability of reinforced slopes, to be equal to mobilized soil forces computed using a limit equilibrium method. However, comparison with the reinforcement tension force measured in the field has shown that this approach is conservative. This paper examines the effects of the soil-reinforcement interaction coefficient on the tensile redistribution of geosynthetics. The modified process of Bishop Method of slope stability analysis is used to locate the critical slip surface and to calculate the mobilized reinforcement tensile force. The reinforcement forces obtained from field data and on centrifuge model test results for a reinforced slope problem are used to examine the relationship between mobilized reinforcement tensile force and mobilized soil shear strength.     

中部锁固岩桥三轴加卸荷力学特性及裂纹扩展研究

 锁固型高陡岩质边坡内部岩桥破坏机制复杂,研究边坡中部锁固段的破坏规律及其对边坡整体变形破坏机制具有重要意义。为表征滑坡后缘拉裂缝和前缘蠕滑破坏,在完整岩样端部预制裂纹形成中部岩桥,开展3种不同长度岩桥试样的三轴加载和三轴加卸荷试验,分析2种应力路径下的应力–应变特征、强度特征和裂纹扩展模式,从断裂力学角度揭示了裂纹扩展机制。结果表明：随围压和岩桥长度的增加,试样峰值强度和对应的应变增大,且三轴加卸荷峰值和应变均大于三轴加载;应力–应变曲线呈现出“突发式破坏”和“峰后回升”现象,部分试样还表现出“双峰值”特征;岩桥试样呈现贯通岩桥、贯通试样上端面、向外环向破坏、向内环向破坏及贯通试样下端面等5类裂纹扩展模式;岩桥试样在下部节理尖端应力集中处产生张拉裂纹和剪切裂纹,大部分裂纹起裂角集中在40°～50°范围。中部岩桥三轴加卸载力学试验表明,边坡锁固段并非一次剪断破坏,可能呈现逐次多级破坏模式,本研究获得的岩桥裂纹扩展及破坏机制,可为锁固型岩质边坡开挖卸荷的破坏机制和变形特征提供理论支撑。     

土工模袋砂界面摩擦特性试验研究

土工模袋砂界面特性指标对于各类模袋砂工程的设计至关重要。笔者开展了砂与土工模袋、土工模袋之间界面摩擦特性直剪试验;通过自制试验装置进行了模袋砂间界面摩擦试验,探讨了充填度对模袋砂间界面特性的影响;把试验结果用于典型工程实例变形和稳定性分析,并通过数值计算验证。研究结果表明:模袋与砂界面剪应力-位移关系表现出明显的非线性特征,剪应力峰值及其对应的位移随竖向压力的增大而增大,界面关系服从摩尔-库伦强度理论;砂与模袋间的摩擦角为30.3°,摩擦系数为0.58,黏聚力是3.1 kPa。土工模袋间界面关系也服从摩尔-库伦强度理论,摩擦角为21.3°,摩擦系数是0.39,黏聚力为1.29 kPa。模袋砂之间的摩擦特性指标则因充填度而异,受充填度影响显著,表现为充填度增大,摩擦角变大而粘聚力减小,抗剪强度增大,且竖向压力越大影响越明显。基于试验结果明确了洲头咀沉管隧道模袋砂围堰位移突变的原因及其稳定性,提出了设计控制指标;通过数值计算表明,基于界面摩擦试验结果分析所得结论合理。     

土工格栅纵横肋的筋土承载特性分析

为研究土工格栅纵横肋与砂土的界面受力特性,进行了不同法向压力的格栅拉拔试验,分别设计了横向与纵向剪除横肋的6种拉拔试验工况,研究横肋减少对格栅受力、拉拔阻力峰值和位移及似摩擦系数的影响,并分别对比了整体剪切和刺入剪切破坏模式下的格栅拉拔阻力,揭示格栅筋土界面的相互作用机理。结果表明,随着横肋的减少,格栅拉拔阻力和似摩擦系数不断地变小;横肋沿横向减少的格栅最大拉拔阻力大于横肋沿纵向减少的最大拉拔阻力,完整横肋有助于筋土界面的加筋作用的充分发挥。理论计算格栅界面摩擦力约为18%~19%的试验拉拔阻力,而试验获得的格栅界面摩擦力与试验拉拔阻力的比值为29%~33%,横肋与土体挤压咬合产生的承载力分量占了总拉拔阻力的67%~71%,横肋极大提高了土工格栅的拉拔阻力。