条形荷载下 H-V加筋砂土地基模型试验研究

提出了一种新的H-V立体加筋(horizontal-vertical)模式,这是一种在传统水平条带式筋条上布置竖向或空间筋材形成的组合立体形式,其显著特点是所加竖向筋材能有效地限制筋材间土体的侧向位移,在竖筋侧面产生侧阻力,而且在竖筋间将形成"土体加强区",从而有效改变加筋土的受力状况,提高土体的强度和稳定性.本文分别对水平加筋和H-V加筋两种加筋方式进行了多组的加筋地基模型试验,并将这两种加筋方式对承载力和沉降的影响进行了对比分析.试验结果表明,H-V加筋方式能明显提高地基承载力和减小地基沉降,而且其加筋效果随着竖筋高度和水平方向筋材长度的增加不断提高.在模型试验的基础上,初步分析了H-V加筋方式的作用机理.     

轴对称条件下水平-竖向加筋黏性土的强度分析

水平-竖向(H-V)加筋是在传统水平加筋基础上布置不同形状的竖筋所形成的空间加筋体系之一。针对包含(非满布)环状竖筋的典型H-V加筋方式,结合已进行的H-V加筋黏性土三轴试验,分析H-V加筋黏性土的工作机理,即H-V加筋的作用不仅体现在水平加筋的摩擦效应,而且还表现在竖向加筋的侧向约束作用,在H-V加筋中被竖筋包围的土体会形成挤密区,当荷载达到极限值时,竖筋将发生倾覆。分析中将竖筋的侧阻作用简化为侧向土压力,按极限平衡状态计算竖筋两侧的主动土压力与被动土压力,并将其转换为筋条上的水平径向拉力。在水平加筋强度理论基础上,推导H-V加筋黏性土摩擦型破坏条件下的强度公式,并与试验值进行对比验证,结果表明二者较为接近。     

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。     

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。     

刚性条带式带齿加筋土的极限拉拔力模型

"立体加筋"体系的核心就是在传统水平筋条的基础上布置不同形状的竖向筋条或三维形式的空间加筋。作为一种典型的立体加筋方式,刚性筋材的条带式带齿加筋土经三轴压缩试验、拉拔试验以及挡墙和地基模型试验证明,可以显著地提高加筋土体的强度和地基极限承载力,增强土筋的综合摩擦特性,限制土体变形。采用染色砂法,对带齿筋材的平面应变拉拔试验过程进行了观察。通过分析齿筋前方染色砂土标记线的运动情况和水平标记线的变化情况,发现在拉拔过程中,齿筋前方土体会首先被挤密加强,成一个刚性的楔体,然后周围其他土体会产生绕刚性楔体与齿筋的流动。根据齿筋的宽高比,假定了刚性楔体的形状,从而确定了绕流阻力的分布情况。借鉴沈珠江院士对于抗滑桩阻力的分析方法,推导了刚性条带式带齿加筋土的拉拔阻力模型。在应变控制式拉拔试验机上,进行了法向应力分别为25,50和75kPa的条带式带齿加筋土的拉拔试验,将试验结果与模型计算值进行比较,二者比较接近。     

经编和玻纤格栅加筋粘性土的三轴试验研究

对经编格栅和玻纤格栅加筋粘性土进行不固结不排水的三轴压缩试验。试验结果表明,在粘性土体上布置格栅筋材,都能提高土体强度,但不同的筋材,其加筋效果是不一样的,经编格栅加筋土的加筋效果要优于玻纤格栅加筋土。加筋层数越多,加筋效果越好;随着加筋土应力增加,加筋土抵抗变形的作用才能得到更充分发挥,土体加筋效果更明显。不同筋材的加筋土,其粘聚力与内摩擦角的变化规律不一致;玻纤格栅和经编格栅加筋粘性土的加筋效果与砂土不同,不仅表现在粘聚力的增加上,还表现在内摩擦角的增加上。加强筋条结点连接的牢固性,能够提高加筋效果。     

不同土工合成材料下新型加筋土界面特性

土工合成材料对加筋土结构的界面直剪特性具有重要的影响。通过一系列大型直剪试验对不同筋材下的Sandwich型加筋土筋土界面的直剪特性进行研究,研究不同竖向应力下不同种类加筋材料对Sandwich型加筋土界面直剪特性的影响。试验结果表明:土工格栅的加筋效果最佳,两种格栅的加筋界面抗剪强度明显高于土工织物;随着竖向应力的增加,筋土界面抗剪强度提高。结合理论分析,对不同的土工格栅进行直剪试验,得出土工格栅横、纵肋对界面剪切强度的提高值分别为15.3%和4.1%。     

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。     

基于改进最小势能法的水平–竖向立体筋边坡稳定性分析研究

基于改进的最小势能算法提出了一种应用于水平–竖向(horizontal-vertical,简称H-V)立体筋边坡稳定性分析的新方法。在建立边坡支护系统的势能函数时考虑水平筋的摩擦势能、线弹性应变能以及竖筋变形势能的影响。通过单元体虚位移方向的静力平衡方程分析加筋边坡剪切势能,构建了适用于施加水平筋和H-V立体筋边坡的势能计算模型。通过计算系统势能最小时的虚位移进而求解边坡安全系数,简化了加筋边坡的分析过程,提高了计算效率,经与已有文献计算结果进行对比分析,证明计算方法的可行性。分析了不同土体强度参数黏聚力和内摩擦角对加筋边坡稳定性的影响,为立体加筋技术在工程中应用和推广提供参考。     

三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质

基于三维离散单元颗粒流理论,引入了在极限剪力状态下颗粒间可以发生滑动的接触本构模型,建立颗粒体试样,并赋予颗粒相应的细观结构参数进行无黏结摩擦材料的三维应力应变数值模拟。通过大量的颗粒流数值试验,从细观力学角度对砂土的工程力学特性进行了初步的模拟研究。对砂土的室内常规三轴试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下三维颗粒体试样与室内三轴的应力应变关系曲线,基本再现了试样的加载曲线。通过进一步分析颗粒细观结构参数变化对组成材料的宏观力学的影响及其剪切位移场的形成和发展规律,结果表明颗粒介质之间的摩擦系数、颗粒组成材料的孔隙率对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。研究的意义在于理想的颗粒流数值模拟试验能够突破常规的室内土工试验能力及其局限性,对于砂土的细观结构的影响研究成为可能,并且揭示了微观的一些规律,对今后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考。     

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。     

单向网格状带齿加筋砂垫层加固道路软基的变形特性研究

基于立体加筋(Horizontal-Vertical,简称H-V)概念,设计单向网格状带齿加筋,即由平面上的网格状加筋和竖向齿筋组成的三维立体加筋形式。针对这种新型加筋形式,进行四组单向网格状带齿加筋砂垫层加固道路软基的室内模型试验,主要研究软土地基的承载力、沉降及路堤边坡的侧向位移等情况,并在模型试验的基础上,初步分析单向网格状带齿加筋砂垫层的作用机理。试验结果表明:较水平加筋方式,单向网格状带齿加筋砂垫层能显著提高软基承载力、减少软基沉降及不均匀沉降,并能减少路堤的侧向位移。     

主动侧向受荷桩模型试验与颗粒流数值模拟研究

分别采用室内模型试验与颗粒流数值模拟的方法,对砂土中受水平荷载的桩顶自由短桩桩周土体在加载过程中的应力和位移的发展变化规律以及桩土相互作用性状进行了较系统和深入的研究。在室内模型试验中,研究了短桩在松砂、中密砂、密砂中的位移荷载规律,桩前、桩后土压力的分布和发展规律;并重点通过数字图像无标点量测技术密切关注桩周土体的位移产生和发展变化过程。通过开发颗粒流程序模拟室内模型试验在加载过程中的桩土相互作用过程中应力和位移的发展变化规律,与模型试验的结果进行了对比。给出了砂土中受水平荷载的桩顶自由短桩较完整的变形和破坏模式及极限土压力分布形式。     

Strength enhancement of geotextile-reinforced carbonate sand

The mechanical behavior of carbonate sand reinforced with horizontal layers of geotextile is invetigated using a series of drained compression triaxial tests on unreinforced and reinforced samples. The main factors affecting the mechanical behavior such as the number of geotextile layers, their arrangement in specimens, confining pressure, particle size distribution, geotextile type and relative density of samples were examined and discussed in this research. To make a precise comparison between the behavior of reinforced siliceous and carbonate sand, triaxial tests were performed on both types of sands. Results indicate that geotextile inclusion increases the peak strength and strain at failure, and significantly reduces the post-peak strength loss of carbonate specimens. The amount of strength enhancement rises as the number of geotextile layers increases while two other parameters including confining pressure and particle size affect adversely. The strength enhancement of reinforced carbonate sand is greater than the corresponding siliceous sample at high axial strains. Reinforced and unreinforced carbonate specimens exhibit more contractive behavior than their corresponding siliceous samples and tend to dilate at higher axial strains. By increasing the relative density of the samples, the peak strength of reinforced specimens rises due to enhanced interlocking between geotextile layers and sand particles. This process continues as long as the geotextile is not ruptured. The utilization of geotextiles with high mass per unit areas was found to be uneconomical due to slight differences between the strength augmentation of geotextiles with high and low mass per unit areas. It should be noted that geotextile layers limit the lateral expansion of specimens which leads to changing the failure pattern from a shear plane to bulging between the adjacent layers of geotextile.     

基于数字图像测量技术的加筋土三轴试验研究

通过加筋土固结排水三轴试验,结合三轴试验土样变形数字图像测量系统,研究加筋中砂试样在三轴试验条件下的变形场。加筋材料采用玻璃纤维土工格栅,分别在4种不同布筋位置、3种不同围压下共进行45组试验。试验结果表明:在应变达到一定程度的情况下,土工格栅对中砂的强度和抵抗变形的能力的增强效果随布筋层数的增加而增大,单独布一层筋的加筋土的三轴试验中,围压越大加筋效果越明显,三层加筋的加筋土三轴试验中情况则相反;土工格栅对中砂的横向变形有很大的约束作用,这一约束作用随着围压的增大而增大,且随着围压从100kPa增大到300kPa的过程中水平约束作用增加28%～50%。     

A Laboratory Investigation on the Behaviour of Reinforced Sand Samples Under Plane Strain and Triaxial Conditions

An experimental study on the behaviour of reconstituted samples of sand reinforced with geotextile layers is presented using standard triaxial and plane strain tests. After describing the main features of the plane strain device and of the data acquisition system, details are provided on the procedure developed for preparing plane strain samples containing inclined reinforcements with respect to the principal stress directions. Comments are also made on the influence of the preparation procedure on the overall behaviour observed during loading. Finally, the results of the experimental investigation are described with reference to standard triaxial tests with horizontal reinforcements, and to plane strain tests with horizontal and inclined reinforcements. The study complements data already available in the literature, for the development of constitutive laws applicable to the numerical analysis of reinforced earth structures.