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土工格栅蠕变特性及其加筋结构长期工作性能分析

汪承志  
【摘要】:本文分别以土工格栅和格栅加筋挡土墙为研究对象,通过格栅蠕变试验探讨土工格栅的蠕变特性及其非线性粘弹性本构模型;通过原型观测和室内小尺度模型试验详细探讨加筋墙长期工作的力学特性,并对高大加筋土挡墙墙面变形过大这一典型病害进行现场观测分析;随后利用考虑土体粘弹塑性流变和格栅粘弹性蠕变的格栅加筋土挡墙粘弹塑性有限元数值分析模型,探讨土工格栅加筋挡土墙的长期工作性能;进而针对目前高大加筋土挡墙墙面变形过大这一典型病害,展开基于粘弹塑性有限元法和复变量求导反演法的加筋体力学参数反演分析,探讨格栅加筋墙典型病害发生的原因和预防方法,为加筋挡土墙长期工作性能评价与工程设计提供重要参考。 具体地,本文主要研究内容及所取得的研究成果包括下列方面: 1.通过对国内外部分加筋挡墙的现场调查分析,总结了加筋墙设计、施工和使用中存在的问题,特别是加筋墙长期工作的一些病害和力学规律,得到了加筋墙长期工作状况下破坏的方式和位置;分析了墙面变形与加筋墙整体安全性的关系;进而提出格栅的蠕变特性和土的流变性是加筋结构长期特性的重要影响因素。 2.针对目前工程中使用较多的CAT钢塑复合格栅和高密度聚乙烯(HDPE)两种格栅进行室内蠕变试验研究,并对试验结果进行了比较系统的对比分析,在此基础上,通过对比分析综合考察了土工格栅载荷—应变等时曲线及蠕变曲线的变化特征及其对于荷载的变化规律,通过时间转换因子将不同温度下的蠕变试验结果换算为某一特定温度下的蠕变特性,进而通过曲线拟合确定了50年使用期限时,2种格栅蠕变强度的建议折减系。同时基于土工格栅蠕变试验结果及不同条件下土工格栅蠕变特性的对比分析,采用粘弹性理论建立了能够反映土工格栅蠕变特性基本特征的指数型模式和双曲线模式等2种经验型非线性粘弹性本构模型,分别给出了有关本构参数的合理确定方法。此外,通过模型预测与试验结果对比,论证了所建议的两种粘弹性本构模型的可靠性。 3.为探讨加筋挡墙长期工作特性,对广东省梅河高速公路雷打石段3级台阶总高12m的格栅加筋土挡墙进行长2年的现场试验研究;同时在模型槽内对3台阶总高4.5m的加筋挡墙进行室内小尺度试验研究。通过现场原型和内小尺度试验测试分析,得到了加筋体内土压力随填高不是线性变化,而筋带拉力随填高过程基本无变化这一规律;同时分析了地基应力呈非线性分布方式及其影响因素,加筋体土压力沿墙高变化规律及其与基础支撑条件的关系;随后针对加筋体潜在破裂面展开了详细地分析。 对于高大加筋土挡墙墙面变形过大这一典型病害,进行了现场观测分析和筋带剩余强度研究,通过比较系统的对比分析,得到了高大加筋墙五种典型的墙面变形曲线,分析了其产生的原因及墙面变形与加筋墙力学特性的关系,进而再此基础上分析了加筋墙稳定性与墙面变形的相关性。 4.针对土工格栅加筋挡土墙,分别采用粘弹塑性流变模型和粘弹性蠕变模型考虑填土的非线性流变性与土工合成材料的非线性蠕变性。通过对大型通用有限元软件ABAQUS的二次开发来实现有限元迭代过程,利用用户材料子程序Umat来实现格栅的粘弹性和土体的粘弹塑性流变。针对二维平面应变问题发展了格栅加筋挡土墙粘弹塑性有限元数值分析方法与计算程序系统。随后将数值计算结果和模型测试结果进行对比,验证了数学模型的可靠性,并对加筋墙的长期工作特性进行详细地探讨。通过分析得到了加筋墙墙体稳定与土压力的关系;筋带拉力和土压力分布规律;地基应力变化曲线及其影响因素。分析的得到了加筋墙潜在破裂面的分布规律,发现其在一定时期后会“消失”,进而得到了加筋墙长期工作的破坏模式。 5.以现场观测的加筋墙墙面变形数据为依据,采用复变量求导的分析方法,利用建立的加筋墙粘弹塑性有限元分析程序,反演每次分层填筑时加筋体的力学参数(黏聚力c和摩擦角φ)。通过分析得到的加筋墙墙面变形与加筋体力学参数的关系,分析加筋墙正常工作状况下的墙面变形模式和其它墙面变形产生的原因;提出各种墙面变形与加筋墙整体稳定性的关系,据此探讨高大加筋墙健康诊断时合理的检测部位与加筋墙墙面变形控制措施。


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