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H-V 加筋路堤动力特性的试验及颗粒流分析

邱成春  
【摘要】:水平—竖向加筋(H-V加筋)是在传统的水平筋材上布置竖向筋材,除了水平筋材与土体之间的摩擦力外,竖向筋材对土体产生一定的侧阻力,竖筋之间的土体会形成加固体,从而提高了土体的强度与稳定性。以往的静力特性研究已证明了H-V加筋在提高土体强度和限制土体变形方面的效果优于传统水平加筋;为了完善H-V加筋土的研究体系,以推动H-V加筋的实际应用,本文首先采用动三轴试验研究H-V加筋土单元体的基本动力特性,并结合颗粒流数值模拟进行细观分析;再通过动载模型试验对循环荷载下H-V加筋路堤的动力响应进行初步研究,并利用颗粒流模拟对试验结果进行验证和分析,论文主要研究工作如下: 通过动三轴试验研究了H-V加筋重塑黏土在均压不固结不排水振动下的动弹性模量和阻尼比特性以及H-V加筋饱和砂在偏压固结不排水振动下动弹性模量和阻尼比的变化规律。试验结果表明:不论是重塑黏土,还是饱和砂,H-V加筋较水平加筋更有效地提高了土体的动弹性模量,且在研究的四种竖筋高度5、10、15、20mm中,随着竖筋高度的增加,提高的幅度也随之增加(竖筋高度为20mm的工况除外)。阻尼比随竖筋高度的变化规律不够显著,但仍可以看出部分H-V加筋土的阻尼比小于水平加筋土。 通过颗粒流PFC~(2D)软件对H-V加筋饱和砂动模量试验进行了数值模拟,采用的Hertz-Mindlin接触模型能够较好地模拟土体的非线性和滞后性。随着动应力幅值的增加,纯砂和加筋砂的孔隙率随之增大,配位数随之减小,体现了土体刚度的软化,强度的减弱;超孔隙水压力的增加宏观表现为有效应力的减少,强度的衰减,且相同动应力幅值下,H-V加筋比水平加筋更好地限制了超孔隙水压力的增长。 通过缩小比例的模型试验研究了循环条形荷载下H-V加筋路堤的累积沉降和侧向变形特性。无筋和加筋路堤的累积沉降随着振次的增加而增加,且动载幅值越大,相同振次的沉降也越大。相同条件下,H-V加筋比水平加筋更有效地限制了路堤的累积沉降和侧向变形。同时,采用连续分级加载振动试验证明了H-V加筋路堤比水平加筋能够承受更大的动载幅值。此外,研究了周期荷载后路堤的静载承载力变化,在周期动载幅值小于无筋路堤所能承受动载临界值的前提下,振动后路堤的静载承载力有了较大的提高,加筋路堤提高的幅度较为显著;且相同振次下,初始施加的动载幅值越大,静载承载力也就越大;相同动载幅值下,静载承载力随着振动次数的增加而增大。 通过PFC~(2D)模型对循环荷载下H-V加筋路堤的动模型试验进行模拟,定性地验证了试验结果,并从颗粒位移场和接触力分布两个细观角度分析了H-V加筋的作用机理,H-V加筋能够增加土体的密实度,均匀传递上部荷载,从而减小了坡顶的沉降和边坡的侧向位移。另外,分析了频率对路堤累积沉降的影响,在研究的四种频率1、2、5、10Hz中,无筋和加筋路堤的累积沉降随着频率的增加而减小,且较大频率之间的沉降差异较小;同一频率下,H-V加筋限制沉降的效果优于水平加筋,但随着频率的增加,H-V加筋相对水平加筋限制沉降的优势也有所减弱。


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