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土工格室加筋路堤动力特性试验及有限元分析

高昂  
【摘要】:土工格室作为一种立体加筋形式,目前已经在国内外诸多领域得到广泛运用,土工格室通过侧壁的侧限作用、加筋层上下界面的摩擦作用以及加筋层的应力扩散和柔性筏基作用可以提高路堤的整体稳定性和减小路堤变形的作用。但目前土工格室加筋路堤的研究多集中在静载条件下,动载作用下的研究还比较少,本文针对动载作用下的路堤动力性能做了如下研究工作:通过动三轴试验,研究了土工格室加筋饱和砂单元体的动弹性模量、阻尼比及动回弹模量在围压、动应力、加筋层数及格室高度不同情况下的变化规律。试验表明:加筋层数增加和格室高度增高均会对加筋单元体的动应变起到更好的限制作用。各种加筋工况饱和砂单元体的动弹性模量均随着动应变增大而减小,当应变大小相同时,动弹性模量随之围压增大而增大,阻尼比则随着围压增大而减小。当动应力大小相同时,动回弹模量随着加筋层数增加而变大,随着动应力增大而减小且初始阶段动应力对动回弹模量影响更显著。通过土工格室加筋路堤模型试验,对不同加筋工况下路堤的静载极限承载力、长期循环荷载作用下的变形及内部土压力、循环荷载后静载极限承载力以及分级循环荷载下的竖向和侧向累积变形的变化规律进行了试验研究,并将分级循环荷载与固定振幅循环荷载及静载作用下的路堤进行对比分析,研究不同加载方案路堤力学性能的差异性。试验表明:土工格室加筋可以显著提高静载下路堤的极限承载力并能有效抑制路堤竖向和侧向累积变形,随着加筋层数增加和格室高度增大这种抑制效果更加显著。格室焊距也可在一定程度上影响路堤静载下极限承载力但对坡面侧向累积变形限制效果不大。长期循环荷载作用下加筋层数对路堤竖向累积变形影响不大而格室高度增大或格室焊距减小则可不同程度减小路堤竖向累积变形和侧向累积变形。对于无筋路堤而言,改变动载幅值和振次均导致无筋路堤振后极限承载力的降低,对于加筋路堤而言,当幅值≥30kPa或振次≥1000时路堤极限承载力均有一定程度的提高。土工格室加筋可显著提高路堤承受分级循环荷载的能力和抗侧向累积变形能力,其中两层和三层加筋能更有效提高路堤承受分级循环荷载的能力,改变格室焊距和格室高度均对分级循环荷载下路堤承载力产生影响,路堤承受分级循环荷载能力随着格室高度变大或格室焊距减小而增大。分级循环荷载和固定幅值循环荷载作用下,土工格室加筋均可减小路堤竖向累积沉降量,当振次≥9000时,加筋对分级循环荷载作用下的路堤的竖向累积变形的抑制作用才能显现出来,当振次≥8000时,加筋路堤在分级循环荷载作用下的竖向累积沉降量超过固定幅值循环荷载下的竖向累积沉降量,振次相同时,路堤侧向累积变形在固定幅值作用下大于分级荷载。通过ABAQUS有限元软件对土工格室加筋路堤进行三维建模,并改变加筋层数、格室高度和格室焊距,分别研究各种工况路堤在静载和循环荷载下的位移场和应力场的变化规律并与物理模型试验对比分析。模拟分析表明:静载作用下,数值模型路堤的竖向变形规律与物理模型试验的变形规律基本一致,但数值模拟结果较试验值整体偏大。静载下路堤模型内部竖向变形和侧向变形云图均受加筋影响比较明显,特别是路堤内部区域侧向变形受到加筋影响较大。加载板中轴线处的竖向和侧向变形受加筋影响较大,加筋层可在一定程度上分散竖向集中变形。土工格室的侧限作用可以明显减小路堤各个位置的侧向土压力,侧向土压力在纵向分布大致相同,横向变化比较明显。动载下路堤竖向累积沉降量随振次变化的趋势与试验值基本一致,振次越大竖向累积变形和坡面水平累积变形均随之增大,加筋层数和格室高度对坡面侧向变形抑制效果优于焊距改变的效果。随着振次增大,各加筋工况路堤侧向土压力在各个位置均随之增大。静载和动载作用下土工格室加筋均可起到应力分散和柔性筏基的效果。


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