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土工格栅与膨胀土的界面特性及加筋机理研究

汪明元  
【摘要】:土工格栅加筋技术对膨胀土地质灾害的防治具有特殊效果,但目前对土工格栅与膨胀土界面特性的研究不足,使其发展受到制约。关于加筋土的研究,对拉拔试验中筋土相互作用机理的研究不足,试验结果存在偏差;对加筋机理的研究不足,加筋土计算理论不完善;对加筋影响范围的研究不足,加筋间距、布筋方式与范围缺乏理论依据。 以南水北调中线膨胀土渠坡破坏机理与处治技术问题为背景,重点研究了土工格栅与膨胀土的界面特性及其影响因素、拉拔试验中筋土相互作用机理及试验参数的分析方法、加筋膨胀土的变形特征与破坏模式、加筋阻断土体剪切带并导致其强度提高的机理以及加筋影响范围等问题。 通过拉拔试验,对土工格栅与膨胀土的界面特性进行了深入研究。分析了不同上覆荷载下及不同拉拔位移时筋材的变形与刚体平动过程,研究了界面摩阻力渐进发挥及非均匀性变化过程。分析了筋材变形对界面特性的影响,提出了界面平均摩阻力的两种影响机制。研究了膨胀土含水量与干密度,土工格栅的模量、几何特征与类型,筋材与试验箱边壁距离、拉拔速率与上覆荷载等因素的影响。提出了土工格栅与膨胀土的界面模型及其参数。 对拉拔过程进行了数值仿真,研究了筋土相互作用过程,发现了筋材法向应力、筋土相对位移及界面摩阻力分布的非均匀性、界面的非真实软化与非真实非线性特征,并研究了其发生机制。研究了界面渐进屈服过程,提出了拉拔试验结果的分析方法与试验结束的标准。研究了界面平均摩阻力峰值与界面强度的差异,以及分别以拉拔端、自由端或平均相对位移估算界面切向刚度的误差,提出了参数反馈分析方法并对试验参数进行了修正。提出了拉拔箱刚性前壁摩擦特性对试验的影响及其作用机制。 对土工格栅加筋膨胀土进行了无侧限压缩试验和固结不排水剪试验,研究了加筋对膨胀土强度与变形特征及破坏模式的影响,并对加筋层数、干密度、含水量和围压的影响进行了试验。对加筋土进行了饱和固结排水剪试验,研究了排水条件的影响。试验发现,加筋可阻断土体的剪切带发展,改变其破坏模式,改善其变形性能,并使其强度提高。 对平面应变和轴对称条件下加筋土的变形与破坏过程进行了数值仿真,研究了加筋对土体侧向变形的约束效果,对竖向变形的均化效果,以及加筋土荷载—位移响应过程的加载速率效应。 以加筋土应力状态为核心研究了加筋机理,发现了加筋抑制剪切带发展、导致土体破坏模式变化的机理,以及加筋土强度提高并呈应变硬化的机理。发现了加筋抑制土体应变软化的机理,以及侧向压力及界面切向刚度对加筋效果影响的机理。证实了筋材通过对筋土界面一定范围土体应力状态的影响而发挥加筋作用,提出了加筋土的计算应以应力状态分析为基础。研究了加筋影响范围及界面强度参数对加筋范围的影响,提出了考虑工程实际应力状态下加筋影响范围的布筋原则。 该研究工作为加筋控制膨胀土地质灾害技术的开发、大型膨胀土工程的处治方案、界面拉拔试验方法与控制标准的统一以及加筋土计算理论的完善提供了依据。


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