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预应力CFRP加筋土技术的应用与研究

杜运兴  
【摘要】: 加筋土技术是现代路堤设计与施工中广泛应用的新技术之一。由于路堤的重要性,加筋材料的耐久性问题一直为加筋土技术研究的重要课题。CFRP材料是近年来开始应用于土木领域的新型材料,它具有耐腐、耐水、耐高温、高强度、高弹模、质量轻等优点。因此,这种材料在土木工程的应用日益广泛。对于CFRP材料是否能够作为加筋材料应用于加筋土工程,国内尚未开展研究;国外应用CFRP材料作为加筋材料的报道也非常少。本学位论文针对湖南省交通厅课题“高路堤沉降约束及边坡稳定新技术研究”进行研究,提出了采用CFRP材料作为加筋材料,并且对CFRP筋带的端头进行张拉、锚固来解决高路堤的沉降及边坡稳定问题。课题的研究采用试验与理论分析并重的方法进行。 本论文对这种新技术进行了以下五个方面的试验研究。 1)材性试验研究。通过对CFRP材料的深入研究,研制出了可以用于加筋材料的CFRP筋带,并测量了这种加筋材料的力学指标;通过土工试验,测试了试验中所用的砂、粘土的物理性质参数。 2)试样性能研究。采用三轴试验对CFRP作为加筋材料的加筋土试样进行研究。通过改变加筋量、加筋层数,研究加筋土试样的强度变化规律。试验中提出了伪粘聚力的概念。 3)筋土相互作用研究。试验获得了筋土间的摩擦特性,通过直剪试验研究了加筋方向、筋带端部锚固对于加筋土抗剪强度的影响。 4)路堤模型的试验研究。目的是测试加筋前后路堤模型的承载力和变形的变化过程,以及对路堤施加预应力前后路堤模型的承载力和变形的变化过程。 5)将该技术应用于实际路堤并进行测量和观测研究。实测表明,应用这项技术可以显著提高加筋土结构的变形模量和加速加筋土结构沉降稳定。 本论文作者进行了两个方面的理论分析与研究工作 1)设计有限元程序。程序中可以考虑三种岩土本构关系,即D-P模型、Duncan-chang模型、修正的剑桥模型。将无穷元理论应用于本程序中模拟地基无穷边界条件,使计算更加合理。程序还可以模拟施工过程。应用该程序分析了两个预应力CFRP加筋土高路堤。得到了一些非常有意义的结论。 2)对预应力CFRP加筋土路堤的边坡稳定问题进行了研究。提出了简化的计算公式和一种精确的计算方法。这种精确的计算方法创造性的结合了有限元技术 和遗传算法计算边坡的安全系数。通过有限元求解路堤的内力以及筋带的拉力, 应用遗传算法搜索最小的安全系数和其对应的滑动面。这种方法计算速度快、效 率高并可以搜索出任意形状的滑动面。


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