土工合成加筋砂土地基加載速率相關(guān)的時(shí)變特性研究

土工合成加筋土結(jié)構(gòu)的速率相關(guān)的變形強(qiáng)度特性從本質(zhì)上講應(yīng)歸因于材料粘性特性的外在反映，即填土材料和土工合成加筋材料本身的粘性特性以及兩者之間的相互作用。因此，本項(xiàng)目的研究思路是：從加載速率角度出發(fā)，先對(duì)填土材料（以砂土為例）和土工合成加筋材料的速率相關(guān)的粘性行為特性分別進(jìn)行詳細(xì)的探討和研究，進(jìn)而對(duì)土工合成加筋土結(jié)構(gòu)的速率相關(guān)的變形強(qiáng)度特性進(jìn)行分析。通過(guò)本構(gòu)模型和有限元數(shù)值分析與計(jì)算探討了砂土材料、土工合成加筋材料以及土工合成加筋土結(jié)構(gòu)的加載速率效應(yīng)、蠕變和應(yīng)力松弛等速率相關(guān)行為特性，為改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論提供了科學(xué)依據(jù)。本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容及所取得的研究成果包括以下幾個(gè)方面： （1） 基于任意加載速率條件下室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)砂土及土工合成加筋材料的速率相關(guān)粘性特性進(jìn)行了分析，考察了砂土以及土工合成加筋材料的加載速率效應(yīng)、蠕變以及應(yīng)力松弛等特性。 (2) 將統(tǒng)一的非線性三要素彈粘塑性本構(gòu)模型嵌入到基于動(dòng)態(tài)松弛法的有限元程序中，從而可對(duì)砂土、土工合成加筋材料以及土工合成加筋土結(jié)構(gòu)的速率相關(guān)的變形強(qiáng)度特性進(jìn)行彈粘塑性有限元模擬，實(shí)現(xiàn)了包含應(yīng)變速率變化加載、蠕變加載和應(yīng)力松弛加載在內(nèi)的全過(guò)程模擬以及砂土材料從硬化→峰值→軟化→殘余的變形破壞的全過(guò)程模擬。 (3) 對(duì)土工合成加筋砂土以及土工合成加筋擋土墻的速率相關(guān)變形強(qiáng)度特性進(jìn)行彈粘塑性有限元分析，結(jié)果表明，綜合考慮砂土材料和土工合成加筋材料粘性特性的有限元計(jì)算方法能很好地模擬土工合成加筋砂土結(jié)構(gòu)的加載速率效應(yīng)、蠕變變形以及應(yīng)力松弛現(xiàn)象。 (4). 通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象和相應(yīng)有限元分析，發(fā)現(xiàn)蠕變并不是一種劣化現(xiàn)象，它對(duì)材料的最大強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響，為改進(jìn)或取消現(xiàn)有蠕變?cè)O(shè)計(jì)理論中的“折減系數(shù)”法提供科學(xué)依據(jù)。 2100433B

與鋼筋混凝土基礎(chǔ)或擋土結(jié)構(gòu)相比，土工合成加筋土復(fù)合地基無(wú)疑是一種相對(duì)柔軟的土工構(gòu)筑物。因此，施工時(shí)的瞬時(shí)變形及使用時(shí)的長(zhǎng)期流變是土工合成加筋土設(shè)計(jì)上必須考慮的重要參數(shù)。實(shí)際工程監(jiān)測(cè)表明加筋土的荷載沉降曲線與加載速率顯著相關(guān)，這種特性嚴(yán)重影響加筋土地基的短期或長(zhǎng)期與時(shí)間有關(guān)的變形行為，而以時(shí)間t為內(nèi)在變量的傳統(tǒng)粘塑性理論和流變模型不能完全合理解釋這種現(xiàn)象。本項(xiàng)目以土工格柵加筋砂土為對(duì)象，基于加載速率變化開(kāi)展一系列的模型試驗(yàn)和理論研究，分析加載速率變化與加筋砂土地基與時(shí)間相關(guān)變形的關(guān)系及內(nèi)在規(guī)律。本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：闡明加載速率變化下加筋砂土瞬時(shí)及長(zhǎng)期變形發(fā)生機(jī)理；提出基于加載速率效應(yīng)的加筋砂土?xí)r間有關(guān)變形的有限元預(yù)測(cè)方法。本項(xiàng)目的研究方法將突破直接以時(shí)間t為內(nèi)變量的傳統(tǒng)彈粘塑性理論框架，其成果對(duì)揭示加筋砂土與時(shí)間相關(guān)的變形破壞機(jī)理以及確立高精度的變形預(yù)測(cè)方法具有重要的理論意義及應(yīng)用價(jià)值。

本項(xiàng)目擬分別對(duì)加筋黃土試樣在自行改進(jìn)的大三軸剪切儀上進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行隨機(jī)地震荷載作用下加筋黃土動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究加筋黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及其強(qiáng)度特性，以獲得較合理的加筋層間距和加筋位置，建立加筋黃土的動(dòng)、靜本構(gòu)模型及其參數(shù)；通過(guò)黃土地基的動(dòng)、靜模型試驗(yàn)研究在靜力和地震動(dòng)力作用下加筋黃土地基中的應(yīng)力、應(yīng)變和破壞變形規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，利用彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等觀點(diǎn)分析加筋黃土在不同加筋方式下的加筋機(jī)理及其破壞特征。最后，把試驗(yàn)中獲得的加筋黃土動(dòng)、靜本構(gòu)模型和參數(shù)引入實(shí)際地基工程進(jìn)行動(dòng)力和靜力有限元分析，研究加筋和未加筋地基在靜力和地震作用下的應(yīng)力和變形規(guī)律，和模型試驗(yàn)相對(duì)比，對(duì)加筋黃土的本構(gòu)模型進(jìn)行驗(yàn)證。本項(xiàng)目的研究成果將為加筋土技術(shù)在黃土地區(qū)的推廣使用將會(huì)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)，能使加筋土技術(shù)能在地震區(qū)得到合理運(yùn)用，具有極其重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。 2100433B

土工合成材料可以有效的解決工程邊坡穩(wěn)定、沉降變形等問(wèn)題，因此在工程中應(yīng)用非常廣泛。網(wǎng)格狀帶齒加筋是一種新型的土工加筋技術(shù)，汲取了傳統(tǒng)網(wǎng)格狀與條帶式帶齒加筋的優(yōu)點(diǎn)，其筋土界面特性是加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)界面特性進(jìn)行合理預(yù)測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是如何揭示筋-土界面內(nèi)局部變形場(chǎng)的變化特征。本項(xiàng)目針對(duì)網(wǎng)格狀帶齒加筋體的筋-土界面特性開(kāi)展了系統(tǒng)研究。借助平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，分析了齒筋效應(yīng)對(duì)加筋體的強(qiáng)度的影響，并借助顆粒流模擬揭示了齒筋的細(xì)觀作用機(jī)理。針對(duì)網(wǎng)格狀加筋體的動(dòng)力變形特征，探討了圍壓、循環(huán)荷載條件及加筋間距對(duì)殘余變形的影響。開(kāi)展了網(wǎng)格狀帶齒加筋體拉拔試驗(yàn),分析了法向應(yīng)力、砂墊層厚度、齒筋高度、橫肋間距四因素對(duì)加筋體極限拉拔力的影響，從宏觀角度揭示了筋-土界面間的力學(xué)特性。應(yīng)用以離散元法為基礎(chǔ)的顆粒流軟件來(lái)模擬網(wǎng)格狀帶齒加筋體的拉拔試驗(yàn)，并進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立了加筋體拉拔界面作用細(xì)觀模型。通過(guò)對(duì)拉拔過(guò)程顆粒位移、接觸力、孔隙率、配位數(shù)等參量的監(jiān)測(cè)，從微觀角度分析了網(wǎng)格狀帶齒加筋體筋-土界面的力學(xué)特性和接觸面變形場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律。依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出齒筋的受力特點(diǎn)，并在考慮了齒筋側(cè)阻力與筋材應(yīng)變關(guān)系的基礎(chǔ)上建立了極限拉拔力模型。 2100433B