含水量對(duì)紅黏土中土工格柵拉拔性能影響的試驗(yàn)研究

通過(guò)經(jīng)編土工格柵、單向土工格柵與粗砂、圓礫、殘積土在不同法向壓力下的拉拔試驗(yàn),研究土工格柵與土界面特性.結(jié)果表明,單向格柵界面的拉拔系數(shù)和摩擦系數(shù)均小于經(jīng)編土工格柵界面,界面摩擦系數(shù)隨著土體顆粒粒徑的增大而增大.同時(shí)結(jié)合有限元分析的方法,將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,進(jìn)一步研究了法向壓力、加筋長(zhǎng)度、土體模量、格柵軸向剛度、界面折減因子等參數(shù)對(duì)界面特性的影響.最后研究了不同拉力作用下的界面剪應(yīng)力和軸力分布規(guī)律.

粉質(zhì)混合碎石土中土工格柵拉拔阻力特性試驗(yàn)研究——土工格柵憑借其良好的加筋特性，在大型土工結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而土工格柵在粉土中的加筋效果并不理想。通過(guò)室內(nèi)大尺寸土工格柵拉拔試驗(yàn)，針對(duì)不同的法向荷載和粉土中不同的碎石含量，對(duì)土工格柵受拉時(shí)...

土工格柵憑借其良好的加筋特性,在大型土工結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而土工格柵在粉土中的加筋效果并不理想。通過(guò)室內(nèi)大尺寸土工格柵拉拔試驗(yàn),針對(duì)不同的法向荷載和粉土中不同的碎石含量,對(duì)土工格柵受拉時(shí)的拉拔阻力特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):單純提高法向荷載來(lái)增加格柵表面的摩擦剪切阻力的方法并不適用。在粉土中加入大粒徑碎石,可以提高格柵橫肋的被動(dòng)阻力,但在豎向荷載較小的情況下,反而降低了格柵的整體拉拔阻力;而施加適當(dāng)?shù)姆ㄏ蚝奢d,抑制土體的剪脹效應(yīng),格柵整體拉拔力則得到了顯著增強(qiáng)。該試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土工加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

采用高密度聚乙烯(hdpe)單向土工格柵,以及南水北調(diào)中線(xiàn)工程新鄉(xiāng)段的膨脹性泥灰?guī)r風(fēng)化土,在填土尺寸為600mm×600mm×600mm的大型疊環(huán)式剪切試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行一系列拉拔試驗(yàn),研究了土工格柵與試驗(yàn)箱側(cè)壁距離、拉拔速率、上覆荷載大小等試驗(yàn)條件因素對(duì)筋土界面拉拔性狀的影響。結(jié)果表明:不排水條件下,土工格柵與試驗(yàn)箱側(cè)壁的距離,對(duì)峰值拉拔力、界面強(qiáng)度與切向剛度的影響不大;拉拔速率較大時(shí),拉拔力增長(zhǎng)較快,其拉拔力峰值和界面強(qiáng)度較大;上覆荷載和拉拔力不同,格柵的變形量及筋土相對(duì)位移量不同,不同上覆荷載下界面摩阻力沿格柵埋入長(zhǎng)度分布的非均勻程度不同,并可導(dǎo)致較小上覆荷載下界面平均摩阻力反而較大的反常行為。

為了研究筋土界面之間復(fù)雜的相互作用機(jī)制,通過(guò)室內(nèi)拉拔模型試驗(yàn),研究不同橫肋間距條件下高密度聚乙烯單向拉伸土工格柵的筋土界面作用特性,分析橫肋間距和法向應(yīng)力對(duì)筋土界面拉拔力的影響.結(jié)果表明:隨著土工格柵橫肋間距的增大,筋土界面的最大拉拔力和達(dá)到最大拉拔力所需的拉拔位移逐漸減小,且黏聚力和摩擦角也呈減小的趨勢(shì);當(dāng)土工格柵橫肋間距較小時(shí)拉拔曲線(xiàn)呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征,隨著橫肋間距的增加,拉拔曲線(xiàn)由應(yīng)變硬化向應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)化;當(dāng)土工格柵的橫肋間距一定時(shí),筋土界面的最大拉拔力隨著施加法向應(yīng)力的增加而逐漸增大;筋土界面的摩擦系數(shù)隨橫肋間距和法向應(yīng)力的增加而逐漸減小;橫肋端承阻力在拉拔力中起著主導(dǎo)作用,且在高應(yīng)力作用下橫肋加筋的效果更為顯著,橫肋端承阻力對(duì)筋土界面最大拉拔力的貢獻(xiàn)接近占90％.

通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)研究了不同豎向壓力、不同加肋方式以及不同鋪設(shè)角度對(duì)土工格柵拉拔阻力的影響,揭示了土工格柵與黃土的相互作用機(jī)制:當(dāng)拉拔位移較小時(shí),土工格柵有效受力長(zhǎng)度隨位移的增加逐漸增大,拉拔阻力呈線(xiàn)性增長(zhǎng);隨著拉拔位移進(jìn)一步增大,拉拔阻力與位移不再呈線(xiàn)性關(guān)系,土工格柵與黃土之間的界面摩擦力和橫肋與土的嵌固作用力完全發(fā)揮作用,拉拔阻力達(dá)到峰值;當(dāng)拉拔位移繼續(xù)增大時(shí),筋土接觸面開(kāi)始松動(dòng),筋土之間的嵌固作用力逐漸減弱且土工格柵的有效作用長(zhǎng)度也逐漸減小.試驗(yàn)結(jié)果表明:豎向壓力的變化對(duì)于拉拔阻力影響顯著,采用適當(dāng)?shù)募咏钚问胶弯佋O(shè)角度能夠加強(qiáng)筋土間的相互作用,提升加固效果.研究方法和結(jié)論對(duì)加筋土的設(shè)計(jì)和施工有一定的參考價(jià)值.

筋土之間的相互作用機(jī)制復(fù)雜,是土工合成材料加筋加固應(yīng)用中的核心問(wèn)題。通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn),研究了土工格柵與砂土相互作用機(jī)制和格柵幾何特征對(duì)拉拔阻力的影響。初步揭示了格柵橫肋和縱肋在拉拔模式下的作用機(jī)制和格柵網(wǎng)格剛度對(duì)拉拔阻力的影響。結(jié)果表明,在拉拔位移較小時(shí),縱肋摩阻力和橫肋被動(dòng)阻力幾乎同步增長(zhǎng);在拉拔位移較大時(shí),縱肋摩阻力逐步達(dá)到峰值,拉拔力的增量大部分來(lái)源于被動(dòng)阻力的進(jìn)一步增長(zhǎng)。土工格柵拉伸模量和網(wǎng)格剛度是影響筋土界面力學(xué)特性的重要因素。

通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)研究了不同豎向壓力、不同加肋方式以及不同鋪設(shè)角度對(duì)土工格柵拉拔阻力的影響,揭示了土工格柵與黃土的相互作用機(jī)制：當(dāng)拉拔位移較小時(shí),土工格柵有效受力長(zhǎng)度隨位移的增加逐漸增大,拉拔阻力呈線(xiàn)性增長(zhǎng);隨著拉拔位移進(jìn)一步增大,拉拔阻力與位移不再呈線(xiàn)性關(guān)系,土工格柵與黃土之間的界面摩擦力和橫肋與土的嵌固作用力完全發(fā)揮作用,拉拔阻力達(dá)到峰值;當(dāng)拉拔位移繼續(xù)增大時(shí),筋土接觸面開(kāi)始松動(dòng),筋土之間的嵌固作用力逐漸減弱且土工格柵的有效作用長(zhǎng)度也逐漸減小.試驗(yàn)結(jié)果表明：豎向壓力的變化對(duì)于拉拔阻力影響顯著,采用適當(dāng)?shù)募咏钚问胶弯佋O(shè)角度能夠加強(qiáng)筋土間的相互作用,提升加固效果.研究方法和結(jié)論對(duì)加筋土的設(shè)計(jì)和施工有一定的參考價(jià)值.

為分析土工格柵與尾礦拉拔試驗(yàn)中拉力沿土工格柵的變化規(guī)律,通過(guò)試驗(yàn)中格柵所受到的拉力、剪應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系,提出了影響筋-尾礦界面特性的拉力系數(shù)a,推導(dǎo)出拉力沿格柵的分布公式,通過(guò)試驗(yàn)所測(cè)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了公式的可行性。在加筋尾礦結(jié)構(gòu)中,加筋材料拉拔位移不是很大時(shí),采用該公式能夠較好的預(yù)估筋材在不同位置的拉力,為土工格柵在加筋尾礦壩工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

土工格柵通過(guò)筋土界面相互作用能起到很好的加筋效果,在許多工程中得到了廣泛運(yùn)用。拉拔試驗(yàn)是研究筋土界面相互作用的重要手段之一。通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn),對(duì)豎向荷載、填料密實(shí)度以及試驗(yàn)類(lèi)型對(duì)格柵拉拔力的影響規(guī)律開(kāi)展研究,試驗(yàn)結(jié)果表明：在高密實(shí)度的填料中,隨著筋-土界面位移的發(fā)展,填料的剪脹現(xiàn)象越明顯;填料密實(shí)度小,豎向壓力大時(shí),剪脹趨勢(shì)不明顯;填料密實(shí)度越大,土體剪脹趨勢(shì)越明顯;土體的密實(shí)度將直接影響到格柵的加筋效果;對(duì)于土體的剪脹,存在一臨界點(diǎn),當(dāng)格柵拉拔位移大于此臨界點(diǎn)時(shí),土體的剪脹趨勢(shì)將顯著發(fā)生。

土工格柵通過(guò)筋土界面相互作用能起到很好的加筋效果,在許多工程中得到了廣泛運(yùn)用。拉拔試驗(yàn)是研究筋土界面相互作用的重要手段之一。通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn),對(duì)豎向荷載、填料密實(shí)度以及試驗(yàn)類(lèi)型對(duì)格柵拉拔力的影響規(guī)律開(kāi)展研究,試驗(yàn)結(jié)果表明:在高密實(shí)度的填料中,隨著筋-土界面位移的發(fā)展,填料的剪脹現(xiàn)象越明顯;填料密實(shí)度小,豎向壓力大時(shí),剪脹趨勢(shì)不明顯;填料密實(shí)度越大,土體剪脹趨勢(shì)越明顯;土體的密實(shí)度將直接影響到格柵的加筋效果;對(duì)于土體的剪脹,存在一臨界點(diǎn),當(dāng)格柵拉拔位移大于此臨界點(diǎn)時(shí),土體的剪脹趨勢(shì)將顯著發(fā)生。

現(xiàn)有關(guān)于格柵與土的筋-土界面特性研究多以單、雙向格柵為研究對(duì)象,而對(duì)三向土工格柵筋-土界面特性開(kāi)展的試驗(yàn)研究較少。以三向土工格柵為研究對(duì)象并考慮0°和90°兩種拉拔方向的影響（記為tx0工況和tx90工況）,開(kāi)展了一系列室內(nèi)拉拔試驗(yàn),通過(guò)對(duì)三向土工格柵沿拉拔方向4個(gè)斷面的位移進(jìn)行量測(cè),分析了格柵拉伸應(yīng)變、筋-土相對(duì)位移、界面摩阻力分布及格柵變形與破壞模式,并分別從峰值剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度兩個(gè)方面對(duì)筋-土界面強(qiáng)度參數(shù)和表觀摩擦系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明:由于平面外撓曲變形的影響,tx0工況下橫肋的嵌鎖作用隨法向應(yīng)力增大而增強(qiáng),從而使tx0工況的拉拔性能逐漸優(yōu)于tx90工況;拉拔過(guò)程中,筋-土界面摩阻力的發(fā)揮是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程,其分布形式不斷發(fā)生調(diào)整,筋-土界面呈彈塑性-軟化特征;tx0工況的筋-土界面摩擦角顯著大于tx90工況,黏聚力則剛好相反,法向應(yīng)力較高時(shí)tx0工況的筋-土界面強(qiáng)度更高,更有利于材料性能的發(fā)揮。

通過(guò)土工格柵拉拔試驗(yàn)對(duì)筋土界面摩阻力橫向分布進(jìn)行了研究,通過(guò)千分表測(cè)試土工格柵不同位置處的位移,將位移轉(zhuǎn)換成土工格柵應(yīng)變,根據(jù)格柵的抗拉彈性模量得到土工格柵不同位置處的筋土界面摩阻力.試驗(yàn)結(jié)果表明:筋土界面摩阻力的峰值出現(xiàn)在土工格柵的橫肋處,并沿橫肋向兩側(cè)逐漸減小;對(duì)于單向土工格柵,格柵橫肋不僅能夠提供筋土界面摩阻力,而且能通過(guò)嵌鎖作用限制土體的變形,能顯著提升土工格柵的加筋效果;土工格柵前半段的筋土界面摩阻力先得到發(fā)揮,然后后半段的筋土界面摩阻力逐漸得到發(fā)揮.

塑料土工格柵的加筋效果好于其它筋材的原因在于其表面結(jié)構(gòu)特性,它與土之間不僅存在表面摩擦力,而且還存在著鑲嵌咬合力,從而增強(qiáng)兩者的相互聯(lián)系,提高接觸效率。通過(guò)筋材拉出行為試驗(yàn),進(jìn)行塑料土工格柵受拉時(shí)表面摩擦力分布特征的研究。提出將塑料土工格柵與土體之間摩擦應(yīng)力的發(fā)展過(guò)程分為四個(gè)階段的觀點(diǎn),即起始階段、發(fā)展階段、局部屈服和完全屈服階段。指出在高圍壓或長(zhǎng)埋深的情況下,筋材會(huì)出現(xiàn)拉斷破壞,這時(shí)的摩擦應(yīng)力至多經(jīng)歷前三個(gè)階段,而不具備完整的四階段應(yīng)力發(fā)展模式。

在普通雙向土工格柵的節(jié)點(diǎn)處通過(guò)捆扎帶連接加強(qiáng)塑料錨固片,使其成為擁有三維立體加筋效果的帶加強(qiáng)錨固片土工格柵。通過(guò)室內(nèi)土工格柵的拉拔試驗(yàn),比較帶加強(qiáng)錨固片土工格柵與普通土工格柵在與土體相互作用時(shí)對(duì)土體的加強(qiáng)效果并分析其規(guī)律。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并分析,研究帶加強(qiáng)錨固片土工格柵在不同變量條件下相對(duì)于普通土工格柵對(duì)拉拔力的影響情況。試驗(yàn)分析結(jié)果表明,隨著法向應(yīng)力的增大,帶加強(qiáng)錨固片土工格柵承載的拉拔力隨之增加。隨著錨固片距離節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度的增加,加強(qiáng)錨固片土工格柵承載的極限拉拔力效果減弱。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及理論分析,帶加強(qiáng)錨固片土工格柵相比較于普通土工格柵筋土界面間似黏聚力和摩擦角均有了相對(duì)的提高。隨法向應(yīng)力的增加,極限拉拔力的主要占比由錨固片的端承阻抗力轉(zhuǎn)變?yōu)榻钔两缑骈g的摩擦阻力。

土工格柵與土的相互作用特性是影響土工格柵加筋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn),針對(duì)不同的上覆荷載,對(duì)土工格柵受拉時(shí)表面摩擦力分布特征進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,格柵表面摩擦力沿著格柵縱向逐漸向后傳遞,并在拉拔的前期增長(zhǎng)明顯,后期趨于一個(gè)穩(wěn)定值;利用s型曲線(xiàn)模擬了土工格柵的應(yīng)變與拉拔時(shí)間的相關(guān)關(guān)系。通過(guò)不同埋設(shè)位置的檢測(cè)點(diǎn)所得到的格柵即時(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù),擬合出格柵的三維應(yīng)變曲面ε(x,t);對(duì)格柵表面上的摩擦力進(jìn)行全段積分,得到格柵拉拔力的時(shí)程函數(shù)t(t)。該試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土工格柵加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

在水平-垂直加筋體系研究的基礎(chǔ)上,對(duì)單向土工格柵設(shè)置了加強(qiáng)肋,使其具備立體加筋效果。通過(guò)大量的拉拔試驗(yàn),研究了帶加強(qiáng)肋土工格柵加筋的筋-土界面特性。通過(guò)對(duì)匯總得到的36組拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,探討了肋間距與肋厚對(duì)極限拉拔阻力的影響情況。試驗(yàn)結(jié)果表明:在相同法向應(yīng)力作用下,帶加強(qiáng)肋土工格柵的極限拉拔阻力明顯高于普通土工格柵,其極限拉拔阻力隨著加強(qiáng)肋肋厚的增加而顯著增加,并隨著加強(qiáng)肋肋距的增加而逐漸減小。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了帶加強(qiáng)肋土工格柵與砂土的相互作用機(jī)制,探討了極限拉拔阻力的影響因素,建立了拉拔阻力理論公式,并將試驗(yàn)結(jié)果與理論值比較,二者基本吻合。

土工格柵的蠕變是影響加筋土結(jié)構(gòu)安全的重要因素,經(jīng)過(guò)蠕變后的土工格柵在各項(xiàng)拉伸性能上會(huì)有變化,為了確定土工格柵在蠕變后各項(xiàng)拉伸指標(biāo)的變化,進(jìn)行了1000h的室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn),并設(shè)置了4種不同荷載級(jí)別。通過(guò)記錄卸載后土工格柵的收縮應(yīng)變,得出收縮應(yīng)變隨時(shí)間變化的3個(gè)階段和各應(yīng)力水平下的殘余應(yīng)變。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明:2%和5%伸長(zhǎng)率的拉伸強(qiáng)度隨蠕變時(shí)所受應(yīng)力水平的增加而增加,斷裂伸長(zhǎng)率和極限拉伸強(qiáng)度隨著蠕變時(shí)所受應(yīng)力水平的增加而降低,并且在60%應(yīng)力水平下極限拉伸強(qiáng)度降低了17.3%。

應(yīng)用ansys程序?qū)ν凉じ駯爬卧囼?yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算中,將土體看作符合drucker-prager準(zhǔn)則的彈塑性材料,采用八結(jié)點(diǎn)單元模擬填土及土工格柵,采用面-面接觸單元模擬格柵-土界面。為研究橫肋位置等因素對(duì)拉拔試驗(yàn)的影響,計(jì)算了不同形式的格柵,結(jié)果表明:有橫肋格柵較無(wú)橫肋格柵抗拉拔力提高顯著;橫肋位置對(duì)抗拔力影響較小,對(duì)格柵位移影響較大。橫肋距拉拔端越近,格柵位移越小;格柵結(jié)點(diǎn)處的剪應(yīng)力發(fā)生突變,且距拉拔端較近的橫肋處剪應(yīng)力發(fā)生突變,較遠(yuǎn)的橫肋影響較小。

對(duì)土工格柵與壓實(shí)膨脹土的界面特性進(jìn)行拉拔試驗(yàn),筋材為高密度聚乙烯(hdpe)單向土工格柵,填土為南水北調(diào)中線(xiàn)工程新鄉(xiāng)段的膨脹性泥灰?guī)r風(fēng)化土。結(jié)果表明:上覆荷載較大時(shí),土工格柵的變形較明顯,格柵剛體平動(dòng)時(shí)的拉拔力更接近峰值,界面摩阻力的分布非均勻,且其均勻程度隨拉拔力變化。較小上覆荷載下,峰值拉拔力時(shí)土工格柵剛體平動(dòng)占筋土相對(duì)位移的比例較大,界面摩阻力分布較均勻。當(dāng)界面摩阻力非均勻分布,可導(dǎo)致上覆荷載較大而其界面平均摩阻力反而較小。筋土相對(duì)位移1cm―2cm范圍內(nèi),界面一般可達(dá)峰值強(qiáng)度,界面強(qiáng)度曲線(xiàn)可表達(dá)為線(xiàn)性函數(shù)。

為了研究土工格柵的筋土界面作用特性與受力變形特征,利用自行研發(fā)的土工合成材料拉拔試驗(yàn)裝置,對(duì)土工格柵進(jìn)行不同豎向荷載的室內(nèi)拉拔試驗(yàn),分析格柵不同嵌固長(zhǎng)度處的位移及應(yīng)變特性,以揭示筋土相互作用的受力機(jī)理。結(jié)果表明,隨著拉拔力的增加,土中格柵受力沿著嵌固長(zhǎng)度方向發(fā)展,格柵前部分的應(yīng)變持續(xù)明顯增大;拉拔力沿格柵嵌固長(zhǎng)度對(duì)周?chē)馏w的影響減少減弱,格柵嵌固長(zhǎng)度越大,其相對(duì)位移與格柵應(yīng)變?cè)叫?隨著豎向荷載的增加,土工格柵的應(yīng)變總趨勢(shì)是變小;在拉拔力相對(duì)較小時(shí),25kpa、50kpa和75kpa豎向荷載作用下格柵應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)相近,但隨著拉拔力的變大,格柵受到土體摩擦力沿嵌固長(zhǎng)度擴(kuò)展,嵌固長(zhǎng)度越大格柵后半段變形越少,末段格柵受力越小。

通過(guò)對(duì)玻璃纖維土工格柵加筋土體的三軸試驗(yàn)研究,分析不同加筋層數(shù)、不同圍壓對(duì)試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)、抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:加筋作用效果隨著軸向應(yīng)變的增大而增強(qiáng);同一種加筋材料,加筋層數(shù)越多,加筋效果越明顯;加筋使得試樣具有一定的延性,并能顯示出很強(qiáng)的后期效應(yīng);在低圍壓的情況下,采用加筋的方法來(lái)提高土的強(qiáng)度更為合理、有效。