土工格室低路堤剛性路面結(jié)構(gòu)體系模型試驗(yàn)

拉拔試驗(yàn)?zāi)芨玫姆从臣咏钔两Y(jié)構(gòu)中筋材的加筋行為,采用自制的拉拔試驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)試高填方路堤的現(xiàn)場(chǎng)砂粒填料與土工格室的界面特性參數(shù),分析土工格室與土的界面摩擦作用,進(jìn)一步研究土工格室的加筋機(jī)理。結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)土工格室處治高填方路堤進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),分析格室在路堤橫斷面的受力特點(diǎn)以及格室的加筋性能。試驗(yàn)結(jié)果表明:土工格室拉拔受力是一個(gè)漸進(jìn)式的過(guò)程,隨著拉拔位移繼續(xù)增大,格室后面幾排網(wǎng)格依次受到填料的阻力,拉拔界面的剪應(yīng)力呈臺(tái)階式的上升;格室與填料的界面摩擦角大于填料本身的摩擦角,且拉拔系數(shù)k大于1.0,格室加筋性能遠(yuǎn)優(yōu)其他平面材料的加筋性能;在路堤橫斷面方向,格室承受拉應(yīng)力;在新舊路堤搭接處,格室受拉應(yīng)力最大,是重點(diǎn)需要處治的位置。研究表明格室能有效的約束路堤土的側(cè)向變形,同時(shí)土工格室所在層位起到了擴(kuò)散荷載的作用。

分析了土工格室和土工網(wǎng)加固路基基床的主要機(jī)理,介紹了5組不同基床結(jié)構(gòu)的靜態(tài)原型尺寸模型試驗(yàn),通過(guò)基床結(jié)構(gòu)剛度k30值、應(yīng)力和變形的測(cè)試,驗(yàn)證了土工格室和砂構(gòu)成的基床墊層在改善基床應(yīng)力分布、提高基床剛度、減少基床變形等方面的作用,并分析了其隨有關(guān)因素變化的相關(guān)規(guī)律,而土工網(wǎng)和砂構(gòu)成的基床墊層只能十分有限地改善基床的性能。兩種材料的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明,與土工網(wǎng)墊層相比,土工格室墊層能夠更有效地提高基床以及整個(gè)線路結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度

通過(guò)離心模型試驗(yàn)揭示了土工格室柔性橋臺(tái)的變形特性,即未加筋橋臺(tái)產(chǎn)生的位移明顯大于土工格室柔性橋臺(tái)產(chǎn)生的位移;同時(shí),未加筋橋臺(tái)產(chǎn)生整體滑移,而土工格室柔性橋臺(tái)因微裂縫的阻斷和錯(cuò)位,臺(tái)背未見(jiàn)破壞。還分析了土工格室的加筋機(jī)理,即土工格室在土體中產(chǎn)生的\"緊箍\"和\"網(wǎng)兜\"作用,有效減少了橋臺(tái)的側(cè)向位移,抑制了豎向裂縫的產(chǎn)生并阻斷其擴(kuò)大和貫通,大幅提高了土工格室柔性橋臺(tái)的穩(wěn)定性。

結(jié)合高速公路拓寬工程,采用彈塑性三維數(shù)值方法,借助三維薄膜單元模擬土工格室,分析山區(qū)高填方加寬路堤的位移與沉降規(guī)律,提出優(yōu)化的格室處治方案,同時(shí)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),分析格室處治后路堤深層側(cè)向位移與沉降規(guī)律。結(jié)果表明:數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相符,高填方路堤在加寬路基自重荷載作用下豎向位移主要集中在加寬路堤的中上部,側(cè)向位移從路基頂面到底部逐漸減少。受上部路堤土俯沖荷載作用,加寬路堤底部側(cè)向位移相對(duì)附近土體較大。格室可有效減少高填方加寬路堤的側(cè)向變形及擴(kuò)散荷載傳遞。

土工格室能有效減少軟土地基上路堤的變形,并增強(qiáng)其穩(wěn)定性,但對(duì)于土工格室加筋土墊層路堤的臨界高度還少有研究。采用極限平衡分析方法,假定地基在路堤荷載作用下呈圓弧滑動(dòng)破壞模式,將格室及其內(nèi)的填土視為復(fù)合體,考慮格室復(fù)合體的應(yīng)力擴(kuò)散作用和側(cè)向限制作用,提出了路堤臨界高度的計(jì)算模型,并將該模型值與建立的有限差分模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,然后討論了格室高度、應(yīng)力擴(kuò)散角及格室復(fù)合體與地基接觸面摩擦系數(shù)對(duì)路堤臨界高度的影響規(guī)律。結(jié)果表明,理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好；加筋路堤的臨界高度明顯大于未加筋路堤的臨界高度,并且增加此3種影響因素的取值均能提高路堤的臨界高度；同時(shí)增強(qiáng)格室的側(cè)向限制作用比提高格室高度和應(yīng)力擴(kuò)散角更有利于路堤的穩(wěn)定。

基于2種格柵和3種加筋層數(shù)組成的5種工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)各種工況下土壓力、格柵應(yīng)變和路堤沉降進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)并比較分析了格柵應(yīng)變、土壓力和沉降的變化規(guī)律。結(jié)果表明:相同條件下,雙向格柵的加筋效果要好于單向格柵;筋材應(yīng)變初期相對(duì)比較大,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),筋材應(yīng)變呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),并趨于恒定;加筋區(qū)土壓力分布均勻,且最大土壓力隨著加筋層間距的減小而明顯變小,加筋對(duì)路堤起到了側(cè)限的作用。所得結(jié)果為加筋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析與工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及試驗(yàn)分析，并結(jié)合相關(guān)理論全面系統(tǒng)的研究了土工格柵加筋機(jī)理。通過(guò)對(duì)土壓力、路堤沉降及破壞變形、筋帶應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比分析，驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)的研究成果的可靠性。同時(shí)本項(xiàng)目的研究成果在工程實(shí)踐中的成功應(yīng)用，也為土工格柵加筋結(jié)構(gòu)在季凍地區(qū)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

土工格室是一種新型的土工合成材料,由其組成的柔性結(jié)構(gòu)體系在工程中的應(yīng)用效果與施工工藝和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān),然而,至今尚無(wú)較為完整與系統(tǒng)的施工工藝。文章結(jié)合近年來(lái)土工格室在柔性搭板處治差異沉降技術(shù)、柔性筏基加固軟弱地基技術(shù)、生態(tài)柔性擋墻應(yīng)用技術(shù)等方面大量的工程應(yīng)用實(shí)際,系統(tǒng)總結(jié)了土工格室柔性結(jié)構(gòu)體系在公路工程應(yīng)用中的施工工藝與質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),以期為推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的拉伸裝置,選用黃土和砂兩種填料,并通過(guò)片材應(yīng)變值的測(cè)試,開(kāi)展了土工格室結(jié)構(gòu)層拉伸性狀研究,得出了兩種不同填料的拉伸特性和拉伸變形規(guī)律。結(jié)果表明,土工格室結(jié)構(gòu)層拉伸破壞均發(fā)生于固定端(作用端)處,焊點(diǎn)強(qiáng)度是其主要控制因素,且土工格室砂結(jié)構(gòu)層拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于黃土結(jié)構(gòu)層;土工格室結(jié)構(gòu)層片材的拉伸應(yīng)變曲線明顯地表現(xiàn)為界面摩擦作用、格室受拉和破壞3個(gè)階段。

本文針對(duì)土工格室結(jié)構(gòu)層剪切性狀研究成果有限的現(xiàn)狀,通過(guò)大比尺模型試驗(yàn)方法,研究了不同填料、不同剪切面、不同焊距的土工格室加筋層和未加筋填料的似粘聚力和摩擦角特征。結(jié)果表明:土工格室結(jié)構(gòu)層的平面剪切試驗(yàn)與斜面剪切試驗(yàn)相比,由于加筋體的直接參與,斜面剪切強(qiáng)度比平面剪切強(qiáng)度高的多;從提高的強(qiáng)度來(lái)說(shuō),主要體現(xiàn)在似粘聚力得到提高,內(nèi)摩擦角提高不大;不同型號(hào)的土工格室加筋以后,格室結(jié)構(gòu)層之間的抗剪強(qiáng)度提高幅度無(wú)明顯區(qū)別。

文章通過(guò)荷載板試驗(yàn)對(duì)不同型號(hào)的土工格室粗砂結(jié)構(gòu)層的壓縮變形性狀進(jìn)行了研究。并分析了土工格室的高度、焊距對(duì)土工格室結(jié)構(gòu)層作用效果的影響。

本文介紹了北海營(yíng)閘二級(jí)公路a段工程no.2合同段的工程概況,并通過(guò)該工程的實(shí)際施工案例,闡述了對(duì)軟土地基的現(xiàn)狀分析和評(píng)價(jià),處理原則和方法,以及采取土工格柵和土工格室處治的施工應(yīng)用技術(shù)。

本文針對(duì)濕陷性黃土地區(qū)新舊路堤結(jié)合不良引起的道路工程病害,采用強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)處理后鋪設(shè)土工格室進(jìn)行路堤變形處治,通過(guò)埋設(shè)沉降杯進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究,尋求濕陷性黃土地區(qū)新舊路堤結(jié)合處不均勻沉降的解決方法,以減少高速公路加寬運(yùn)營(yíng)中的各種工程病害,為今后舊路加寬改造工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

為分析不同地基對(duì)其加固后的路基豎向承載力和豎向變形的影響,設(shè)計(jì)并完成了單純軟基、土工格室加筋地基、碎石樁復(fù)合地基和土工格室-碎石樁復(fù)合地基4組大比例室內(nèi)模型試驗(yàn),分析了經(jīng)格室加筋墊層、碎石樁和土工格室-碎石樁加固后的路基豎向承載力和豎向變形變化規(guī)律。結(jié)果表明:經(jīng)土工格室-碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基處治后的路基承載力大于單一碎石樁復(fù)合地基和單一土工格室加筋地基;土工格室加筋墊層具有良好的筏板和應(yīng)力均化作用,從而使碎石樁樁頂沉降量明顯減小,加筋墊層對(duì)路堤荷載下樁端沉降的影響不大;路堤荷載下,碎石樁樁頂沉降量小于同平面樁間土沉降量,大于樁端沉降量,以致路堤荷載下復(fù)合地基中樁間土先于樁體發(fā)生破壞。

為深入研究土工格室碎石墊層-碎石樁復(fù)合地基這一新型多元復(fù)合地基加固體系的承載力和沉降變形機(jī)理,應(yīng)用量綱分析法推導(dǎo)了土工格室碎石墊層-碎石樁復(fù)合地基模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則,根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)和完成了3組具有可比性的模型試驗(yàn),獲得大量荷載-沉降、樁土應(yīng)力比和應(yīng)力分布數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果分析表明:在土工格室碎石墊層-碎石樁復(fù)合地基這一水平向-豎向多元復(fù)合地基共同作用的加固體系中,結(jié)合了土工格室碎石墊層的水平向增強(qiáng)體作用和碎石樁的豎向增強(qiáng)體作用;土工格室碎石墊層和碎石樁復(fù)合地基相互作用,共同工作構(gòu)成的荷載傳遞和支撐體系是其提高承載力,減少沉降和差異沉降的主要機(jī)理。

采用自行研制的500mm×500mm×400mm(長(zhǎng)×寬×高)大尺寸直剪儀,對(duì)土工格室加筋土以及土工格室加筋水泥穩(wěn)定土的剪切性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)大尺寸直剪試驗(yàn)?zāi)M土工格室加筋土的剪切作用過(guò)程,得出加筋土剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變關(guān)系為非線性確定了土工格室加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)以及土工格室對(duì)土的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)機(jī)理,土工格室加筋土的黏聚力提高較大,內(nèi)摩擦角變化相對(duì)較小。通過(guò)對(duì)素土和摻入量為5%的水泥穩(wěn)定土進(jìn)行常規(guī)直剪試驗(yàn)、大尺寸直剪試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)比分析,探討不同試驗(yàn)方法對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響,得出3種試驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及其相對(duì)大小;即素土的摩擦角大小依次為:三軸試驗(yàn)小于大尺寸直剪試驗(yàn)小于常規(guī)直剪試驗(yàn),素土的黏聚力大小依次為:大尺寸直剪試驗(yàn)小于三軸試驗(yàn)小于常規(guī)直剪試驗(yàn);水泥穩(wěn)定土的摩擦角大小為:三軸試驗(yàn)小于大尺寸直剪試驗(yàn),黏聚力結(jié)果比較大小依次為:三軸試驗(yàn)小于大尺寸直剪試驗(yàn)。

由于加筋復(fù)合路堤分析中難以直觀看到筋材的參數(shù)改變對(duì)整個(gè)工程的穩(wěn)定性貢獻(xiàn),為了更加深入了解土工格室加筋的效果,設(shè)計(jì)用有限元分析軟件結(jié)合強(qiáng)度折減法(strengthreductionmethod,srm)對(duì)一個(gè)二級(jí)公路路堤進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.首先,對(duì)三維建模的不加筋路堤進(jìn)行srm計(jì)算,再用極限平衡方法驗(yàn)證,兩種方法得到的結(jié)論吻合.這表明更接近實(shí)際情況的三維路堤邊坡建模分析方法適合在復(fù)雜的加筋工況中使用.然后,用此方法分析了鋪設(shè)土工格室后的路堤穩(wěn)定性,通過(guò)改變土工格室的焊距、埋深、高度、鋪設(shè)層數(shù)來(lái)探究材料參數(shù)因素與邊坡安全系數(shù)之間的規(guī)律.結(jié)果表明,土工格室材料可以起到提高路堤整體穩(wěn)定性的作用,其中焊距較小、高度較高的土工格室的加筋效果較明顯；多層加筋的路堤被破壞時(shí)會(huì)形成多弧段的破裂面.

結(jié)合山區(qū)公路改擴(kuò)建工程,指出山區(qū)高填方新舊路堤容易出現(xiàn)不均勻沉降等問(wèn)題,根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,提出采取土工格室處理方案,重點(diǎn)分析了現(xiàn)場(chǎng)施工控制方法與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)新舊路堤搭接段深層側(cè)向位移和沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明,嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量,可保證土工格室所在結(jié)構(gòu)層發(fā)揮立體加筋效果,有助于提高新舊路堤的搭接穩(wěn)定性,降低新舊路堤的不均勻沉降。

由于加筋復(fù)合路堤分析中難以直觀看到筋材的參數(shù)改變對(duì)整個(gè)工程的穩(wěn)定性貢獻(xiàn),為了更加深入了解土工格室加筋的效果,設(shè)計(jì)用有限元分析軟件結(jié)合強(qiáng)度折減法（strengthreductionmethod,srm）對(duì)一個(gè)二級(jí)公路路堤進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.首先,對(duì)三維建模的不加筋路堤進(jìn)行srm計(jì)算,再用極限平衡方法驗(yàn)證,兩種方法得到的結(jié)論吻合.這表明更接近實(shí)際情況的三維路堤邊坡建模分析方法適合在復(fù)雜的加筋工況中使用.然后,用此方法分析了鋪設(shè)土工格室后的路堤穩(wěn)定性,通過(guò)改變土工格室的焊距、埋深、高度、鋪設(shè)層數(shù)來(lái)探究材料參數(shù)因素與邊坡安全系數(shù)之間的規(guī)律.結(jié)果表明,土工格室材料可以起到提高路堤整體穩(wěn)定性的作用,其中焊距較小、高度較高的土工格室的加筋效果較明顯;多層加筋的路堤被破壞時(shí)會(huì)形成多弧段的破裂面.

為探究荷載作用下軟土地基直接拼接拓寬路堤受力和變形特征,利用自行設(shè)計(jì)制造的模型試驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)改變軟土地基差異沉降、土工格柵加鋪層數(shù)對(duì)軟土地基高速公路直接拼接路堤進(jìn)行一系列模型試驗(yàn),研究各種工況下舊路與新拓寬路堤土中應(yīng)力變化。試驗(yàn)結(jié)果表明,拓寬路堤在荷載作用下新舊路各斷面土中豎向應(yīng)力隨著荷載的增大而增大,受路堤填土邊坡與下伏地基側(cè)向約束條件的影響,荷載作用下土中豎向應(yīng)力在填土路堤與地基內(nèi)沿深度方向呈現(xiàn)先減小、后增大、再減小的分布特征；軟土地基拓寬路堤差異沉降對(duì)新舊路結(jié)合部位土中豎向應(yīng)力影響較大,土中豎向應(yīng)力隨著差異沉降增大而增大；舊路范圍內(nèi)土中豎向應(yīng)力受差異沉降的影響不大；在拓寬路堤填土的頂部和底部各布設(shè)一層土工格柵加筋層時(shí)可明顯減小路堤土中豎向應(yīng)力和路堤沉降:相同荷載作用下對(duì)比無(wú)加筋路堤,鋪設(shè)2層土工格柵加筋路堤的頂面沉降最大可以減少62%,土工格柵加筋對(duì)軟土地基拓寬路堤沉降有較好的控制作用。

結(jié)合貴昆線k238段病害路基的整治,采用了砂土夯實(shí)樁與土工格室聯(lián)合作用的基床加固方案。對(duì)鋼軌中間、軌縫接頭不同斷面位置在列車(chē)重復(fù)荷載作用下的長(zhǎng)期累積變形進(jìn)行了觀測(cè)。測(cè)量數(shù)據(jù)表明,砂土夯實(shí)樁與土工格室聯(lián)合作用能夠改善基床的工作性能,減小累積下沉,用于既有線路的基床加固可取得較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

以新疆清水河至伊寧高速公路為依托工程,結(jié)合粉土物理力學(xué)特性,提出了采用土工格室對(duì)粉土地基進(jìn)行加固的方法。通過(guò)對(duì)土工格室加固粉土地基開(kāi)展地基承載力、室內(nèi)剪切、水分遷移等試驗(yàn)分析,論證了土工格室加固粉土地基的可行性,為新疆粉土地區(qū)公路設(shè)計(jì)提供了切實(shí)可行的技術(shù)依據(jù)。