土工格室加筋橡膠砂動力特性影響試驗

在沙漠地帶中,在路基材料缺乏的狀況下,利用土工格室與現(xiàn)場砂土可有效提高沙漠道路的承載力,并能達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與路基的設(shè)計要求。為了解土工格室于砂土路基的加筋行為,分別進(jìn)行了靜態(tài)承載板載重試驗與動態(tài)載重試驗,探討土工格室加筋后的承載能力與動態(tài)特性。與未加筋砂土比較,土工格室發(fā)揮良好之加筋效果,其能提高砂土的承載能力;于靜態(tài)承載試驗中,承載能力隨著土工格室高度增加而提升,并有效減少沉降量之產(chǎn)生。在動態(tài)試驗指出,土工格室加筋于砂土受動態(tài)反復(fù)作用下,增加土工格室高度,并不相對能提升加筋的承載成效。以動態(tài)載重試驗反應(yīng)公路的反復(fù)載重條件,對于沙漠公路設(shè)計使用土工格室加固路基時,得以選擇具有經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化方案。

拉拔試驗?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裝置來測試高填方路堤的現(xiàn)場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理。結(jié)合工程實例,對土工格室處治高填方路堤進(jìn)行現(xiàn)場試驗,分析格室在路堤橫斷面的受力特點以及格室的加筋性能。試驗結(jié)果表明:土工格室拉拔受力是一個漸進(jìn)式的過程,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,同時土工格室所在層位起到了擴散荷載的作用。

通過室內(nèi)小比例尺模型試驗,模擬了土工格室在路堤中相同邊坡坡比下,未加筋與加1層、2層筋,共計3種結(jié)構(gòu),在坡頂荷載作用下坡頂沉降和邊坡的變形規(guī)律。研究了土工格室加筋參數(shù)對路堤邊坡結(jié)構(gòu)性能的影響。試驗結(jié)果表明,加筋能大幅提高路堤的穩(wěn)定性和承載能力,并得出了土工格室埋在土中的力學(xué)特征,對工程實踐具有一定的指導(dǎo)意義。

土工格室坡面由于其獨特的結(jié)構(gòu)特性,其侵蝕過程與傳統(tǒng)坡面有較大差異.本文采用變坡試驗水槽,研究土工格室坡面在坡面流作用下的侵蝕規(guī)律.分析土工格室坡面流的流動特點及其與普通坡面流的差異,揭示了坡面侵蝕量隨坡度、流量、切應(yīng)力,以及繞流雷諾數(shù)的變化規(guī)律.結(jié)果表明,坡面侵蝕量遠(yuǎn)小于無格室的坡面;坡面累計侵蝕量和繞流雷諾數(shù)之間呈良好的對數(shù)函數(shù)正相關(guān)關(guān)系;平均侵蝕率與坡度、流量、切應(yīng)力之間均呈良好的冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系,且流量對坡面流侵蝕率的影響大于坡度,隨著流量的增大土工格室坡面流侵蝕能力的增率增大.

文章通過荷載板試驗對不同型號的土工格室粗砂結(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、焊距對土工格室結(jié)構(gòu)層作用效果的影響。

介紹土工格室這種新型材料,并比較土工格室和土工格柵及土工布的加筋機理,前者是三維的,而土工格柵和土工布是二維的(平面的),所以土工格室具有一定抗彎性,能分散上部結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力。

結(jié)合貴昆線k238段病害路基的整治,采用了砂土夯實樁與土工格室聯(lián)合作用的基床加固方案。對鋼軌中間、軌縫接頭不同斷面位置在列車重復(fù)荷載作用下的長期累積變形進(jìn)行了觀測。測量數(shù)據(jù)表明,砂土夯實樁與土工格室聯(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經(jīng)濟(jì)效益。

通過室內(nèi)試驗研究加筋粘性土的加筋效果,并分析含水率對加筋粘性土的抗剪強度指標(biāo)的影響,其結(jié)論為今后土工格柵加筋粘土在工程中的應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

為了研究路面荷載作用下土工格室加筋體的受力與變形機理,正確反映土工格室加筋體與地基之間的荷載傳遞模式,建立了考慮路基填料和地基土體剪切作用的土工格室加筋體簡化分析模型。路基填料和地基土層采用雙參數(shù)的pasternak模型,克服了傳統(tǒng)winkler地基模型無法考慮路基填料和地基中應(yīng)力擴散的缺點。土工格室加筋體簡化為埋置于地基中的有限長梁,以考慮其抗彎剛度的影響?；谔卣髦捣纸夥ㄇ蠼馔凉じ袷壹咏铙w變形微分控制方程,得到了準(zhǔn)解析的解,并可直接得到路面荷載作用下土工格室加筋體的彎矩和剪力分布。該文模型在土層剪切剛度趨于足夠小時,可退化到采用winkler地基時的土工加筋體分析模型。計算發(fā)現(xiàn)考慮土體的剪切特性對準(zhǔn)確分析土工格室加筋體的受力和變形十分重要;同時發(fā)現(xiàn)當(dāng)下臥地基較軟弱時,土工格室加筋體的加固作用更加明顯。

通過載荷試驗,模擬基礎(chǔ)受荷條件下的剪切破壞過程,了解不同類型格柵在增大荷載擴散角,提高承載力,減小地基變形等方面的效果。

采用自行研制的500mm×500mm×400mm(長×寬×高)大尺寸直剪儀,對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)行了試驗研究。通過大尺寸直剪試驗?zāi)M土工格室加筋土的剪切作用過程,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度指標(biāo)以及土工格室對土的抗剪強度增強機理,土工格室加筋土的黏聚力提高較大,內(nèi)摩擦角變化相對較小。通過對素土和摻入量為5%的水泥穩(wěn)定土進(jìn)行常規(guī)直剪試驗、大尺寸直剪試驗和三軸壓縮試驗對比分析,探討不同試驗方法對抗剪強度指標(biāo)的影響,得出3種試驗方法對應(yīng)的抗剪強度指標(biāo)及其相對大小;即素土的摩擦角大小依次為:三軸試驗小于大尺寸直剪試驗小于常規(guī)直剪試驗,素土的黏聚力大小依次為:大尺寸直剪試驗小于三軸試驗小于常規(guī)直剪試驗;水泥穩(wěn)定土的摩擦角大小為:三軸試驗小于大尺寸直剪試驗,黏聚力結(jié)果比較大小依次為:三軸試驗小于大尺寸直剪試驗。

應(yīng)用自行設(shè)計的拉伸裝置,選用黃土和砂兩種填料,并通過片材應(yīng)變值的測試,開展了土工格室結(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,焊點強度是其主要控制因素,且土工格室砂結(jié)構(gòu)層拉伸強度遠(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個階段。

為了解土工格室加筋新老路基拼接段的效果以降低差異沉降,應(yīng)用有限元程序建立了計算模型,分析了土工格室鋪設(shè)層位、模量、高度和鋪設(shè)寬度對新老路基拼接段差異沉降的影響。結(jié)果表明,加筋位置越靠近路基底部,降低路基差異沉降的效果越明顯;加筋層數(shù)多比加筋層數(shù)少效果明顯,加筋1層、3層時比不加筋時最大差異沉降分別降低了4.7%和8.4%;土工格室的模量越大、高度越大,降低路基沉降效果越明顯;對于文中試驗段,土工格室鋪設(shè)寬度為8.5m時效果最佳。

本文針對土工格室結(jié)構(gòu)層剪切性狀研究成果有限的現(xiàn)狀,通過大比尺模型試驗方法,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)層的平面剪切試驗與斜面剪切試驗相比,由于加筋體的直接參與,斜面剪切強度比平面剪切強度高的多;從提高的強度來說,主要體現(xiàn)在似粘聚力得到提高,內(nèi)摩擦角提高不大;不同型號的土工格室加筋以后,格室結(jié)構(gòu)層之間的抗剪強度提高幅度無明顯區(qū)別。

對土工格柵加筋黏性土進(jìn)行不固結(jié)不排水的動態(tài)三軸振動試驗。試驗結(jié)果表明,在黏性土中布置格柵筋材,在一定程度上能提高加筋土體的動抗剪強度;加筋層數(shù)越多,加筋土動強度越大;土工格柵加筋黏性土的加筋效果在高圍壓下能夠更好地發(fā)揮。加筋土動強度指標(biāo)提高體現(xiàn)在動黏聚力的增大上,而對動摩擦角幾乎沒有影響,循環(huán)荷載振動次數(shù)對動強度指標(biāo)影響很小;動應(yīng)力幅值對于周期荷載下加筋土的變形影響很大,在動應(yīng)力幅值大的周期荷載作用下變形增加很快,在較小的振動周次作用下就可使試樣破壞,相反,動應(yīng)力幅值低的試樣,則需要大的振動周次才能達(dá)到破壞應(yīng)變;加筋土體存在一臨界破壞動應(yīng)力,當(dāng)設(shè)置的動應(yīng)力振幅小于臨界值時,無論振動多少次,試樣都達(dá)不到破壞應(yīng)變;并且動應(yīng)力幅值過大時,剛開始振動試樣就破壞,破壞形式為瞬時破壞。

為了探明土工格室加筋土的補強機理,為其合理的工程設(shè)計和應(yīng)用提供理論上的依據(jù),通過三軸剪切試驗對土工格室加筋土的強度特性進(jìn)行了研究,并與筋材平鋪加筋土的強度特性作比較。試驗結(jié)果分析表明,用土工格室作為加筋材料,可以顯著提高土體的抗剪強度,且其抗剪強度高于筋材平鋪加筋土;加筋方式、加筋密度等對應(yīng)力—應(yīng)變曲線形狀影響較大;要使土工格室加筋土強度得以充分發(fā)揮,需要較大的應(yīng)變;在加筋率相同且格室平面尺寸也相同的條件下,土工格室高度較小的多層土工格室,其加筋土(復(fù)合體)的抗剪強度有所增大、整體性將會增強。

本文主要通過對格室片材拉伸以及焊縫處剪切試驗,對土上格室加筋地基結(jié)構(gòu)性能的究,證明了格事片材焊縫處剪切強度與片材本身強度相差無幾,但撕裂強度遠(yuǎn)小于其片材強度.因此,焊縫處撕裂強度為控制土工格室能否發(fā)揮其性能的主要指標(biāo),應(yīng)當(dāng)保證撕裂強度在滿足范圍之內(nèi).

該文對試驗裝置、試驗材料、試驗原理與操作進(jìn)行了詳細(xì)的描述,并對影響摩擦特性的幾個主要因素進(jìn)行了分析。

針對土工格室加筋體的受力變形特性,將格室體視為置于彈性地基上的梁,基于文克爾假定,建立考慮水平摩阻力影響的土工格室加筋體的撓曲變形微分方程,從而得到了土工格室加筋體在集中荷載和均布荷載共同作用下的撓曲變形冪級數(shù)半解析解。在此基礎(chǔ)上,分析了格室體長度、格室體剛度、地基反力系數(shù)及筋土界面水平摩阻力等因素對格室體撓曲變形及內(nèi)力的影響。結(jié)果表明,格室體的設(shè)置可有效地減小路基沉降,但也存在著尺寸效應(yīng);地基土體地基的反力系數(shù)對路基沉降有較大的影響,該系數(shù)越大路基沉降越小;筋土界面水平摩阻力對格室體的撓曲變形及彎矩有一定程度的削弱作用,在工程設(shè)計中值得考慮。

視土工格室加筋體為置于winkler彈性地基上的連續(xù)有限長梁,考慮荷載作用下格室體與其上下表面土體之間摩阻力影響,基于傳統(tǒng)的彈性地基梁理論,建立出相應(yīng)的格室加筋體撓曲變形控制微分方程。引入galerkin法,導(dǎo)出具有對稱荷載作用下格室加筋體的撓曲變形、轉(zhuǎn)角、剪力及彎矩的非線性解析解。進(jìn)而進(jìn)一步分析探討了格室體與土體之間的摩阻效應(yīng)對土工格室加筋體內(nèi)力及位移的影響。結(jié)果表明:水平摩阻效應(yīng)對土工格室加筋體內(nèi)力及位移有一定程度的影響。

在大型三軸儀上進(jìn)行了不同含水量情況下紅砂巖素土樣和不同加筋方式土工格柵加筋土的三軸不固結(jié)不排水剪切試驗,保證93%的壓實度,從而探討了土工格柵加筋紅砂巖的力學(xué)特性及變形特性,分析了土工格柵的加筋機理,為紅砂巖路基,特別是加筋紅砂巖路基提供設(shè)計和施工依據(jù)。試驗結(jié)果表明:素土和加筋紅砂巖土樣的強度均與含水量密切相關(guān)。其抗剪強度指標(biāo)隨含水量的變化規(guī)律大致相同。

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粉土地基進(jìn)行加固的方法。通過對土工格室加固粉土地基開展地基承載力、室內(nèi)剪切、水分遷移等試驗分析,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)計提供了切實可行的技術(shù)依據(jù)。