土工格栅流变特性及格栅加筋挡土墙长期工作性能研究

论文摘要

作为天然的地质材料,土具有很低或者几乎没有抗拉强度。因此为了提高土体承受侧向荷载的能力,如同在混凝土中置入一定数量的钢筋形成钢筋混凝土、从而提高了这种复合材料的抗拉性能一样,在土体内适当地加入或铺设一定数量的具有较好抗拉性能的加筋材料,形成加筋土工结构(Reinforced Earth Structures),依靠筋材与土体之间的摩擦和嵌锁咬合作用,可以传递拉应力并分担土体的应力,增加土体的变形模量,在一定程度上改善土体的强度和变形特性,达到加固土工构筑物与地基的目的。这种加筋材料一般以高分子聚合物等人工合成材料或钢筋为主,在岩土工程中统称为土工合成材料,主要抵抗拉力及其变形。土工合成材料可以分别用于加强土坡、加固软土地基,在支挡结构施工中铺设一定数量的土工合成材料形成土工加筋挡土墙,然而随着大量和大规模的工程建设,所面临的土质条件与地质条件的复杂程度不断加大,对软基工程、滑坡工程和防护工程及其治理工程的实际需求越来越迫切,由于在施工效率、工程安全性和经济性等方面比其他技术措施往往表现出更好的特性及适用性,土工合成材料技术及土工加筋技术在软基加固工程、堤防工程、高速公路工程、铁道工程等大量的工程实践中得到日益广泛的应用,无论在数量上还是规模上都是史无前例的。尽管如此,目前关于土工加筋结构的工作机理尚未得到清楚的认识,设计理论与方法还远远落后于工程实践,缺乏严密的分析理论与计算方法。另外,作为高分子聚合物的合成材料,各种土工合成材料在一定的环境温度条件下和在拉力的长期作用下往往表现出比较明显的蠕变特性粘性效应。然而考虑加筋材料的蠕变特性,土工加筋结构的长期变形特性及其工作机理更缺乏系统而深入的探讨。为此,本文分别以土工格栅这种土工合成材料和格栅加筋挡土墙这种土工加筋结构作为研究对象,通过实验室内的蠕变试验探讨了土工格栅的蠕变特性及其非线性粘弹性本构模型,同时考虑格栅的蠕变特性和填土的流变特性及土与格栅之间的相互作用效应,通过有限元数值分析与计算探讨了土工格栅加筋挡土墙的长期工作性能及其各种影响因素,为加筋挡土墙长期工作性能评价与工程设计提供了重要参考依据。具体地,论文的主要研究内容及所取得的研究成果包括下列方面: 1.土工格栅均布加筋边坡稳定性的上限极限分析。运用塑性极限平衡原理,基于极限分析上限定理,针对土工格栅均布加筋边坡建立了稳定性分析的上限解法,由此确定了格栅加筋边坡临界高度及稳定数的上限,并与无加筋条件下边坡的计算结果进行了对比分析,进而基于变动参数对比计算探讨了格栅加筋边坡坡角、顶面倾角、土的内摩擦角及格栅抗拉强度对加筋土坡稳定性的影响。在此基础上,进一步地采用等效粘结力考虑由于筋材加筋而引起的土体局部强度的增强

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 土工合成材料（Geosynthetics）概况
• 1.2.1土工合成材料的分类
• 1.2.2 土工合成材料在工程中的应用
• 1.2.3 土工格栅的工程特性
• 1.2.3.1 土工格栅的构造特征
• 1.2.3.2 土工格栅的蠕变特性
• 1.2.3.3 土工格栅的强度特性
• 1.3 关于土工格栅（Geogrids）本构模型的研究
• 1.4 关于土工合成材料加筋结构计算方法分析的研究
• 1.4.1 土工格栅加筋结构稳定分析的极限平衡法
• 1.4.2 土工格栅加筋结构变形与应力的有限元分析
• 1.4.2.1 加筋土体等效宏观上均匀的复合材料
• 1.4.2.2 土一筋材分离式的有限元分析法
• 1.4.2.3 等效附加应力法
• 1.5 本文的研究目的
• 1.6 本文主要内容及技术路线
• 1.6.1 本文的主要研究内容
• 1.6.2 研究采用的技术路线
• 第二章 土工格栅均布加筋边坡稳定性的塑限极限分析
• 2.1 引言
• 2.2 土工格栅均布加筋边坡塑性极限分析
• 2.2.1 极限分析上限定理及其解法
• 2.2.2 格栅加筋边坡自重做功功率
• 2.2.3 格栅加筋边坡内能耗散率
• 2.2.4 加筋边坡的极限高度
• 2.3 加筋边坡稳定性计算结果及其分析
• 2.3.1 加筋边坡与无加筋边坡的对比分析
• 2.3.2 加筋边坡几何特征参数对边坡稳定性的影响
• 2.3.2.1 边坡坡角对稳定数的影响
• 2.3.2.2 顶面倾角对稳定数的影响
• 2.3.3 土工格栅抗拉强度对稳定数的影响
• 2.4 考虑局部强度增加的加筋边坡塑性极限分析
• 2.4.1 加筋土体极限状态下的等效粘聚力
• 2.4.2 考虑似粘结力的加筋边坡塑性极限分析
• tlyH的影响'>2.4.2.1 边坡坡角对无量纲参数k_tlyH的影响
• 2.4.2.2 筋材长度L与边坡参数之间的相关性分析
• b对加筋长度的影响'>2.4.2.3 筋土粘结系数f_b对加筋长度的影响
• 2.4.2.4 加筋层数n对加筋长度L的影响
• 2.5 小结
• 第三章 考虑格栅蠕变性的筋土复合体应力计算方法及影响因素分析
• 3.1 土工格栅加筋理论概述
• 3.1.1 摩擦加筋理论
• 3.1.2 基于粘结力概念的Mohr-Coulomb破坏理论
• 3.1.3 加筋等效围压理论
• 3.2 考虑筋材蠕变性的加筋土应力计算
• 3.2.1 基本假定
• 3.2.2 格栅蠕变模型
• 3.2.3 筋材复合材料应力一应变关系
• 3.3 格栅加筋挡土墙复合体的应力分析
• 3.3.1 格栅沿长度方向的应力分布
• 3.3.2 格栅蠕变性对格栅应力影响比较分析
• 3.3.3 摩擦角对加筋复合体微观应力的影响
• 3.3.4 格栅层间距对加筋复合体微观应力的影响
• 3.3.5 加筋挡土墙中筋土复合单元应力状态分析
• 3.3.5.1 搁置条件对格栅应力松弛的影响
• 3.3.5.2 格栅蠕变性与土的变形和强度特性对筋土复合体应力的影响
• 3.4 小结
• 第四章 土工格栅流变特性的试验研究及其粘弹性本构模型
• 4.1 引言
• 4.2 土工格栅蠕变试验
• 4.2.1 试样尺寸及应变计算
• 4.2.2 试样夹持方法及载荷计算
• 4.2.3 试验环境
• 4.2.4 试验观测时间间隔
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 土工格栅的蠕变特性分析
• 4.3.2 土工格栅的等时曲线、松弛曲线及拉伸模量的变化
• 4.3.3 格栅长期蠕变强度和蠕交强度折减系数
• 4.4 格栅蠕变的双曲线粘弹性模型及其参数的试验研究
• 4.4.1 蠕变双曲线粘弹性模型
• 4.4.2 模型参数确定
• 4.4.3 双曲线模型参数对试验载载荷水平和环境温度的依赖性
• 4.5 土工格栅粘弹性本构模型及其参数的试验研究
• 4.5.1 模型参数的确定方法
• 4.5.2 建议的模型参数与环境温度的依赖性
• 4.5.3 建议的粘弹性本构模型试验验证
• 4.6 双曲线模型与建议的粘弹性模型的对比分析
• 4.7 小结
• 第五章 土工格栅加筋挡土墙的粘弹塑性有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 加筋挡土墙的施工力学问题
• 5.2.1 充填与面板变化所引起的力学效应
• 5.2.2 加筋挡土墙结构蠕变产生的力学效应
• 5.3 加筋挡土墙的粘弹塑性有限元分析
• 5.3.1 土体的粘弹塑性有限元分析
• 5.3.1.1 土体的本构模型
• 5.3.1.2 二维流变问题有限元解析的增量一迭代方法
• 5.3.1.3 有限元列式
• 5.3.2 土工格栅的本构关系和有限元分析
• 5.3.2.1 土工格栅的本构关系
• 5.3.2.2 土工格栅的粘弹性有限元分析
• 5.3.3 接触面单元本构关系和有限元分析
• 5.3.3.1 接触面的单元刚度矩阵
• 5.3.3.2 筋一土接触面单元的模量
• 5.3.4 面板单元和有限元分析
• 5.3.5 面板、格栅和填土间的细部单元划分
• 5.3.6 时间步长的选择和收敛准则
• 5.3.7 双重非线性有限元的计算方法
• 5.4 加筋挡土墙粘弹塑性有限元分析方法的数值实施
• 5.5 小结
• 第六章 加筋挡土墙粘弹塑性有限元方法的验证计算与对比分析
• 6.1 算例
• 6.1.1 Denver试验加筋挡土墙及其试验介绍
• 6.1.1.1 Denver试验挡土墙及试验过程
• 6.1.1.2 Denver试验加筋挡土墙中的加载过程
• 6.1.1.3 Denver试验加筋挡土墙中的加筋筋材
• 6.1.1.4 Denver试验加筋挡土墙中的回填粘性土的性质
• 6.1.2 有限元计算参数的确定与标定
• 6.1.2.1 筋材土工织物的模型参数确定
• 6.1.2.2 粘性土模型参数的确定
• 6.1.2.3 面板特性参数
• 6.1.2.4 接触界面特性参数
• 6.1.3 Denver试验挡土墙的有限元数值分析
• 6.1.3.1 试验墙有限元计算模型
• 6.1.3.2 有限元数值计算及结果对比分析
• 6.2 土工格栅加筋挡土墙的对比有限元数值分析
• 6.2.1 有限元计算模型
• 6.2.2 有限元计算参数
• 6.2.3 填筑过程对面板位移、格栅拉力及应变的影响
• 6.2.4 加筋长度和间距对加筋挡土墙变形特性的影响
• 6.2.5 面板最大水平位移、格栅最大水平拉力和格栅最大应变随时间的变化
• 6.2.6 格栅加筋对回填土的应力影响
• 6.2.7 填筑高度对基础表明沉降和地基应力分布的影响
• 6.2.8 填筑高度对地基水平位移和垂直沉降的影响分析
• 6.3 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所完成与发表的主要学术论文及所参加的科研项目
• 论文创新点摘要
• 致谢