无纺土工织物过滤黏土的反滤特性试验研究

在土工织物反滤排水工程中,织物滤层在应力、渗流实际工况下的反滤特性是保证工程安全的关键问题。为揭示无纺土工织物过滤黏土的反滤机制,采用自主研制的可施加法向压应力的梯度比渗透仪试验装置测定黏土−无纺土工织物滤层体系的渗透系数kT、各分层土的渗透系数kj、梯度比RG和试验前后土工织物试样的质量变化情况,研究在不同水力梯度、应力水平下无纺土工织物过滤黏土的反滤特性。结果表明：黏土−无纺土工织物滤层体系的渗透系数kT和梯度比RG随着时间的增加而减小,并最终趋于一个稳定值;增大水力梯度可以改善黏土−无纺土工织物滤层的透水性,增加应力水平会降低土工织物滤层的透水性且提高其保土性;渗流作用下,被保护土层表现为靠近无纺土工织物的底层土渗透系数最小,远离无纺土工织物的最上层土的渗透系数最大;堵塞系数与黏土−无纺土工织物滤层体系的渗透系数kT、梯度比RG存在内在的关系,在特定的应力−渗流作用下可能存在一个临界堵塞系数,大于该值时将造成无纺土工织物滤层的反滤失效。     

法向应力下土工织物过滤黏土淤堵试验研究

模拟实际工况,采用改进的可以施加竖向荷载的梯度比渗透仪完成了一系列土工织物过滤黏性土的梯度比试验。试验采用上海地区第④层黏性土和短纤针刺无纺土工织物,分别在临界水力梯度（1.0）和水力梯度为2.0下进行,并通过改变竖向荷载来研究土工织物反滤性能随水力梯度和法向应力的变化规律。研究结果表明:水力梯度和法向应力是影响土工织物淤堵特性和滤层透水能力的重要因素。随着竖向荷载的增加,土工织物过滤黏性土的梯度比有所增大,但其稳定时并未发生不容许的淤堵;在特定荷载下,渗透系数随时间减小,而后趋于稳定,稳定后的渗透系数随竖向荷载的增大而减小;水力梯度由1.0增大到2.0,也引起了土工织物-黏性土体系的梯度比增大,透水能力减弱。试验结果较好地反映了实际工况下土工织物滤层的反滤作用,可为类似工程设计提供参考。     

极限保土状态下的反滤机制试验研究

提出了反滤系统极限保土状态的概念,分别采用4种不同孔径的钢丝编织网进行粉土反滤试验,研究反滤系统的极限保土状态。试验表明,当滤网孔径O和粉土特征粒径d85的比值等于12时,反滤系统才达到极限保土状态。极限保土状态下的反滤系统,在淹没式出流条件下,经往复水流作用26 h后改为单向水流,水力梯度从3.8逐渐增加到9.1,并在9.1的水力梯度下持续渗透453.25 h,反滤系统仍保持稳定,未发生失稳破坏;在非淹没式出流条件下,水力梯度从5.3逐渐增加到12.7期间,反滤系统保持稳定,但在维持12.7的水力梯度下持续渗透261.83 h后,反滤系统发生失稳破坏。对极限保土状态的研究有助于工程设计中更加合理地确定织物滤层孔径上限,减少淤堵。     

无纺土工织物保土应用中的概率设计准则

保土准则是土工织物反滤准则的重要组成部分,但目前的设计准则保土有余,透水不足。介绍了无纺土工织物的两种孔洞分布曲线,计算了土颗粒透过织物的概率。在理论分析的基础上,提出了一种概率保土准则。该准则对土体中的骨架颗粒和小颗粒透过织物的概率分别加以限制,既能保持土体稳定,又能防止淤堵。     

压力下无纺织物部分堵塞的水力特性研究

对压力作用下的部分堵塞无纺织物进行了室内试验,表明有土颗粒进入的织物压缩性和渗透性都降低,提出织物滤层的等效孔径折减系数RF,并建议用于贴坡排水时RF 取1.5～2.5。织物无堵塞压力条件下,Giroud（1996年）提出的公式对织物渗透系数有满意的预测值。在压力作用下对比分析了部分堵塞织物Giroud法和等效孔隙率法的渗透系数预测值,也与实测渗透系数值进行了比较,表明提出的等效孔隙率法能较好地预测渗透系数。     

土工织物-非稳定土体反滤系统中滤饼的研究

在土-土工织物组成的反滤系统中,如果被保护土是非稳定土,则在渗流作用下被保护土中会有大量细粒土发生移动,很容易在织物与土层的交界面上形成一层薄滤饼,滤饼的厚度及渗透系数成为影响系统反滤效果的重要因素。根据多孔介质中的渗流与沉积理论,研究了在非稳定土体渗滤过程中,随着细粒土的迁移滤饼的厚度与织物厚度及渗透系数、外部压力等因素之间的关系,并给出了解析表达式。     

有纺土工织物加固软土地基可靠性分析

通过室内模型试验，研究了有纺土工织物加筋地基土的横向位移随深度的变化规律、加筋砂垫层的剪应力分布、加筋对地基承载力的影响，以及土工织物预应力处理后对控制地基土早期变形的作用等，还讨论了施工加质量对加固效果的影响，应用实例的成功表明，按研究成果要求实施工程处理是可行的。     

宽级配砂土基料-滤层系统的室内模型试验研究

基料一滤层利用数码可视化跟踪技术、计算机信息实时处理技术和土体变形无标点量测技术,对宽级配基料一滤层系统进行了渗透室内模型试验。探讨了滤层准则的适用性,研究了不同滤层厚度和加压速率对管涌发生发展的影响。结果表明：传统太沙基滤层准则不适用于宽级配砂土,建议采用可移动颗粒中的d85s进行滤层准则设计;增加滤层厚度可提高系统的抗渗透破坏能力,但提高滤层厚度对提高整个系统抵抗渗透能力作用不大;水力梯度增加较快不利于系统的稳定。     

黏性土固结不排水剪切的滑动损伤模型研究

在工程荷载范围内,不计骨架颗粒的变形,骨架的变形实际是颗粒接触面变形的总和。当剪应力达到某个临界值时,黏性土骨架中有一部分颗粒接触面开始滑动,随着剪应力的增大,出现滑动的颗粒接触面的取向范围也会扩大。将这种颗粒接触面的滑动视为一种损伤。在损伤阶段,黏性土骨架中既有未滑动的接触面,也有已滑动的接触面,宏观剪切模量是这两种接触面的剪切模量的加权平均。在 平面中,根据应力圆与颗粒起始滑动包络线的相对位置,计算出已出现了滑动的颗粒接触面的取向范围,并定义该取向范围与其所能达到的最大值（由破坏时的应力圆计算）之比为骨架的损伤比。按损伤比进行加权平均得到骨架的整体剪切模量。模型中的参数完全可以根据常规三轴试验确定,模型的形式简单,可适用于复杂的应力路径。对试验结果的拟合表明,该模型能较好地反映黏性土在固结不排水条件下剪切变形的主要特征。     

应用于压密注浆土钉的土工织物反滤性能试验研究

针对现有乳胶膜压密注浆土钉的潜在缺陷,提出了采用土工织物替代乳胶膜改进该土钉的新思路。基于自研的土工织物反滤性能测定装置,开展了一系列水泥浆液反滤试验,研究了水灰比、浆液体积和注浆压力对土工织物反滤性能的影响。并且,对反滤前后浆液成型的试块进行了强度试验。试验结果表明：随水灰比的增加,浆液最终滤出质量、反滤结束时间和质量流量都相应增加,但反滤结束时间的增量会逐渐减小;浆液体积的变化不会影响质量流量的变化,而反滤结束时间与浆液体积呈线性增加的关系;随注浆压力的增加,浆液质量流量逐渐增加。同时,土工织物撑开面积的增加率与注浆压力呈线性增加的关系;采用土工织物替代乳胶膜后,节泡内浆液水灰比明显减小,强度得到显著提高。研究能为土工织物改进新型压密注浆土钉的应用奠定基础。     

防波堤土工织物加筋地基离心模型试验及数值模拟

以黄骅港北防波堤工程为依托,对土工织物加筋软粘土地基及斜坡式防波堤体系的固结过程进行了离心模型试验和有限元数值模拟,通过分析地基土体固结过程中防波堤-加筋垫层-基体系的位移场和应力场的发展及织物拉应力分布和发展,验证离心试验及数值模拟方法的合理性,并得出以下几点主要结论:(1)土工织物加筋垫层的作用机理为其抗拉性限制自身横向变形,通过与附近土体的摩擦作用限制其侧向变形;(2)加筋减小防波堤-垫层-地基体系的高应力水平区,避免堤身与地基高应力水平区域的连通,增强系统稳定性;(3)在离心试验采用的分层地基的条件下,加筋减小了浅层软基和堤身的侧向位移量,对系统总位移有抑制作用;(4)试验中织物替代材料的极限拉伸强度发挥程度较低,其与砂垫层间摩擦强度的发挥水平约为23.8％。     

A bounding surface model for saturated and unsaturated soil-structure interfaces

In many geotechnical systems, such as reinforced slopes and embankments, soil-structure interfaces are often unsaturated. Shear behaviour of unsaturated interfaces is strongly dependent on their matric suctions, as revealed by the results of extensive laboratory tests. So far, constitutive models for unsaturated interfaces are very limited in the literature. This paper reports a new bounding surface model for saturated and unsaturated interfaces. New formulations were developed to incorporate suction effects on the flow rule and plastic modulus. To examine the capability of the proposed model, it was applied to simulate suction- and stress-controlled direct shear tests on unsaturated soil–cement, soil–steel and soil–geotextile interfaces. Measured and computed results are well matched, demonstrating that the proposed model can well capture key features of the shear behaviour of unsaturated interfaces, including suction-dependent dilatancy, stress–strain relation and peak and critical state shear strengths.     

Monotonic and cyclic modeling of interface between geotextile and gravelly soil

This paper describes a modified elasto‐plasticity damage model to capture monotonic and cyclic behavior of the interface between a geotextile and gravelly soil. New damage variable and shear strength criterion are introduced on the basis of test observations. The formulations of the modified model are obtained by extending those of the original interface model. The model parameters with physical meaning are easily determined from a group of cyclic shear tests and a confining compression test. The model predictions are compared with the results of a series of direct shear tests and large‐scale pullout tests. The comparison results demonstrate that the model accurately describes the monotonic and cyclic stress–strain relationship of the interface between a geotextile and gravelly soil while capturing new characteristics: (1) the strength that is nonlinearly dependent on the normal stress; (2) significant shear strain‐softening; (3) the comprehensive volumetric strain response with dependency on the shear direction; and (4) the evolution of behavior associated with the changes in the physical state that includes the geotextile damage. This model is used in a finite element analysis of pullout tests, indicating that the tensile modulus of a geotextile has a significant effect on the response of the geotextile–gravel system. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

土工织物加固软土路基的机理分析

采用非线性有限元方法对土工织物加固软土路基的效果和机理进行了探讨。对比计算表明，土工织物对软土路基的加固有明显的效果，可使路堤的安全性提高20％以上，使侧向位移减小15％～25％；土工织物对竖向沉降影响的大小则取决于路堤的宽度及土性参数；固结阶段的侧向位移会由于竖向沉降的大幅度发展而发生回缩，工程中需要采用较精密的仪器来探测这种回缩现象；仅铺设土工织物对路基体内孔隙水压力的发展影响不大，若要加快孔压的消散，可与塑料排水板联合使用；为了更好地发挥土工织物的加固效果，土工织物应尽量布置在高应力区域。分析后认为，传统的极限平衡分析方法很难合理地反映土工织物与土之间的变形协调关系，也较难正确地反映土工织物的受力状态及作用机理。     

土与土工织物接触面力学特性的试验研究

在大型土与结构接触面循环加载剪切仪上添加了拉拔试验模块,进行了大尺寸的粗粒土与土工布接触面的单调和往返剪切试验以及土工布拉拔试验。剪切试验结果表明,粗粒土与土工布接触面出现了一定程度的应变软化,相对法向位移的变化受法向应力影响很大,并表现出异向性。土工布拉拔试验结果表明,由于土与土工织物接触面的剪胀造成该类接触面的抗剪强度与法向应力不再是线性关系;将接触面剪切试验和拉拔试验方法结合起来是研究土与土工织物接触面力学特性较为全面和合理的手段。     

土工织物-砂土界面的叠环式剪切试验

针对土工合成材料界面特性试验易受试验装置影响的特点,采用大型叠环式剪切仪进行土工织物与砂土的界面剪切试验。对比砂土本身、土工织物与砂土的两种剪切试验结果发现,土工织物-砂土剪切引起的叠环位移较小;叠环的水平位移变化规律与土体的剪胀性具有密切联系,土工织物限制了下剪切盒内土颗粒的运动,对达到峰值强度时的土体剪胀也具有抑制作用。由试验结果可知,筋-土界面的剪切带远小于剪切的影响范围,土工织物在界面剪切中的作用不能仅通过剪切带反映,还应考虑土工织物的屏蔽作用和对于土体剪切带形成的影响。     

土工织物与塑料排水板联合处理软基的效果分析

基于平面应变条件下的Biot固结理论,采用非线性有限元方法对土工织物加筋与塑料板排水联合使用处理软土路基的效果和机制进行了探讨。对比计算表明：在相同固结时间内加设排水板后路堤的竖向沉降大于无排水板情况下的相应值,路堤坡趾处的隆起变小,路堤的侧向位移也变小。塑料排水板极大地缩短了孔压的消散时间,加快了软土的固结进程,使软土地基的承载力得到较快的提高,从而提高了路堤的稳定性。加设排水板后筋材所分担的抗拉力也比无排水板情况下的抗拉力低。为了更好地发挥土工织物的加固效果,土工织物应尽量布置在高应力区域。加设排水板可以缩短路堤各固结阶段的静置时间而达到优化设计。     

土工袋减振隔振机制分析及试验研究

设置于地基中的土工袋不仅可以提高地基承载力,而且具有减振隔振效果。通过水平循环剪切试验研究了土工袋的动力特性,验证了土工袋具有可变的水平刚度和较大的阻尼比,表明土工袋是一种良好的基础减振隔振材料。土工袋的等效阻尼比随着竖向压力的增大而减小,随着最大剪应变的增大而增大。同时,采用离散单元法进行了土工袋在动力荷载作用下的数值模拟计算,土颗粒间采用弹簧-阻尼器接触模型;而土工袋被看成具有张力的小颗粒薄层,这些小颗粒间的接触与袋内土颗粒间的接触模型相同,但仅设置法向的接触而无切向接触,且只受拉不受压。结果表明,土工袋的减振消能效果主要来自于袋内材料的摩擦耗能、黏滞耗能以及袋子张力引起的耗能。另外,还进行了土工袋沟槽的原位振动测试,验证了土工袋的减振隔振效果。