强度折减法在加筋土高边坡稳定分析中的应用

在边坡稳定性分析中,极限平衡法和强度折减法得到广泛应用。相比极限平衡法,强度折减法不但可以得到边坡的安全系数,而且可以得到土体塑性应变区及应力位移等结果,但对加筋土的计算则产生较大误差。分析了加筋土加筋机理,根据等效应力法将加筋土体视为一个整体,以新的黏聚力来取代原土体黏聚力,从而实现强度折减。以山西某填土高边坡为例,利用极限平衡法计算的结果去调整加筋土的等效黏聚力,对不同高度的边坡计算得到的等效黏聚力进行对比分析,发现边坡高度会对黏聚力增量产生影响,边坡越高粘聚力增量越大。有限元结果可以用来优化边坡设计,同时为加筋土的研究提供一种手段。     

加筋均质边坡稳定影响因素的敏感性研究

采用正交分析表设计单指标多因素试验,通过荷兰法和瑞典法计算加筋边坡的稳定安全系数。结合20 m高土工格栅加筋边坡算例,分析了各因素对加筋边坡稳定影响的敏感性,按其大小依次为：粘聚力、内摩檫角、地震作用、重度、筋层数、筋材抗拉强度、坡比、筋层间距、地面超载和地下水位。重点讨论了加筋对边坡稳定的影响,并认为在边坡工程中,如果条件许可应优先采用粘聚力高、内摩檫角大的填料,需要加筋时,在总加筋力相等的前提下,铺设多层强度适中的格栅比少量高强度格栅的加筋效果好。     

土工织物与吹填土界面作用特性试验研究

筋-土界面强度参数是加筋结构设计和稳定分析的关键技术指标。拉拔试验能较好模拟现场加筋行为而得到广泛的应用。基于拉拔和直剪试验研究了拉拔（剪切）速率对筋-土界面特性和吹填砂强度特性的影响规律及机制,同时探讨了不同填料界面、筋材类型的加筋效果。结果表明：随着拉拔（剪切）速率的增大,吹填砂-筋材-吹填砂界面的抗剪强度下降明显,而软土-筋材-吹填砂界面以及砂本身强度则变化不大。从强度指标来看,拉拔速率增大,筋-砂界面强度的降低主要表现为似黏聚力的降低,筋-软土界面抗剪强度的增加表现为内摩擦角增大,剪切速率对吹填砂则基本无影响。筋-土界面特性受拉拔速率和正应力的共同影响,与筋材类型和填料特性有关。筋-土界面内摩擦角小于填料摩擦角,但在一定正应力下低速剪切时（如<0.53 mm/min）可获得高于填料的抗剪强度。宜根据似黏聚力大小合理选择摩擦参数进行加筋结构的设计与评价。     

H-V加筋饱和砂土性状的三轴试验研究

进行了H-V（水平-竖向）加筋饱和砂土固结不排水三轴试验。加筋材料采用镀锌铁皮和有机玻璃两种不同材料,在不同竖筋高度、不同围压下共进行了44组试验,研究了加筋饱和砂土的应力-应变关系、孔压-应变关系、强度特性及破坏形态,探讨了不同加筋高度、不同围压及不同筋材对加筋饱和砂土强度的影响,同时比较了立体加筋与土工格室加筋的异同,对饱和紧砂的空化现象及其影响进行了分析。试验结果表明,相对于无筋土及传统的水平加筋土而言,其抗剪强度均有大幅度提高;尤其是镀锌铁皮加筋,不仅提高了饱和砂土的有效黏聚力,也提高了有效内摩擦角,同时改善了砂土的延性。     

考虑强度各向异性的边坡稳定有限元分析

天然沉积的土层总是表现出一定程度的强度各向异性,但现有的边坡稳定有限元分析极少考虑各向异性的影响。对大型有限元软件ABAQUS进行二次开发,使其能够考虑土体黏聚力随大主应力方向的变化,动态更新增量迭代求解过程中边坡不同位置处的抗剪强度,进而提出具备安全系数自动搜索功能的各向异性边坡稳定分析方法。计算结果表明,均匀边坡的有限元解与极限分析上限解相差很小。如果采用土体固结方向的黏聚力并按各向同性评价缓坡的稳定性,可能严重高估安全系数,尤其是在黏聚力较高的情况下。与极限分析不同,建立的强度更新有限元模型能够分析成层边坡的稳定性。     

网格状带齿加筋体界面特性的宏细观力学机制研究

网格状带齿加筋是一种新型的土工加筋技术,汲取了传统网格状与条带式带齿加筋的优点,其筋土界面特性是加筋结构设计的基础。利用室内拉拔试验从宏观角度分析筋材与土的界面特性,结合颗粒流程序,筋材用平行黏结模拟,从细观角度分析筋土接触界面的产生和发展演化规律。数值结果表明：齿筋的存在对界面处颗粒的移动及剪切带的宽度影响显著,其破坏模式呈现波浪型,在齿筋附近出现应力集中现象。筋土界面处筋材与土颗粒摩擦、咬合和阻抗作用提供“似黏聚力”是改变网格状带齿加筋体系作用机制的内在原因。研究成果对于明确网格状带齿加筋拉拔的机制及模型的建立都具有意义。     

多级支护边坡屈服加速度及因素敏感性分析

基于拟静力法,结合塑性极限分析上限定理和强度折减技术,推导了桩板式挡墙与二级锚杆挡墙支护高边坡地震作用下的水平屈服加速度系数的上限解,分别计算了多级支护结构总高度、边坡平台宽度、土的抗剪强度折减系数、桩板墙桩侧土压力分布经验系数、锚杆挡墙倾角、锚杆轴力及倾角等因素下,多级支护边坡的水平屈服加速度系数的临界极限值。根据正交分析法,给出了地震条件下基覆边坡水平屈服加速度系数影响因素的敏感性顺序。研究表明,多级支挡结构高度和锚杆轴力敏感性较大,而锚杆倾角、桩侧土压力分布经验系数和边坡平台宽度的敏感性较小。锚杆倾角、锚杆挡墙倾角、边坡平台宽度、桩板墙抗力及桩侧土压力分布形式的选择等,对水平屈服加速度系数的影响较小。土的抗剪强度参数中,黏聚力对水平屈服加速度系数的影响较小,而内摩擦角的影响较大。     

考虑筋材蠕变特性的加筋土流变模型

把加筋土体的分析看成黏弹性阶段和黏弹塑性两个阶段。考虑筋材的蠕变特性,给出了黏弹性阶段加筋体的弹性应变、筋材的应力和土体的水平微观应力。由方程可知,随着时间的增长,筋材发生按负指数衰减的应力松弛,筋材的应力降低、应变增加。给出了塑性阶段开始到达的时间和变形,在黏弹塑性阶段,加筋体中应力保持恒定,整个应变由于蠕变的发生逐渐增加。由此可针对具体的工程例子分析加筋土体的应力和变形情况,尽量减轻由于加筋土体强度、稳定性降低、变形增加造成的严重后果。     

加筋土边坡的破坏形式

了解加筋土边坡的破坏形式有助于加筋土边坡的设计和施工监测。对不同形式的加筋土边坡进行离心模型试验,绘制了边坡的破坏形式。试验结果表明:加筋土边坡能够保持较好的整体性,一般不会像未加筋边坡那样突然坍塌; 坡面附近土体内部可能先于坡顶产生裂缝,因此在实际工程中观察到显著的坡顶裂缝后,应当意识到在坡面附近的坡体内部也可能产生了裂缝。一般情况下筋材模量越大加筋效果越好,但在筋材和土接触面强度一定的情况下,筋材模量增大到一定程度后继续增大筋材模量是没有太大意义的。     

麦秸秆布筋区域与截面形状下的加筋土抗剪强度

以防腐后的麦秸秆和石灰加筋固化滨海盐渍土,解决由盐渍土的盐胀和溶陷引起的低强度和大变形问题。将布筋区域设计为上半部、中部、下半部、上部1/3与下部1/3处分别布筋,共5种布筋区域;将麦秸秆切割成圆管状、半圆管状、1/4圆管状、圆管碾压后的随机形状,共4种加筋横截面形状。加筋盐渍土和加筋石灰盐渍土的三轴UU抗剪强度表明,适宜的布筋区域均为下半部,适宜的加筋横截面形状均为1/4圆管状。麦秸秆的布筋区域和加筋横截面形状对加筋盐渍土和加筋石灰土的抗剪强度均具有明显影响。加筋可有效地提高黏聚力,但对内摩擦角影响较小。麦秸秆适宜作加筋材料,5种布筋区域和4种麦秸秆截面形状的加筋条件下,均可提高滨海盐渍土的抗剪强度和抗变形性能。     

边坡稳定分析中加速度临界滑动面研究

采用最大加速度也可以评价边坡的安全性。当黏聚力在土的抗剪强度中所占比重较小时,加速度与稳定系数的相关性较好。本文进一步比较加速度临界滑动面与稳定系数临界滑动面的关系,发现对于坡角α≥45°的简单边坡,在ξ < 0.1时,加速度临界滑动面与稳定系数临界滑动面是比较接近的。对于加筋土边坡,在筋材较短时,稳定系数较小的区域分布在筋材末端位置;筋材长度较长时,其位置和区域随着筋材长度的增加不再发生明显变化。但加速度较大的区域几乎都分布在筋材末端。相关机理还需要进一步研究。     

加筋陡坡临界高度的影响因素敏感性研究

基于塑性极限分析的上限定理,利用自编程序,分别计算了不同坡脚、顶面倾角、内摩擦角、黏聚力、筋带抗拉强度、加筋间距、格栅布置方式、填土重度、地震烈度、顶部荷载共10种影响因素作用下加筋陡坡的临界极限高度。根据正交分析方法给出了各个因素的敏感性顺序。结果显示,土的内摩擦角和地震作用对陡坡临界高度的影响最为显著,黏聚力敏感性则较缓坡有所下降。因此,对陡坡应重视对土的内摩擦角的选取,并在设计中对地震作用予以重视。     

棕榈加筋上海黏土强度特性试验研究

采用棕榈作为加筋材料对上海黏土进行直剪慢剪试验,通过改变筋材的加筋率及尺寸研究棕榈对上海黏土强度特性的影响。试验表明,（1）与素土相比,加筋土的抗剪强度和黏聚力明显提高,但内摩擦角的变化较小;（2）加筋土的最优加筋率为0.6%;（3）棕榈尺寸为6 mm×12 mm的抗剪强度优于6 mm×6 mm和6 mm×18 mm的抗剪强度;（4）垂直压力为100 kPa时,应力-应变曲线呈应变软化型,随着垂直压力的增加,应力-应变曲线呈应变硬化型;（5）与素土相比,加筋土残余强度降低幅度减小,土体的抗变形能力提高,同时分析了加筋的抗剪强度作用机制,阐述了棕榈加筋材料在黏土中的作用,棕榈可作为加固上海黏土的一种有效方法。     

筋土界面特性宏细观分析试验仪器研制与应用

为了更全面地分析筋土界面相互作用特性,改制了一台可视加筋土界面特性宏细观分析的试验仪器,可开展不同土工合成材料与填料的直剪和拉拔试验;该仪器改进了试验箱的尺寸,可方便两种试验的对比分析,增加了图像摄录系统,可进行试验过程的细观分析。使用新研制仪器分别进行了土工合成材料（土工格栅和土工布）加筋尾矿砂的直剪和拉拔试验,试验结果表明:两种试验条件下,土工格栅与尾矿的界面参数（似黏聚力和似摩擦角）及似摩擦系数均比土工布与尾矿的界面参数和似摩擦系数大;直剪试验下筋材网孔的有无对筋-尾矿界面参数均有较大影响,拉拔试验下筋材网孔有无对筋-尾矿界面参数似黏聚力的影响较为显著,对似摩擦角的影响较小。随着宏观变量法向应力的增加,细观参数孔隙率减小,平均接触数增加,反映在宏观上的现象就是填料颗粒被压密,筋材需要克服的阻力增大。该试验仪器能够较好地分析筋土界面宏细观特性,获得关键技术指标以用于加筋结构的设计。      

草根加筋土的室内三轴试验研究

用室内三轴试验方法研究了草根加筋土的应力-应变及强度特性,探讨了在不同加筋情况下草根加筋土抗剪强度指标的变化规律,分析了素土和草根加筋土的变形破坏模式以及筋材在土体剪切过程中的阻抗机理。试验结果表明：（1）草根加筋土的强度和抵抗变形的能力较素土有显著的增强;（2）对于抗剪强度指标,与素土相比草根加筋土的内摩擦角变化较小（相对变化率绝对值在11 %以内）,但黏聚力增长较大（最大可达9倍）;（3）在草根加筋层数一定的情况下,随着加筋量的增加,草根加筋土的主应力差值、抗剪强度值以及黏聚力值呈现先增加后降低的趋势,亦即加筋层数相同时存在最佳含根量。本研究结果对于深入认识植被护坡机理和合理选择植被密度具有指导意义。     

横-竖立体加筋地基中附加应力的分析计算

建立了横-竖立体加筋（H-V筋）地基的有限元模型,通过分析地基中的竖向应力分布、水平向位移分布以及筋-土界面相互作用,发现横-竖立体加筋地基中的竖向应力在筋材下方出现扩散和重分布,并逐渐向土体下部传递,使得土体中整体的应力分布更加均匀;同时,横-竖筋材中的竖筋类似于一个侧壁,其提供的垂直侧向力约束了介于竖筋间的土体,限制了土体的侧向水平位移,使得地基中筋材上部土体的侧向水平位移变小。基于有限元模拟对横-竖立体加筋地基加固机制的认识,将横-竖立体筋视为作用在地基上的一维弹性地基梁,通过弹性地基梁理论,根据弗拉曼解推导求解了横-竖立体加筋地基中任意一点竖向附加应力的计算表达式。将模型计算结果与有限元模拟所得结果进行对比发现两者吻合良好。     

土工格栅路堤加筋效果的影响因素分析

土工格栅作为一种新型的土工合成材料,由于具有高强度、低延伸率等特点而被选作主要的路堤加筋材料,在路堤中适当位置加入土工格栅能有效地减少路堤的沉降和侧向变形。本文采用通用非线性有限元程序ABAQUS分析了加筋前后的路堤底部的竖向位移、堤址点垂线下地基深度的水平位移和地表的水平位移,计算中采用D rucker-Prager模型和C lay p las-tic ity模型模拟土体的非线性,土工格栅采用一维杆单元来模拟。通过对加筋层数、筋材模量、软基模量、填土高度和软土层厚度等影响加筋效果的因素进行对比分析,从计算结果分析可知,路堤加筋虽然对软土地基的竖向位移影响不大,但加筋能有效抑制侧向位移的发展,这样增大了路堤边坡的稳定性,分析结果与大多数实际工程的实测资料相吻合。     

加筋路堤临界高度上限分析

依据加筋理论,假定加筋路堤边坡的破裂面为对数螺旋面,运用极限分析的上限原理推导加筋路堤临界高度的上限解。在不计加筋力时,该解与无筋路堤的临界高度一致。结合算例,得出加筋能提高路堤临界高度的结论。     

无加筋、加筋砂土蠕变特征的有限元分析

根据分级加载条件下的蠕变试验,分析研究了无加筋砂土和土工格栅加筋砂土的蠕变特征,发现蠕变变形与分级加载时的应力水平、初始蠕变应变速率有很大关系,且蠕变后以恒定应变速率重新加载时呈现出刚度很大、近似弹性的行为。针对无加筋砂土和土工格栅加筋砂土提出一种弹黏塑性有限元计算方法。有限元计算过程中,砂土和土工格栅均采用统一的3要素弹黏塑性本构模型。该方法能够对含多个蠕变段的恒定应变速率加载全过程进行模拟。通过试验结果与有限元计算结果的比较,表明所提出的弹黏塑性有限元计算方法能较好地模拟无加筋砂土和土工格栅加筋砂土的蠕变特征,特别是蠕变后重新加载时的刚度很大、近似弹性的行为。     

土工格栅加筋橡胶砂强度特性试验研究

橡胶砂作为轻质、耗能填料在土木工程中有广泛的应用前景,但其强度往往会随橡胶含量的增大而降低。土工格栅常用于对散体材料的加筋补强,研究土工格栅对橡胶砂强度特性的加筋效应具有重要意义。基于三轴压缩试验,对3种不同格栅布置方式（1、2、3层）下的干燥橡胶砂强度特性展开研究,重点考察加筋层数对不同围压（50、100、200 kPa）下、不同配比（0%、10%、20%、30%、40%）橡胶砂的强度参数,如峰值强度、似黏聚力、内摩擦角的影响规律。结果表明：土工格栅加筋橡胶砂的强度参数,包括峰值强度、似黏聚力、内摩擦角,相对于未加筋橡胶砂均有明显提高,提高幅度随土工格栅加筋层数的增加而增大,随着围压的降低而增大;土工格栅对配比为20%橡胶砂的强度加筋效应最为明显;土工格栅加筋橡胶砂的强度参数恢复系数与加筋密度之间呈良好的线性关系;土工格栅加筋橡胶砂的强度特性可由试验所得的经验恢复函数较好地估计。