大应变特种电阻应变计在测试土工织物变形中的应用

本文主要介绍应用于土工织物拉应变参数的新型测试手段--大应变特种电阻应变计(简称大应变计)的研制和应用。较具体地介绍大应变计用于测试柔性材料--土工织物拉应变的各项可行性试验,实验室软基加固模型试验以及现场实测试验。通过上述试验以期找出应用大应变计测试土工织物拉应变的技术关键。     

土工膜应变计的研制及其应用(Ⅱ):应用

将研制的土工膜应变计应用于三峡工程二期上游围堰现场，以监测防渗土工膜在工程中产生的实际应变，并获得了满意的大应变监测成果。埋设于上游围堰不同高程的18支土工膜应变计，在较长时段内，不仅全部观测到防渗土工膜在施工阶段围堰填土碾压产生的应变规律，如0＋500断面的10支土工膜应变计均测得11％～19％的大应变值，而且大部份应变计一直工作到极限量程才损坏。其中除了0＋500断面因施工加载速率过快而导致防渗土工膜较早产生较大的变形，使得10支应变计在埋设后的施工填土3个多月内即陆续超量程损坏之外，其余的土工膜应变计工作寿命长达3年多。埋设于0＋500子堰和0＋930断面的土工膜应变计，在2000年和2001年夏季汛期中及汛期后，有些监测点的应变陡增到16％～20％之间，据此可以推测，此时该测点处的堰体产生了较大的变形。防渗土工膜的应变监测结果不仅与围堰构筑时的加载速率相关，并与围堰拆除时所发现的变形情况相吻合。     

土工膜应变计的研制及其应用(II):应用

将研制的土工膜应变计应用于三峡工程二期上游围堰现场,以监测防渗土工膜在工程中产生的实际应变,并获得了满意的大应变监测成果。埋设于上游围堰不同高程的18支土工膜应变计,在较长时段内,不仅全部观测到防渗土工膜在施工阶段围堰填土碾压产生的应变规律,如0 500断面的10支土工膜应变计均测得11%～19%的大应变值,而且大部份应变计一直工作到极限量程才损坏。其中除了0 500断面因施工加载速率过快而导致防渗土工膜较早产生较大的变形,使得10支应变计在埋设后的施工填土3个多月内即陆续超量程损坏之外,其余的土工膜应变计工作寿命长达3年多。埋设于0 500子堰和0 930断面的土工膜应变计,在2000年和2001年夏季汛期中及汛期后,有些监测点的应变陡增到16%～20%之间,据此可以推测,此时该测点处的堰体产生了较大的变形。防渗土工膜的应变监测结果不仅与围堰构筑时的加载速率相关,并与围堰拆除时所发现的变形情况相吻合。     

填埋场衬垫系统界面本构模型研究

典型垃圾填埋场衬垫系统由土/土工膜、土工膜/土工织物等多个界面组成,这些界面抗剪强度低,成为潜在的滑裂面,容易使填埋场发生沿界面的失稳破坏。本文根据大量土/土工膜界面直剪试验的研究,针对该界面的变形机理和应变软化特性,在前人研究的基础上确定了接触面的厚度,定义了接触面的切向应变和法向应变,将界面的变形分为3个阶段:弹性阶段,塑性阶段和残余阶段。同时提出了适合于土与土工膜界面的弹塑性本构模型。该本构模型参数较少,物理意义明确,运用简单方便。最后,结合Filz接触面直剪试验和钱学德单剪试验的结果,将通过该模型得到的拟合结果与之进行了对比验证分析。研究结果表明:本文提出的土与土工膜界面弹塑性本构模型是合理可行的,且建模方便,适用于工程实践。     

深厚覆盖层上复合土工膜防渗堆石坝筑坝特性研究

在扼要分析防渗土工膜主要力学特性的基础上,结合一在建的深厚覆盖层上复合土工膜防渗堆石坝,对其进行非线性结构分析,着重研究复合土工膜和防渗墙的受力变形特性,并对几种不同规格的复合土工膜进行选型分析,确定适合大坝选用的防渗复合土工膜。此外,对坝体和坝基材料参数变化对复合土工膜和防渗墙受力变形的影响进行了敏感性分析。研究表明,在现有可能不利条件下该坝复合土工膜和防渗墙的应力变形均在合理可控范围之内,大坝结构安全能够满足要求。     

土工合成材料与土工合成材料加筋砂土的相关特性

目前土工合成材料加筋的理论研究明显落后于工程实践。为了指导土工合成材料的优选和研究加筋机理,以5种国产土工合成材料为加筋材料,它们分别是针刺无纺土工织物、涤纶纤维经编土工格栅、玻璃纤维经编土工格栅、双向塑料拉伸土工格栅和土工网,系统进行三轴压缩试验以比较各种土工合成材料对砂土的加筋效果。试验结果表明：（1）各种土工合成材料加筋砂土的抗剪强度和应力应变特性不同;（2）无纺土工织物适合用于允许大变形的加筋土工程,涤纶纤维经编土工格栅和塑料拉伸土工格栅均适合用于对变形有较严格要求的加筋土工程,玻璃纤维经编土工格栅适合用于对变形有严格限制的加筋工程,设计时需要较大的安全系数,土工网适用低等级的加筋土工程;（3）砂土对各种土工合成材料侧向收缩的约束作用差异显著。     

泥皮存在时防渗墙与复合土工膜联接型式模型试验

防渗墙与复合土工膜联合作为防渗体系已广泛用于围堰工程,但变形不协调易导致联接部位处土工膜的破坏。通过某围堰工程复合土工膜与防渗墙联接部位离心模型试验,模拟防渗墙泥皮及其厚度、堰体填料的沉降变形等,研究不同联接方式时复合土工膜应变的变化规律。试验结果表明：当联接部位处土工膜水平铺设时,土工膜紧靠防渗墙的部位尤其是泥皮范围以内将产生较大应变,当防渗墙与周围堰体的差异变形达到一定量时,土工膜产生拉裂破坏;当土工膜先竖向抬高一段距离后再水平铺设,水平铺设段的土工膜应变明显减小,且随着与防渗墙的距离越远,土工膜应变越小。防渗墙泥皮的存在可有效缓解土工膜局部受力。     

围堰防渗墙与复合土工膜联接型式试验研究

防渗墙上接土工膜是围堰常用的防渗体系,两者变形是否协调是决定防渗成败的关键。以某围堰工程为例,通过围堰防渗体系中复合土工膜的受力分析和复合土工膜与砂砾料界面的直剪摩擦试验,研究了土工膜与填料之间的相互作用,提出了保证土工膜不被拉断应满足的条件。另外,通过离心模型试验监测复合土工膜在堰体与防渗墙变形过程中的应变,揭示了复合土工膜的受力性状和联接部位的破坏机制。结果表明,在一定上覆荷载作用下复合土工膜与堰体之间的摩阻力超过其所承受的拉伸力,导致预留伸缩节不能发挥作用;复合土工膜下部风化砂的固结变形使之与刚性防渗墙之间产生较大的差异沉降以及防渗墙与上游堰体的水平脱离,两种变形不协调均可导致与防渗墙联接部位的土工膜因受拉而破坏,在该基础上提出了改进的土工膜与防渗墙的联接型式和铺设方法。试验成果为指导围堰防渗体系的分析和设计提供了可靠的依据。     

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。     

边坡变形的分布式光纤监测模拟试验研究

布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)作为一项新型光电传感监测技术,因其具有良好的抗干扰、长距离、可植入性和分布式监测的特点而被广泛应用于结构工程健康监测中。而直接将光纤布设在土体中则存在变形协调性差、易折断及空间定位难等问题。本次研究通过室内小比例尺模型试验,分别将光纤植入土工布和土工格栅等柔性复合材料中并一起铺设在边坡模型不同深度处,利用BOTDR监测边坡在外荷作用下的变形特征。试验结果表明,布设在土工格栅中的光纤稳定性最好;土工布中的光纤变形协调性和敏感性优于土工格栅;通过合理布置光纤能够对异常应变进行较为准确的识别和定位。试验初步验证了该方法应用于土质边坡变形监测的可行性。     

土工膜与土界面剪切特性细观研究

填埋场衬垫系统中,土与土工膜界面剪切强度较低,易造成失稳破坏。目前国内外学者主要采用室内试验对土与土工膜界面的宏观剪切特性进行研究,而对界面剪切特性的细观研究较少。为了从细观角度研究土与土工膜界面的剪切特性,本文采用EsyS-particle程序对土工膜与土界面直剪试验进行了离散元数值模拟分析。采用摩擦接触模型模拟砂土;采用黏结模型颗粒模拟土工膜,通过紧密排列土工膜颗粒以模拟土工膜的光滑表面。通过室内拟合试验,选取和校准材料的细观参数。分析结果表明,离散元模型能较好的模拟界面应力-应变关系;剪切带的厚度约为两倍平均土颗粒直径;剪切带中的土颗粒发生较大位移,孔隙比增大,而剪切带之外的土颗粒位移和孔隙比变化较小;随着剪切位移的增加,颗粒间接触力逐渐向左端集中,力链方向由垂直逐渐倾斜。     

三峡工程永久船闸高边坡岩体卸荷松弛特征研究

三峡工程永久船闸高边坡岩体卸荷松弛特征明显,采用地质调查、钻孔声波测试、内外部变形监测、现场变形试验、钻孔芯样力学试验、压水试验、孔壁录像、钻孔弹模测试等手段进行综合研究,结果表明,边坡岩体可划分为强、弱、微三个卸荷带,强、弱卸荷带岩体力学性质有明显弱化,微卸荷岩体力学性质无明显变化。在卸荷带内未产生新的结构面,但卸荷引起了结构面的进一步扩展和张开。岩体变形是结构面张开和岩块变形的综合反映,主要受开挖卸荷影响,锚索对于限制结构面张开作用明显。     

土工织物加筋柔性台背路堤非线性计算与评价

近年来，加筋土结构的柔性桥台开始应用于工程实践，这种结构有可能在根本上防止桥头跳车的产生。为了研究这一特殊路堤结构的数值模拟计算方法，本文在考虑土的固结和土体的非线性应力应变关系的基础上，利用非线性有限元数值方法对土工织物加筋柔性台背路堤的受力性状和破坏机理进行了分析。分析结果表明，将铺有土工合成材料的桥台路堤看作由土体、土工合成材料、土体-土工合成材料界面组成的独立的平面应变三层连续体系，进行数值计算是行之有效的。计算结果显示，土工织物加筋可以有效减少桥台路堤50％的均匀沉降和66％的非均匀沉降，并能增加台背路堤的稳定性。现场监测表明，本文采用的数值模拟方法与实际工程具有一致性。     

土工格栅加筋土地基平板载荷试验研究

在近年来的岩土工程实践中,土工合成材料加筋土技术得到越来越广泛的应用。采用平板载荷板试验方法,进行了多组加筋砂土地基模型试验,监测和分析了不同加筋材料（双向格栅与四向格栅）和加筋层数对土工格栅加筋土地基承载特性的影响。研究结果表明：土工格栅加筋土地基与无筋地基相比,承载性能得到改善,双层加筋明显优于单层加筋;土工格栅加筋限制了浅层地基的侧向变形,相同荷载下地基沉降减小,可恢复变形增大;模型试验中测得加筋材料应变和拉力很小,与土工格栅强度相比,拉伸模量对加筋土地基承载力的贡献更大。     

加肋土工膜与砂土界面特性研究

高密度聚乙烯（high-density polyethylene,简称HDPE）土工膜与土之间的抗剪强度较低是填埋场沿底部衬垫失稳的一个重要的原因。尽管糙面土工膜与黏土之间的摩擦系数较大,但随着应力积累,糙面土工膜很容易被拉裂,或者由于表面的颗粒被磨掉而使界面摩擦性能降低。在传统土工膜的基础上,提出了一种非满布单层加肋土工膜,并进行大量的界面直剪试验,研究在不同正应力和加肋间距下土工膜与砂土之间的界面特性、强度特性。试验结果表明,条状土工膜提高的是黏聚力,其内摩擦角有所下降,而块状土工膜黏聚力和内摩擦角都有很大程度的提高;随着加肋间距的减小,黏聚力逐渐的增大,而内摩擦角超过一定值后,又随着加肋间距的增加逐渐减小,这说明加肋间距存在一个最优值。加肋土工膜相比于光面土工膜、糙面土工膜,在提高界面抗剪强度的同时,依旧保持其较好抗拉裂性能,是一种较好的新型土工合成材料。     

加肋土工膜与砂土界面中附加应力计算

土工膜与砂土界面力学特性直接影响着填埋场衬垫系统的稳定性。依据弹性力学和土力学的基本理论,推导出加肋土工膜与砂土界面附近砂土中附加应力解析解,得到相应的应力分布。分析结果表明,加肋土工膜与砂土界面中附加应力等值线以双曲线型拱、扩肩型拱和圆弧型拱这3种分布形态存在的,砂土中任意点附加应力分布形态只与肋块长度、肋块表面距离远近有关,与肋块所受端承阻应力无关;在相同条件下,条形肋块比块状肋块对砂土附加应力的影响大,条状加肋土工膜能更有效地提高界面的剪切性能;离肋块表面距离越远,砂土中附加应力值越小,当与肋块表面距离达到12 mm时,这时砂土中附加应力几乎为0,也即肋块对其附近砂土的影响范围为12 mm左右。     

弹性模量对岩样破坏前兆及全部变形特征的影响

利用FLAC内嵌语言编制的计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数,计算了弹性模量不同时单缺陷岩样的全部变形特征,研究了弹性模量对岩样的破坏过程及前兆的影响。在峰前及峰后,岩石的本构模型分别取为线弹性模型及莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。当弹性模量不是较高时,岩样自始至终仅出现一条倾斜的剪切带。当弹模较高时,最终剪切应变仅强烈集中于贯通岩样的剪切带内部。剪切带倾角在Arthur与Coulomb倾角之间,且随弹模的增加而降低,经典理论对此不能解释。随着弹模的增加,峰值应力增加,峰前的应力-轴向应变曲线变得陡峭,峰后的应力-轴向应变曲线的斜率几乎不变。随着弹模的增加,峰值强度所对应的轴向应变及侧向应变的大小均降低;应力-侧向应变曲线软化段变得陡峭。随着弹模的降低,侧向应变-轴向应变曲线、泊松比-轴向应变曲线及体积应变-轴向应变曲线在峰前发生转折（偏离线性状态）的程度越来越大;非弹性轴向应变增加;材料缺陷附近的最大剪切应变增量增加。岩样破坏的前兆随着弹性模量的降低而逐渐增强。     

岩石单轴压缩光纤光栅传感检测方法研究

通过在岩石试件表面粘贴光栅与应变片的方法,测试了岩石单轴加载过程中轴向、环向的应变变化。将测试结果相对照,研究了光纤传感技术在岩石变形检测中的应用。加载方式为循环加载,最后一次至试件破裂,仅测试试件破裂前小变形阶段的变形。3次加载后结果显示光栅与应变片的测试结果一致,二者数据相吻合,证明光纤光栅传感技术可以应用于岩石试件变形检测中,对于提高岩石变形的测试手段具有一定的意义。     

铁晶砂胶结新型岩土相似材料的研制及其应用

根据地质力学模型试验的相似原理,经过大量力学试验,研制出一种新型铁晶砂胶结岩土相似材料。该材料由铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按规定配比均匀拌和压实而成,其中铁矿粉、重晶石粉和石英砂作为主料,松香酒精溶液作为胶结剂,石膏粉作为调节剂。材料力学参数测试表明：该材料具有重度高、力学参数变化范围广、性能稳定、价格低廉、干燥快速、制作工艺简单、无毒无害等显著优点,可用来模拟从软岩到硬岩的大部分岩体材料。将铁晶砂胶结岩土相似材料应用于沪―蓉―西高速公路大型分岔隧道三维地质力学模型试验研究,有效地揭示了分岔隧道围岩的力学变形特性。     

土工格栅横肋对加筋砾石强度与变形特性的影响

土工格栅广泛应用于各类加筋土结构工程实践,在这些实际的加筋土结构中,加筋土体一般处于平面应变状态。为了更详尽地描述平面应变状态下土工格栅加筋土的复合力学性状,加深对土工格栅加筋机制的认识,通过以砾石和具有不同横肋数量的土工格栅为研究对象,进行大型双轴压缩试验,探究了平面应变状态下土工格栅横肋对加筋土强度和变形特性的影响。试验结果表明:土工格栅显著提高了加筋土试样的最大轴向应力,最大轴向应力随土工格栅横肋数量的增加而增大;基于数字图像相关(DIC)技术,获得了同一围压下未加筋土和各加筋土试样土颗粒的位移和旋转情况,直观地展现了土工格栅的加筋效果;加筋土试样中土工格栅在双轴压缩荷载作用下的纵向拉伸应变分布规律呈现中部最大、朝格栅试样两端递减的规律;在相同轴向应变条件下,上层格栅的拉伸应变略大于下层格栅的拉伸应变;在相同轴向应力作用下,土工格栅的纵向拉伸应变随横肋数量的增加而减小。