纤维加筋土的研究和工程应用

将纺织坯布进行开松、分梳、切断形成纤维纱,将纤维纱按照一定掺加比例与素黄土拌合制备成纤维纱加筋黄土。利用伺服液压加载双室高压三轴仪对纤维纱加筋黄土进行等向压缩试验及三轴剪切试验,系统分析纤维纱加筋黄土的压缩变形及应力-应变特性。试验结果表明：在等向压缩试验中,随着素黄土中纤维纱掺加比例的增大,其压缩变形量减小;确定出纤维纱加筋黄土的屈服压力,屈服压力随素黄土中纤维纱掺加比例的增大而提高。根据纤维纱加筋黄土三轴剪切试验应力-应变关系发现,在相同的固结压力作用下,随着素黄土中纤维纱掺加比例的增大,反映出的剪应力也随之增大;在相同的纤维纱掺加比例条件下,随着固结压力的增大,反映出的剪应力也随之增大。构建一个可以综合反映纤维纱加筋黄土实际加固效果的指标——纤维加筋指数I_r,通过三轴剪切试验数据分析得到纤维加筋指数I_r随着轴向应变的增大而逐渐减小;黏聚力随着纤维加筋指数I_r的增大呈双曲线增大的变化趋势,内摩擦角随着纤维加筋指数I_r的增大基本保持不变。基于修正剑桥模型的理论基础,根据纤维加筋指数I_r的不同,确定出随着纤维加筋指数I_r变化而变化的等向压缩球应力以及临界状态线,以塑性体积应变为硬化参量,推导出纤维纱加筋黄土弹塑性本构模型。通过试验验证,证明了本构模型可以较为合理地描述纤维纱加筋黄土的力学变形特性。     

纤维加筋砂土抗液化试验与数值模拟

砂土液化是导致重大地震灾害的主要原因之一。本研究探讨了天然纤维加筋砂土在循环荷载作用下的抗液化性能。在不排水条件下,对具有不同纤维含量的加筋砂土试样进行了一系列循环三轴试验,研究了饱和砂土的液化特性以及循环剪应变幅值、纤维含量对饱和砂土抗液化性能的影响。此外,通过模拟已完成的循环三轴试验,建立了二维有限元数值模型,并对具有不同纤维含量的加筋砂土进行了参数标定。研究结果表明:(1)增加循环剪应变幅值将促进超孔压累积,使得滞回曲线斜率和平均有效应力减小速度加快;(2)纤维的存在能够减缓超孔压的累积,随着纤维含量增加,加筋砂土抗液化能力得到明显提高;(3)标定后的本构模型参数能可靠地用于模拟纤维加筋砂土的液化响应。研究结果为饱和砂土抗液化问题与纤维加筋砂土的数值模拟提供了有价值的参考。     

冻融作用下秸秆纤维加筋土力学特性研究

秸秆纤维加筋是一种优良的土质改良技术,但季节性的温度变化会导致纤维土的强度劣化,影响工程的安全稳定。为了探究冻融作用对秸秆纤维土力学特性的影响,对经历不同冻融次数的纤维土进行无侧限抗压与直剪试验。结果表明素土和纤维土的抗压强度和黏聚力随着冻融次数的增加呈指数下降的趋势,且纤维土的抗压强度和黏聚力下降幅度均明显小于素土;纤维土和素土的内摩擦角随着冻融次数的增加呈指数上升的趋势。通过SEM发现冻融后素土出现孔隙和微裂隙,造成土体强度衰减。冻融后的纤维土中包裹纤维的土体出现松动,导致筋土界面强度下降,但纤维与纤维之间的三维受力网仍发挥加筋作用,提高冻土的稳定性。     

冻融作用下三类纤维加筋固化土的抗压抗拉性能

合成纤维、矿物纤维和植物纤维加筋土,增强了土的强度和抗变形性能。开展冻融作用下的无侧限抗压试验和劈裂抗拉试验,研究聚丙烯纤维、玄武岩纤维和棕榈纤维加筋石灰固化土的抗压和抗拉性能随冻融次数的变化规律。结果表明：未冻融和冻融环境下,聚丙烯纤维加筋固化土、玄武岩纤维加筋固化土和棕榈纤维加筋固化土的最优质量加筋率分别为0.2%、0.2%和0.4%。随冻融次数增加,三类纤维加筋固化土的抗压强度和抗拉强度均呈阶段性下降,纤维加筋固化土的破坏应变均大于石灰固化土。冻融作用下,聚丙烯纤维加筋固化土的抗压强度、抗拉强度和抗变形性能均优于另两类加筋固化土。纤维与土颗粒间的界面作用力和纤维对土的空间约束作用,增强了土的冻融耐久性。对比三类纤维加筋固化土的试验结果,聚丙烯纤维加筋固化土的抗冻融性能最优。     

纤维加筋土工程性质研究进展

纤维加筋是一种新型的土体改良技术,是指将分散的纤维丝均匀掺入土体中,达到提高土体的工程力学性能的目的。本文根据国内外近20a来在该领域取得的成果,着重对纤维加筋材料、纤维加筋土的工程性质及加筋机理等方面的研究进展进行了介绍。在纤维加筋材料方面,主要有人工合成纤维和自然纤维两种; 在纤维加筋土工程性质方面,纤维加筋能有效提高土体的抗剪、抗压、抗拉强度和承载力,增加土体的破坏韧性和渗透性,降低膨胀土的胀缩性和裂隙发育程度; 在纤维加筋机理方面,目前主要认为纤维的加筋效果主要取决于纤维-土界面的力学作用,即界面黏聚力和摩擦力。最后,针对目前纤维加筋土的研究不足,提出了今后该领域的研究重点和方向,主要包括: 开发简单可行的纤维土施工器具和工艺、开发更专业的纤维产品和降低纤维成本、开展大尺度模型试验和现场试验、纤维-土界面作用机理研究、纤维加筋土的破坏和失效机理研究、纤维加筋土的力学模型及计算理论研究、纤维加筋土的动力学特性研究等。     

聚丙烯纤维加筋土工程性质分析

在试验的基础上,对聚丙烯纤维加筋素土、加筋石灰土和加筋水泥土的工程性质进行了简要的分析,对聚丙烯纤维加筋土的强度性质的形成机理作了剖析。研究表明,聚丙烯纤维加筋方法能有效地提高土体的强度和稳定性,改善土体的破坏形式,具有广阔的应用前景。     

地震液化引起的地面大位移研究进展

液化引起的地面大位移研究是岩土地震工程的前沿课题之一,仅有几十年的研究历史。在综合有关资料的基础上,介绍了地震液化后地面大位移的现场调查情况、室内试验情况; 总结了液化后土体特征和动力本构模型;简述了对液化后地面大位移的计算方法: 经验法、简化法和数值法。     

深厚液化土地基的抗液化综合措施

广州海珠粮库筒了地基中存在厚度超过１０ｍ的严重液化土,强烈地震可能引起大面积土层液化,使场地地基失效。采用桩基法（独立承台灌注桩、预制桩、砂石桩）、换填土法、密实土法（强夯结合（先桩后夯、先夯后桩）、刚柔相济的长短桩（预制桩加碎石桩）结合的抗液化综合措施。     

土工袋垫层抗液化性能振动台试验研究

土工袋能够有效地约束袋内土体,具有良好的滤水保土作用,可以用于地基抗液化,但土工袋抗液化性能尚未有系统及深入的研究。开展了一系列小振动台试验,验证土工袋垫层的抗液化效果,研究了振动加速度、土工袋层数和排列方式对抗液化性能的影响。结果表明：土工袋具有良好的抗液化效果,袋内土体的超静孔压比小于同深度处周围的土体;土工袋垫层的排水性能是在土工袋本身具有良好透水性的基础上,孔隙水会沿着土工袋与土体的界面以及袋间的空隙排出;相较于不透水刚性垫层,振动过程中土工袋垫层表面基本保持水平,发挥出较好的变形协调性;土工袋层数增加及交错式排列对抗液化效果有利。     

含粘粒砂土抗液化性能的试验研究

通过对含粘粒砂土所作的试验研究, 包括: 粘粒矿物成分不同、粘粒含量不同的重塑土样所作的室内动三轴试验; X光衍射试验, 试验结果对比分析后, 得出了含粘粒砂土抗液化性能的特性。并得出以下结论: (1)粘粒矿物成分不同, 也引起砂土动力稳定性的变化; (2 )动剪应力强度与粘粒含量并非呈单调增加关系, 而呈抛物线型, 并给出回归方程; (3)含粘粒的砂土, 其抗液化能力最低点总是在粘粒含量 8.5～ 9.5 %之间。     

纤维加筋土中单根纤维的拉拔试验及临界加筋长度的确定

纤维加筋土物理力学性质主要受纤维与土界面之间作用力大小的控制,了解界面的微观力学行为对研究纤维加筋土的机制及工程应用具有重要意义。首先,利用自行设计的纤维拉拔试验装置,对不同含水率和不同干密度的土样进行了单根纤维的拉拔试验,测试并计算了单根纤维与土接触面之间的剪切强度和残余剪切强度,分析了含水率和干密度大小对它的影响。结果表明,设计的试验装置和试验方法能较好地进行单根纤维的拉拔试验,具有较高的准确性和精度。获得了纤维加筋土中界面剪切强度和残余强度与土样含水率和干密度之间的定量关系;分析拉力-位移曲线表明,加筋土中纤维的拉拔特性取决于筋土界面的力学行为,曲线的形状受含水率和干密度的影响不明显。最后,利用测得的筋土界面强度导出了纤维加筋的临界长度。     

聚丙烯纤维加筋灰土的三轴强度特性

加筋技术作为20世纪一项重大发明,广泛运用于挡土墙、堤坝、桥台、护坡等工程中。加筋技术的快速发展推动了加筋材料的快速演变,催生了土工织物、土工格栅、土工格室等一大批土工合成材料,但加筋材料有一弱点：即筋材与填料间容易出现潜在破坏面。过去填料使用的是黏土、砂土,其强度都比较稳定,时间对其强度的影响极小。对于灰土这一类材料,其强度受时间影响较大,是否适于作为加筋土填料需进行研究。选取聚丙烯纤维作为加筋材料,研究了聚丙烯纤维加筋灰土的强度与变形特性。试验中,将3种不同百分比（0.05%,0.15%和0.25%）的聚丙烯纤维分别掺入到灰土比为1：9,2：8,3：7的灰土试样中,配制试样。通过三轴试验研究了不同纤维加筋率、不同灰土比、不同龄期及不同围压对加筋灰土的影响。试验结果表明：与普通的灰土相比,聚丙烯纤维加筋灰土其峰值偏应力和抗剪强度均有不同幅度提高     

返包式土工格栅加筋土高挡墙现场试验研究

为了研究返包式土工格栅加筋土高挡墙结构的受力、变形状态,分析其作用机理,进行了包括加筋土墙体基底应力、墙背侧向土压力、拉筋拉力和墙面水平变形等内容的现场试验,研究了加筋土墙体基底垂直应力、不同层位的拉筋拉力沿筋长的分布规律,加筋土挡墙潜在的破裂面位置,墙背侧向土压力沿墙高的分布规律以及墙面水平变形规律。测试结果表明,加筋土挡墙基底垂直土压力沿土工格栅拉筋长度方向呈非线性分布,最大值发生在拉筋中部附近,向拉筋两端方向逐渐减少;实测墙背侧向土压力沿墙高呈非线性形式分布,其值小于主动土压力;上部墙体拉筋应变沿筋长呈单峰值分布,下部墙体拉筋应变沿筋长呈双峰值分布;上部墙体潜在破裂面形状与“0.3H法”接近,而下部墙体潜在的破裂面形状与朗肯主动土压力理论接近;施工期墙面最大水平变形位置在墙高的下部,竣工后墙面最大水平变形发生在墙顶处等结论。     

土工格栅加筋垫层加固软土地基模型试验分析

基于压缩、剪切、拉拔、抗拉试验结果分析了土工格栅加筋土的力学特性。通过室内模型试验研究了加土工格栅和不加土工格栅地基土的侧向位移和竖向位移随深度的变化规律、位移场、应力场、应变场。结果表明,土工格栅加筋垫层能有效地改变和阻止塑性区的形成和发展,对下卧软土地基起到扩散应力、均化应力的作用,控制软土地基塑性变形,增强地基延性和刚度,有效地控制地基竖向位移和侧向位移,增强地基的抗剪强度,增强整个地基的稳定性,提高了加筋土体的承载能力,为实际工程应用提供了可靠的理论依据。     

双向土工格栅加筋土回弹模量试验研究

利用双向土工格栅对源自强风化红砂岩的粉砂土进行加筋,对压实度分别为90 %,95 %,100 %以及加筋层数分别为0,1,2,3,5的数组土样完成了室内回弹模量试验工作。总结并分析了双向土工格栅加筋层的布设位置、加筋层数、土的压实度等对回弹模量的影响规律。试验结果表明,在合适的加筋方式和加筋层数以及较高的压实度下,可以获得较高的回弹模量。这表明利用双向土工格栅加筋技术实现公路桥台台背与桥头路堤间刚柔的平顺过渡,从而达到控制桥头跳车的目的是可能的。     

Test on application of distributed fiber optic sensing technique into soil slope monitoring

Brillouin optical time-domain reflectometer (BOTDR), a newly developed distributed fiber optic sensing technique, has been proved to be a very suitable and useful technique for monitoring and early warning of structural engineering by laboratory tests and practical projects due to its unique functions, such as distributing, long distance, anti-electromagnetic interference, waterproof, etc. However, its application to geotechnical engineering, especially soil-slope engineering, has been less carried out due to the complexity of the characteristics of geotechnical materials in the field. In this paper, BOTDR technique is applied to monitor the deformation of a laboratory soil-slope model in small scale in order to test the feasibility and early-warning characteristics of this technique with monitoring the deformation of soil slope. Different types of optical fibers are planted directly in the soil-slope model or bonded to geotextiles and geogrids that are planted in the fillings of the test model. Strain measurements of the model slope under various loads are obtained by BOTDR. By data processing and analysis, the abnormal strains can be obtained distributively, and the position of the abnormal strains can be located as well. The results show much valuable information for applications of BOTDR technique into soil-slope engineering. The test proves that the BOTDR technique can be used to ensure the stability of artificial soil slope and is useful for monitoring and early warning of the artificial soil-slope engineering.     

铁路台阶式加筋土挡墙潜在破裂面特征模型试验

铁路台阶式加筋土挡墙的设计方法尚不成熟,现有设计方法不能满足铁路边坡工程实践的需求。潜在破裂面的确定是加筋土挡墙设计的关键,但现行规范仅对10 m以下单级加筋土挡墙的潜在破裂面有了明确的规定。为了研究台阶式加筋土挡墙在铁路荷载作用下潜在破裂面的特征,设计了1:4的大比例尺二级台阶式加筋土挡墙室内模型试验,以周期性加卸载的方式模拟铁路荷载,通过监测墙面水平位移、墙顶沉降及土工格栅筋带变形,分析确定潜在破裂面的位置和形状。试验结果表明：I级墙（下级墙）潜在破裂面形状与现行规范中的0.3H法破裂面类似,但位置更深,且下部破裂面更缓,表明潜在不稳定范围更大;II级墙（上级墙）潜在破裂面形状与朗肯主动破裂面基本一致,但并未从II级墙坡脚剪出,而是内移刺入I级墙体;研究结果可为铁路台阶式加筋土挡墙的设计提供理论参考。     

纤维水泥土力学性能的试验研究

为了解加入纤维对水泥土力学性能的影响,对素水泥土及纤维水泥土进行了无侧限抗压和疲劳试验。研究结果表明,添加纤维可小幅度提高水泥土的抗压强度;与素水泥土相比,纤维水泥土在达到应力峰值时的应变明显增大,破坏后的残余强度也有所提高;纤维的加入提高了水泥土的延性,减少了裂缝的开展,改善了其力学性能;添加纤维后水泥土抵抗疲劳的能力明显增强;掺入纤维对水泥土抗疲劳能力的提高程度远大于其对水泥土无侧限强度的提高程度;水泥土的应力水平和疲劳寿命之间具有单对数线性关系;在循环荷载作用下水泥土表现为低应力性破裂特征。     

加筋土桥台承载特性的载荷试验研究

加筋土桥台作为承载结构,其承载力及其影响因素备受关注。以美国鲍曼桥为工程原型,通过大比例缩尺模型的静载试验研究加筋土柔性桥台的承载性能。试验研究中,以有纺土工织物为筋材,共设置3组加筋土柔性桥台模型的载荷试验,主要考察桥梁基座的位置,即桥梁承载区外沿与面板的水平净距对桥台承载力的影响及其变化规律。试验结果表明,水平净距是影响加筋土桥台承载性能的重要因素,承载能力随水平净距的增大而增大,但增幅快速递减;桥台面层水平位移和顶部沉降均随水平净距的逐渐增大而减小,且减小趋势表现出收敛特征;随着水平净距增大,筋材应变极值减小,桥台整体稳定性增强,表现出良好的复合体特性。试验研究结果还表明,美国现行规范关于加筋土桥台承载力计算方法可能仅限于特定的填料和加筋布置方式,因此在工程实践中宜结合工程实际。     

跨海峡海底隧道风化槽围岩力学特性研究

厦门海底隧道工程是我国建设的第一条海底公路隧道。隧道在建设过程中穿越F1～F4 四条断层破碎带,破碎带处洞体围岩软弱、破碎,岩石主要为风化破碎类花岗岩,该类岩石尤其是强风化花岗岩强度低,压缩性高,自稳和自承能力差,给隧道衬砌结构的设计和施工工艺的选择带来一系列特殊的问题。通过对风化破碎类花岗岩（主要包括微风化花岗岩和强风化花岗岩）试样进行一系列的室内试验,重点研究风化槽花岗岩的力学行为。强风化花岗岩三轴压缩试验及流变试验表明：强风化花岗岩强度低、变形大、弹性模量低,在达到峰值后,有明显的塑性流动,通过Mohr-Coulomb准则得到强风化花岗岩的摩擦角 约为31°,黏聚力约为0.1 MPa,且该岩石具有明显的流变特征。在流变试验的基础上,建立适合风化槽围岩特点的流变力学模型。其研究成果为海底隧道风化槽隧道围岩注浆加固和衬砌设计提供可靠依据和技术支撑。