考虑加筋垫层作用的软基路堤临界高度确定方法初探

临界填筑高度是软基路堤工程中关注的一个问题,路堤填筑高度小于临界填筑高度时,地基的变形和稳定均能得到控制。以往的理论公式中对加筋垫层的影响考虑较少。本文根据加筋垫层的应力扩散理论及筋材摩阻力的减载作用,研究了加筋垫层作用下的临界高度确定方法,并对其中的参数选取作了初步探讨。     

土工格室加筋垫层路堤破坏模式和稳定性评价

采用土工格室加筋垫层提高软土地基上填方路堤的稳定性已得到认可,但其破坏模式和稳定性分析方法仍未取得共识。作者通过室内物理模拟试验,识别软土地基上无筋垫层路堤、土工格栅加筋垫层路堤和土工格室加筋垫层路堤的失效模式,并在此基础上探讨土工格室加筋垫层路堤的稳定性和临界填筑高度分析方法。研究结果表明:软土地基上无筋垫层路堤和土工格栅加筋垫层路堤发生穿过垫层的圆弧滑动破坏;土工格室加筋垫层路堤呈整体破坏模式,滑动面虽呈似圆弧状但未穿过加筋垫层,破裂面在软土地基中形成和发展,而且位置更深。在识别破坏模式的基础上,通过土工格室加筋垫层的工作机理分析,提出了软土地基上土工格室加筋垫层路堤稳定性和临界填筑高度分析方法。     

变形协调条件下非线性破坏准则的加筋土坡临界高度上限解

针对现有加筋土坡稳定性分析研究大多基于线性Mohr-Coulomb破坏准则的现状,本文考虑了岩土材料破坏的非线性特性,采用非线性破坏准则和外切直线法,引入极限分析上限理论进行研究。根据加筋土坡的工程特性和变形机理,考虑破坏滑动层上筋材与土体变形协调特点及速度变化的连续性,分开计算素土的内力功和筋材能量耗散功率,在此基础上,建立直线破裂面和对数螺线破裂面机构的加筋土坡临界高度确定方法。对极限状态下加筋土坡临界高度的目标函数,采用序列二次规划非线性优化算法,得到上限解。最后,通过工程算例分析,并与已有离心模型试验结果和理论研究方法计算结果进行对比,结果表明本文计算方法考虑间断面滑动层筋材与土体变形协调及速度变化连续性是合理的,得到的上限解更优;非线性参数对加筋土坡稳定性有着重要影响,临界高度随非线性参数m的增大而减小。     

年平均气温临界值——设计青藏高原多年冻土区路堤临界高度的一个重要因素

根据青藏公路和青藏铁路多年的研究实践,对青藏高原多年冻土区路堤的临界高度进行了分析和讨论. 在青藏高原多年冻土区,由于各地年平均气温不相同,因而各地空气的融化指数和冻结指数不相同. 在同一地区,路堤表面材料特性不同,其表面的融化指数和冻结指数也就不同. 如果在某一地区,路堤表面的融化指数和冻结指数相等,则该地路堤的融化深度和冻结深度也应相等(忽略路堤及基底土体融化状态和冻结状态下导热系数的差异). 在这种情况下,该路堤临界高度等于路堤融化(冻结)深度减去天然上限埋深, 该地区的年平均气温即该路堤临界高度的年平均气温临界值. 对于一定表面特性的路堤,当某地区年平均气温高于临界值时,则该地区不存在路堤临界高度;只有当年平均气温低于临界值时,路堤临界高度才存在,且随年平均气温的降低,临界路堤高度减小. 在此基础上,提出了无临界路堤高度地区路堤的设计原则,以及保持路堤下多年冻土上限不变的工程措施.     

青藏高原多年冻土区铁路路堤临界高度数值计算分析

青藏高原多年冻土区铁路路堤的修建, 改变了原有天然地表的热平衡条件, 从而引起了路堤下多年冻土上限位置的变化. 为了确保铁路路堤完成后, 在考虑全球气温升高的条件下, 未来50 a中多年冻土上限不发生下移, 采用有限元的分析方法, 对青藏高原多年冻土区粗颗粒填土路堤的临界高度进行了数值模拟计算. 得到了不同年平均气温条件下路堤的上下临界高度值, 并从中找到以铁路正常运营50 a为限, 路堤临界高度存在与否的年平均气温临界值为-3.5 ℃. 分析发现, 无论是修筑高路堤, 还是低路堤, 地温均呈上升趋势, 冻土处于退化状态.     

土工格室加筋土垫层路堤临界高度研究

土工格室能有效减少软土地基上路堤的变形,并增强其稳定性,但对于土工格室加筋土垫层路堤的临界高度还少有研究。采用极限平衡分析方法,假定地基在路堤荷载作用下呈圆弧滑动破坏模式,将格室及其内的填土视为复合体,考虑格室复合体的应力扩散作用和侧向限制作用,提出了路堤临界高度的计算模型,并将该模型值与建立的有限差分模型结果进行对比,然后讨论了格室高度、应力扩散角及格室复合体与地基接触面摩擦系数对路堤临界高度的影响规律。结果表明,理论分析和数值计算结果吻合较好;加筋路堤的临界高度明显大于未加筋路堤的临界高度,并且增加此3种影响因素的取值均能提高路堤的临界高度;同时增强格室的侧向限制作用比提高格室高度和应力扩散角更有利于路堤的稳定。     

循环荷载及静载下土工格室加筋路堤模型试验研究

为探究土工格室加筋路堤在循环荷载及静载下的各种性能,利用美国GCTS公司的USTX-2000加载装置进行加载,通过改变加筋层数、格室高度,格室焊距对土工格室加筋路堤进行一系列模型试验。对各种工况下加筋路堤极限承载力、长期循环荷载及固定振次循环荷载后极限承载力的变化进行研究。试验表明,土工格室加筋能显著提高地基极限承载力并能显著减小坡顶和坡中临界破坏时的法向累积变形,在加筋间距一定的情况下,加筋层数增加和格室高度增大均可不同程度提高极限承载力并减小临界破坏时坡顶法向累积变形,格室焊距的减小也可在一定程度提高极限承载力,格室焊距对边坡法向变形影响不大;长期循环荷载下固定间距加筋层数对路堤竖向累积沉降量影响不大,而对边坡坡顶法向累积变形有一定影响,格室高度增大和格室焊距减小均可不同程度减小路堤竖向累积沉降量和坡面法向累积变形;越靠近加载点处,路堤土压力值受加筋影响越显著,加筋提高了土体刚度和密实度,使加筋路堤土压力值较无筋路堤明显增大;对于无筋路堤,改变动载幅值和振次均导致振后极限承载力有不同程度的降低,而对于加筋路堤,当动载幅值≥30 kPa或动载振次≥1 000时,振后极限承载力均有不同程度的提高。     

基于小生境遗传算法软土地基上加筋路堤稳定性分析

在软土地基加筋路堤稳定性分析方法中,传统分析方法(如瑞典法和荷兰法)因对加筋材料的加筋作用估计不足,导致计算结果过于保守,与实际不符。本文在充分考虑加筋体的加筋作用下,提出了新的加筋路堤稳定性分析计算方法,并采用小生境遗传算法搜索临界滑动面和最小安全系数。算例计算结果表明,本文提出的加筋路堤稳定性分析方法与工程实际情况吻合较好,并且小生境遗传算法能有效地搜索到边坡所有的临界滑动面。     

三维加筋边坡地震稳定性上限分析

基于极限分析上限定理,考虑均匀加筋和三角形加筋两种加筋模式,采用拟静力分析方法推导了一定边坡高度条件下的三维加筋边坡临界加筋强度的计算公式。通过与已有文献结果的对比,验证了所提方法的正确性,并讨论了边坡宽高比、水平和竖向地震力系数对三维边坡稳定性的影响。结果表明:地震力作用下边坡临界加筋强度随边坡宽高比的增大而增加,但其变化速率逐渐减小,当边坡宽高比大于10时,三维边坡加筋强度与二维情况相近;随着水平地震作用的增大,三维边坡临界加筋强度呈非线性增大;随着竖向地震作用的增大,临界加筋强度大致呈线性增加,且随着坡角的增大,竖向地震作用对临界加筋强度的影响更加显著;两种加筋模式下的边坡临界加筋强度值变化规律一致,且三角形加筋模式所需的加筋强度较小,效果较优。最后,针对实际工程提出了一些工程建议。     

地震作用下加筋土坡临界高度研究

以塑性极限分析理论为基础,假定破裂面为对数螺旋面,考虑加筋机理和地震力的作用,提出了加筋土坡临界高度的计算模型。应用该计算模型,不仅能考虑地震力的作用,而且能考虑不同的加筋机理对临界高度的影响。通过与前人静力试验结果的对比发现,基于复合加筋机理得到的临界高度比基于单一加筋机理得到的临界高度要偏大,且更接近于实测值,表明了该理论及其求解方法的有效性和可靠性。通过对地震作用下加筋边坡的临界高度分析表明,地震力作用下摩擦加筋机理对临界高度基本没有影响,主要是准粘聚力机理在起作用。该方法可对加筋边坡临界高度的设计提供有益的指导和参考。     

桩承式加筋路堤三维土拱效应试验研究

桩承式加筋路堤受力性状比较复杂,土拱效应对路堤的承载变形性状具有重要影响。通过三维土拱效应模型试验,研究桩-土相对位移、路堤高度、桩帽净间距和水平加筋体拉伸强度等因素对桩土应力比及路堤沉降的影响。结果表明：土拱效应发挥程度与桩-土相对位移密切相关,存在一个临界桩-土相对位移使得桩土应力比达到最大值,该临界桩-土相对位移约为6～8 mm。路堤高度与桩帽净间距之比越大,桩土应力比越大,路堤顶面差异沉降越小;桩帽宽度与桩帽净间距之比越大,桩土应力比越大,路堤顶面差异沉降越小。设置水平加筋体能有效提高桩土应力比并减小路堤顶面沉降;路堤越低,水平加筋体对桩土应力比的提高作用及对路面沉降的减小作用越明显;水平加筋体拉伸强度越高,这种作用越明显。桩承式加筋路堤三维土拱效应等沉面高度与桩帽净间距之比约为3.5。     

斜坡地基上加筋路堤工作性状及稳定性研究

采用大型室内模型试验的方法,研究了斜坡地基上一个土工格栅加固的填方路堤和一个未加固填方路堤在坡顶荷载作用下的变形与破坏规律.重点介绍了该模型的试验设计、测试和试验数据分析方法.试验主要测试了填方路堤边坡坡面的水平和垂直位移、填方路堤顶部垂直位移、填方路堤内部应力、填方路堤内部土体位移、填方路堤的破坏面形态等.试验结果表明,加筋能够提高斜坡地基上填方路堤的稳定性及承载力,并且能够大幅减小路堤的水平位移,该模型试验结果对西部山区高速公路的建设具有一定的指导意义.     

加筋土坡临界高度的研究

假定破裂面为一过坡脚的斜平面,分别以传统塑性理论和广义塑性理论为基础,导出了加筋土坡临界高度的计算公式。通过与前人试验结果的比较发现,虽然基于广义塑性理论极限法求得的加筋土坡临界高度值要比基于传统塑性理论极限法求得的临界高度值略偏大,且更接近于试验实测值,但二者在工程中均是可靠的,都可用于加筋土坡设计时的参考。     

滚石防护加筋土挡墙研究综述

滚石防护加筋土挡墙是工程上常见的落石防护工程结构, 通常用于拦截大体积或高速滚落的山坡落石。滚石防护加筋土挡墙能有效拦截具有高冲击动能的岩块滚落。但由于其结构较大, 受滚石撞击时会发生不可逆的诱发性破坏变形, 加筋土体应力-应变性状非线性, 不同加筋材料与土体界面特性及作用机制相当复杂, 目前防滚石撞击的加筋土防护挡墙的设计方法不够完善。通过总结已有文献的研究成果, 重点阐述了受滚石撞击的加筋土挡墙结构响应性状, 从落石轨迹控制和挡墙稳定性两个方面对挡墙设计方法进行了讨论。同时指出滚石旋转动能不可忽略, 已有成果在滚石冲击力计算、结构撞击响应分析方法等问题的研究仍显不足, 为今后研究提供参考。     

部分排水条件下加筋路堤性状分析

使用椭圆帽土质模型分析了部分排水条件下软土地基土工合成物加筋路堤的性状,按照Biot理论模拟了固结行为。在路堤施工期地基土的部分固结和不同初始排水条件下,主要分析加筋体的刚度影响和地基土的强度轮廓面,以及在正常工作情况下和在路堤失效情况下土工合成加筋材料的应变特点。分析了加筋体对于地基土变形的影响。结果显示,加筋体可以提高路堤的破裂高度,可以明显地减小路堤施工期最大侧向变形、竖向变形和地基土隆起,可明显提高施工期路堤的安全系数。     

Ground reinforced embankments for rockfall protection: design and evaluation of full scale tests

Infrastructures such as roads and railways as well as urbanised areas, in mountainside regions, can frequently be endangered by rockfalls and, therefore, need to be protected against the impact of rolling blocks. Among the various protection works that can be used, ground reinforced embankments can be considered a feasible technique. A set of full-scale tests on embankments made of ground reinforced by geogrids are presented and discussed. The experiments were performed in a specifically designed and constructed test facility, where concrete blocks up to 9,000 kg in weight were thrown onto a geogrid reinforced embankment at a speed of about 30 m/s. Several embankments made of different geogrid types, different soils and construction layouts were tested at different impact energy levels, permitting a quantitative assessment of the resistance impact of these structures. The experimental results were compared with those obtained from a dynamic finite element method numerical model, and a good agreement was obtained.