岩溶区路堤下水平加筋体受力分析方法研究

在岩溶区进行公路修筑时,采用土工织物处理可有效减少岩溶塌陷风险,但目前其计算与设计理论远远落后于工程实践,对其进行研究十分必要。文中首先分析了溶洞上水平加筋体的受力特点,采用太沙基理想土中拱效应理论计算溶洞上方所受荷载,根据各段受力区别,将其划分为临空段、洞端过渡段及锚固段三部分。对加筋体临空段,基于微段分析,导得了洞端水平加筋体拔出位移与加筋体拉力水平分量间的关系;对洞端过渡段,采用库仑摩擦定理,假定摩阻力完全发挥,导得了加筋体拉力损失值计算公式;对锚固段,将其区分为弹性段与塑性段分别求解,并分别考虑有限长与无限长两种情况,导得了其解析解与塑性段长度计算公式,由此可解算锚固段端部拉力与位移间关系曲线。在此基础上,提出曲线交汇法求解整体模型,并将其应用于土工织物拉拔试验及足尺试验的结果分析,计算值与实测值吻合良好。本文方法物理意义明确,简单直观,适合工程应用。     

路基岩溶塌陷上方多层加筋垫层荷载分布性状的大比例模型实验研究

采用加筋垫层防治路基下部岩溶塌陷可降低工程造价、确保运营安全,其承载机理和设计方法仍有待系统研究。设计了1∶5的大比例室内模型试验,通过实测和分析塌陷过程中单层、3层与4层土工格栅加筋垫层所受荷载和变形量,分析路基荷载在各层加筋体中的分布规律及垫层变形特征,并以此获得荷载分担系数等关键设计参数。试验结果表明,多层加筋垫层中顶层加筋体承担了40%~54%的上部荷载,而底层加筋体仅承担16%;加筋层数越多,中间层加筋体所分担的荷载越大,且垫层发生的变形量越小;塌陷坑上方土体的土拱效应较为明显,中部土压力的下降幅度和端部增加幅度均比单层加筋体大;陷坑上方土工格栅变形分布呈抛物线关系,且变形量由上往下依次递减。在实测数据分析的基础上得到了多层加筋垫层各加筋层的荷载分担系数,供实际工程参考。     

受空洞坍塌影响的加筋路基研究综述

工程上常利用水平加筋法来预防或延迟因受交通荷载和地下水等因素导致空洞坍塌而引起的临近道路的突发性破坏,起到破坏预警作用;但加筋体界面特性与作用机制相当复杂,下伏空洞加筋路基缺少完善的设计方法。通过总结国内外已有文献的研究成果,重点阐述了受空洞坍塌影响的加筋路基-路堤力学机制与作用机制,包括对路堤填土滑移面的定义、层间土拱效应、加筋体拉膜效应、塌陷区上覆填土膨胀、锚固区筋土界面摩擦及过渡区加筋体张拉力折减等方面;总结了空洞区加筋路基已有的设计方法,并进行了对比与讨论。结果表明,已有成果对受空洞坍塌影响的加筋路基-路堤荷载传递机制、渐进性破坏演变机制、沉降计算、极限承载力与稳定性问题等方面的研究仍显不足,针对加筋体上方荷载分布形式仍未形成定论,现有设计方法过于保守,并指明了进一步的研究建议,可为今后研究提供方向和参考。     

基于小波函数的锚杆拉拔全过程分析

基于小波函数伸缩平移的特性,建立了能反映锚杆界面黏结?软化?滑动力学特性的剪应力?位移非线性本构模型,克服了三折线软化界面模型需要分段分析的复杂性。结合锚固体荷载传递的力学微分方程,推导了锚杆拉拔荷载?位移曲线的解析表达式,并提出了锚固体位移、轴力、周边剪应力的数值计算方法和步骤。通过算例分析,得到不同张拉位移作用下的锚固段位移、轴力和剪应力分布,获得的锚杆拉拔荷载?位移和锚杆轴向力分布计算值与实测值进行了对比分析,验证了该方法的有效性。该方法能准确地反映锚杆在不同荷载下的传力机制,模拟锚杆从弹性工作状态到塑性滑移的全过程。最后,通过参数分析,得到了锚杆锚固长度、轴向刚度以及锚固界面本构参数对锚固效果的影响规律。     

预应力锚杆内锚固段长度效应研究

为研究预应力锚杆内锚固段长度对杆体轴力及围岩支护效果的影响,将锚杆内锚固段长度与杆体总长度之比定义为内锚固段长度系数,根据锚固界面剪应力计算公式,推导锚杆轴力与杆体伸长量的关系式。在分析内锚固段长度系数对杆体轴力影响规律的基础上认为,在锚杆杆体总长度一定的情况下,减小内锚固段长度,可有效控制杆体轴力的增大。基于预应力锚杆加固围岩的组合拱理论,利用FLAC3D数值模拟技术,分析内锚固段长度对锚杆的预应力场及围岩支护效果的影响,结果表明:内锚固段长度的降低,有利于扩大锚杆的预应力场影响范围、提高围岩有效承载圈厚度、减少围岩塑性区深度和变形量。最后,讨论了通过改变锚固长度协调支护刚度的工程意义。     

泥岩地层抗浮锚杆试验研究

为探讨泥岩地层全黏结抗浮锚杆荷载传递机理和承载性能,基于陕西安康地区泥岩地层抗浮锚杆现场进行了基本试验和锚杆杆体的轴力测试,试验结果表明:锚杆杆体的轴力分布是不均匀的,从锚杆顶面向深部逐渐减小,且超过一定的长度后不再受力;同时表明锚杆受力时,沿锚固端全长的黏结应力分布也是不均匀的,其有效发挥黏结应力的分布长度有一定限度;确定了该地区泥岩地层中直径为150 mm抗浮锚杆的有效锚固长度、极限黏结强度标准值及8 m长锚固段对黏结强度的影响系数等,为类似泥岩地层抗浮锚杆的设计提供依据。     

压力型锚索力学机理现场试验研究

通过现场试验研究了岩质边坡中压力型锚索的受力和破坏机理。试验锚索采用130 mm孔径,6束标准钢绞线,符合实际工程的常用锚索规格。严格控制锚固段与非锚固段尺寸,设置了不同的锚固段长度用以研究锚索的抗拔力学性能。试验获得了岩质条件下足尺压力型锚索的荷载位移全曲线。用应变砖测试了锚固段注浆体在受力过程中的应变规律,测试结果与理论计算的结果吻合。对试验结果进行分析发现,在较软岩条件下,试验锚索的最佳锚固长度在2 m左右。压力型锚索的位移延性性能非常优秀,在锚索整体位移较大时还能维持较高的承载力,可以提供良好的破坏预警。根据实测的轴向应变发现,随着锚固长度的增加,应力传递长度也略有增加。提出压力型锚索的破坏要经历局部塑性,整体塑性两个阶段。     

Hoek-Brown准则下预应力锚索锚固体破坏的极限分析

针对预应力锚索锚固体的破坏形式,采用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,分别考虑锚固体界面产生滑脱破坏与锚固体周围岩体发生整体破坏两种工况,根据塑性力学中的上限分析定理,推导出了锚索极限抗拔力的计算公式与锚固体的破裂机制,并分别讨论了锚固段灌浆压力、锚固段长度与岩体强度参数等对极限抗拔力与破裂面形状的影响。计算表明:一定范围内增大锚固段长度和采用压力灌浆是提高锚索极限抗拔力的有效措施;当锚固段周围岩体发生整体破坏时,随着岩体经验参数A、岩体抗拉强度、抗压强度与重度的增加,锚索极限抗拔力不断增大,而随着经验参数B的增加,锚索极限抗拔力则不断减小;锚固段周围岩体破裂面形状呈现出对称的"喇叭形",这与现有文献中的研究成果相一致,而且岩体经验参数B是影响岩体破裂面形状的重要因素,它决定了岩体破裂面的曲率大小,当B=1时,岩体破裂曲面退化为圆锥面。     

分段锚预应力锚杆加固围岩力学分析

基于端锚锚杆支护的优越性和围岩破坏分区及破坏深度逐步向深部发展的规律,针对煤矿深部巷道采用加长或全长锚固锚杆支护时,锚杆的锚固段整体受力不均,抗剪切承载能力低,而端锚锚杆无法适应其大变形缺点的问题,建立了两段锚预应力锚杆支护模型。运用理论计算和数值模拟的手段研究了两段锚预应力锚杆锚固段的受力特征和承载能力,并进行了算例对比分析。结果表明:两段锚分区锚固的支护方式明显改变了加长或全长锚固锚杆锚固段的剪应力曲线变化趋势,使原本呈负指数变化趋势的剪应力曲线变得平缓,提高了锚杆锚固段的剪切承载能力;在相同预紧力作用下,与端锚锚杆相比,明显降低了锚杆锚固段的荷载和剪切应力;在不同预紧力下,两段锚预应力锚杆的两锚固段可分别起到围岩不同变形时期端锚锚杆的支护作用,继续发挥端锚支护的优越性。     

预应力锚索锚固段荷载传递解析算法

锚固是岩体工程增稳的主要措施,对充分发挥岩体的自承潜力,调节和提高岩体自身强度和自稳能力有着十分重要的作用。由于锚固工程本身的复杂性和多样性,导致目前锚固机制、设计理论以及计算方法都不够完善。现有的锚固段荷载传递解析解存在两大难题,一是没有反映锚固段应力变化过程,随着荷载不断加大,接触面是逐渐被破坏,剪应力的峰值将由端口逐渐向内转移;二是在端口处是一个应力奇异点,难以很好地解决。通过对当前多种锚固段荷载传递解析解的适用性及局限性进行分析归纳,指出应将锚固段应力分布划分为弹性、塑性和破坏3个阶段,在不同的阶段应力分布形式不一样,不能一概而论。在此基础上,基于传递系数,针对沿锚固段剪应力呈非均匀性分布形式,提出了一种能反映这3个阶段变化规律的荷载传递解析公式,获得了锚固段剪应力和轴力的分布规律和影响因素。对各解析解方法求出的临界锚固长度进行了算例对比,证实所提算法是合理和有效的。该算法适用于预应力锚索锚固段工程设计。     

桩-网复合地基承载及变形特性的有限元分析

采用ABAQUS有限元软件,通过有限元数值模拟的方法分析了路堤荷载作用下桩-网复合地基中土工合成材料刚度、垫层厚度、桩体模量以及桩间距对复合地基的荷载传递特性、桩-土应力比、路基的表面沉降及侧向位移的影响。总结、分析计算结果,获得了桩-网复合地基承载及变形的一些基本特性,如：增加土工合成材料刚度,可显著地减小桩-土差异沉降和路基侧向位移,并增加桩-土应力比;增加垫层厚度,可明地改善桩-土荷载分担比和桩-土应力比等力学性状。这些结果对桩-网复合地基的设计与施工具有一定的指导意义。     

加筋土边坡地震稳定性动点安全系数分析方法

对于地震作用下的土工合成材料加筋土边坡,边坡内部结构的动力响应十分复杂,按照已有的安全系数的方法评价比较困难。结合安全储备系数的原理,并考虑到水平方向和竖直方向地震荷载的共同作用,提出求解加筋土边坡地震稳定性的动点安全系数时程分析方法。在理论分析的基础上,分别定义加筋土边坡土体、土工合成材料和筋-土界面的动点安全系数,并建立数值模型。根据所定义的动点安全系数,在计算过程中使用开发的计算工具对动力响应过程中的动力特性数据进行记录、计算和存储,得到加筋土边坡数值模型在地震荷载作用下的动点安全系数。分析结果表明：动点安全系数时程分析方法具有良好的工程适用性;动点安全系数时程分析方法对复杂的加筋土边坡工程进行的地震稳定性分析考虑了加筋土边坡不同结构的综合稳定性,比现有的分析方法更明确地反应出加筋土边坡工程中相对薄弱的结构,对加筋土边坡工程的抗震设计提供一定参考价值;相比水平方向的地震,竖直方向的地震作用对加筋土边坡中筋材和筋-土界面的稳定性影响较大,但对加筋土边坡土体稳定性影响较小。     

长短桩组合路堤桩三维复合拱土拱效应分析

基于等长桩路堤桩土拱效应的Hewlett分析方法,提出均布荷载作用下长短桩组合路堤桩的三维复合拱土拱效应分析方法。采用有限元法形象描绘土拱效应形成的应力集中形态随长桩与短桩的桩长比不同时的变化,基于此提出三维复合拱的基本理论框架。引入土拱效应系数来表征土拱的强度状态,建立桩帽顶部平面的应力平衡微分方程,结合边界条件及土拱效应系数之间的关系计算长桩和短桩的桩-土应力比;当加筋体存在时,分区域对加筋体进行变形假设,建立考虑加筋体拉力的桩帽顶部应力平衡微分方程。与离心模型试验和现场实测结果及有限元方法的模拟结果进行比较,验证了此方法的合理性,进一步开展参数分析对主要影响因素进行等级评价。分析表明,加筋体的存在明显增大桩-土应力比,尤其当桩帽覆盖率比较小时效果更为明显。     

土工合成材料及其加筋结构的研究现状

随着土工合成材料在岩土加固领域的应用的不断扩展和延伸,土工合成材料的工程特性及其加筋机理的研究得到了迅速发展。对国内外有关土工合成材料的静载、动载作用下的力学特性和流变特性,以及筋材加筋结构分析理论的国内外研究现状与发展动态进行了综合比较评述,探讨了研究中存在的主要问题,并提出了解决问题的思路与建议。     

桩承式加筋路堤格栅分析

将单桩等效处理范围简化为圆柱体,假定桩间土上部的格栅受上覆土压力作用后变形为二次抛物面,考虑路堤中的土拱效应,得到了格栅受力分析的解析方法。当路堤中的土拱处于弹性状态时,格栅对提高桩体荷载分担比的作用不大;当路堤中的土拱处于塑性状态时,格栅对提高桩体荷载分担比有明显的作用;当格栅与地基的相对刚度较小时,格栅对减小桩间土沉降的作用很小。最后对一个模型试验结果和一个工程实例进行了分析。     

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。     

桩承式加筋路堤作用机理理论分析与数值模拟

软土地基上填筑高路堤常常面临地基承载力不足、沉降和不均匀沉降过大等问题。桩承式加筋路堤能够有效地解决这些难题。通过理论分析和有限元数值模拟,研究了路堤填土-加筋材料-桩体-桩间土之间的相互作用机理,讨论了路堤填土中的土拱效率、桩体效率、路堤底面差异沉降和筋材拉力的变化规律。研究结果表明,填土中的土拱效应和筋材张力膜效应能够有效地提高桩体效率,防止软土屈服;筋材内部拉力呈非线性分布,桩顶边缘处筋材拉力最大。     

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。