加肋土工膜与砂土拉拔试验及界面细观分析

为了进一步研究加肋土工膜拉拔试验作用机制,通过室内拉拔试验和粒子图像测速(PIV)分析,研究不同工况下（加肋高度和温度）加肋土工膜与砂土界面的力学性质以及衬垫系统内部颗粒的位移场和速度场分布。拉拔试验结果表明,不同的加肋高度和温度对界面的稳定性有着深刻的影响,极限拉拔阻力随着加肋高度的增加和温度的降低而增大。通过细观分析得出加肋土工膜和砂土界面附近砂土会形成间接影响区。影响区内部的砂土位移和速度比周围砂土颗粒位移和速度大,这是因为肋块在拉拔过程中挤压其左侧的颗粒或带动其整体移动。并且肋块之间的影响区会相互影响扩散,因此对砂土颗粒形成加固作用。试验结果和PIV分析表明,温度和加肋高度对间接影响区有着显著的影响,从而对加肋土工膜与砂土界面的整体稳定性产生影响。     

加肋土工膜衬垫系统稳定性分析

针对填埋场衬垫系统薄弱界面容易失稳,在加肋土工膜与砂土界面力学机制分析的基础上,改进了传统双楔体分析法,考虑了加肋土工膜肋块端部端承阻力对衬垫系统稳定性的影响,建立了加肋土工膜衬垫系统稳定性分析解析解。结合某实际工程初步设计,对加肋土工膜衬垫系统进行了稳定性分析,探讨了肋块形状、肋块高度和加肋间距对衬垫系统安全系数的影响。分析结果表明,该解析解能更好地计算加肋土工膜衬垫系统的安全系数。当加肋间距为20 mm时,肋块高度对安全系数的影响较大;当肋块高度一定时,安全系数随着加肋间距增加而逐渐减小;在加肋间距大于200 mm之后,加肋土工膜已接近光面土工膜的剪切特性。     

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。     

加肋土工膜与砂性土界面相互作用机制分析

针对填埋场衬垫系统薄弱界面容易失稳,基于前期已完成的高密度聚乙烯（HDPE）加肋土工膜与砂性土界面直剪试验,以及结合试验结果对界面剪切特性及试样破坏形态分析的基础上,探讨了加肋土工膜与砂性土界面相互作用机制,给出了加肋土工膜与砂性土界面总阻力由面摩阻力、肋块所受端承阻力和侧摩阻力3部分组成的具体表达式,其中,肋块所受端承阻力是基于塑性滑移场理论建立起来的。同时,认为肋块端承阻力是提高加肋土工膜与砂性土界面剪切强度的主要原因,尤其在较高法向应力下,肋块端承阻力更能得到充分发挥。理论分析与试验结果较为吻合,该表达式能合理反映加肋土工膜与砂性土界面的总阻力。     

土工膜岩土力学性质的温度影响试验

HDPE土工膜（geomembrane,GM）在城市卫生填埋场等环保工程中可能会面临高温环境,现有关于GM力学性能的试验研究大都在常温下进行,土工膜力学性质的温度效应关乎到边坡稳定和工程安全.为了揭露土工膜岩土力学性质的温度影响规律,开展了GM温控拉伸试验以及不同温度条件下的GM/砂土界面直剪试验和GM/无纺土工布（geotextile,GT）界面直剪试验.通过对比分析不同温度条件下GM的拉伸性质和GM界面剪切特性,揭露温度环境对土工膜岩土力学性质的定性及定量影响规律.试验结果表明,GM的抗拉强度随温度变化影响显著,相对于常温情况,大于70 ℃的高温可使GM的抗拉强度折减近80%;温度对GM/GT界面剪切特性的影响要明显大于GM/砂土界面,GM岩土力学性质的温度效应引起工程人员的重视.      

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。     

新型抗滑结构围桩-土的耦合效应分析

在引入围桩-土耦合式抗滑结构的基础上建立数值分析模型;通过分析该抗滑结构中围桩-土的应力、应变分布规律,详细探讨围桩-土整个结构的耦合效应特征。进一步开展模型试验,测试并分析围桩前、后土压力和桩身弯矩分布特征,论证了围桩-土耦合式抗滑结构的作用机制。最后,分析了桩后距离、不同深度及不同土体强度参数对土拱效应的影响。得到：（1）围桩与桩内土体耦合呈现出4种应力拱形态：紧邻围桩后为扩肩型拱、围桩间双曲线型拱、围桩间凸向桩外的抛物线型拱、围桩间凸向桩内的抛物线型拱;（2）相邻围桩采用约4倍桩径间距、正六边形布置并顶部用圈梁固结、锚固一定深度可形成一种耦合式抗滑结构。该结论对于该新型抗滑结构的推广应用具有一定的指导意义。     

考虑界面软化特性的垃圾填埋场斜坡上土工膜内力分析

为分析垃圾填埋场斜坡上防渗系统中的土工膜在上覆垃圾堆体重力作用下产生的拉应力,考虑土工膜-黏土界面的应变软化特性,通过建立土工膜受力的平衡方程获得了土工膜拉应力的解析解。与传统方法相比,该方法可分析土工膜-黏土界面不同位置所处的3种应力状态：弹性状态、软化状态及残余状态,从而使得垃圾填埋场斜坡上土工膜的受力分析更为合理。参数分析显示,当软化阶段的强度损失及残余位移与峰值位移的差值较小时,土工膜-黏土界面的峰值强度对土工膜最大拉应力的影响较小,而其残余强度是主要控制因素;而当土工膜-黏土界面的软化特征较明显时,则峰值强度和残余位移的影响也更为明显。另外,土工膜上覆堆体高度、斜坡坡度及土工膜锚固长度对土工膜拉应力也有较大影响。     

临汾区块地应力三维数值模拟研究

在地质构造分析和岩石力学性质测试的基础上,进行了临汾区块的地应力有限元三维数值模拟研究,探讨了地应力在区域和层域上的分布规律及其对区内煤层气成藏的影响。研究表明,应力强度总体上随深度递增,断层对应力强度分布具有明显的影响;断层附近应力强度的最大值分布在断层与断层的交叉点、断层与底部硬质岩层界面附近,应力性质在断层夹块内和支断层一侧发生转变出现拉应力区,断层与地表的交点附近也呈现局部拉应力区;煤层软弱带呈现应力降低。研究区的地应力分布特征有利于煤层气从深部向浅部运移,并在背斜轴部相对富集。     

双圆盾构施工引起邻近地下管线附加荷载的分析

利用弹性力学的Mindlin解,对孙统立公式进行修正,推导得到双圆盾构正面附加推力和盾壳摩擦力引起的土体附加应力计算公式。假定土体为Winkler模型,采用随机介质理论,推导得到土体损失引起的竖向土体附加应力计算公式。研究了双圆盾构施工在邻近垂直交叉地下管线上引起的附加荷载大小及分布规律。研究结果表明：双圆盾构盾壳摩擦力引起的地下管线附加荷载较大;正面附加推力引起的附加荷载较小,可忽略;竖向附加荷载主要由土体损失引起,最大值一般出现在中轴线上方,当地下管线与盾构之间距离较小时,附加荷载最大值出现在左右单圆圆心附近的位置。     

Constitutive modelling of a reinforced soil using hierarchical model

Drained triaxial tests are conducted on natural and reinforced sand under various stress paths. Direct shear tests and pull-out tests are conducted on soil–reinforcement interface and on reinforcement, respectively. The effects of two types of reinforcement, viz, woven and non-woven geotextile and number of layers of reinforcement are investigated. Hierarchical single surface model is used to depict the behaviour of natural and reinforced soil by treating the soil as a single composite material and by considering soil, reinforcement and interface as independent elements. It is shown that the material parameters are very much affected by the type and the number of layers of reinforcement. The hierarchical model provides satisfactory prediction for both natural and reinforced soil. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

加筋土计算中等效附加应力法的改进

等效附加应力法的基本思路是把加筋土中筋的作用等效成外力加在土骨架上,取加筋土中的土体进行计算。这种方法能够适用于纤维加筋、分层加筋和土钉墙等不同情况,且能够克服一般复合材料方法中复合材料本构模型难以建立,和把筋土分开考虑的方法中接触面单元过多的弊病。但以前的等效附加应力法需要迭代计算,这给有限元编程带来困难,而且不利于已有程序的改编。对等效附加应力法进行改进,只要在原有土的弹性矩阵或弹塑性矩阵中加上一个附加矩阵就可以直接求解。这就使得不需要迭代就可以直接应用等效附加应力法进行加筋土计算,大大简化了编程难度,改进方法的提出有助于等效附加应力法的推广应用。     

条形基础加筋砂土地基极限承载力计算

基于传统的极限平衡条分法,利用临界滑动场法计算了条形基础的加筋地基极限承载力。假定土体处于极限平衡状态时,土体与筋材间存在均匀的摩擦力,通过建立土体条块极限平衡方程,推导了地基承载力的递推关系式。首先,设定计算土体范围,并划分条块和离散状态点;其次,根据递推公式计算各个状态点的参数,并搜索临界滑面;最后,根据搜索出的滑面计算地基承载力。通过实例比较进一步验证了计算结果的可靠性,并分析了首层筋带埋深、铺设层数和长度对地基承载力和滑面位置的影响。研究结果表明：地基承载力随着筋带埋深的增加先增大后减小;随着层数和长度的增加先逐渐增大,最后趋于稳定;滑面位置的变化规律主要是垂直影响深度和水平影响范围增大或减小。该方法原理简单、易于编程,为条形基础加筋地基承载力的计算提供了一种新思路,是临界滑动场法在地基承载力计算中的推广应用。     

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。     

浅埋煤层地表厚砂土层“拱梁”结构模型研究

西部地区拥有储量最大的浅埋煤田,煤层顶板主要特点是基岩薄,地表为厚砂土层。浅埋煤层采动后,上覆岩层垮落运动将直接波及地表厚砂土层,引起采场强烈来压及地表塌陷等灾害。通过物理模拟试验,揭示了厚砂土层贯通地表裂缝的形成和发展规律,发现地表厚砂土层初次垮落的“拱梁”和周期垮落的“弧形岩柱”结构。通过建立厚砂土层“拱梁”结构数学模型,得出了“拱梁”内的应力分量,并给出了厚砂土层破裂的判据和出现拉裂缝的位置,为确定周期性“弧形岩柱”的有关参数提供了依据,为工作面顶板压力控制和地表塌陷的分析提供了基础。     

垃圾填埋场斜坡上土工合成材料受力分析

为了评价垃圾填埋场防渗系统材料界面之间的摩擦特性以及土工合成材料端部的应力,进行了模拟试验和有限元分析。采用直接剪切试验,获得了土与短纤维无纺布、短纤维无纺布与HDPE土工膜以及短纤维无纺布与TPO（PE）界面的摩擦角和黏聚力;采用离心模拟试验,得到了伴随土压缩引起的短纤维无纺布和土工膜端部拉应力。试验结果表明：材料界面之间的摩擦角较大,但黏聚力不大;伴随填埋高度的增加,短纤维无纺布和土工膜端部的拉应力也随之增大。运用有限元对土压缩引起的短纤维无纺布和土工膜端部拉应力以及界面的摩擦应力分布进行了分析,并与试验结果进行了对比,分析结果表明：两者基本一致,碾压机械下方土工膜界面之间摩擦应力比较大。