土工合成材料加筋土柔性桥台复合结构的研究现状

土工合成材料加筋土柔性桥台复合结构（GRS-IBS）是美国针对中、小型单跨桥梁的快速更换问题而提出的一种新型技术,是原有GRS桥台技术的优化与提升。到目前为止,美国积累了10多年的工程经验和研究成果,其中有44个州超过250座桥梁采用了GRS-IBS结构形式进行设计和建造。这些成果主要集中在现场工程监测方面,也有一些关于车辆静载试验和数值分析方面的研究。本文收集、整理了40多座GRS-IBS的工程资料和相关研究成果,即从现场工程监测、车辆静载试验和数值分析3个方面,以案例形式对其研究现状进行归纳总结。结果表明,GRS-IBS整体变形协调性能良好、受环境温度变化的影响小,桥跨结构与桥头引道之间无明显的差异沉降及路面裂缝出现;GRS桥台的沉降与侧向变形基本上能在施工阶段完成,工后沉降及变形均很小;GRS桥台墙面处侧向土压力值很小且分布均匀,不符合朗肯土压力理论,筋材受力亦较小且分布均匀;GRS桥台潜在破裂面的下半段与朗肯主动破坏面吻合较好,但上半段偏差较大,破坏包络面远超出朗肯面。此外,通过数值方法进行影响因素分析,发现小加筋间距和高压实度是保证GRS桥台优良性能的关键性因素;填料内摩擦角、筋-土界面摩擦系数越大,GRS桥台的性能越好。     

平台分级对加筋土边坡稳定性的影响研究

对于分级修建的边坡,如何选择合适的平台宽度还有待研究。利用离心模型试验和有限元强度折减法对加筋土边坡进行分析,探讨平台分级的影响。试验表明,设置平台可以使边坡分解成若干个次级边坡,边坡分级后,其整体破坏向各个次级边坡集中,失稳部分的规模有所减少;加筋增强了边坡的整体性,能够强化次级边坡之间的独立性;合适的宽度可以使滑动面只发生在次级边坡中,对整体安全是有利的。有限元计算表明,边坡高度较大时,土的黏聚力的作用就会削弱,通过将高大的边坡变成高度较小的次级边坡,能够充分发挥黏聚力对边坡稳定的作用。而加筋的主要效果就是给土体提供一个似黏聚力。也就是说,合适的边坡高度分级能够充分发挥筋材的加筋效果。另外,对加筋高边坡来说,筋材的模量和延伸率是更为关键的材料参数。延伸率不足,在其他筋材的强度还没有发挥时被拉断,就达不到共同承载的目的。     

用离心模型试验研究花岗岩残积土边坡的破坏特性

推导了边坡坡体及锚固体的离心相似模型,得出了相关参数的相似比尺。通过试验得出了花岗岩风化残积土边坡可能以平面形式失稳也可能产生圆弧滑动,分析了含水量对破坏形式的影响。通过试验得出无控制性结构面的边坡的极限稳定高度与坡角的关系大致满足马斯洛夫方程。     

加筋土不同计算方法的比较

分离式、整体式和组合式方法都可以用于加筋土和钢筋混凝土的数值计算,它们在本质上是一致的。针对一典型加筋土结构,分别采用分离式、整体式和组合式方法进行计算比较,其中组合式方法考虑了筋材位于土单元的1/3和2/3高度位置两种情况。计算结果表明,不同方法的计算结果仅在边界附近约两列单元范围内有差别,在计算域内部计算结果基本相同。研究成果有助于加筋土计算方法的合理选择和应用。     

土工格栅加筋路堤边坡设计方法分析

简单介绍了<公路土工合成材料应用技术规范>(JTJ/T 019-98)中关于路堤边坡的等间距或分区等间距加筋设计方案,然后编写了程序,计算边坡在分层填筑时的安全性能,通过反复迭代计算可得出满足安全系数要求的最佳土工格栅铺设间距.最后对工程实例采用该程序进行了计算,结果表明土工格栅的最佳铺设间距不是等间距,而应尽量采用"顶疏底密"的布置方式.     

广义回归神经网络预测加筋土支挡结构高度

土工合成材料加筋支挡结构（Geosythetics-Reinforced Retaining Wall, 简称GRW）设计方法主要是建立在似粘聚力理论基础之上的半经验设计法。由于土性及加筋机理的复杂性，常常要对它们进行人为假定，导致计算结果差强人意。神经网络方法与传统方法的不同之处在于不需要主观假定，而是模拟人脑思维，通过数据样本的学习来获得预测结果。引入神经网络技术来预测加筋土支挡结构的设计高度是一种新尝试。由于本问题具有样本容量非常有限、影响因素复杂多样的特点。因此，采用适用于稀土样本数据的广义回归网络（General Regression Neural Network)来预测加筋土支挡结构设计高度。基于MATLAB神经网络工具箱及文献[1]的挡墙离心模型试验结果，建立了一个可用于加筋支挡结构设计高度预测的GRNN网络。通过对足尺试验，实际工程及模型试验结果的检验，表明网络的学习是成功的，具有一定指导意义。     

边坡破坏过程离心模型试验的应力位移场研究

提出了一种确定离心模型试验过程中边坡的应力和位移场及其变化过程的方法。基于物理测量与数值模拟相结合的思路,首先采用离心场非接触位移测量技术测量出边坡的位移场;然后通过数值模拟和反演分析等途径算出边坡的应力场。该方法已成功用于多个边坡离心模型试验中的应力位移场的确定,表明了该方法可以较好地得出离心模型试验过程中边坡的应力和位移场。边坡离心模型试验结果表明,边坡的破坏过程与应变局部化和应力集中的过程有着密切联系。     

离心模型试验与数值模拟相结合研究采空边坡渐进破坏特性

以贵州六盘水地区煤层开采为工程背景,采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了采空条件下边坡的渐进破坏过程及破坏模式。基于离心模型试验得到了开采过程中边坡的位移场,并采用FLAC~(3D)对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的边坡位移时程曲线吻合程度较高,塑性区分布与试验点对分析得到的滑裂面破坏过程与路径基本一致。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,表明贯通坡脚与采空区的滑裂面由下向上形成,且总体发生剪切错动破坏,贯通坡肩与采空区的滑裂面由上至下发生复杂的破坏过程,初始阶段滑裂面发生张拉破坏,中间阶段同时发生张拉与剪切破坏,末尾阶段发生剧烈的剪切滑移破坏。     

间接加筋作用及加筋土挡墙离心模型试验验证

土工合成材料加筋土挡墙在工程实践中得到了广泛应用,但现行加筋土挡墙的设计方法很有争议,以及对加筋土挡墙的工作机理上的认识存在误区。基于已有间接加筋作用的研究成果,提出了"临界层间距"的概念,并以此区分加筋土挡墙的密筋状态和疏筋状态。认为在不同的加筋状态下,加筋土挡墙工作机理是不同的。而且临界层间距与填土和筋材性质有关,并不是一个固定值。在密筋状态下的加筋土挡墙自身表现为一个柔性筋土复合整体。为了验证这些认识,进行了刚性基础上加筋土挡墙的离心模型试验研究,结合试验结果论证了间接加筋作用及密筋状态下加筋土挡墙的工作机理,提出了进一步研究的思路。     

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。     

倾斜基岩上的边坡破坏模式和稳定性分析

应用离心模型试验对工程中被颇为关注的带有与边坡走向一致的倾斜基岩面,且在该基岩面存在软弱夹层的边坡的稳定性和破坏模式进行了比较详细地研究,并用极限平衡分析方法对试验结果进行了计算分析。模型试验结果表明,该类边坡失稳时,紧贴岩面的软弱夹层就成为滑动破坏面,因而边坡整体沿基岩面向下滑动,且侧向水平位移各处基本一致,表现出典型的平移滑动破坏模式。将稳定安全系数的实测结果与按平移滑动破坏模式的极限平衡分析方法的计算结果相比较后发现,两者相当地吻合,证实了按平移滑动破坏模式所作的极限平衡分析,能良好地预测边坡平移滑动破坏情形下的稳定安全系数。     

边坡开挖破坏过程的离心模型试验研究

边坡开挖是工程中经常遇到的问题。在清华大学土工离心机上,开发了一种离心机运转过程中的边坡开挖模拟技术。进行了土坡开挖的离心模型试验,测量了开挖过程中边坡的位移场变化。结果表明,边坡的破坏过程是从坡体下部开始的剪切带逐渐向上发展贯通的过程,并经历了滑裂面贯通前的平缓变形和贯通后变形迅速增大两个阶段。坡顶裂缝最初均是由受拉引起的,但随着剪切带的不断向上发展,裂缝的扩展是由拉伸和剪切两种作用综合引起的。     

加筋土挡土墙边坡的稳定性分析

加筋挡土墙边坡是一种新型的复合边坡加固技术,用传统的方法很难设计这种复杂的结构。以一工程实例叙述了采用弹塑性有限元法预测加筋土边坡的稳定性的方法;给出了不同设计方案下的位移;分析了土体力学参数对边坡最大水平位移的影响。结果表明,土体的弹性模量、内摩擦角与粘聚力是影响边坡位移的重要因素。这些土力学参数与边坡最大水平位移是非线性关系,且有呈现临界点的趋势。因此,适当控制填土的力学性能参数有助于达到安全节省的设计目标。      

强震作用下复杂边坡块体破坏模式和破坏特征研究

设计了白鹤滩水电站复杂结构面组合块体边坡的比尺为1:200的大型三维动力模型试验,通过输入不同幅值的地震波,研究地震作用下块体位移时程的响应规律、残余变形的分布规律,揭示边坡块体的破坏模式,评判边坡块体的破坏类别和特征。试验结果表明,工程边坡块体在设计条件下的抗震稳定性较好;在地震超载过程中,残余变形首先发生于后缘裂隙,各超载工况残余变形量由两个三角部位向坡内逐渐减小,三角部位为地震作用下易首先破坏的区域;该边坡块体地震破坏模式为沿底面与侧面的双滑失稳破坏模式。由残余变形量变化过程及地震灾后统计成果分析得出工程边坡的破坏特征:残余变形量小于15 cm且初次出现较明显突变可作为抗震设计允许变形限值;残余变形量大于30 cm后位移突变加强,边坡块体即可能整体失稳。边坡锚固应注意加强块体后缘裂隙的抗拉能力和底面的抗剪能力。     

层状岩体边坡破坏形式的工程地质判别

通过对层状岩体边坡不同破坏类型形成原因的对比分析及各种类型的力学及成因差异的研究,提出对各类层状岩体边坡的破坏类型进行判别的工程地质要点,并指出边坡工程中工程地质调查、分析是边坡分析能否反映实际的关键。文章还对各种破坏类型的力学机制及评价方法进行了对比分析,提出了层状岩体边坡工作中重点调查的项目,从而使层状岩体边坡工作更具有实际意义。     

边坡电渗模型试验及能量分析法数值模拟

采用导电塑料制成的电动土工合成材料(EKG)进行了15.5 d的边坡电渗加固试验,测定了电渗之后土体等含水率分布曲线。试验结果表明,电渗加固效果是随时间从阳极到阴极逐渐扩展的,因此,越靠近阳极接入点的土体加固效果越好,越靠近阴极末端的土体加固效果越差。提出了电渗能量分析法,该方法仅要求黏性土体在排水固结开始的初始时刻是处于饱和状态,而在排水固结进行的过程中土体可以是饱和的,也可以是非饱和的。提出了基于能量分析法的电渗过程数值模拟方法,并对试验过程进行了数值模拟,模拟结果与实测结果能够较为吻合。     

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。     

软土地基上加筋路堤稳定性分析——改进瑞典条分法

在软土地基加筋路堤稳定性分析方法中，传统的瑞典条分法由于对土工合成材料的加筋作用存在认识上的误区，导致最终的计算结果过于保守。对软土地基加筋路堤的加固机理和破坏模式进行深入分析发现，传统分析方法对加筋俸的加筋作用估计不足，据此，在充分考虑加筋体的加筋作用下，基于瑞典条分法提出了新的稳定性分析计算公式，通过实例验证该法比较符合工程实际。     

软粘土层上的油罐差异沉降

根据某一大型油罐软基加固处理工程方案设计和优选需要,按照离心模型相似律,开展了三组模型试验,分别模拟了天然地基、土工合成材料袋装碎石垫层和既在填土层中设置袋装碎石垫层又在淤泥质粘土层设置土工合成材料排水板三种情况,以研究这一加固布置形式对减小高压缩性软土层地基上油罐罐底的差异沉降效果反应。模型油罐地基采用原型土重塑制备,现场土工合成材料袋装碎石采用柔性机织玻璃纤维细管塞装粗砂条模拟,并在不停机运转条件下模拟了多次充放水预压加载。试验结果表明,油罐软弱地基经土工合成材料袋装碎石加固后,罐底总沉降值和差异沉降值均明显小于天然地基情形下对应的沉降值,罐底畸变得到显著减小,就本文所述的土质条件、土层厚度和预压荷载强度,地基经加固处理后,油罐罐底畸变减小了近50 %。最后就土工合成材料在加固油罐地基布置形式的合理性进行了初步探讨。