土工合成材料与土工合成材料加筋砂土的相关特性

目前土工合成材料加筋的理论研究明显落后于工程实践。为了指导土工合成材料的优选和研究加筋机理,以5种国产土工合成材料为加筋材料,它们分别是针刺无纺土工织物、涤纶纤维经编土工格栅、玻璃纤维经编土工格栅、双向塑料拉伸土工格栅和土工网,系统进行三轴压缩试验以比较各种土工合成材料对砂土的加筋效果。试验结果表明：（1）各种土工合成材料加筋砂土的抗剪强度和应力应变特性不同;（2）无纺土工织物适合用于允许大变形的加筋土工程,涤纶纤维经编土工格栅和塑料拉伸土工格栅均适合用于对变形有较严格要求的加筋土工程,玻璃纤维经编土工格栅适合用于对变形有严格限制的加筋工程,设计时需要较大的安全系数,土工网适用低等级的加筋土工程;（3）砂土对各种土工合成材料侧向收缩的约束作用差异显著。     

剪切速率和材料特性对筋-土界面抗剪强度的影响

土工合成材料与填料之间的界面强度参数是加筋-土工程设计的关键技术指标,筋-土界面的直剪试验和拉拔试验在界面剪切特性试验研究中应用最为广泛。利用土工格栅、土工织物与砂土的直剪试验和拉拔试验,研究了剪切速率和筋材性质对筋-土界面强度的影响。研究结果表明,当剪切速率不超过一定界限（如7.0 mm/min）时,其对直剪试验结果的影响可以忽略;筋-土界面强度受加筋材料及砂土特性的影响,双向聚丙烯土工格栅和土工织物与砂土之间的内摩擦角与纯砂接近,界面强度较高,而玻纤格栅因其延伸率低和网格尺寸较小,与砂土的界面强度比较低。     

单、双向塑料土工格栅与不同填料界面作用特性对比试验研究

以上海某植物园加筋土工程为背景,通过一系列室内拉拔和直剪试验,研究了单、双向塑料土工格栅与不同填料（黏性土、砂土）的界面作用特性,对比分析了单、双向格栅的加筋效果和界面剪应力的不同发挥机制,探讨了填料密实度、垂直应力、拉拔速率对界面参数的影响,并就拉拔试验和直剪试验结果进行了对比分析。结果表明,对于单向格栅加筋工况,拉拔曲线和直剪曲线通常表现为应变软化型。然而对于双向格栅加筋工况,其曲线一般表现为应变硬化型;对于双向格栅加筋工况,填料对格栅的嵌锁咬合力增强,宏观上表现为较高的界面黏聚力,加筋效果优于单向格栅;填料密实度、垂直应力、拉拔速率对筋土界面特性具有影响,但其影响程度和机制与填料性质有关。     

粘土与筋带直剪试验与拉拔试验对比分析

在土工合成材料加筋土工程中,土工合成材料与填土的界面作用特性直接决定加筋土工程的内部稳定性,所以土工合成材料与填料的界面作用特性指标是最关键的技术指标。对两种加筋材料与高液限粘土之间分别进行了直剪试验和拉拔试验,通过分析可得筋土之间的剪应力随着垂直压力的增大而增加,但随着垂直压力的增大筋土之间剪应力增长率减小,即随着垂直压力的增加,筋土之间的剪应力收敛于某一上限值;由于加筋材料在试样制作过程中不可避免地在土中发生凹凸变形使土体对筋带产生一定的锚固作用,拉拔试验所测得的似摩擦系数及似粘聚力均大于直剪试验所测得的似摩擦系数及似粘聚力。因此,实际加筋土工程中,拉拔试验更能较好地反映其真实的工作状态。     

筋土界面特性宏细观分析试验仪器研制与应用

为了更全面地分析筋土界面相互作用特性,改制了一台可视加筋土界面特性宏细观分析的试验仪器,可开展不同土工合成材料与填料的直剪和拉拔试验;该仪器改进了试验箱的尺寸,可方便两种试验的对比分析,增加了图像摄录系统,可进行试验过程的细观分析。使用新研制仪器分别进行了土工合成材料（土工格栅和土工布）加筋尾矿砂的直剪和拉拔试验,试验结果表明:两种试验条件下,土工格栅与尾矿的界面参数（似黏聚力和似摩擦角）及似摩擦系数均比土工布与尾矿的界面参数和似摩擦系数大;直剪试验下筋材网孔的有无对筋-尾矿界面参数均有较大影响,拉拔试验下筋材网孔有无对筋-尾矿界面参数似黏聚力的影响较为显著,对似摩擦角的影响较小。随着宏观变量法向应力的增加,细观参数孔隙率减小,平均接触数增加,反映在宏观上的现象就是填料颗粒被压密,筋材需要克服的阻力增大。该试验仪器能够较好地分析筋土界面宏细观特性,获得关键技术指标以用于加筋结构的设计。      

土工格栅筋土拉拔界面的弹性-指数软化模型与性状

土工格栅被广泛应用于路堤、边坡、挡土墙等加筋土工程,而筋土界面分析是研究加筋作用机理的关键。根据土工格栅拉拔荷载下的受力状态,分析了拉拔试验实际剪应力与位移关系,发现界面软化阶段剪应力与位移近似呈指数分布,已有计算模型大多高估了界面剪应力,提出了能够考虑界面渐进破坏及非线性特性的弹性-指数软化模型。通过筋土界面基本控制方程,得到了土工格栅拉拔荷载下不同阶段受力状态的计算模型。对界面剪应力发展历程及分布规律展开了较为细致的研究,同时进行了参数分析,包括剪切刚度、抗拉刚度、加筋长度、软化指数衰减特征系数等。结果表明,土工格栅拉拔过程中,当筋土界面处于弹性阶段时,界面剪应力不均匀性及界面最大剪应力随剪切刚度增大而增加,弹性模量则相反;软化阶段内,加筋长度越长,界面软化现象越明显,加筋长度较短时,可近似认为界面剪应力呈均匀分布;软化指数衰减特征系数越大,界面剪应力波动越大,其峰值往拉拔端移动;进入残余阶段后,界面剪应力由拉拔端向自由端增大且逐渐趋于残余应力。研究成果可为加筋土工程土工格栅选取提供理论指导。     

土工格栅加筋土地基平板载荷试验研究

在近年来的岩土工程实践中,土工合成材料加筋土技术得到越来越广泛的应用。采用平板载荷板试验方法,进行了多组加筋砂土地基模型试验,监测和分析了不同加筋材料（双向格栅与四向格栅）和加筋层数对土工格栅加筋土地基承载特性的影响。研究结果表明：土工格栅加筋土地基与无筋地基相比,承载性能得到改善,双层加筋明显优于单层加筋;土工格栅加筋限制了浅层地基的侧向变形,相同荷载下地基沉降减小,可恢复变形增大;模型试验中测得加筋材料应变和拉力很小,与土工格栅强度相比,拉伸模量对加筋土地基承载力的贡献更大。     

土工格栅与砂土相互作用机制的拉拔试验研究

筋土之间的相互作用机制复杂,是土工合成材料加筋加固应用中的核心问题。通过室内拉拔试验,研究了土工格栅与砂土相互作用机制和格栅几何特征对拉拔阻力的影响。初步揭示了格栅横肋和纵肋在拉拔模式下的作用机制和格栅网格刚度对拉拔阻力的影响。结果表明,在拉拔位移较小时,纵肋摩阻力和横肋被动阻力几乎同步增长;在拉拔位移较大时,纵肋摩阻力逐步达到峰值,拉拔力的增量大部分来源于被动阻力的进一步增长。土工格栅拉伸模量和网格刚度是影响筋土界面力学特性的重要因素。     

基于数字图像分析的土工合成材料加筋砂土拉拔试验研究

由于加筋土界面作用的复杂性,加筋土工程建设中铺设土工格栅时往往采用经验的方法,很大程度上造成了土工格栅的浪费及工程安全隐患,理清不同填料筋土界面作用的影响范围,有助于确定加筋土结构的合理加筋间距。为了揭示不同填料筋土界面作用的影响范围,采用4种不同类型的砂土与格栅在不同法向应力下进行了一系列的拉拔试验,并结合数字图像量测技术,分析了不同类型砂土下界面剪切带厚度、颗粒位移矢量、格栅拉拔阻力峰值及应变等演变规律。研究表明：界面剪切带厚度H随法向应力σ_v与砂土平均粒径d₅₀的增加而增大,通过多变量拟合的方法,得到了H、σ_v与d₅₀三者之间的函数表达式;格栅在拉拔过程中,砂土颗粒位移矢量以土工格栅为界有着显著的差别,格栅上部的颗粒位移矢量明显大于下部颗粒,且在格栅上下一定范围内会形成颗粒位移矢量集中带;拉拔阻力峰值随σ_v及d₅₀的增加而增大;不同类型砂土各区段的格栅应变均表现出由前向后依次递减的趋势。     

可视大模型加筋土直剪数采仪的研发与应用

研制了一台适用于多种工况下的大尺寸可视直剪试验仪器,可开展不同土工合成材料与土体作用的直剪试验。该仪器改进了加载方式与反力系统,实现了直剪试验正面可视及自动化采集试验数据,并可测量土工物在土中的应变,为探索筋土界面特性与筋土受力机制以及筋土位移分析提供了新的可能。使用新研制的试验装置开展了以砾类粗粒土为填料的土工格栅直剪试验,试验结果表明:加筋土较素土的界面内聚力增加,内摩擦角降低;格栅应变总体随着剪切位移的增加而增大,格栅横肋与土体的嵌阻力快速增大造成格栅应变增长较快,但直剪作用使格栅产生的最大应变值远小于格栅的屈服应变值。素粗粒土直剪界面厚度小于格栅加筋土的界面厚度,在筋土直剪界面处粗粒土主要以平移运动为主,同时部分中小颗粒存在平转位移模式。     

Disturbed state model for sand–geosynthetic interfaces and application to pull-out tests

Successful numerical simulation of geosynthetic-reinforced earth structures depends on selecting proper constitutive models for soils, geosynthetics and soil–geosynthetic interfaces. Many constitutive models are available for modelling soils and geosynthetics. However, constitutive models for soil–geosynthetic interfaces which can capture most of the important characteristics of interface response are not readily available. In this paper, an elasto-plastic constitutive model based on the disturbed state concept (DSC) for geosynthetic–soil interfaces has been presented. The proposed model is capable of capturing most of the important characteristics of interface response, such as dilation, hardening and softening. The behaviour of interfaces under the direct shear test has been predicted by the model. The present model has been implemented in the finite element procedure in association with the thin-layer element. Five pull-out tests with two different geogrids have been simulated numerically using FEM. For the calibration of the constitutive models used in FEM, the standard laboratory tests used are: (1) triaxial tests for the sand, (2) direct shear tests for the interfaces and (3) axial tension tests for the geogrids. The results of the finite element simulations of pull-out tests agree well with the test data. The proposed model can be used for the stress-deformation study of geosynthetic-reinforced embankments through numerical simulation. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

加筋带布置对地基承载力的影响

现场原位载荷试验表明：素碎石薄垫层(Z/B=0.2)地基经土工带加筋后，能提高地基承载力。通过承载力比BCR分析加筋层数Ⅳ、加筋首层间距U、加筋带间距H、加筋线密度LDR对地基承载力的影响，并对极限稳定时筋带的设计拉力进行了讨论，提出用筋带的设计强度预估加筋地基极限承载力。     

砂土围压下的废轮胎拉拔试验评估

由于轮胎具有高强度与耐久特性,将废旧轮胎作为加筋土壤结构物的加筋材料,应是21世纪处理废轮胎的一个方向。由于轮胎为一立体结构材料,其所造成的边界影响将不同于普遍使用的平面式土工织布与土工格栅,藉由柔性前壁可有效改善砂土挤压所造成的前壁效应。以完整和一侧被切割轮胎进行试验,在前壁与侧壁效应良好的控制下,经切割的废轮胎能与砂土紧密夯实并增加受正向应力面积,其拉出阻抗优于完整轮胎。当轮胎减少一侧的胎唇钢丝,切割轮胎发生的变形量大于完整轮胎的变形量。以不同的连接材料评估两个轮胎的加筋成效,其结果显示轮胎与轮胎间的拉伸变形将影响其拉拔阻抗,需藉由低延伸性材料与刚性夹片限制轮胎的变形。因此,采用废旧轮胎进行加筋填筑时,需注意轮胎产生的沉陷变形量,此工法可用于边坡或路堤的加筋工程。     

Numerical Analysis of Multi Layer Geosynthetic-Reinforced Granular Bed over Soft Fill

In this paper, considering the plain strain conditions, a numerical study has been conducted to investigate the behavior of multi layer geosynthetic-reinforced granular bed overlying a soft soil using the Fast Lagrangian Analysis of Continua (FLAC) program. The granular fill, soft soil, and geosynthetic reinforcements are considered as linear elastic materials. The geosynthetic reinforcements are modeled as cable elements fully bonded with the surrounding soil, thus neglecting any slip. The results obtained from the present investigation showed very close agreement when compared with the results of finite element analysis and lumped parameter modeling. The distribution of vertical, lateral and shear stresses in the soil are greatly affected as the number of reinforcement layers is increased. If the tensile stiffness of geosynthetic layers increases and its value is no more than 4,000–5,000 kN/m, the settlement of the reinforced foundation decreases significantly. The reduction in settlement is insignificant when the tensile strength of the geosynthetics exceed the above value.     

Analysis of geosynthetic reinforced soil structures with orthogonal anisotropy

Reinforced soil with geosynthetics as a composite material represents significant orthogonally anisotropic properties. However, current analytical methods usually treat the soil and reinforcement separately, which is not true of practical situations. Therefore, it is difficult to use these methods to study the real effects of the reinforcement. This paper presents an analytical model based on the theory of elasticity for orthogonally anisotropic materials that can be used in analyzing reinforced soil structures with geosynthetics. The stresses and deformations at any point within the reinforced soil structure can be determined by the proposed model. The capabilities of the model have been illustrated by application to an example problem involving a physical model test of a geosynthetic reinforced soil structure. The results of the model prediction are compared with those obtained from the model tests as well as finite element analysis. It is shown that the results of the analytical solution are in good agreement with those of the physical model tests and the finite element analysis.     

HDPE和PET土工格栅加筋路堤作用的对比研究

为了研究高密度聚乙烯（HDPE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）两种土工格栅在返包式加筋路堤中的加筋效果,基于HDPE和PET的拉伸试验结果,采用FLAC3D有限差分程序并结合现场监测数据对比,分析了加筋路堤中两种土工格栅的受力变形规律。结果表明,土工格栅特性对返包式加筋路堤变形具有明显影响,影响程度与其上部土压力大小密切相关;在加筋土路堤的中下部,土压力较大,HDPE格栅前1/3段和后1/3段的应变存在较大差别,PET格栅的应变沿长度分布相对均匀;随着上部土压力的减小,格栅材料特性的影响减弱,两种格栅的应变曲线趋于接近;PET格栅对加筋路堤水平变形的控制作用更为明显;HDPE格栅加筋路堤的垂直和水平土压力值及其分布与PET加筋路堤差别很小。