砂土与格栅界面相互作用的直剪试验研究

筋材与土体接触面的相互作用较为复杂,它是加筋土工程设计中的关键所在。为了研究筋土界面的作用机制,采用福建标准砂与玻璃纤维土工格栅进行了一系列室内大型直剪试验,较为系统地分析了格栅横肋与纵肋及格栅几何尺寸对于筋土界面强度特性的影响。试验结果表明,格栅的横肋与纵肋在界面强度中均发挥了较大的作用,两者表现为不同的作用机制,当剪切位移较小时格栅横肋的被动阻力和纵肋的摩阻力起到共同承担荷载的作用;随着剪切位移的增大,横肋的被动阻力进一步提升,纵肋发挥了较为显著的提高筋材刚度的框架作用。因此,格栅的纵横肋需要按合理比例搭配才能发挥出较大的筋土界面强度。     

带加强肋单向土工格栅的拉拔试验

在水平-垂直加筋体系研究的基础上,对单向土工格栅设置了加强肋,使其具备立体加筋效果。通过大量的拉拔试验,研究了带加强肋土工格栅加筋的筋-土界面特性。通过对汇总得到的36组拉拔试验数据进行分析,探讨了肋间距与肋厚对极限拉拔阻力的影响情况。试验结果表明：在相同法向应力作用下,带加强肋土工格栅的极限拉拔阻力明显高于普通土工格栅,其极限拉拔阻力随着加强肋肋厚的增加而显著增加,并随着加强肋肋距的增加而逐渐减小。在试验基础上,进一步分析了带加强肋土工格栅与砂土的相互作用机制,探讨了极限拉拔阻力的影响因素,建立了拉拔阻力理论公式,并将试验结果与理论值比较,二者基本吻合。     

三向土工格栅筋-土界面特性拉拔试验研究

现有关于格栅与土的筋-土界面特性研究多以单、双向格栅为研究对象,而对三向土工格栅筋-土界面特性开展的试验研究较少。以三向土工格栅为研究对象并考虑0°和90°两种拉拔方向的影响(记为TX_0工况和TX_90工况),开展了一系列室内拉拔试验,通过对三向土工格栅沿拉拔方向4个断面的位移进行量测,分析了格栅拉伸应变、筋-土相对位移、界面摩阻力分布及格栅变形与破坏模式,并分别从峰值剪切强度和残余剪切强度两个方面对筋-土界面强度参数和表观摩擦系数的变化规律进行了探讨。研究结果表明:由于平面外挠曲变形的影响,TX_0工况下横肋的嵌锁作用随法向应力增大而增强,从而使TX_0工况的拉拔性能逐渐优于TX_90工况;拉拔过程中,筋-土界面摩阻力的发挥是一个渐进的过程,其分布形式不断发生调整,筋-土界面呈弹塑性-软化特征;TX_0工况的筋-土界面摩擦角显著大于TX_90工况,黏聚力则刚好相反,法向应力较高时TX_0工况的筋-土界面强度更高,更有利于材料性能的发挥。     

试验条件对土工格栅与膨胀土界面拉拔性状的影响

采用高密度聚乙烯（HDPE）单向土工格栅,以及南水北调中线工程新乡段的膨胀性泥灰岩风化土,在填土尺寸为600 mm×600 mm×600 mm的大型叠环式剪切试验机上进行一系列拉拔试验,研究了土工格栅与试验箱侧壁距离、拉拔速率、上覆荷载大小等试验条件因素对筋土界面拉拔性状的影响。结果表明：不排水条件下,土工格栅与试验箱侧壁的距离,对峰值拉拔力、界面强度与切向刚度的影响不大;拉拔速率较大时,拉拔力增长较快,其拉拔力峰值和界面强度较大;上覆荷载和拉拔力不同,格栅的变形量及筋土相对位移量不同,不同上覆荷载下界面摩阻力沿格栅埋入长度分布的非均匀程度不同,并可导致较小上覆荷载下界面平均摩阻力反而较大的反常行为。     

带加强肋土工格栅的极限拉拔阻力分析

在立体加筋体系研究基础上,提出了带加强肋土工格栅加筋,即通过对普通土工格栅的肋进行加强处理,使其肋具有一定的竖向厚度,构成具有立体加筋效果的带加强肋土工格栅。采用染色砂法,通过带加强肋土工格栅的拉拔试验进行了拉拔力机理分析。在拉拔过程中,加强肋前方土体会首先被挤密加强,成为一个刚性的楔体,然后刚性楔与筋材一起运动成为一个土筋共同体。推导了带加强肋土工格栅加筋土的拉拔阻力模型,分析中将加强肋的侧阻力作用简化为侧向土压力的作用,采用极限平衡理论,通过两侧的主动土压力与被动土压力进行计算。根据所建立的拉拔阻力模型计算出带加强肋土工格栅加筋的极限拉拔阻力,并与试验结果进行了对比,两者基本吻合     

焊接土工格栅土中锚固强度的影响因素

选择3种不同规格的焊接土工格栅,完成了格栅在粗颗粒土中的一系列拉拔试验。根据试验结果和土工格栅与土的相互作用机理,分析了各种格栅在土中的锚固强度及其影响因素。结果表明:在网格尺寸相同的情况下,节点剥离强度越大,则土中锚固强度越高;焊接土工格栅的节点剥离强度是其土中锚固强度的控制指标,但非唯一影响因素,网格尺寸和填土性质也对格栅土中锚固阻力的发挥具有重要影响。     

土工格栅-碎石界面力学特性拉拔试验研究

土工格栅常用于复合地基的碎石垫层,可有效限制其侧向位移并减小差异沉降,这有赖于土工格栅与碎石颗粒间的相互作用。采用3种不同的级配碎石和双向、三向两种土工格栅进行了一系列大尺寸拉拔试验。试验结果表明,更高的法向应力、更好的颗粒级配和更合理的碎石颗粒尺寸可以使拉拔阻力明显增加。冲剪破坏模型可以很好地解释双向格栅横肋在拉拔过程中与碎石层的剪切作用,该模型也适用于三向格栅的斜肋,只需合理计算斜肋的有效剪切长度。此外,还提出了一种考虑网孔和碎石颗粒尺寸与颗粒嵌固作用的土工格栅峰值拉拔阻力的计算方法,并给出了关键颗粒的概念用来评价格栅与碎石颗粒尺寸的匹配程度,可以帮助设计者合理选择材料,提高加固效果。     

土工格栅横肋对加筋砾石强度与变形特性的影响

土工格栅广泛应用于各类加筋土结构工程实践,在这些实际的加筋土结构中,加筋土体一般处于平面应变状态。为了更详尽地描述平面应变状态下土工格栅加筋土的复合力学性状,加深对土工格栅加筋机制的认识,通过以砾石和具有不同横肋数量的土工格栅为研究对象,进行大型双轴压缩试验,探究了平面应变状态下土工格栅横肋对加筋土强度和变形特性的影响。试验结果表明:土工格栅显著提高了加筋土试样的最大轴向应力,最大轴向应力随土工格栅横肋数量的增加而增大;基于数字图像相关(DIC)技术,获得了同一围压下未加筋土和各加筋土试样土颗粒的位移和旋转情况,直观地展现了土工格栅的加筋效果;加筋土试样中土工格栅在双轴压缩荷载作用下的纵向拉伸应变分布规律呈现中部最大、朝格栅试样两端递减的规律;在相同轴向应变条件下,上层格栅的拉伸应变略大于下层格栅的拉伸应变;在相同轴向应力作用下,土工格栅的纵向拉伸应变随横肋数量的增加而减小。     

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。     

节点突起影响格栅加筋性能的离散元研究

为研究筋土界面特性及节点突起对格栅加筋性能的影响,采用三维离散元方法,通过副颗粒的引入从构造上对节点处突起进行了模拟,并对含节点突起的三向土工格栅拉拔过程进行了仿真分析,系统研究了筋-土界面剪胀效应,揭示了宏观强度发展与细观组构演化的内在关联,明确了节点突起对格栅工作性能的改善。研究结果表明,傅里叶系数曲线与拉拔力曲线偏离较大,综合考虑法向接触力幅值与各向异性程度的组构演化系数更能准确反映宏观强度的发展;节点突起调整了纵肋内力分布,允许筋-土间发生较大程度的相对位移,更有助于材料性能的充分发挥。研究成果可为从细观角度优化格栅加筋性能提供参考。     

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。     

筋土之间直剪试验与拉拔试验的对比分析

直剪试验和拉拔试验是研究土工合成材料与土界面剪切特性的两种手段,但二者的试验机理存在明显的差异。本文根据筋土界面直剪试验和拉拔试验结果,对这两种试验方法进行了对比分析,探讨了直剪试验和拉拔试验得到的界面剪切强度之间的差别及其原因。试验结果表明:对于机织土工布来说,直剪试验的结果与拉拔试验得到的界面剪切强度相近,但峰值位移差别较大;对于玻纤格栅来说,直剪试验得到的界面剪切强度大于拉拔试验的结果。     

填料粗粒含量对筋土界面拉拔性状的影响

基于可视化拉拔系统及数字照相量测技术,针对5种不同粗粒含量 （粒径>5 mm颗粒的质量百分数）的粗粒土开展拉拔试验,探讨了粗粒含量 对筋土界面强度指标、颗粒位移演化及土工格栅应变等的影响。研究表明：界面黏聚力c与界面摩擦角 随 增加呈不同程度增加; 从20%增长至35%后,土工格栅末段出现应变及拉拔力峰值时所对应的格栅拉拔位移均减少,但各段土工格栅应变量增加;随着 的增加,筋土界面粗粒土颗粒位移矢量方向逐渐趋于水平,其位移量显著减小。同时,筋土界面空洞明显减少; 增加使筋土界面的粗粒土颗粒位移减小,而间接影响区范围扩大,使一定高度范围内的粗粒土颗粒被间接带动,在宏观上使界面似黏聚力增加; 增加后,位于筋土界面V3处的土颗粒最大位移速度减小。位于间接影响区的V1、V2处的土颗粒最大位移速度因受间接影响区范围扩大,颗粒扰动加强而有少量增大。     

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。      

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。     

Performance of a compaction-grouted soil nail in laboratory tests

This study proposed a new soil nail known as the compaction-grouted soil nail, and a physical model was established to investigate its pull-out behaviour with different grouting pressures. The study on scale effect of the physical model was performed subsequently via numerical modelling. Additionally, interface shear tests were performed using the same boundary conditions as the physical model test. The strength parameters obtained were used to estimate the pull-out resistance of a conventional soil nail. The merits of these two soil nail types were compared based on their pull-out resistances. The physical model test results showed that the pull-out resistance of the compaction-grouted soil nail increases with increasing grouting pressure. In addition, the pull-out resistance exhibits hardening behaviour without a yield point, indicating that the compaction-grouted soil nail enables soils to remain stable against a relatively large deformation before ultimate failure. Furthermore, a higher grouting pressure results in a higher rate of increase for pull-out resistance versus pull-out displacement, which improves the performance of the compaction-grouted soil nail in the stabilization of large deformation problems. A comparison of the two types of soil nails suggests that the new compaction-grouted soil nail is more sensitive to grouting pressure than the conventional soil nail in terms of pull-out resistance improvement. In other words, the performance (pull-out resistance) of the compaction-grouted soil nail can be markedly improved by increasing the grouting pressure without inducing any accidental or undesired cracking or soil displacement.

     

冻融作用下草本植物根系加固土体试验研究

为了研究植物根系在冻融作用下对边坡土体的加固效应,取哈尔滨、东营、合肥等地公路常见的3种草本植物根系作为研究对象,基于植物根系与土体之间的界面摩擦效应,对不同植物根系在不同次数冻融作用后的根-土复合体进行了拉拔试验以及直剪试验。结果表明：结缕草根系与土体之间的摩擦效应最为显著,加筋效果最好;狗尾草的根系与土体之间的摩擦效应最差,但狗尾草根系抗冻性较好。根-土复合体模型的抗剪强度随冻融作用次数的增加发生变化,体现在黏聚力不断减小,后趋于稳定;内摩擦角先增大后减小,之后趋于稳定。所得结果可为植物护坡加固工程以及加筋土作用机理研究提供数据参考。