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土工格栅流变特性及格栅加筋挡土墙长期工作性能研究

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第一章绪论

第二章土工格栅均布加筋边坡稳定性的塑性极限分析

第三章考虑格栅蠕变性的筋土复合体应力计算方法及影响因素分析

第四章土工格栅流变特性的试验研究及其粘弹性本构模型

第五章土工格栅加筋挡土墙的粘弹塑性有限元分析方法

第六章加筋挡土墙粘弹塑性有限元方法的验证计算与对比分析

第七章结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间所完成与发表的主要学术论文及所参加的科研项目

论文创新点摘要

致谢

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摘要

作为天然的地质材料，土具有很低或者几乎没有抗拉强度。因此为了提高土体承受侧向荷载的能力，如同在混凝土中置入一定数量的钢筋形成钢筋混凝土、从而提高了这种复合材料的抗拉性能一样，在土体内适当地加入或铺设一定数量的具有较好抗拉性能的加筋材料，形成加筋土工结构(ReinforcedEarthStructures)，依靠筋材与土体之间的摩擦和嵌锁咬合作用，可以传递拉应力并分担土体的应力，增加土体的变形模量，在一定程度上改善土体的强度和变形特性，达到加固土工构筑物与地基的目的。这种加筋材料一般以高分子聚合物等人工合成材料或钢筋为主，在岩土工程中统称为土工合成材料，主要抵抗拉力及其变形。土工合成材料可以分别用于加强土坡、加固软土地基，在支挡结构施工中铺设一定数量的土工合成材料形成土工加筋挡土墙，然而随着大量和大规模的工程建设，所面临的土质条件与地质条件的复杂程度不断加大，对软基工程、滑坡工程和防护工程及其治理工程的实际需求越来越迫切，由于在施工效率、工程安全性和经济性等方面比其他技术措施往往表现出更好的特性及适用性，土工合成材料技术及土工加筋技术在软基加固工程、堤防工程、高速公路工程、铁道工程等大量的工程实践中得到日益广泛的应用，无论在数量上还是规模上都是史无前例的。尽管如此，目前关于土工加筋结构的工作机理尚未得到清楚的认识，设计理论与方法还远远落后于工程实践，缺乏严密的分析理论与计算方法。另外，作为高分子聚合物的合成材料，各种土工合成材料在一定的环境温度条件下和在拉力的长期作用下往往表现出比较明显的蠕变特性粘性效应。然而考虑加筋材料的蠕变特性，土工加筋结构的长期变形特性及其工作机理更缺乏系统而深入的探讨。为此，本文分别以土工格栅这种土工合成材料和格栅加筋挡土墙这种土工加筋结构作为研究对象，通过实验室内的蠕变试验探讨了土工格栅的蠕变特性及其非线性粘弹性本构模型，同时考虑格栅的蠕变特性和填土的流变特性及土与格栅之间的相互作用效应，通过有限元数值分析与计算探讨了土工格栅加筋挡土墙的长期工作性能及其各种影响因素，为加筋挡土墙长期工作性能评价与工程设计提供了重要参考依据。具体地，论文的主要研究内容及所取得的研究成果包括下列方面： 1.土工格栅均布加筋边坡稳定性的上限极限分析。运用塑性极限平衡原理，基于极限分析上限定理，针对土工格栅均布加筋边坡建立了稳定性分析的上限解法，由此确定了格栅加筋边坡临界高度及稳定数的上限，并与无加筋条件下边坡的计算结果进行了对比分析，进而基于变动参数对比计算探讨了格栅加筋边坡坡角、顶面倾角、土的内摩擦角及格栅抗拉强度对加筋土坡稳定性的影响。在此基础上，进一步地采用等效粘结力考虑由于筋材加筋而引起的土体局部强度的增强效应，并以无量纲参数kt/γH表达筋材的抗拉强度，运用极限分析上限解法确定了极限平衡状态下所需要发挥的筋材抗拉强度，由此通过计算探讨了临界无量纲筋材抗拉强度参数kt/γH与描述边坡的几何特征和土的抗剪强度等参数之间的相关性。进而针对加筋边坡中部分筋材发生拉拔破坏而失效的情况，探讨了所需要的最小筋材长度对于土的强度特性和边坡几何特征参数的依赖性。 2.考虑格栅蠕变性的筋土复合体应力计算方法及影响因素分析。在详细分析目前的土工格栅加筋理论的基础上，将土工格栅加筋土看作宏观上各向异性复合材料，假定格栅加筋土的宏观应力由土和筋材两种微观应力所组成，并且假定格栅与土之间不发生相对滑动；土为理想弹塑性材料并满足Mohr-Coulomb破坏准则；格栅为粘弹性材料。采用3参数粘弹性模型考虑格栅的蠕变特性，建立了筋土复合体应力的计算方法，探讨了格栅蠕变性对加筋土微观应力的影响。通过变动参数对比计算与分析考察了格栅蠕变性参数、土的变形与强度参数等各种因素对筋土复合体应力状态的影响。 3.土工格栅蠕变特性的试验研究及其非线性粘弹性本构模型研究。土工格栅的蠕变特性对土工格栅加筋结构的长期变形特性和稳定性具有重要的影响。借助于青岛颐中格栅股份有限公司的实验室，针对荷载水平和环境温度的各种不同组合，对于2种规格的土工格栅进行了大量的实验室内蠕变试验，并对试验结果进行了比较系统的对比分析，在此基础上，通过对比分析综合考察了土工格栅载荷一应变等时曲线、蠕变曲线及松弛曲线的变化特征及其对于荷载水平与环境温度的依赖性，通过时间转换因子将不同温度下的蠕变试验结果换算为某一特定温度下的蠕变特性，进而通过曲线拟合确定了这一特定温度下格栅长期强度计算模式和蠕变强度折减系数，为土工格栅加筋结构长期工作性能的分析与评价提供了基础。基于土工格栅的大量蠕变试验结果及不同条件下土工格栅蠕变特性的对比分析，采用粘弹性理论建立了能够反映土工格栅蠕变特性基本特征的指数型模式和双曲线模式等2种经验型非线性粘弹性本构模型，分别给出了有关本构参数的合理确定方法。此外，通过模型预测与试验结果的对比论证了所建议的两种粘弹性本构模型的可靠性。最后，探讨了环境温度和载荷水平对模型参数的影响，并建立了根据环境温度与荷载水平估算模型参数的经验关系。 4.土工格栅加筋挡土墙长期性能的粘弹塑性有限元分析。针对土工格栅加筋挡土墙，分别采用粘弹塑性流变模型和粘弹性蠕变模型考虑填土的非线性流变性与土工合成材料的非线性蠕变性，同时采用界面接触单元模式和合理地选择界面参数考虑筋材与填土、填土与面板及面板之间的相互作用效应，在数值计算中采用增量法反映逐层填筑等施工过程，采用初应变迭代法反映填土流变性与格栅蠕变性的非线性粘性特征，针对二维平面应变问题发展了格栅加筋挡土墙粘弹塑性有限元数值分析方法与计算程序系统。针对Denver粘性土试验加筋挡土墙，通过试验所提供的实验数据合理地确定和标定了计算模型中的有关参数，进而通过数值分析与实测结果的对比验证了所建立的分析方法的合理性与可靠性。继而针对某一给定的土工格栅加筋挡土墙结构模型，利用所发展的平面应变有限元数值分析方法与计算程序进行了变动参数比较研究，由此探讨了填筑过程、加筋长度和间距、模型参数等各种因素对格栅加筋挡土墙结构长期变形与承载特性等长期工作性能的影响。数值计算与分析表明：填筑过程对格栅加筋挡土墙的面板水平位移、格栅拉力与应变和地基水平位移与垂直沉降影响较大，加筋改变了墙后填土应力分布模式，格栅加筋挡土墙面板位移与格栅拉力及应变在经历一段时间后将达到某一稳定状态。这些结果与结论对于加筋挡土墙长期性能评价与工程设计提供了重要的参考依据。

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