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[免费论文]土工合成材料加筋技术应用于路堤边坡工程的作用
2020-05-28 19:00编辑: www.jxszl.com景先生毕设
摘要按照国家和山东省"十三五"科技创新发展规划确定的重大发展战略,青岛沿海地区已成为全球海洋科技创新中心.双向融入"一带一路"试验区,因此交通基础设施投资建设力度大,地铁.高铁.高速公路工程项目在此汇集, 更多精彩就在： 51免费论文网|www.jxszl.com
交通荷载作用下路基路堤工程长期服役性能.边坡变形行为特征.演化模式及稳定性探究成为焦点问题.土工合成材料加筋技术应用于路堤边坡工程,可有效解决路堤服役期关键问题：①工后沉降问题,特别是差异沉降问题；②长期稳定性问题.探究交通荷载作用下加筋垫层筋土界面特性对解决路堤服役期关键问题至关重要,由于加筋土工程中筋材和土体之间作用机理复杂,加筋土理论和设计参数探究仍落后于加筋土技术广泛应用的步伐,影响筋土界面力学特性的因素较多,在试验探究筋土界面特性的方法尚不够完善.本文不同土工合成材料与不同土质之间的筋土界面力学特性进行探究,对完善加筋土设计理论,推进加筋土技术应用发展具有理论与实践意义.本文针对土工合成材料和砂土之间的筋土界面力学特性问题,以加筋土工程的作用机理为探究基础,进行室内大型直剪试验,采用传感器测试技术记录试验数据.采用厦门艾思欧标准砂来配置不同颗粒级配的砂土,考虑不同的直剪界面：①无加筋界面；②格栅筋土界面；③土工布筋土界面.对影响筋土界面力学特性的三个因素(土工合成材料类别.不同颗粒级配的砂土和不同法向应力)进行剖析探究.为了对宏观物理试验结果进行补充,通过颗粒流剖析程序软件PFC2D,建立适合于实际试验的筋土直剪试验,并从细观角度得到直接剪切过程中颗粒的运动规律,以及得到影响筋土界面的因素对筋土界面的影响规律,验证与试验的一致性.本文的主要探究内容和结论如下：(1)通过筋土界面大型直剪试验,在法向应力较低时(50kPa),土工布对于细砂的加筋效果比粗砂的效果显着,土工格栅对粗砂的加筋效果比细砂的效果更加显着；当法向应力较大时(110kPa),筋材的类别对提升筋土界面强度幅度的影响减小.在法向应力较低时(50kPa),填料的颗粒级配对筋土界面的力学特性影响较小；法向应力较大时(110kPa),颗粒直径相近的砂土与筋材作用效果较好,颗粒直径大小对筋土界面的力学特性影响较小.(2)筋土界面在法向应力较低作用下时(50kPa),达到峰值强度时的剪切位移较短；在法向应力较大时(110kPa),达到峰值强度时的剪切位移较长.剪胀率随着法向应力增大而减小.筋材在法向应力较大时(110kPa),更能发挥其加筋效果作用.(3)对根据试验结果所得的筋土界面的抗剪强度进行拟合,筋土界面所得的抗剪强度包线的内摩擦角变化幅度均在4°以内,土工合成材料类别对筋土界面的内摩擦角影响不大.格栅对筋土界面提供的"粘聚力"大于土工布.(4)利用PFC2D颗粒流数值模拟软件建立筋土界面直剪模型,通过fish语言对不同颗粒级配的砂土和不同法向应力的筋土界面直剪模型进行运行计算,直剪过程中颗粒之间接触链的产生方向与直剪方向一致,并且随着直剪位移增大,接触力链越加密集和粗实.直剪所得应力应变剖析规律与物理试验较为一致,表明该数值模拟可以较准确地模拟筋土的直剪过程,模拟的试验结果可行.探究成果可以为加筋土技术应用于交通基础设施工程实际提供理论支撑依据.通过建立合适的数值计算模型,利于推进加筋土工程高精度高效率数值模型建设方法,同时可以节省经济成本.关键字：筋土界面特性,大型直剪试验,强度指标,PFC2D颗粒流,数值模拟AbstractInaccordancewiththemajordevelopmentstrategydeterminedbytheStateandShandongProvince's"13thFive-YearPlan"forscientificandtechnologicalinnovationanddevelopment.ThecoastalareaofQingdaohasbecomeaglobalmarinescienceandtechnologyinnovationcenterandatwo-wayintegrationintothe"OneBeltandOneRoad"pilotzone.Therefore,thetransportationinfrastructureinvestmentisenormous,andthesubway,thehigh-speedrailandexpresswayprojectsarehere,thelong-termserviceperformance,slopedeformationbehaviorcharacteristics,evolutionmodeandstabilityofthesubgradeembankmentprojectundertrafficloadhavebecomethefocusofattention.Theapplicationofgeosyntheticsreinforcementtechnologytotheembankmentslopeprojectcaneffectivelysolvethekeyproblemsoftheembankmentserviceperiod:①post-constructionsettlementproblem,especiallydifferentialsettlementproblem;②long-termstabilityproblem.Itisveryimportanttostudytheinterfacecharacteristicsofreinforcedcushionundertrafficloadforsolvingthekeyproblemsofembankmentservicelife.Becauseofthecomplicatedinteractionmechanismbetweenreinforcedsoilandsoilinreinforcedsoilengineering,researchonreinforcedsoiltheoryanddesignparametersstilllagsbehindthewideapplicationofreinforcedsoiltechnology.Therearemanyfactorsaffectingthemechanicalpropertiesofthereinforcedsoilinterface.Themethodofexperimentallystudyingtheinterfacecharacteristicsofreinforcedsoilisnotperfect.Basedonthestudyofthemechanicalpropertiesofthegeosyntheticinterfacebetweendifferentgeosyntheticsanddifferentsoils,thispaperhastheoreticalandpracticalsignificanceforimprovingthedesigntheoryofreinforcedsoilandpromotingtheapplicationofreinforcedsoiltechnology.Inthispaper,themechanicalpropertiesoftheinterfacebetweengeosyntheticsandsandarestudied.Basedontheresearchmechanismofthereinforcedsoilengineering,thesensortestingtechnologyisadoptedbyconductinglarge-scaledirectsheartestintheroom.UsingXiamenEsostandardsandtoarrangesandwithdifferentparticlegradation.Considerdifferentdirectshearinterfaces:1)noreinforcedinterface;2)gridreinforcedsoilinterface;3)geotextilereinforcedsoilinterface.Threefactorsaffectingthemechanicalpropertiesofreinforcedsoilinterface(typesofgeosynthetics,sandgrainswithdifferentparticlesizesanddifferentnormalstresses)areanalyzed.Inordertosupplementthemacroscopicphysicaltestresults,throughtheparticleflownumericalsimulationsoftwarePFC2D,thedirectsheartestofthesoilsuitablefortheactualtestisestablished,andthemotionlawoftheparticlesduringthedirectshearprocessisobtainedfromthemesoscopicpointofview,andtherelevantinfluencingfactorsareobtained,andverifytheconsistencywiththetest.Themainresearchcontentsandconclusionsofthispaperareasfollows:(1)Throughthelargedirectsheartestattheinterfaceofthereinforcedsoil,whenthenormalstressislow(50kPa),theeffectofthegeotextileonthereinforcementofthefinesandismoresignificantthanthatofthecoarsesand,andthereinforcementeffectofthegeogridonthecoarsesandthantheeffectoffinesandismoresignificant;Whenthenormalstressislarge(110kPa),theinfluenceofdifferentribsonthestrengthofthereinforcedsoilinterfaceisreduced.Whenthenormalstressislow(50kPa),theparticlesizeofthefillerhaslittleeffectonthemechanicalpropertiesoftheinterfacebetweenthereinforcementandthesoil;whenthenormalstressislarge(110kPa),Theeffectofnon-gradedsandandgeosyntheticsisbetter,thediametersizehaslittleeffectonthemechanicalpropertiesofthereinforcedsoilinterface.(2)Whenthenormalstressislow(50kPa),therequiredshearingdisplacementisshorterwhenthepeakintensityisreached.Whenthenormalstressislarge(110kPa),thesheardisplacementislongerwhenthepeakintensityisreached.Thedilatancydecreasesasthenormalstressincreases.Geosyntheticscanexerttheirreinforcingeffectwhenthenormalstressislarge(110kPa).(3)Theshearstrengthofthereinforcedsoilinterfaceobtainedaccordingtothetestresultsisfitted,andtheinternalfrictionangleoftheshearstrengthofthereinforcedsoilinterfaceiswithin4°.Thegeosyntheticscategoryhaslittleeffectontheinternalfrictionangleofthereinforcedsoilinterface.Thegeogridprovidesa"cohesion"tothegeosyntheticinterfacethatislargerthanthegeotextile.(4)UsingthePFC2Dparticleflownumericalsimulationsoftwaretoestablishadirectshearmodelofthereinforcedsoilinterface.Operationalcalculationofsand-soilanddifferentnormalstress-bearinginterfacedirectshearmodelsofdifferentparticlesizesbyfishlanguage.Intheprocessofdirectshearing,thedirectionofcontactbetweentheparticlesisconsistentwiththedirectsheardirection,andasthedirectsheardisplacementincreases,thecontactforcechainismoreencryptedandcoarsened.Thestress-strainanalysislawobtainedbydirectshearingisconsistentwiththephysicaltest,whichindicatesthatthenumericalsimulationcanaccuratelysimulatethedirectshearprocessofthesoil,andthesimulatedtestresultsarefeasible.Theresearchresultscanprovidetheoreticalsupportfortheapplicationofreinforcedsoiltechnologyintransportationinfrastructureengineering.Byestablishingasuitablenumericalcalculationmodel,itisbeneficialtopromotetheconstructionmethodofhigh-precisionandhigh-efficiencynumericalmodelofreinforcedsoilengineering,andatthesametimesaveeconomiccost.Keywords:Interfacecharacteristicsofreinforcedsoil,largedirectsheartest,strengthindex,PFC2Dparticleflow,numericalsimulation目录第1章绪论1.1探究时代及意义我国地域辽阔,沿海海岸线绵长,其中陆地海岸线长达1.8万公里.近年来,迎来了沿海地区大发展的黄金时期.国家加大了对沿海经济区的交通建设力度,已建成.正在建设和计划修建数条沿海峡.港湾.岛屿等道路工程,以及附属的边坡和挡墙工程.加大交通运输的特出表现为：交通量迅速增大,车辆载重增加.车速更快.高等级路段应运而生,对于道路.边坡和挡墙工程的安全可靠性.耐久性以及经济性提出了更高要求[1].随之产生的工程问题日益增多,这类工程问题又与地质问题息息相关,由于土是地壳表层的岩石在阳光.大气.水和生物等因素影响下,发生风化作用的产物,是还没有固结成沉积岩的松散沉积物,也是工程活动的主要对象.用于建筑工程时,土具有独特的散体性.多相性和自然变异性,同时具有较好的抗压和抗剪性能.但是土的松散性也决定了其抗拉性能较差,常见的土在自重作用或者外部荷载下容易发生变形或坍塌,尤其在雨天等恶劣天气环境下边坡.挡墙等容易发生滑坡失稳.为了提高土的整体性,可以在土体内部加入一些抗拉性能较好的材料,例如,在土坡的拉伸变形区域中放置钢筋或者土工合成材料构成混合建筑材料,用来提高整体的强度,这类工程简称加筋土工程.加筋土是由加筋材料和土组成.在土的自重作用或者外部荷载作用下,土与加筋材料之间产生相对和剪应力,土工合成材料产生拉力从而增加了对土横向变形的限制.此外,还使得处于受拉土工合成材料下面的土中应力均匀,减小不均匀沉降.其中,土工合成的材料主要分为四大类：(1)采用编织技术生产的土工织物主要用于防渗.(2)土工膜具有极低的渗透性,是理想的防渗材料.主要作为一种隔离屏障,用于垃圾填埋场的防渗漏.(3)针对不同的加筋工程生产的土工专用材料,主要包括有土工格栅.土工格室和土工布等,如图1.1所示.(4)土工复合材料是土工织物.土工膜.土工格栅和某些特殊的土工合成材料互相组合,在加筋工程中能发挥多种功能.加筋工程体现的作用是土工合成材料和周围土体的结合实现的,因此,加筋土界面之间的力学特性是优化和改进加筋土工程结构设计和理论的关键.探究筋土界面之间的力学特性,还需要了解筋材的工程性质.土工合成材料的工程特性包括物理特性.力学性质.水力性质.土工合成材料与土体之间相互作用以及耐久性等[2].在,土工合成材料加筋土技术正在快速发展,例如在土建工程.道路工程和水利工程等领域得到了广泛的应用,如图1.2所示.但是,的加筋土理论探究长期落后于工程实践[2].我国的国土幅员辽阔,不同地貌的土质情况不一,加筋挡土墙.加筋边坡和加筋路堤等加筋土工程应用,会因为土质类别.颗粒级配.筋材类别和不同等级的外部荷载影响而表现出不同的加筋效果.因此对筋土界面的力学特性展开探究,完善加筋土工程的设计理论和规范设计方法,有利于加快理论探究的步伐,推动土工合成材料加筋土技术更加广泛应用于交通基础设施建设.筋土界面的抗剪强度指标,在加筋土工程的实际应用中是较为重要的力学特性指标,探究成果可以为加筋土技术应用于交通基础设施实际工程提供依据.1.2国内外探究现状1.2.1加筋土工程发展现状早期的加筋土工程是在土中运用芦苇.草席增加软土路面的承载能力,直到上世纪六十年代,法国HenriVidal氏发明用钢条作为加筋材料加入到挡土墙的设计中,此后加筋土技术迅速发展到全球并且不断完善和成熟.土工合成材料作为加筋材料,广泛应用于道路与路基设计与施工中[3],并取得了显着的效果.上世纪七十年代初期,美国修建了其首个加筋挡土墙,用于高速公路路基加固；土工格栅的发展生产稍晚一些,首个使用土工格栅的加筋挡墙,在上世纪八十年代初期修建成.日本由于处于环太平洋地震带,在经历过神户地震,处于近震区的一些加筋挡土墙未遭到破坏,则广泛用于城市道路.高速公路以及边坡工程[4].国内第一次运用土工合成材料增加路堤的稳定性,是上世纪八十年代广茂铁路的软土地基表面.在新背景,国内加筋土工程技术日趋成熟,已广泛应用于高速公路的软基处理方面,如杭甬高速公路工程.上海沪宁高速公路工程等.另外,还广泛应用于高加筋土坡和加筋挡墙,例如神农架机场多级加筋挡墙.高达七十多米的锡金机场多级加筋挡土墙等[5].1.2.2筋-土界面力学特性试验探究现状早在上世纪八十年代末期,人们就对土工合成材料与土间的作用力进行了探究,由于标准直剪仪的剪切面积太小,与实际情况反差较大,后来为测定筋材与土的接触面,亦可以采用抗拔试验和三轴试验[6].为了完善加筋土技术应用于不同土质的技术与理论,近年来,国内外探究学者通过大量的室内试验诸如直剪和拉拔试验,对不同种类土工合成材料与不同土质间的界面力学特性进行了大量试验探究,得到了关于加筋土的加固效果的探究成果,尤其是对于筋土界面相互作用的机制有了更深层次的认识.国内外许多学者对加筋土界面的相互作用进行了探究：WANGZheng-gui(2001)[7]探究了加筋土中土与刚性平面的相互作用,通过拉拔和直剪试验,分别得到的土体与钢筋之间的动摩擦系数差别较大.通过试验和计算,得出直剪试验的摩擦系数和拉拔试验的摩擦系数之间的关系.吴景海(2001)[8]通过对加筋土分别进行直剪试验和拉拔试验,比较土工合成材料与填料之间接触面的特性,确定了较为合适的直剪系数,认为拉拔系数需要根据具体工程采用的筋材和土质进行试验确定.Moraci(2005)[9]为了探究土与土工合成材料在锚固区中的相互作用,拉拔试验进行的试验结果,得到在峰值和残余拉拔阻力上的不同参数(加固刚度.几何形状和长度.施加的垂直有效应力和土的土工特性).挤密土中挤压土工格栅拔出性能的影响因素提出了土工布和土工膜的一种新的理论方法,用于确定挤密土中挤压土工格栅的峰值和残余抗拔力.杨广庆(2006)[10]通过两种不同的试验设置角度(拉拔试验和直剪试验)来确定筋土接触面的抗剪强度,考虑到直剪试验在直剪过程中土工合成材料会发生错动,其中直剪试验中将格栅固定于铁片上,探究发现土工格栅与砂砾料接触面产生的加筋效果较粘土显着.Nye(2007)[11]通过在单向正应力下进行单调和循环位移控制剪切试验,探究位移率.位移幅值.周期数.频率等因素对材料响应的影响.认为循环剪切试验中循环响应主要受到位移幅值的控制,随着位移幅值的增加,循环试验产生了较低的后循环静态峰值强度,这是由于更大程度的钢筋损伤.后循环静态残余强度不受先前循环载荷的影响.徐超(2008)[12]从不同粗糙程度的HDPE膜出发,通过自制的直接剪切仪器,实现了与砂土.土工布和土工合成材料接触面的摩擦特性试验探究.探究对比发现,斜板试验可以在一些特定的工程(填埋场或者边坡工程)可以更好地模拟面的实际状态,并认为正应力对试验界面的临界坡度有一定影响.刘炜(2008)[13]为减少尺寸效应,利用大尺寸直剪仪对土工格室加筋的剪切过程进行模拟,将试验结果与常规直剪试验和三轴压缩试验对比剖析,探究发现三种不同的试验方法对筋土接触面抗剪强度指标有不同程度的影响,认为填料性质的选择对土工格室加筋作用效果的影响较大.史旦达(2009)[14]通过采用相同尺寸的试验盒进行室内拉拔和直剪试验,直剪试验中土工格栅固定于木块之上.剖析填料密实度.垂直应力和拉拔速率等影响因素对筋土界面力学特性的影响,其中加筋土性质影响较显着.Palmeira(2009)[15]从用于测试筋-土界面力学特性的各种测试设备仪器角度,评估在筋土相互作用下的实验,其中直接剪切试验考虑到了边界和测试条件的影响,探究认为筋土界面相互作用评价的测试设备和程序的标准化对于实际工程的应用很重要.尽管用筋土界面力学特性探究的测试装置可能有多种复杂,但是在大多数情况下,可用的测试技术仍然是对现场土工合成材料行为的粗略近似.施建勇(2010)[16]对土工膜和土工布与不同填料间的界面特性分别进行了拉拔.直剪和单剪试验探究,采用的界面尺寸150mm×250mm,探究得出单剪或直剪试验确定的界面强度参数,认为其能为合理地模拟垃圾填埋场的工作条件的测试方法提供参考依据.CharbelN(2010)[17]针对具有显着细粒含量的加筋土边坡和路堤工程,采用一种特殊改进的直剪仪,从土壤吸力影响因素角度出发,对非饱和土与土工织物界面力学行为进行探究.探究结果表明,土工织物界面的峰值抗剪强度随土体吸力呈非线性增加.IndraratnaB(2011)[18]从土工格栅加筋碎石道碴煤粉结垢的角度,通过大规模直接剪切试验探究了脏污颗粒对土工格栅加筋道碴的应力-位移特性.探究结果表明,当煤矿颗粒对压载物造成污染时,土工格栅加固的益处随着污染程度的增加而减小,提出了剪切强度模型预测在给定的正常应力下由于煤矿引起的峰值剪切应力和剪切阻力峰值角度的降低.徐超(2011)[19]从部分加筋土工程承受交通荷载等动荷载的角度出发,利用自制的大型结构面剪切仪模拟了动荷载作用下筋土直剪试验.探究得出,法向循环荷载对筋土接触面的剪切特性有明显影响：法向循环荷载波形是影响剪应力变化的的因素之一,但是对筋土界面的峰值剪应力影响不大.肖成志(2012)[20]认为由于黏性土含水量对土体整体稳定性有显着影响,通过拉拔模型试验,主要探究了筋材和黏性土之间界面的力学特性,由试验结果认为黏性土中含水量对加筋效果有较大影响,格栅的抗拔力随着黏性土中含水量的增加而呈现减少趋势,筋土界面的粘聚力先增大后减小.王家全(2013)[21]通过大型直剪试验,探究了不同竖向应力下砂土与双向土工格栅直剪界面的力学特性,利用先进的测试技术对细观试验结果补充.通过剖析细观上的颗粒运动路径规律,砂土颗粒在剪切过程中经过剪胀,颗粒长轴重新排列.王协群(2013)[22]采用黏土.砂砾石和四种不同类型的格栅筋材开展一系列大型直剪试验,探究了加筋土界面强度特性.剖析了诸如填料类型.含水量和压实度,剪切速率和网格类型等因素的影响；在Chia-NanLiu等[23]剖析方法的基础上,提出对筋-土界面强度模型的改进.并根据试验结果,采用其改进过后的模型,定量剖析了土工格栅的横肋和纵肋对筋-土界面抗剪强度的贡献.Cheng-ChengZhang(2015)[24]通过一系列拉拔试验,针对新型加筋材料,如玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强复合材料(GFRP和CFRP),探究两类新型加筋材料与常规钢筋之间拔出行为的力学特性的差异.试验结果表明与CFRP和钢加固相比,GFRP筋的界面剪应力具有更大的非线性和非均匀分布.刘飞禹(2016)[25]针对直剪过程中的剪切速率这一因素对格栅-土界面特性的影响,重点展开了一系列单调直剪和循环直剪试验.认为剪切速率对单调直剪下的格栅-砂土界面力学特性影响不大；在循环剪切过程中,不同大小的剪切速率,会带来或循环剪切软化或硬化的现象.卢涛(2016)[26]为探究加筋土动力特性,通过室内动三轴试验,利用窗纱代替实际筋材,分别对粉土.黏土两种土质,探究筋土弹性模量及阻尼比的变化规律,通过试验认为筋材对筋土动弹性模量影响不大,土质类别对筋土弹性模量的影响明显.目前,国内外对筋土界面试验探究主要围绕材料类别特性.土的类别.边界条件.外部荷载.位移幅值和不同试验方法等影响筋土界面特性的试验影响因素展开,并已经得出许多有关探究成果.由于加筋土的筋土之间作用机理复杂,以及筋土参数的多样性,室内模型试验剪切仪器尺寸较小带来的边界效应.实际筋材的尺寸大小和筋材种类等因素都对筋土界面特性有一定的影响.国外学者对筋材类别的探究起步稍早,国内学者在室内试验中以类似材料替代筋材,或者更多使用尺寸较小的筋材,在试验探究准确度方面还不够完善,对于实际工程的技术应用发展会有一定限制.筋材作为加筋土工程中增强整体强度和稳定性的重要因素,在试验探究中更应重视这一影响因素.1.2.3筋-土界面数值模拟探究现状直剪试验在实际测定中有广泛应用,但是砂砾土的现场试验成本昂贵并且耗时,为了更好的探究筋土接触面的力学特性,国外已有学者在探究砂土和钢筋接触界面时采用了离散元数值模拟[27].早在1979年,Cundall[28][29]提出采用离散单元法(DEM),这一方法的基本原理是将土体定义为离散材料,以颗粒间的力学接触定律为基础,剖析颗粒在各种边界条件下的宏.细观力学响应.颗粒流剖析程序PFC2D是离散单元法中模拟二维颗粒,可以用来模拟颗粒介质特性,经过数值模拟仿真试验得出PFC2D可以改变模型中颗粒的级配特征,补充了细观参数影响宏观力学的性状.然而对于加筋土工程的离散元数值模拟直剪试验探究还是尚少.刘斯宏(2001)[30]通过采用离散单元法,假定颗粒为刚性圆,对粒状体的直剪试验进行了离散元数值模拟,从细观角度对剪切盒内壁摩擦影响进行探究.过程中,验证了离散单元法模拟的直剪试验结果与实际试验的结果的一致性.JENSEN(2001)[31]利用离散元素法(DEM)来模拟粗糙颗粒,并进行环形剪切试验的数值模拟实验,探究了颗粒形状对土与结构面(δ)摩擦比和界面角的影响,数值模拟结果反映了界面摩擦角与结构表面粗糙度的关系.Johannes(2008)[32]通过进行试验后利用离散元素对Jenikeh剪切测试仪进行仿真模拟,试图更真实地反映剪切过程中颗粒的物理现象及力学特性,探究颗粒形态,应力水平和填充密度对极限剪切下摩擦的影响.进一步揭示了颗粒形状和接触摩擦对所得填料孔隙率和体积摩擦的作用.严颖(2009)[33]针对颗粒单元在自然状态下一般具有不同尺寸.不同形态和不同离散程度.采用二维圆盘和三维球体模拟不同形状的颗粒单元体,通过对直剪试验的DEM模拟,得出颗粒形态的不同对于剪切强度的影响.周健(2010)[34]建立相应的二维颗粒流模型(PFC2D),用于砂土与土工合成材料室内拉拔试验,采用平行黏结来模拟土工格栅,从细观角度探究了砂土颗粒和土工格栅接触面的颗粒运动规律等细观上的变化规律.贾学明(2010)[35]通过颗粒流剖析程序PFC3D,建立三维的土岩混合填料的直剪模型,对土石混合料的抗剪强度影响因素进行探究.经数值模拟,认为石料岩性和含石量对土石混合料的抗剪强度特性有重要影响.孔亮(2011)[36]从土体微细结构角度,探究了砂粒形状对砂土宏观力学性质的影响规律,建立PFC2D直剪试验模型图,在数值模拟的直剪试验中,发现砂粒形状的不规则性对强度,传递链数量和速度场分布有影响,随着颗粒形状因子的减小,材料的剪切强度增加.探究发现土体颗粒的大小.形状是千差万别的,用单一形状的颗粒模拟与实际情况有误差.赵岗飞(2011)[37]采用PFC2D建立网格状带齿加筋,用于拉拔试验的数值模拟,从微观角度对筋土界面特性切入,得出拉拔过程中试样的孔隙变化规律,得出齿筋在拉拔试验中对拉拔力的贡献起到重要作用,占比约33%.同时亦得出数值模拟所需要的细观参数暂时无法从常规试验中获取,在某些具体的数值上还无法进行比较.周解慧(2012)[38]探究了垂直压力对强风化玄武岩粗粒料宏观力学特性的影响,通过PFC2D程序建立二维直剪试验模型,并且使用PBM解除关系,来考虑颗粒之间咬合力对剪切过程的作用,从细观角度剖析了剪切应力与剪切位移之的关系.徐肖峰(2013)[39]采用平行黏结模型模拟在PFC2D中模拟土颗粒,建立了砾石土直剪的离散元的数值计算模型,探究不同粗粒土含量对砾类土的应力应变关系直剪试验效果影响,以及土颗粒在细观上受力和影响运动时颗粒间相互作用传递的特性.王军(2014)[40]通过室内大型直剪试验,剖析了砂土-土工格栅.砂土-土工织物两种不同界面的力学性能,探究得出峰值强度通常发生于界面相对减缩过程结束时.同时,提出在加载过程中土工合成材料的磨损对筋土界面强度有一定的强度软化作用.金博(2015)[41]采用PFC3D软件建立混合颗粒材料的直剪试验模型,对其进行数值模拟,探究刚度.密度.直径等参数对混合型颗粒材料在剪切作用下学性能的影响.得出在剪切面上,直径较大的颗粒起主要的抗剪作用.赵亦凡(2015)[42]PFC2D建立土与结构接触面的数值模型,并对其进行往返剪切试验数值模拟,颗粒旋转及位移试验模拟和颗粒破碎试验模拟,探究土与结构接触面的剪胀特性,探究得出在考虑颗粒破碎时,体应变随剪切循环次数逐渐减小并且趋于稳定.李航(2017)[43]建立了PFC砂土直剪试验的数值模型,探究了砂土颗粒形状.颗粒速度场和砂土初始孔隙率对砂土整体强度的影响.根据模拟结果,认为颗粒形状的多样性会降低试样的总体强度,随着颗粒长细比的增大,颗粒间咬合作用增大,试样强度提高.总体来说,国内外学者在应用颗粒流方法时考虑颗粒形状.颗粒大小和细观运动规律对剪切特性影响的探究成果较丰富.目前对于筋土界面直剪试验的颗粒流数值模拟还较少,针对不同颗粒级配的筋土界面直剪试验的颗粒流数值模拟更是较少.1.3主要探究内容及技术路线在加筋土工程中,筋材作为增强整体强度和稳定性的重要因素,国内外对筋土界面探究已经得出许多有关探究成果.由于加筋土的筋土之间作用机理复杂,以及筋土参数的多样性,诸如试验仪器的尺寸大小.筋材的尺寸大小和类别及填料种类等因素都对筋土界面特性有一定的影响,其在试验探究准确度方面还不够完善,对于实际工程的技术应用发展会有一定限制.填料为砂砾土类别的,由于是砂土颗粒组成,可以借助颗粒流软件更好地从细观角度模拟筋土界面的直剪试验,但是目前高精度高效率数值计算方法方面尚不够完善,需进一步深入进行探究.本论文一些探究学者的理论和成果,采用理论剖析.试验探究和数值模拟剖析方法.探究了加筋土工程中筋土界面相互作用的机理,通过室内大型直剪试验确定加筋土的筋土界面力学特性,以及数值模拟相结合的探究方法.在对加筋土力学特性理论剖析探究的基础上,以筋土界面作用特性试验为核心,采用大尺寸直剪仪器,解决常规室内直剪试验存在的有效剪切面积变化的问题,减小试验产生的尺寸效应,考虑填料颗粒级配.土工合成材料类别与筋土界面法向应力大小等因素对筋土界面力学特性的影响,建立剖析方法.并从细观上进行补充,对筋土界面直剪试验进行离散元数值模拟剖析,离散单元法可以观察到颗粒在直剪试验中的运动规律.本文拟展开如下工作：(1)加筋土工程作用的机理探究,首先从土工合成材料的基本特性入手,重点从加筋土的摩擦加筋和粘聚力两方面来剖析筋土界面相互作用的基本原理.由此,对土工格栅加筋土的设计方法和土工布加筋的设计方法进行展开.(2)利用大型直接剪切仪器,通过土工合成材料与砂土之间的直接剪切试验,剖析了不同土工合成材料.不同颗粒级配的砂土和不同法向应力等因素对筋土界面力学特性的影响,根据相应的应力-应变曲线,得到加筋土抗剪强度包线.(3)在数值模拟方面,通过PFC2D颗粒流数值模拟软件,从细观上模拟土颗粒,降低数值模拟与物理实验间的差别.合理选择与确定筋土界面直剪试验的数值计算模型及参数,建立适合于工程实际应用的加筋土的高精度.高效率数值模拟方法.本文技术路线如图1.3所示.第2章加筋土界面作用机理探究2.1筋土界面相互作用机理2.1.1加筋土摩擦加筋原理2.1.2加筋土的黏聚力2.2筋土界面相互作用的加筋土设计理论2.2.1土工格栅加筋土设计方法2.2.2土工布加筋土设计方法2.3本章小结第3章筋土界面特性大型直剪试验探究3.1概述3.2试验原理与试验准备3.2.1直剪试验原理3.2.1室内大型直剪试验3.3试验方案设计3.4试验材料和试样准备3.4.1试验材料3.4.2试样准备3.5试验步骤3.6本章小结第4章筋土界面试验结果剖析4.1试验结果4.2筋材种类对筋土界面特性的影响4.3不同颗粒级配对筋土界面特性的影响4.4不同大小的法向应力对筋土界面特性的影响4.5本章小结第5章PFC颗粒流筋土界面特性数值模拟剖析5.1颗粒流基本理论5.2筋土界面直剪试验模型的建立5.2.1筋土界面直剪模型的建立5.2.2颗粒流直剪试验方案5.3数值模拟结果及剖析5.3.1模型结果验证5.3.2直剪试验模拟结果5.3.3不同颗粒级配的砂土对筋土界面力学特性的影响5.3.4不同大小的法向应力对筋土界面力学特性的影响5.4本章小结第6章结论与展望6.1结论本文主要探究土工合成材料与砂土的筋土界面力学特性.通过对加筋土作用机理的探究,重点剖析了土工格栅和土工布加筋土的设计理论以及应用.在本文中,土工合成材料与砂土之间的直接剪切试验是通过大型剪切仪器实现的,一定程度上降低了试验的尺寸效应.根据筋土界面力学特性的影响因素方面,主要剖析了土工合成材料的类别.砂土的颗粒级配和法向加载力的大小对筋土界面的抗剪强度的影响.经过试验,得到不同工况下界面的应力应变曲线,并且利用PFC2D颗粒流软件建立筋土界面直剪模型,从细观上与宏观物理试验进行补充和对比.主要结论总结如下：(1)加筋土工程中的筋土界面相互作用主要从加筋土的摩擦加筋和粘聚力两方面来剖析.土工布筋土作用主要是土工布与土之间的摩擦,土工格栅除了筋材与土之间的摩擦作用,还有镶嵌咬合作用.加筋土的粘聚力反应筋材提高了加筋土工程整体的强度.为后续试验和数值模拟提供理论依据.(2)土工合成材料对于加筋之后的筋土界面的抗剪强度有显着提高.不同的土工合成材料对筋土界面的抗剪强度大小有明显影响,与土工布相比,土工格栅对筋土界面的抗剪强度的提高要更显着.在法向应力较低时(50kPa),土工布对细砂的加筋效果比粗砂的显着提升,土工格栅对粗砂的加筋效果比细砂的效果更加显着；当法向应力较大时(110kPa),土工合成材料类别对加筋效果的提升幅度的影响减弱.(3)砂土的颗粒级配对筋土界面特性的影响相较筋材类别不显着,在法向应力较低时(50kPa),不同颗粒级配的砂土对筋土界面的抗剪强度影响不大；法向应力较大时(110kPa),颗粒直径相近的砂颗粒与筋材相互作用产生的效果较好,颗粒直径的大小对筋土界面的抗剪强度没有显着影响,颗粒大小不一的砂土与筋材相互作用产生的效果相对不显着.因此,颗粒直径相近的砂土对加筋效果有更为显着的帮助.(4)关于法向应力大小对筋土界面特性的影响,上部法向应力越大,筋土界面的峰值强度随之增大,筋材在较大法向应力下更能体现其作用.在法向应力较低时(50kPa),达到峰值强度所需要的剪切位移较短；在法向应力较大时(110kPa),颗粒之间受到阻力增大,达到峰值强度所需要的剪切位移较长.法向应力从50kPa增大至110kPa,剪切过程中剪胀率随之变小.(5)根据直剪试验结果拟合所得的抗剪强度包线,相同颗粒级配的砂土不同界面的内摩擦角变化幅度均在4°以内.因此,不同的土工合成材料对筋土界面的内摩擦角影响不大.加筋土的抗剪强度曲线均有明显的纵截距,且土工布的纵截距值小于土工格栅,这说明格栅对筋土界面提供的"粘聚力"大于土工布.(6)PFC2D颗粒流软件可以很好的模拟不同颗粒级配的砂颗粒,从细观角度剖析筋土界面的加筋机理.通过法向应力和砂土的颗粒级配因素对筋土界面力学特性的影响进行剖析,验证所得剖析规律与物理试验较为一致,筋土界面直剪试验模型可行.由直剪过程中颗粒之间接触力链发展趋势图剖析可知,接触链的产生方向与直剪方向一致,随直剪位移的增大,接触力链越加密集和粗实,有效反应筋土界面中砂土颗粒的细观力学性状,作为宏观物理试验的补充.6.2展望由于土工合成材料与砂土之间的力学关系是比较复杂的,虽然对于筋土界面力学特性的探究取得了一些成果,但是作者限于自身的知识水平以及科学试验的条件限制,在试验探究过程中尚存在不完善,这需要日后进一步探索和改进.主要体现在以下几个方面：(1)筋土界面直剪过程中,将筋材固定于塑料编织袋上防止剪切过程中发生错动,但是编织袋的表面对于直剪试验得到筋土界面的峰值强度有所影响,以后会寻求更加合理的固定方法,减少对试验结果的影响.(2)筋土直剪试验时主要采用的填料为砂土,因此对于实际工程应用有一定的局限性,今后会结合具体的工程案例进行探究.另外砂土颗粒形状不一,在数值模拟中采用的都是圆形颗粒,与实际颗粒情况不一,这也是后续模型优化重点考虑的.(3)本文通过PFC2D建立数值模拟直剪试验模型时,建立土工格栅模型时由于是二维模型,因此仅考虑纵肋,以后会尝试通过PFC3D建立更为复杂精准的筋土直剪模型,减少参数优化的同时,更利于普遍应用.参考文献
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