1绪论
1.1引言
加筋技术有着数千年的应用历史,早期的人们通过生产实践发现将一些軔性较好的植物材料(如声華、茅草等)铺设于土体中能改善土体的特性,而植物材料终将会腐烂变质的特性决定了这些早期加筋技术不能得到长久应用于广泛推广。随着工业生产的一次次革命与科学技术的一次次发展,特别是现代工业生产与科学技术的紧密结合在土木工程领域得到广泛认可,新型土工材料的问世及应用在土木工程领域已经司空见惯。在这种大的时代背景下,受限制的加筋技术也取得了突飞猛进的成就,化纤、塑料、橡胶等人工合成材料作为新型加筋材料开辟了现代加筋技术的新纪元。经过人们不断的更新与改进,人工合成材料已经成为拥有众多成员的大家庭,土工织物、土工膜、土工网、土工格栅等已经在各自擅长领域取得广泛认可。
20世纪40年代,美国人发明了蜂窝技术。该技术在军事航天工业取得成功后,幵始由军品转为民品并在民用产品方面同样取得了长足发展;20世纪80年代,美国陆军工程兵团为改善土体的力学特性,在研究了多种加固形式之后,开发出了具有蜂窝状的三维立体网状结构[1]——土工格室。土工格室立足于现代加筋技术,突破了以往平面加筋的思维,是一种张拉展开后呈蜂窝状的三维立体网状结构,主要采用超声波爆接方式将强度较高的高密度聚乙稀片材(High Density Polyethylene,HDPE)连接在一起。土工格室除了具有平面筋材的强度高、刚度大、运输方便的特点外,还可以将其张拉固定之后在形成的格室孔腔内填充各种土石材料,进而构成整体性好、侧向约束强的大刚度复合结构体。土工格室在不良地基中使用可以作为垫层来提高不良地基的承载能力;铺设在裸露边坡填充土石料之后可以对坡面形成保护;还可以像大部分二维加筋材料一样多层间隔水平地铺设于土体而构建支挡结构等。
上世纪90年代,土工格室技术传入我国。1993年起,石油与矿产等资源部门开始将土工格室用在荒漠地区资源幵采所必需的临时筑路、井场建设及长期性公路等基建工程。从使用效果上来看,工程效果要优于其他处理手段,同时还获得了可观的经济效益[2]。随后,其他领域及部门也开始将土工格室应用于不良土地基处理,如铁路部门曾在淮南线采用土工格室加固技术来处理膨胀路基问题[3]。此后,土工格室逐渐应用于岩土工程的各个领域:不良地基处理、高速公路拓宽、边坡结构及坡面防护等等。土木工程工作者已经认识到土工格室在加固土体方面有着力学特性好、结构稳定性强、经济效益好以及施工时可就地取材等优点并在土木工程领域进行了广泛推广。
1. 2研究背景
基础建设是经济发展的先决条件,然而在各项基础建设过程中必然会碰到大量的不良地基、高危边坡,与此同时我国是一个多灾害国家,在各种灾害作用下,如果这些地基和边坡缺少相应的防护措施极易容易发生不可料想的灾难,因此必须对这些地基和边坡进行有效的防护以避免造成不可挽回的经济财产与生命财产损失。随着基础建设的进一步实施以及可持续发展观的进一步贯彻落实,这些问题越来越受到人们的关注,土工合成材料是基础设施中常见问题的一种处理方法。虽然现有的平面加筋技术得到了工程建设者们的认可,国内外专家学者也对该技术进行了较多的研究论证,但是平面加筋技术整体性与稳定性较差,加固效果与适用范围有限,不能满足可持续发展的要求。与平面加筋材料相比,土工格室具有整体性好、连续性强、加固效果显著、适用范围广等不可替代的优越性,因此土工格室加筋技术成为不良地基、高危边坡的首选方法。基础设施如边坡防护、挡土结构等的安全性能关系到国计民生,土工格室加固技术在边坡防护与挡土结构中的安全性能更应引起高度重视。迄今,土工格室加固技术的作用机理,特别是在强度机理研究尚不多见,理论研究滞后于工程实践,从而限制了土工格室在上木工程领域中的进一步广泛应用。因此,开展土工格室加筋粗粒土的试验研究具有重要的社会、经济效益。同时,在理论落后于工程实践的情况下,幵展理论研究同样具有重要意义。
1.3 土工格室特性及应用
1.3.1 土工格室概述
目前,土工格室主要有两种构成型式:一类是将土工格栅或者上工格室片材等二维土工合成材料在施工现场进行装配而成(图1.1)。现场装配需要用到高强度的铆钉或者高强度的塑料绳进行物理连接,该类型上工格室能够根据现场需要来制作不同高度不同宽度的土工格室,因此能够灵活话用于各种施工现场,恨是需要耗费大量的人力物力,因而并有得到广泛应用;另一类就是常见的由高强度聚合物经过强力辉接而成(图1.2)。一般是由高强度的HDPE片材经过超声波;):料玄価成。该类型上工格室可以根据施丁现场使用直接与生成厂家订制,按照设计需求在产4:间直接成型,施工时张拉岡定即可充
2三轴试验仪器简介及试验方法
2.1引言
粗粒土具有力学性质好、分布范围广泛等特点,在土木工程中得到了广泛的应用。人们很早之前就在常见的土石规、路基、边坡等工程中采用粗粒土进行填筑施工。为了适应岩土工程越来越快的发展,使粗粒土能更好的服务于各项工程,需要对粗粒土的工程特性进行深入的研究。许多学者针对粗粒土幵发了包括直剪仪、环剪仪、各种型号的三轴剪切仪等一系列的的试验仪器,随着试验及测试技术的快速发展,试验仪器趋于完善与成熟。国内外许多学者都曾釆用不同的试验器材对粗粒土的工程特性进行了大量系统的试验研究[41],取得了一系列极具工程实践意义的成果,为推进土工工程学科的发展起到了重要的作用。
大连理工大学工程抗震研究所为了满足工程实践及科学研究需要,自主研发了具有高精度的大型静动两用三轴仪,目前已经有许多实际工程(瀑布沟主堆石料、紫平铺堆石料、猴子岩堆石料等等)采用该仪器进行工程实用材料的工程特性测试研究,研究表明,该三轴仪具有较高的精度,可以为工程设计和力学分析参数的选取提供可靠依据。
3土工格室片材力学性能试验研究..........27
3.1引言..........27
3.2试验概况..........28
3.2.1试验设备..........28
3.2.3试样制备..........29
3.3试验结果及分析..........29
3.4木构模型分析..........36
3.5木章小结..........40
4.用土工格式加固的粗粒土变形与强度特性试验研究..........41
4.1引言..........41
4.2试验概况..........41
4.3试验结果分析..........45
4.4木章小节..........62
5结论与展望..........63
5.1结论..........63
5.2展望..........64
结论
本文研究主要分两部分,首先釆用电子万能试验机对试验所用HDPE 土工格室片材进行条带拉伸试验,系统地研究了不同拉伸速率下HDPE片材的力学响应,分析了 HDPE片材的拉伸模量、峰值强度以及峰值应变在不同拉伸速率下的变化规律;然后采用大型三轴试验仪器对HDPE 土工格室三层对称加囿的粗粒土静力特性进行系统地研究。阐明了用土工格室加固粗粒土的工程特性,总结了抗剪强度参数及其变化规律。本文主要结论如下:
(1)HDPE 土工格室片材在拉伸过程中会发生明显的颈缩现象。在拉伸的初始阶段之内(e<40%),片材不会发生明显的变形;初始阶段过后,片材在距两端夹具边缘附近出现横向收缩,即片材的颈缩。片材会在颈缩开始后较小的拉伸量内完成横向收缩,随着拉伸量的进一步增加,片材的横向收缩会趋于稳定而呈现蠕变特性,即随着拉伸量的增加,片材的宽度维持在一个相对稳定的宽度。
(2)HDPE 土工格室片材的应力应变关系曲线有明显的峰值点,峰值点过后呈现软化特性。片材在小变形(s<40%)条件下的应力应变关系呈非线性。片材在初始变形阶段刚度较大,拉伸速率对该阶段的强度影响不大;初始变形阶段过后,片材的强度会随着拉伸速率的增加而增加,当拉伸速率小于50mm/min时,片材强度的提高程度相对较大,大于该速率时,提高程度不明显。
(3)HDPE 土工格室片材的拉伸模量、峰值强度及峰值应变均与拉伸速率相关。拉伸模量与峰值强度会随着拉伸速率的增加而呈线性增加,峰值应变则随着拉伸速率的增加而呈线性减小趋势。
(4)针对小应变条件下土工格室的应力应变关系,在分析比较HDPE片材的双曲线经验公式、土体的沈珠江“驼峰形”三次曲线公式以及本文试验结果的基础上,提出了能够反映HDPE 土工格室片材微小变形条件下应力应变关系的数学模型。该模型具有所需参数相对较少,且可以通过条带拉伸试验获得,便于工程应用。
(5)土工格室作为加筋材料加固土体时,通常会在片材的焊接部位发生剥离情况,而且上工格室片材会发生塑性延伸,两者虽然各与围压有一定的变化关系,但是不能截然分开。在采用土工格室作为加筋材料的岩上工程设计中,应根据工程实际需要慎重考虑土工格室片材及其焊接部位的强度。
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