稻草加筋红黏土静力特性试验研究

通过静三轴试验,研究了不同的加筋率、加筋长度以及含水率条件下稻草加筋红黏土的静力特性,并采用邓肯-张模型拟合其应力-应变曲线。结果表明,掺加稻草加筋红黏土的黏聚性明显提高,但内摩擦角的改变不明显;在相同围压下,加筋土的偏应力随着加筋率和加筋长度的增加先增大后减小,且稻草加筋红黏土存在最佳加筋条件,即加筋长度为20 mm,加筋率为0.2%;邓肯-张模型的计算值与试验值拟合度较高,表明其适用于稻草加筋红黏土。

干湿循环作用下剑麻纤维加筋膨胀土的抗裂作用及影响因素

为研究干湿循环作用下纤维加筋膨胀土的抗裂效果,分别开展了素土和剑麻纤维加筋膨胀土的干湿循环试验,并采用图像处理技术提取试样表面裂隙参数,分析了剑麻纤维含量及长度、干湿循环次数、试样含水率对裂隙发育的影响.结果表明:1)剑麻纤维加筋膨胀土具有较好的抗裂性能,且剑麻纤维的掺入对膨胀土的裂隙率和裂隙平均宽度影响较大,相较于素土试样,最优加筋土试样的裂隙率和裂隙平均宽度均比素土试样减小了约1/2.2)纤维长度相同时,随着纤维含量的增大,裂隙率、裂隙总长度、裂隙平均宽度和分形维数均呈先减小后增大的趋势,且纤维含量为0.4%时各参数值最小;纤维含量相同时,纤维长度对各裂隙参数影响不大.3)随着干湿循环次数的增加,加筋土和素土试样裂隙参数均呈逐渐增大趋势,但纤维加筋土裂隙率和裂隙平均宽度的增大幅度均比素土小;从第5次干湿循环开始,各裂隙参数增长趋缓.4)单次脱湿过程中,试样含水率由20%降至10%时,裂隙急剧发育,且素土裂隙的发育对含水率的变化更加敏感,含水率低于10%时,随着含水率的减小,试样裂隙率变小并趋于稳定;相同含水率条件下,剑麻纤维加筋土具有更好的抗裂性能.5)剑麻纤维加筋膨胀土的抗裂机理主要表现在两方面,一方面是剑麻纤维的掺入增大了膨胀土的渗透系数,促进了试样内水分的均匀分布,减小了试样各处的胀缩差异;另一方面纵横交错的剑麻纤维约束了聚集体之间大孔隙的收缩.

筋材布设方式对加筋土挡墙动力响应的影响

针对目前加筋土挡墙设计和施工中筋材布设方式大多为等长形的问题,提出一种倒梯形的筋材布设方式,并基于挡墙位移分区理论和有限差分Flac^(3D)数值模拟,建立加筋土挡墙三维分析模型,探讨不同峰值加速度下3种加筋土挡墙对位移、水平土压力、筋材拉应力及潜在破裂面的影响。结果表明,随峰值加速度增大,挡墙位移逐渐增大,同一荷载作用下,改变筋材布设方式,侧向水平位移减少9.3%,竖向沉降减少5.3%;3种形式挡墙水平土压力相差不大,最大水平土压力分布在挡墙的中下部;筋材拉应力随峰值加速度的增大,沿墙高从单峰型转化为双峰型分布,最大值位于挡墙中下部;潜在破裂面填土区破裂带的形状与筋材的布设方式有关。所提出的倒梯形筋材布设方式对加筋土挡墙的抗震效果更好,可为施工设计中加筋土挡墙筋材布设提供参考。

基于拉拔试验的加筋土界面摩擦特性

加筋土具有良好的工程性能,被广泛应用于加固路基和边坡支挡等领域,筋土界面摩擦强度对支挡结构的整体性和稳定性具有重要影响.为研究不同加筋土的界面摩擦特性,自制拉拔装置,对黏土-土工格栅、黏土-碳纤维布、黏土-土工格室和碎石土-土工格室等4种加筋土进行拉拔试验.研究结果表明,4种加筋土中,土工格室与碎石土的界面摩擦强度最高,构成的加筋体承受变形的能力最强;黏土-碳纤维布构成的加筋体界面摩擦强度最低,但具有筋土间相互作用发挥较快、允许变形小的特点;不同加筋体的允许变形差别较大,在实际工程中应充分考虑.提出了一种考虑土工格室加强区的无黏性土-土工格室界面最大摩阻力计算理论模型,研究结果可为加筋土工程筋材选取提供参考.

季冻区水平和立体加筋土体防冻胀融沉效果研究

冻胀融沉是季节性冻土区建筑物破坏的主要原因,实际应用表明,土工合成材料加筋路基具有良好的抗冻融循环损伤能力,然而不同加筋形式的有益影响尚未被量化。针对四川阿坝地区典型季节性冻土,开展了水平及立体加筋土冻融循环试验及平板载荷试验,研究了冻融循环对加筋土和未加筋土力学性能的影响,对比了水平加筋及立体加筋土的防冻胀融沉效果。研究发现:水平加筋和立体加筋均可一定程度上抑制土体的冻胀融沉,提高冻融循环后土体的承载力,抑制冻融循环的弱化作用。立体加筋加固效果优于水平加筋。经过5次冻融循环后,水平加筋使冻胀隆起和融化沉降分别减少5%,6%,立体加筋使冻胀隆起和融化沉降分别减少4%,17%;水平加筋对冻融循环土体的承载力和刚度分别提高75%,29%,立体加筋对冻融循环土体的承载力和刚度分别提高388%,40%。

双层耐压加筋圆柱壳结构承载能力与抗爆性能分析

[目的]为了探究不同层间加强筋形式对双层圆柱壳承载能力与抗爆性能的影响,对4种双层加筋圆柱壳在静水压力与水下爆炸载荷下的响应进行数值研究。[方法]首先,建立等质量不同结构形式加筋圆柱壳的有限元模型;然后,利用有限元软件ANSYS计算分析圆柱壳的结构形式对圆柱壳强度、稳定性和极限承载能力的影响;最后,利用有限元软件Abaqus/Explicit计算分析圆柱壳的结构形式对圆柱壳在爆炸载荷下的变形和塑性应变的影响。[结果]结果显示,与等质量的传统单层加筋圆柱壳结构相比,I形加强筋双层圆柱壳的承载能力具有较大的优势;当爆炸载荷水平较低时,肋骨间距较小的双层圆柱壳的抗爆性能相当,而当爆炸载荷水平较高时,肋骨间距较小的双层圆柱壳的抗爆性能则会降低。[结论]研究表明,合理设计双层加筋圆柱壳的结构形式能够获得承载能力与抗爆综合性能较好的设计方案。

高速铁路土工格栅加筋膨胀土边坡作用机制

土工格栅加筋处治是解决膨胀土边坡问题的关键技术。为深入研究格栅与膨胀土相互作用机制,依托南宁铁路改柳南线工程,开展加筋设计及格栅抗拔稳定性计算。将考虑膨胀土侧向膨胀影响及格栅反包约束作用的设计方案应用于实际工程中,并通过预埋设的监测元件,对自然降雨−蒸发气候下加筋边坡的含水率、应力、位移及格栅应变的变化特征进行长期监测。研究结果表明:在考虑侧向膨胀及格栅约束的影响下,土工格栅的抗拔稳定安全系数仍满足规范要求。基于监测数据发现,受大气环境影响,体积含水率的波动幅度由浅至深逐渐减弱;格栅应变变化趋势与土体应力变化趋势基本一致,随季节性干湿气候呈“波浪”式变化;靠近坡面土体受大气干湿循环的影响更为显著,对降雨入渗敏感,其土工格栅应变变化迅速,峰值出现时间早;格栅应变峰值远小于格栅允许拉应变,且边坡累积水平位移量较小,表明加筋边坡滑移破坏风险较低;在降雨过程中,格栅对边坡土体施加弹性约束,允许坡面发生一定程度的膨胀,释放坡体因增湿产生的膨胀势,从而避免边坡因侧向应力增大形成渐进式滑坡,体现了土工格栅加筋膨胀土边坡“以柔治胀”的作用机制。研究成果可为高速铁路膨胀土边坡的土工格栅加筋设计与施工提供理论和技术支撑。

多级加筋面板受力行为分析及优化

采用三点弯曲实验和有限元仿真方法,对多级加筋面板的变形和破坏进行分析.引入正六边形和内凹六边形两种加筋模式,将具有不同横纵向加筋肋壁厚、圆弧倒角优化的直角边界及二级加筋结构的加筋面板作为研究对象,分析在给定加筋面板几何参数的情况下,横纵向加筋肋壁厚、圆弧倒角优化处理、二级加筋结构对加筋面板结构强度和力学行为的影响.研究表明,加筋面板结构强度随着横纵向加筋肋壁厚的增加而增加,纵向加筋肋壁厚对加筋面板结构影响较大;内凹六边形加筋模式较正六边形加筋模式的加筋面板承载力高;圆弧倒角优化后可以明显改善边角处的应力集中现象、提升加筋面板的结构强度;二级加筋面板的承载能力得到明显提升,且次级加筋层胞元为内凹六边形时提升效果最明显.

非正交加筋对加筋板动刚度的强化作用与均化效应

[目的]为开展船舶与海洋工程典型板架结构设计与优化,需探究不同加筋形式对加筋板动力特性的影响。[方法]采用有限元法计算四边固支边界条件下正交加筋板、倾斜加筋板、弯曲加筋板等模型的固有频率与振型,并对比分析这3种加筋板动力特性的区别与联系,从而揭示加筋形式对板-梁动力耦合特性及加筋板本征动力特性的影响规律。[结果]对比结果表明,倾斜加筋板的固有频率比正交加筋板增加了9%;相较于正交加筋板,倾斜加筋板和弯曲加筋板的动刚度分布更均匀,其中弯曲加筋板的动刚度均化效应更显著;当频率较低时(低于900 Hz),加强筋的主导程度越高,加筋形式对加筋板动力特性的影响越大。[结论]研究成果可为船舶加筋板的结构设计提供参考。

基于原型监测的分离式加筋土桥台工作性能数值分析

依托明巢高速公路分离式加筋土桥台工程原型监测,用FLAC2D软件建立桥台数值模型,并将数值模拟得到的桥台受力及变形情况与桥台原型监测结果进行对比验证.考虑到填料类型及其压实工序与填料力学性能的相关性,模拟分析了填料内摩擦角对加筋土桥台工作性能的影响.结果表明:随着填料内摩擦角的增大,分离式桥台的水平土压力和竖向土压力都有所减少,并且竖向位移、水平位移及筋材应变也有所减少;当填料内摩擦角增大到一定程度时,其对承载性能的优化作用有所减少;工程中选取加筋土填料时,根据现场施工情况确定填料的内摩擦角,并权衡工作性能及经济效益,做出合理的选择.

棕榈纤维加筋黏土的强度试验与本构模型

棕榈树在我国南方广泛种植,剥皮所得棕榈纤维具有一定的抗拉强度和较好的耐久性,近年来利用棕榈纤维加筋黏土在岩土工程中逐渐得到应用。为了研究棕榈纤维加筋黏土单轴应力状态下的力学性能、破坏形式及本构关系,选取长度分别为6、12、18 mm的棕榈纤维,按照纤维含量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%掺入黏土中,开展棕榈纤维加筋黏土的无侧限抗压强度试验。结果表明:黏土中掺加棕榈纤维后强度增加明显,在12 mm的筋材长度和0.8%的纤维含量组合下加筋效果最优,与素土相比,加筋后强度提高27%;加筋后的黏土破坏韧性好,残余强度高,并且破坏的过程比较缓慢,其原因为纤维在土体中形成了三维土网结构,限制了土颗粒的滑移,增强土体整体性,从而使得土体具有较好的延性;引入混凝土单轴受压应力-应变模型,分析棕榈纤维加筋黏土的无侧限抗压强度试验,将试验数据与模型曲线进行拟合,发现模型结果与试验结果具有良好的一致性。研究成果对棕榈纤维加筋土在岩土工程中的应用具有重要借鉴作用。

加筋花岗岩残积土抗剪强度的试验与机理分析

花岗岩残积土是中国东南部沿海地区工程建设中常见的土体,采用加筋土技术对高填方边坡能很好地提高其整体稳定性与土体的抗剪强度。首先通过直剪切摩擦试验研究了筋-土界面的摩擦特性;然后在不同加筋层数及不同干密度情况下,对花岗岩残积饱和土和加筋饱和土分别进行了三轴固结排水剪切试验,探究不同干密度、不同加筋层数情况下的加筋效果。试验与机理分析表明:不同加筋层数的试样对应的规格化强度系数都大于1,这说明在土体中加入筋体能有效地提高抗剪强度,减少土体的变形。随着加筋层数的增加,规格化强度系数增加,说明加筋层数的增加能提高加筋效果,但两层加筋的规格化强度系数与一层加筋相比并不是线性增加,第二层加筋效果有减弱的趋势;随着干密度的下降,规格化强度系数上升;随着围压的增加,加筋土的规格化强度系数降低。土工格栅主要通过提高土体黏聚力来提高土体抗剪强度,导致土体的黏聚力显著地提高,而对内摩擦角的影响却不大;通过理论计算结果与测试结果对比,验证了准黏聚力增量公式的合理性,且第二层加筋对准黏聚力增量的贡献相对较小。

土工格室加筋路基振动压实行为及预应力效应

通过建立路基离散元模型和土工格室有限差分模型,开展了一系列有限差分法-离散元法(finite difference method-discrete element method,简称FDM-DEM)耦合数值计算,探明了土工格室加筋路基在振动荷载作用下的压实行为。进一步揭示了土工格室对路基压实后水平残余应力的贡献,并在此基础上,提出了土工格室加筋路基的预应力效应,以体现施工期格室填料在经历加载并卸载后引起的格室撑阔对加筋效果的提升。结合微观接触组构、配位数变化、压实过程的应力路径,探讨土工格室加筋路基预应力效应的形成机制。研究结果表明,相较于未加筋路基,土工格室可以提高加筋路基的回弹模量,增加压实路基的水平残余应力。在振动荷载作用下,土工格室呈现上开口的喇叭形,土工格室口袋被撑阔,格室壁的最大应变为0.17%~0.21%。接触力分布也表明,在振动压实作用后,力链由竖直向水平方向发展,这体现在水平残余应力的增加,而土工格室则进一步提升了颗粒的横向接触力。

塌陷区上覆加筋路基力学行为演化与变形机理细观研究

为深入揭示塌陷区上覆加筋路基力学行为演化与变形机理,本文基于室内试验建立塌陷区上覆加筋路基离散元数值分析模型,从细观层面分析不同筋材长度、塌陷区宽度、路基高度条件下颗粒间接触力链分布、颗粒间相对位移、筋材弯曲变形与拉力、土拱比等变化规律,进而探究筋材长度、塌陷区宽度、路基高度对加筋路基力学行为与变形机理的影响规律。研究结果表明:合理的加筋长度能够使筋材有效承担上部路基荷载并限制路基填料颗粒间的相对位移;本研究中当筋材长度L=500 mm时,限制路基填料颗粒间相对位移的效果最佳,此时,筋材拉力达到最大值,筋材的弯曲变形达到最小值,颗粒间接触力链形状表现为完整拱形;在锚固比相同的条件下,塌陷区宽度越大,土拱效应的发挥程度就越低,土拱比就越小,颗粒间接触力链形状由完整拱形演变为2条未闭合的斜边,随着塌陷区宽度的增加,路基变形范围和筋材变形逐渐增加,加筋效果逐渐减弱;随着路基高度的增加,能够有效限制土拱效应的退化并使土拱效应得到充分发挥,颗粒间接触力链形状由2条和路基底部具有一定夹角的斜边演变为完整拱形,筋材拉力逐渐增大,筋材水平与竖向位移均逐渐减小,路基变形范围形状由矩形变为环状椭圆形且宽度基本不变。

冻融损伤过程中纤维加筋土的抗压性能与裂隙演化

冻融损伤土的微观结构,土中产生微裂隙,宏观上表现为土的力学性能下降。文章完成了石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的冻融试验、无侧限抗压强度试验、CT扫描试验,分析冻融损伤过程中石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的抗压性能与裂隙演化特征,评价纤维对提高土的抗冻融性能的积极作用。结果表明:石灰固化土、纤维与石灰加筋固化土的抗压强度与破坏应变均随冻融次数的增加呈阶段性下降,即降幅较大阶段、降幅较小阶段和强度基本稳定阶段,纤维加筋显著提高了土的抗变形性能;土的压实度越大,纤维加筋提高土的力学性能就越明显;冻融过程中,裂隙主要分布在试样的表面、上部和下部,面裂隙率随扫描层数的增加呈先减小后增大的变化规律;纤维与石灰加筋固化土的体裂隙率、裂隙长度均值、裂隙宽度均值均小于石灰固化土,纤维加筋延缓了裂隙的形成、发展与连通。纤维与石灰加筋固化土的抗压性能与抗冻融性能显著优于石灰固化土,纤维加筋减弱了冻融土的微观结构损伤程度。

纤维加筋膨胀土的蠕变规律及模型预测

膨胀土是具有流变性质的灾害性土,其蠕变行为直接影响到工程结构的稳定性和安全性。为探究剑麻纤维加筋膨胀土的蠕变特性及应力-应变数学模型,采用室内固结排水三轴蠕变试验,分别进行了不同含水率、不同围压和不同偏应力条件下素膨胀土和剑麻纤维加筋膨胀土的蠕变特性研究,根据蠕变特征曲线提出了基于Mesri蠕变经验模型的剑麻纤维加筋膨胀土的修正蠕变模型。结果表明:相同条件下,剑麻纤维加筋土的蠕变变形量明显小于素土的蠕变变形量,说明掺入剑麻纤维可有效提高膨胀土的结构性能和抗变形能力;素土和剑麻纤维加筋土的蠕变变形量随含水率增大而增大,而随围压的增大呈减小趋势;素土和剑麻纤维加筋土在受到偏应力时均会产生瞬时应变量和蠕变变形量,其蠕变变形量随偏应力的增大而增大;素土和加筋土的蠕变曲线分4个阶段,分别为弹性变形阶段、稳态蠕变阶段、衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段;高偏应力下,基于传统Mesri蠕变经验模型的剑麻纤维加筋土蠕变预测误差高达37.95%,对Mesri蠕变经验模型进行修正后预测误差降至1.5%内,说明修正模型能较好地描述剑麻纤维加筋土的蠕变特性。此研究结果可为膨胀土工程提供理论参考。

基于分枝约界法的复材加筋板多模式多位置可靠性分析

为了解决复合材料结构失效呈现多模式、多位置并发式,探究了分枝约界方法(BBM)在复合材料多模式、多位置可靠性分析中的应用,并结合蒙特卡罗方法对多模式可靠度进行了求解。结合结构组成、承载状态“分枝”,识别所有可能的潜在失效模式,再结合结构特征、应力状态“约界”,确定主要失效模式和失效位置,建立多模式可靠性分析模型;通过复合材料独有的失效准则向安全边界方程进行转化,探索复合材料可靠性分析的方法和流程框架,并采用蒙特卡罗求解多模式、多位置失效的可靠度;开展T型复合材料加筋板在轴压载荷下的可靠性分析案例验证,通过使用分枝约界法计算规模减少75%,轴压载荷下加筋板多模式可靠度为0.998。

稻草加筋土边坡稳定性模型试验

为了研究稻草加筋土边坡的稳定性及变形破坏特征,先后开展了稻草加筋土无侧限抗压强度试验与边坡稳定性模型试验.通过无侧限抗压强度试验得出,在土体中加入稻草,可有效抑制土体的变形,且当稻草加筋率为0.2%、筋材长度为25 mm,即最优加筋条件时,加筋土无侧限抗压强度最大,对试样变形的抑制效果最好.在此基础上,开展了最优加筋条件下的稻草加筋土边坡稳定性模型试验,试验结果表明,相较于素土边坡,稻草加筋可有效提高边坡极限承载力,减小竖向位移;素土边坡与加筋土边坡的水平位移变化趋势均可分为稳定、等速变形和加速变形(包括弱加速变形阶段与强加速变形阶段)三阶段演化,稻草的加筋作用在弱加速变形阶段发挥明显,能显著提高坡体抵抗变形能力;加筋土边坡完全破坏后产生的滑面深而广,且滑面周围小裂隙相对较多,整体性与稳定性均优于素土边坡.

台阶级数对加筋土挡墙地震动力响应影响研究

为了优化加筋土挡墙的结构设计,研究了台阶级数对加筋土挡墙抗震性能的影响程度。基于Flac3D软件建立了加筋土挡墙数值模型,探讨了不同地震峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)下不同台阶级数加筋土挡墙的侧向位移、竖向沉降、加速度响应和水平土压力的变化规律。结果表明:4 m/s^(2)峰值加速度下,增加台阶级数,侧向位移减小了61.9%,竖向沉降减小了20.5%;PGA放大系数随着台阶级数的增加而增大,其中加筋区PGA放大系数略大于面板处PGA放大系数;1级加筋土挡墙最大水平土压力位于墙脚处,2,3级加筋土挡墙最大水平土压力位于台阶分级处;水平土压力在台阶分级处大于规范计算值。增加台阶级数能够提升加筋土挡墙的抗震性能,可为实际工程中加筋土挡墙的分级设计提供理论参考。

基于误差函数的复材加筋板概率成像冲击定位

提出了一种复合材料加筋板结构概率成像冲击定位方法。通过在复合材料加筋板结构表面布置稀疏阵列的压电传感器网络接收冲击响应信号,采用复Morlet小波变换提取冲击响应信号特定中心频率的窄带Lamb波信号并计算模值,根据模的峰值获取Lamb波的到达时刻,构建基于波达时间差的误差函数并计算监测区域内各点为冲击源的概率值,将概率值作为像素值对结构进行概率成像冲击定位。在总体尺寸为700 mm×450 mm的碳纤维增强复合材料加筋板结构上对算法进行了验证。实验结果表明,该算法简单有效,成像分辨率和定位精度高,采用较少的传感器数量依然拥有可观的冲击定位精度。