土工袋抑制膨胀土冻胀性能试验及机制探讨

寒区膨胀土输水渠道普遍存在严重的冻胀破坏问题,严重损害工程效益。为探究不同含水率、不同干密度下土工袋抑制膨胀土冻胀性能演化规律及其物理机制,开展了土工袋制样标准率定试验和有无袋体约束下膨胀土的冻胀变形试验。试验结果表明:土工袋试样的压实高度与其干密度存在一一对应关系,可以通过控制土工袋的压实高度来精确控制土工袋的制样干密度;无论是否有袋体约束,试样的冻胀变形与时间关系曲线均可划分为冷缩、快速冻结和冻结稳定3个阶段;对于初始状态相同的膨胀土试样,袋体约束作用下其冻胀量显著减小,也即土工袋可有效地抑制膨胀土冻胀;随着含水率的增加、干密度的增大,试样的冻胀率均显著增大;土工袋的冻胀抑制率随着干密度的增加而显著增大,但含水率增加后土工袋的冻胀抑制率并未显著提升;通过分凝势理论和加筋约束原理,揭示了土工袋抑制膨胀土冻胀的内在机制;基于压汞试验获取的膨胀土孔径分布曲线,提出了袋体约束作用下冻结膨胀土的骨架结构概念模型,较好地解释了含水率和干密度对土工袋冻胀抑制率演化规律的影响差异。

循环剪切作用下土工袋组合体动力特性试验研究

土工袋具有承载力高、阻尼大、造价低等诸多优点,是一种适用于村镇地区中、低层房屋的减/隔震材料。通过开展室内循环剪切试验对土工袋组合体的剪切应力⁃剪切应变关系、动力特性参数以及抗剪强度进行分析讨论,探究不同竖向应力与剪切应变幅值条件下土工袋组合体动剪切模量与等效阻尼比的变化规律,同时研究了循环次数对土工袋组合体动力特性参数以及抗剪强度参数的影响。试验结果表明:在小变形情况下,土工袋组合体的峰值剪切应力和动剪切模量随着循环次数的增加而逐渐增大,等效阻尼比则随着循环次数的增加而逐渐减小;在大变形情况下,土工袋组合体发生层间滑移并出现界面软化现象,此时的峰值剪切应力(抗剪强度)随着循环次数的增加而逐渐减小,动力特性参数随循环次数的变化与小变形情况下完全相反。随着循环次数的增加,土工袋组合体的抗剪强度参数似摩擦角逐渐减小,似黏聚力逐渐增大并趋于稳定。在剪切应变幅值较大的情况下,土工袋组合体通过袋内土体的剪切变形以及土工袋层间滑移产生摩擦耗能,具有较好的减振消能效果。

土工袋隔震农村民居现场激振测试及效果评价

为验证土工袋垫层在城乡中低层民居中的减隔震效果,在地震多发区金沙江白鹤滩水电站坝址附近的民居点修建了中国首幢含有土工袋隔震垫层的农村民居。土工袋隔震垫层主要由土工编织袋包裹建筑级配砂堆叠而成,具有就地取材,价格低廉、施工简单等技术优势,适用于广大农村地区的中低层房屋建筑。现场大型原位激振试验结果表明:经过土工袋垫层处理后,地基结构三向峰值加速度的绝对值和隔震系数较未处理时均显著减小,验证了原位条件下土工袋垫层房屋基础具有良好的隔震效果,有望在实际地震来临之时保障民居免遭严重损失,为城乡综合隔震减灾提供新技术思路。

土工袋竖向承载及循环压缩特性试验研究

土工袋技术近年来已被成功应用于房屋地基加固,具有较好的隔震效果,但其在动荷载条件下的变形特性尚未深入研究.为了进一步分析土工袋竖向承载能力及变形特性,开展一系列室内土工袋组合体无侧限极限抗压强度试验以及循环压缩试验,并通过控制循环次数、上部静荷载及循环荷载比值的大小研究其对土工袋组合体竖向应力、应变和动压缩模量的影响.试验结果表明:随着层数的增加,土工袋组合体极限抗压强度逐渐减小并趋于稳定值0.7 MPa,压缩模量峰值也随之减小并稳定于6.73 MPa;循环压缩试验初期土工袋组合体塑性变形显著,每一循环周期产生的竖向残余应变随着循环次数的增加逐渐减小并趋于0;动压缩模量在试验过程中基本保持稳定,不受循环次数的影响;随着上部静荷载的增大,土工袋组合体动压缩模量逐渐增大,上部静荷载为50 kN的土工袋组合体经过200次循环荷载作用后动压缩模量达到53.87 MPa;反之,循环荷载比值越大,动压缩模量越小,循环荷载比值为0.4条件下土工袋组合体在200次循环荷载作用后仍能达到49.39 MPa;在竖向动荷载作用下,土工袋能够满足其作为隔震材料的承载能力及稳定性要求.

水平循环剪切作用下土工袋竖向变形特性试验研究

土工袋作为一种地基加固材料在工程中的应用越来越广泛,研究表明土工袋具有较高的阻尼比,能够有效地消能并阻隔地震波由场地向上部结构的传递。为了解土工袋在水平循环荷载作用下的竖向变形特性,开展了一系列土工袋组合体的水平循环剪切试验,研究了循环次数、竖向应力以及剪切应变幅值等加载特征对土工袋组合体竖向变形的影响,探讨了水平循环荷载作用下土工袋组合体的变形机制。结果表明:(1)土工袋组合体的累积竖向应变在试验初期变化较为显著,随着循环次数的增加,其累积竖向应变逐渐趋于稳定;(2)竖向应力和剪切应变幅值对土工袋组合体的竖向应变影响显著,随着竖向应力与剪切应变幅值的增大,其竖向应变也随之增加;(3)土工袋组合体在较大剪切应变幅值条件下开始出现层间滑移,试验初期土工袋组合体在层间滑移阶段竖向应变基本保持稳定,但是随着循环次数的增加,土工袋组合体层间界面反复摩擦使层间的咬合作用发生变化,靠近土工袋组合体层间界面的砂土颗粒在此过程中又进行了重新排列,最终导致试验后期土工袋组合体单次循环产生的竖向应变增量呈现出增长趋势。

不同袋内材料对土工袋单元体静动力剪切特性的影响

为了进一步研究不同袋内填充材料对土工袋单元体在静动力作用下剪切特性的影响,采用室内大型剪切系统对不同袋内填充材料土工袋单元体进行了一系列单剪试验和循环剪切试验。结果表明:土工袋单元体表现出的剪切变形规律基本符合摩尔-库仑屈服准则,其抗剪强度主要由土工袋表面张力和袋内土体颗粒之间的摩擦力共同提供;不同袋内填充材料对土工袋单元体的剪切变形特性有一定的影响,相对于壤土土工袋、碎石土工袋,天然河砂土工袋单元体的抗剪强度、阻尼消能效果与抵抗变形的能力均相对更好,因此从抗剪强度及减振消能特性的角度看,实际减隔震工程中采用河砂装填是一个较好的选择。

土工袋垫层不同结构形式的振动台模型试验研究

为了研究土工袋垫层不同结构形式对减隔震特性的影响,考虑输入振动波峰值加速度、土工袋垫层铺设形式、支挡结构、袋间缝隙等因素对垫层减隔震特性的影响,开展了一系列小型振动台模型试验。试验结果表明:随着输入峰值加速度的增大,3种常见铺设形式(直立式、扩散式、交错式)的土工袋垫层模型均表现出一致的规律,即输入峰值加速度越大垫层模型整体表现出的减隔震效果越好。通过对3种不同铺设形式土工袋垫层模型沿高度方向的加速度响应情况进行对比,发现交错式土工袋垫层对振动波的衰减作用最显著;通过进一步开展在垫层周围设置支挡结构工况的模型试验,发现在设置支挡结构不仅可以有效提高垫层整体的减隔震效果,还能有效防止周围土体流入到袋间缝隙中;土工袋袋间缝隙可以对振动波的传递起到一定的阻隔作用,通过在土工袋袋间设置缝隙的方式能够进一步提高土工袋垫层整体的减隔震作用。

土工袋中橡胶砂的隔震效应数值模拟分析

利用计算平台MSC.Marc建立三维整体结构的有限元分析模型,对土工袋隔震效应进行数值模拟计算,研究了坚硬场地土工袋中橡胶砂配比和土工袋隔震层高度对上部结构隔震效果的影响。结果表明:土工袋中橡胶颗粒配比越大,隔震效果越好,但是随着橡胶含量的持续增加,隔震效果减弱,并发现橡胶颗粒作为隔震材料的最佳添加质量分数为30%;随着土工袋隔震层厚度的增加,隔震效果越明显,但是考虑到工程造价等问题,土工袋隔震层在本实验工况条件下的最佳高度为500 mm。研究表明,土工袋橡胶砂隔震层是一种具有良好隔震效果、廉价环保的新型基础隔震方法,适用于建筑成本较低的村镇房屋。

面板对土工袋挡土墙工作性状影响的足尺试验研究

鉴于在土工袋挡土墙外侧设置面板可能会影响土工袋挡土墙的工作性状,开展了固定面板和不固定面板的土工袋挡土墙的足尺试验,探究了面板对土工袋挡土墙变形模式与土压力的影响。结果表明,固定和不固定面板的土工袋挡土墙均表现为悬臂式变形模式,但作用在不固定面板上的土压力小于作用在固定面板上的土压力。基于弹性理论建立了有限位移条件下土工袋挡土墙土压力的解析解,分析了土工袋挡土墙土压力与水平变形的关系,发现由于不固定面板的变形约束作用小于固定面板,作用在不固定面板上的土压力与不带面板的土工袋挡土墙的土压力均接近于计算主动土压力,表明不固定面板土工袋挡土墙能更加充分利用土工袋挡土墙柔性的特点,从而有效降低墙后侧向土压力。

竖向荷载下土工袋的有限元数值模拟

利用有限元数值模拟方法,研究土工袋在竖向荷载下的变形、孔隙水压力、应力及袋子张力。土工袋由土体和编织袋2种材料组成,土体采用修正剑桥本构模型,编织袋采用改进的两节点张拉杆单元模拟。计算结果表明,竖向荷载下土工袋的最大水平位移和竖向位移分别发生在土工袋两侧边缘和土工袋表层,孔隙水压力随加载时间先增长后消散,同时,袋子的平均张力与荷载呈近似线性关系。

土工袋垫层抗液化性能振动台试验研究

土工袋能够有效地约束袋内土体,具有良好的滤水保土作用,可以用于地基抗液化,但土工袋抗液化性能尚未有系统及深入的研究。开展了一系列小振动台试验,验证土工袋垫层的抗液化效果,研究了振动加速度、土工袋层数和排列方式对抗液化性能的影响。结果表明:土工袋具有良好的抗液化效果,袋内土体的超静孔压比小于同深度处周围的土体;土工袋垫层的排水性能是在土工袋本身具有良好透水性的基础上,孔隙水会沿着土工袋与土体的界面以及袋间的空隙排出;相较于不透水刚性垫层,振动过程中土工袋垫层表面基本保持水平,发挥出较好的变形协调性;土工袋层数增加及交错式排列对抗液化效果有利。

土工袋层间摩擦特性试验研究

土工袋层间摩擦是土工袋柔性挡土墙设计中应该考虑的关键因素,其大小直接决定了土工袋挡墙的内稳定性。通过铝棒土工袋的摩擦试验说明柔性土工袋层间摩擦与刚性体间摩擦特征的不同,进行了不同袋内材料、土工袋排列方式以及运行环境(水上或水下)等条件下的土工袋层间摩擦试验。结果表明:土工袋层间摩擦力随着袋体沿受力方向变形的增大而逐渐增大,当层间发生整体滑动时达到最大值,并趋于稳定;土工袋层间摩擦不仅与编织袋体的摩擦有关,而且受袋内材料粒径大小及排列方式的影响;土工袋浸泡于水下时,由于水的润滑作用使得编织袋间的摩擦作用减小,袋内材料为细颗粒的土工袋层间摩擦作用减小,而袋内材料为粗颗粒的土工袋层间摩擦变化不大。

土工袋防渠道冻胀模型试验研究

为研究土工袋在寒冷地区的防渠道冻胀效果,开展了冻融循环作用下土工袋处理渠道和常规渠道模型试验,研究了土工袋处理渠道和常规渠道的冻胀量、融沉量、含水率和温度随时间的变化规律。试验结果表明:冻融循环作用下土工袋处理渠道防冻胀效果显著,同时揭示了土工袋防渠道冻胀机理,即土工袋通过抑制毛细水、薄膜水上升、加筋作用达到防冻胀效果,为寒区渠道防冻胀提供理论依据。

土工袋加固砂性土质边坡模型试验与上限解

通过模型试验比较有土工袋加固和无土工袋加固时边坡的破坏形态及承载力,验证土工袋对边坡的加固效果,并基于试验结果建立边坡的许可破坏模式及其速度场,利用极限分析上限法求解了边坡的极限高度上限解,利用模型试验结果对边坡极限高度进行验证。试验及计算结果均表明:边坡越陡,有土工袋加固较无土工袋加固时边坡的极限高度和承载力提高越大,表明土工袋加固效果越好。试验结果与计算结果基本吻合,表明该计算方法的可信性,可为边坡的稳定性设计问题提供理论依据。

土工袋技术在市政沟槽回填中的应用研究

市政工程中管线埋入地下采用的基本流程是先开挖沟槽,将开挖的原土作为渣土处理,待管线在沟槽中安放后再用二灰土石填埋沟槽,经夯实后铺设沥青或混凝土路面。为了有效利用沟槽开挖土、减少二灰土石用量,建议采用土工袋技术处理,即将沟槽开挖土装入土工编织袋后回填至沟槽中。阐述了土工袋技术原理,并依托南京市雨污分流工程,对用土工袋回填的沟槽进行了平板载荷试验、落锤式挠度检测和路面振动测试,评价土工袋沟槽的回填效果。结果表明:土工袋在提高沟槽承载力、减少沉降变形、削弱交通振动干扰等方面具有明显效果。土工袋避免弃土外运,减少了扬尘污染,不失为一种绿色、环保、经济的工程新技术。

土工袋加固软土地基现场荷载试验的数值模拟

为预测土工袋加固后软土地基的变形特性,采用弹塑性有限元法对某一土工袋加固后的软土地基承载力试验进行了模拟,将袋子张力的作用等效为附加应力作用在土骨架上,即在修正Camclay模型中将土工袋的黏聚力cT转换为土性参数σ0,从而可以把土工袋加筋土当成素土来计算。计算结果表明:该方法将土工袋加筋原理与有限元算法有机结合,较采用杆单元模拟土工袋的计算方法简单;数值模拟计算值与试验实测值(变形、土压力、孔隙水压力)基本一致,验证了该土工袋数值模拟方法的合理性。

冻融循环作用下土工袋冻胀量和融沉量试验

为研究季节性冻土地区冻融循环作用下土工袋防冻融、冻胀效果,对不同冻融循环作用下土工袋和土进行了室内模型试验,在开放系统和封闭系统中分别研究了土工袋和土冻胀量、融沉量之间关系,试验结果表明,经历4次冻融循环作用后,封闭系统中土工袋冻胀量、融沉量分别小于土的冻胀量、融沉量;开放系统中土的冻胀量为土工袋冻胀量的1.9倍,土的融沉量为土工袋融沉量的2.2倍,开放系统中地下水对土工袋的补给量远小于土的补给量,试验验证了土工袋可以有效防止渠道及建筑物基础冻融、冻胀破坏,可为渠道防冻胀提供理论基础。

袋内材料对土工袋动力特性参数影响的试验研究

土工袋加固地基技术已普遍应用于房屋地基、边坡加固等工程中。大量研究表明,土工袋具有显著的减振消能效果。为了进一步探讨不同的袋内充填土体材料对土工袋减振消能效果的影响,通过对不同粒径、级配、黏粒含量的填充土体材料及装有相应填充土体材料的土工袋进行水平循环剪切试验,研究袋内填充土体材料与动剪切模量及等效阻尼比2个参数的关系。试验结果表明,土体装入土工袋后,动剪切模量降低,等效阻尼比增大;当填充土体材料及土工袋内土体材料粒径相对较小、级配均匀、黏粒含量高时,等效阻尼比和动剪切模量较大。总体而言,粒径和级配对土工袋减振消能效果影响不大。

土工袋柔性挡墙位移模式及土压力研究

用土工袋构筑而成的挡土墙具有一定的柔性,在墙后土压力作用下,墙体能够发生一定的变形,墙后土压力分布及大小与刚性挡土墙大不相同。设计并进行了土工袋柔性挡土墙模型试验,通过试验观测了墙体的位移模式和墙后填土的破坏模式,研究了土压力沿墙体高度方向及墙体水平方向的分布;运用水平微分单元法推导了主动平衡状态下土工袋柔性挡土墙土压力的计算公式,土压力理论计算值与模型试验实测值基本吻合;进行了模型试验用土工袋层间摩擦试验,建立了土压力与土工袋层间摩擦力的平衡关系式,分析了土压力沿土工袋墙体水平方向的传递规律。

土工格栅返包土工袋加筋土挡墙的地震响应分析及设计建议

为了研究土工袋加筋土挡墙在地震作用下的抗震性能,开展了大型的振动台模型试验。结果表明:随着加载的持续进行,挡墙模型的自振频率降低,阻尼比增加;PGA放大系数随输入地震动峰值加速度的增大而减小,墙高对PGA放大系数的影响反倒不大。土工袋加筋土挡墙的峰值动土压力呈现"中间小,两头大"的分布规律,且墙高越高,输入地震动峰值加速度越大,峰值动土压力越大,而不同地震波形的频谱差异对土压力量值和分布的影响较小。通过数值模拟研究了坡度对土工袋加筋土挡墙力学特性的影响,认为土工袋加筋土挡墙墙后侧向土压力和筋材的拉应力随着墙体坡度的增大而增大,当墙体坡度小于1∶0.75时,侧向土压力较小;当墙体坡度大于1∶0.75时,墙后土压力迅速增加,土压力的分布图式类似呈三角形分布。筋材的拉应力沿长度方向呈单峰型分布,各层筋材的拉应力随上覆填土厚度的增加而增大,但增加的幅度逐渐减小。另外,土工袋加筋土挡墙的剪应变增量、活动区范围以及位移均随墙体坡度的增大而增大。