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.

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。

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。

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.

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。

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.

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。

喷射秸秆加筋黄土的强度特性研究

纤维加筋能够改善土体的强度特性,但多适用于便于击实工况,在难于击实复杂工况方面的应用受限。本研究利用高压空气喷射制备秸秆加筋黄土试样,依托直剪试验探究纤维掺量及含水率的变化对加筋黄土强度的影响,获得加筋土在所需工况下的最优工作性能,并利用试验数据建立不同工况下加筋土体的强度预测模型。结果表明:(1)土体抗剪强度随纤维掺量的增加呈现“先升后降”趋势,纤维的加入能够改善土体的破坏模式,增强土体的残余强度及变形能力;(2)含水率变化对加筋土体黏聚力的影响显著,对高纤维掺量加筋土体内摩擦角的影响较大,但在高含水率下加筋土体仍能保持较好的抗剪强度:(3)含水率降低利于发挥纤维对黏聚力及内摩擦角的增强作用,纤维对土体强度的提升率随含水率降低呈现“先降后缓”的趋势;(4)纤维掺量及含水率为抗剪强度重要影响因素,强度预测时应优先考虑含水率的影响。本研究成果对于优化加筋黄土性能、克服纤维加筋土在工程中的应用盲区具有指导意义。

强冲击载荷下单向加筋板拉伸撕裂的临界条件

针对固支单向加筋板在冲击载荷下的拉伸撕裂临界条件开展研究,首先将均布冲击载荷下的固支单向加筋板简化为带板梁模型,基于固支梁冲击变形理论解给出了加筋板最大永久变形理论解,之后基于复合运动场模型,修正了固支梁端点拉伸应变与最大永久变形关系式,并以等效应变达到失效应变作为拉伸撕裂条件,建立了加筋板在冲击载荷下的拉伸撕裂临界条件。经过数值模拟验证,该最大永久变形理论解和拉伸撕裂临界条件具有适用性,理论与数值误差小于15%。

桩承式加筋垫层路堤荷载分担改进计算模型

桩承式加筋垫层路堤中的关键荷载传递机制是多种现象的组合,包括路堤填土中的土拱效应、加筋垫层的张拉膜效应和地基土的支撑作用,然而,目前针对此方面的研究尚不完善。本文首先以考虑土体被动土压力发挥程度及桩间土应力非均匀分布改进的Hewlett土拱模型为改进载体;其次,假定加筋垫层为上、下部受均布荷载作用的简支梁,截面拉应力完全由加筋体承担,压应力完全由垫层材料承担,同时考虑地基土反力与梁最大挠度相关,引入地基反应系数,从而建立改进的桩承式加筋垫层路堤荷载分担计算模型;最后,通过工程实例与模型参数分析,验证本文计算模型的可靠性与准确性。研究结果表明:在路堤填筑过程中,土拱效应逐渐完全发挥,促进路堤荷载向桩体转移;随着地基土固结,桩体承担的路堤荷载也在逐渐增大;路堤填土高度、填土内摩擦角、桩间距对桩体荷载分担影响较大,加筋体抗拉模量对其影响较小。

大型船舶加筋板结构焊接裂纹在线检测研究

大型船舶加筋板结构焊接若出现裂纹,会降低加筋板结构强度,为船舶航行安全带来不可预估的风险,为此研究大型船舶加筋板结构焊接裂纹在线检测方法。使用有限元软件Ansys,依据船舶加筋板结构参数,对加筋板结构焊接裂纹模态进行模拟,获取大型船舶加筋板结构焊接裂纹模态,依据该模态,使用改进连续小波分解方式从加筋板结构焊接裂纹模态中获取裂纹对应的小波系数,通过获取裂纹模态小波系数突变点,依据该突变点得到加筋板结构焊接裂纹深度、长度、宽度等在线检测结果。实验结果表明,该方法可有效获取船舶加筋板结构焊接裂纹模态,并依据该模态在线检测到船舶加筋板结构焊接裂纹的长度、宽度等,应用效果较佳。

土工格室加筋正常固结粉质黏土应力应变响应

土工格室加筋正常固结粉质黏土对工程建设意义重大。基于土工格室与填土的相互作用机制和增量法,采用弹塑性理论、邓肯-张双曲线模型、修正剑桥屈服函数以及剪胀方程,推导了土工格室加筋正常固结黏土的应力应变响应计算模型,进行了土工格室加筋正常固结黏土的三轴固结排水剪切试验,实测不同围压下的应力应变关系,采用三轴试验结果验证了所提理论模型的正确性和可靠性。此外,采用所提理论模型进行了参数敏感分析,研究了填土的力学性质参数、格室的网格尺寸和力学性质参数对于加筋土应力应变响应的影响。研究结论表明,与砂砾料相似,土工格室约束作用对于正常固结黏土的内摩擦角影响较小,而黏聚力有所增加;随着轴向应变的增加或围压的减小,加筋效果逐渐明显;加筋正常固结黏土的强度和刚度随着非线性弹性常数k的增加、强度参数φ的增加和Rf的减小而增大,常数n对于加筋土应力应变响应影响较小。本研究成果可为工程建设提供理论借鉴。

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。

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%。

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.

轮胎加筋砂垫层抗液化性能振动台试验研究

将废弃橡胶轮胎内填充散体材料形成加筋土结构,已被应用于地基、挡土墙和边坡加固等工程,表现出较好的减震隔振效果,而轮胎加筋土的抗液化性能尚缺乏研究。开展3组小型振动台试验,通过改变轮胎垫层的排水条件,验证轮胎加筋砂垫层的抗液化效果。结果表明:轮胎加筋砂垫层具有良好的抗液化效果,与刚性垫层相比,超静孔压比峰值差值范围在0.01~0.19,残余超静孔压比差值范围在0.08~0.16,轮胎加筋砂垫层提供的排水通道具有抑制超静孔隙水压力发展和加速超静孔隙水消散的作用,孔隙水会沿着轮胎与下部土体的界面以及胎间的排水通道排出;采用量测侧向动土压力的方法,定义土体液化程度量化指标,进一步验证轮胎加筋砂垫层抗液化效果;振动过程中轮胎加筋垫层表面沉降范围为11.3~15.7 mm,表现出较好的变形协调性能。

RoadMesh钢丝网加筋AC+PCC复合式路面结构力学分析

通过建立AC+PCC复合式路面结构三维有限元模型,基于正交试验设计选取计算参数组合,分析了RoadMesh钢丝网层间加筋前后的路表弯沉值l、AC加铺层层底的最大拉应力σa和最大剪切应力τa及PCC板顶最大弯沉差Δl等4个主要力学响应的变化规律。研究结果表明,在高等级公路中,标准轴载作用的最不利荷位为4块PCC板相交的板角处;RoadMesh加筋后对l的减小幅度不大,设计时可忽略其对弯沉的作用;RoadMesh加筋后σa,τa和Δl都较加筋前有明显的降低,且使σa和τa分布更均匀,并减小了下承层对τa的影响,但Δl对PCC板和接缝的敏感性增加,显示了其阻裂效应。因此,RoadMesh钢丝网加筋可有效阻止AC加铺层的应力集中并加强层间结合,从而提高了AC+PCC复合式路面结构的抗反射开裂和抗剪切推移能力。

基于iFEM和虚实结合的加筋板应变场构建研究

iFEM(inverse finite element method)是目前进行结构应变场构建最有前景的方法之一,其目的是在结构离散应变采集过程中,以最少的实际测点获取满足精度要求的结构应变场。在一些局部区域应变数据不易采集时,可尝试采用虚实结合的方式进行离散应变数据的采集。本文以船舶典型结构加筋板为例,根据实测数据,结合仿真模型,依据Xgboost的测点回归方法,基于iFEM技术依次计算实测、仿真和虚实结合三种方法的应变场重构精度,分析误差原因。通过预测,当47个物理测点时平均误差最低,为1.92%,以虚实结合路径输入15个点和21个点时结果与验证点的误差均小于3%,验证了虚实结合快速补充缺失数据的应变场重构的方法操作性强、准确度高。