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。

高摩阻超静定土工格栅在粗粒土夹层中的剪胀作用研究

在加筋土工程中,采用异型格栅和设置粗粒土夹层可以有效增强筋土相互作用。然而粗粒土夹层厚度的确定方法仍有待进一步研究。基于一种带有凸起节点结构的高摩阻超静定土工格栅(high resistance hyperstatic geogrids,简称HRHG)与砾石的直剪试验结果,建立了剪切硬化筋土界面的剪胀本构模型,并进一步研究了筋土剪胀应力在土体内引起附加应力的分布规律。通过开展不同法向压力(30、50、80 kPa)下的直剪试验,研究了不同粗粒土夹层厚度(60、100、140、180 mm)对筋土相互作用的影响,并与筋土界面剪胀应力的分布规律进行了对比分析。结果表明,筋土界面剪胀本构模型可以有效计算剪缩位移和剪胀位移,且最终剪胀位移随法向压力增加而减小。由界面剪胀应力引起的粗粒土中附加应力随着与筋土界面距离的增加而降低,但是剪胀范围逐步增大。粗粒土夹层厚度的增加可以有效提高界面剪切强度,但存在最优夹层厚度使界面剪切强度的增幅迅速降低。最优夹层厚度随着法向压力的增加而减小。通过对比分析最优夹层厚度与剪胀应力比之间的关系,提出了基于筋土界面剪胀本构模型的确定最优夹层厚度的半经验公式,可为HRHG在工程中的设计或应用提供参考。

级配对粗粒土-格栅界面循环剪切特性影响试验研究

【目的】为研究级配对粗粒土-土工格栅界面动力剪切特性的影响规律,【方法】基于连续级配方程,通过改变试样的最大粒径d_(max)和级配面积S,制备了18组不同级配试样,对各组试样分别进行设置土工格栅和不设置土工格栅的循环直剪试验,分析d_(max)和S对界面循环剪切特性的影响,并引入了加筋剪切刚度系数α_(K)和加筋阻尼比系数α_(D),来评价土工格栅对动剪切强度参数的影响效果。【结果】结果显示:当小于格栅网孔尺寸的粗粒含量较高时,剪切刚度K随着d_(max)的增大而增大,阻尼比D随着d_(max)的增大而减小;反之,则表现出相反的趋势。K和D均与d_(max)呈对数函数关系;K和D与S的关系均可用二次多项式表示。此外,给出了α_(K)和α_(D)与粒孔比的关系,即随着粒孔比的增大,α_(K)先增大后减小,α_(D)呈先减小后增大的规律。当粒孔比取0.073左右时,土工格栅对粗粒土循环剪切特性的加筋效果最好。【结论】结果表明:颗粒与土工格栅间的互锁机制对粗粒土-格栅界面的循环剪切特性有重要影响,当大部分颗粒粒径小于格栅网格尺寸时,颗粒与格栅间的互锁机制充分发挥;当颗粒最大粒径及格栅网格尺寸相同时,存在一个最优级配面积,使得粗粒土-格栅界面的抗震性能最好。

含水率和冻融循环对筋土界面剪切特性的影响

制作了一套可实现温度控制的筋土界面直剪试验设备。为了研究含水率、界面温度、冻融循环次数对筋土界面剪切特性的影响,开展11组土工格栅-砂土界面直剪试验。研究结果表明,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随含水率的增加而减小,当含水率提高时,筋土间的抗剪强度减弱。加筋可显著提高冻土的抗剪强度,当界面温度为-10℃时,土工格栅-砂土界面剪应力峰值较冻结后砂土的剪应力增加了约20%。筋土界面剪应力随着界面温度的降低而增大,当界面温度在0℃以下时,剪应力较大且剪应力-剪切位移曲线会出现峰值强度和残余强度,而在无冻结情况下,筋土界面剪应力稳定值基本相同。冻融循环后筋土界面的抗剪强度减小,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随着冻融循环次数的增加而减小,但在4次冻融循环后趋于稳定。研究成果可为冻土地区土工格栅加筋土结构的设计和应用提供理论依据。

高速公路改扩建膨胀土路堤处置方法研究

为在高速公路改扩建工程中充分利用膨胀土填料,该文借鉴膨胀土直接筑路的成功经验,依托G40沪陕高速公路合肥至大顾店段改扩建项目,提出采用土工格栅加筋膨胀土包边的路基处置方案。通过室内试验开展膨胀土填料的路用特性和膨胀性试验,确定填料的适用范围和压实控制指标。最后,通过路堤湿胀量预估、土工格栅加筋边坡稳定性分析和经济效应分析,对处置方案的可行性进行论证。结果表明:填料胀缩总率为1.12%,R_(CBR)大于3%,初步验证了该膨胀土样可采取包边、加筋等物理处置后用作下路堤填料的可行性。若采用湿法击实试验所确定的压实控制指标,路堤湿胀量预估值将比干法的小1个数量级。各层土工格栅的抗拔安全系数均满足规范不小于2.0的要求,不会存在拔出风险。相比石灰改良方案,该方案可极大地缩短工期和节约造价。

含水率对残积土与土工织物界面剪切特性的影响

为探究不同影响因素下残积土与土工织物界面的剪切特性,采用气动直剪仪对土工织物加筋残积土试样进行直剪试验。考虑含水率、剪切速率、竖向应力等因素,分析不同剪切速率和竖向应力下含水率对残积土与土工织物界面剪切特性的影响。试验结果表明:在同一含水率情况下,筋土界面的抗剪强度与竖向应力成正比,在含水率为17%时,竖向应力50 kPa的抗剪强度从53 kPa分别增加到84 kPa(100 kPa)、151 kPa(200 kPa);随着含水率的增加,界面似黏聚力显著降低,筋土界面抗剪强度减小,而界面摩擦角无明显变化。剪切速度主要影响筋土界面摩擦角,筋土界面抗剪强度随着剪切速率的增大而增大;且在高剪切速率、低含水率情况下,筋土界面的剪缩现象在达到一定剪切位移后有所缓解,最后趋于平稳。

纤维掺量对花岗岩残积土剪切特性的影响

为探究纤维掺量对花岗岩残积土的剪切特性的影响,采用气动直剪仪对纤维加筋花岗岩残积土试样进行直剪试验。考虑纤维掺量、剪切速率、竖向应力等因素,分析不同剪切速率和竖向应力下纤维掺量对花岗岩残积土剪切特性的影响。试验结果表明:竖向应力为300 kPa时,与未掺纤维相比,纤维掺量分别为0.3%、0.6%、0.9%时,剪切强度分别增加了23%、46.1%、79.2%,即掺加纤维对花岗岩残积土剪切强度有明显的增强作用。内摩擦角随着纤维掺量的增加而增大,黏聚力随着纤维掺量的增加而增加。低竖向应力下,土样先剪缩再剪胀;高竖向应力下,土样只发生剪缩。在低速剪切的情况下,剪切速率对花岗岩残积土的剪切强度特性影响较小;剪胀程度随剪切速率增加而增强。

基于足尺模型试验的泡沫轻质土加筋路堤变形研究

泡沫轻质土及土工格栅在治理山区软土路基病害中均有重要作用,得到了广泛的应用。单独应用泡沫轻质土存在很大的局限性,将泡沫轻质土与土工格栅的优势结合起来,对泡沫轻质土加筋路堤变形进行研究,对公路工程有着重要的意义。通过开展足尺模型试验,对泡沫轻质土路堤及泡沫轻质土加筋路堤变形进行研究,结果表明:使用泡沫轻质土加筋路堤比普通泡沫轻质土路堤可以减小沉降,也更有效地减小路基土压力,同时有助于基底土压力扩散,解决基底应力分布不均匀问题。因此,采用泡沫轻质土加筋路堤可以提高软土路基承载力,增强路基的稳定性。

高性能土工格栅加筋土挡墙数值仿真与参数分析研究

以西南地区复杂环境下土工格栅加筋土挡墙为工程依托,采用有限元软件进行数值模拟,研究不同设计参数与不同地震荷载作用下加筋土挡墙受力变形特征。研究表明,随着土工格栅抗拉强度、土工格栅长度的增加,挡墙的变形逐渐减小,以水平变形为例,高性能土工格栅较常规土工格栅减小量为42%,筋材长度由6 m变化为10 m,减小量为14%;随着土工格栅竖向间距的增大,结构变形逐渐增加,同样以水平变形为例,当土工格栅间距由0.6 m增大至1.2 m时,增幅约为29%。研究结果表明,土工格栅抗拉强度是影响加筋土挡墙稳定性的重要因素,筋材竖向间距的影响次之,而筋材长度对结构变形特征的影响较小。在水平与竖向地震荷载作用下,加筋土挡墙的变形量随地震加速度的增加而增大;相较于普通土工格栅,高性能土工格栅限制加筋土挡墙变形行为更显著。

整体现浇面板包裹式加筋土挡墙力学特性研究

为探究整体现浇面板包裹式加筋土挡墙在交通荷载作用下的受力变形特性,以成昆铁路峨米段整体现浇面板包裹式加筋土挡墙为工程背景,利用现场监测数据并运用大型岩土有限元软件midas GTS对整体现浇面板包裹式加筋土挡墙进行了系统研究,实际工程中应适当增加挡墙中部筋带数量,减少加筋间距,增大加筋长度,采用短筋和长筋交替布置的方案,充分发挥筋材的加筋作用,加强挡墙整体稳定性。

考虑格栅水力特性的柔性支护处治膨胀土边坡的数值模拟分析

运用Plaxis软件进行流固耦合分析,探讨了格栅水力特性对膨胀土边坡稳定性的影响,并在此基础上分析了不同降雨条件下柔性支护处治膨胀土边坡的原理。结果表明,随着雨水持续入渗,加筋边坡各层土工格栅轴力不断增加,呈中间大、两端小的“凸”型分布,忽略格栅的水力特性会低估格栅所受轴力、高估边坡稳定性。柔性支护结构可有效提高边坡抵抗降雨入渗的能力,维持膨胀土体抗剪强度,同时也能限制边坡变形和位移增长,是一种处治膨胀土边坡的有效方式。

土工格栅加筋高填方路基应力变形模拟分析

为合理确定高填方路基土工格栅加筋层数,通过建立计算模型进行数值模拟分析,并通过现场监测进行验证。数值模拟分析结果表明,采用五层土工格栅加筋效果最佳,可明显降低高填方路基土压力及沉降。分析现场监测结果得出,土工格栅加筋后的路基土压力和沉降下降明显,加筋效果明显。

不同含水率花岗岩残积土-格栅界面剪切特性

花岗岩残积土可作为回填土应用于加筋土结构,含水率对结构的稳定性具有重要影响。以广州市增城区花岗岩残积土为研究对象,通过室内大型直剪试验,研究了不同含水率(13%、19%、25%、32%)、竖向应力(50、100、150、200kPa)对花岗岩残积土-格栅界面剪切特性曲线、抗剪强度、体变特性的影响。试验结果表明:含水率为13%、竖向应力为50kPa时,残积土-格栅界面剪应力随着剪切位移的增大先升后降,降幅较小,其余条件下剪应力随着剪切位移的增大而升高;格栅加筋能够缓解花岗岩残积土剪应力达到峰值后大幅降低的剪切软化趋势;筋土界面抗剪强度随着含水率的升高而大幅降低,界面抗剪强度系数整体上随着含水率的升高先增加后降低,含水率为19%和25%时格栅加筋的增强效果最佳;筋土界面黏聚力随着含水率的增加先增大后减小,界面内摩擦角随着含水率的升高而降低;13%、19%含水率下筋土界面在50kPa竖向应力作用下发生了剪胀,其余条件下体积应变以剪缩为主。

紧邻隧道的大型基坑变形控制设计

基坑开挖产生的变形将影响邻近既有铁路隧道的安全与正常运营,如何控制变形是基坑支护设计亟待解决的问题。针对紧邻既有铁路隧道的某人防基坑工程,采用桩锚支护、土压平衡开挖、土工格栅回填等方法进行基坑支护设计。同时,利用隧道和基坑的变形监测数据分析了基坑开挖和回填对既有铁路隧道和支护结构变形的影响。分析结果表明:支护方案能有效控制紧邻大型基坑的隧道变形;桩锚支护可以有效控制围护桩的侧向位移;土压平衡开挖可以平衡隧道两侧的土压力,减小开挖对支护结构侧向位移的影响;土工格栅回填可进一步控制支护结构的侧向位移。

基于高陡岩质边坡生态防护新方法的物理模型试验研究

保证客土基材在坡体上稳定是边坡进行绿化的前提条件。基于现有生态边坡防护技术,提出一种高陡岩质边坡生态防护新方法。为验证该防护方法可行性,进行室内物理模型尺度试验。试验表明:①无防护方式下客土基材层随尺度模型斜板倾角均匀增加,客土基材层将沿尺度模型斜板表面产生堆积式滑动破坏,破坏启动角为44°;②在客土基材顶层放置土工格栅固土结构时,土工格栅对客土基材层起一定约束作用。当存在底层筋材固土结构时,客土基材层与土工格栅及尺度模型斜板面之间摩擦力增大,使得客土基材层破坏倾角增加,破坏倾角52°~53°,客土基材层破环模式与无防护方式条件下保持一致;③带横隔挡底层筋材固土结构防护方式下因横隔挡对客土基材层起承托作用,随尺度模型斜板倾角增加客土基材层发生失稳破坏后堆积于横隔挡面,横隔挡分担剩余下滑力保证了客土基材在岩质边坡面的整体稳定性,破坏启动角为57°;④带横隔挡双层筋材固土结构防护方式下因客土基材层被土工格栅结构包裹起来,客土基材层破坏模式呈堆积于横隔挡与客土基材表层土工格栅被客土基材挤压鼓起的双重破坏模式,破坏倾角增加至76°。

静动荷载下桩网结构路基土工格栅承载特性试验研究

以京沪高速铁路徐沪段路基为研究对象,通过室内大比例模型试验,研究了静动荷载作用下桩网结构路基土拱效应与土工格栅承载性能的变化规律,分析10万次动荷载作用后土工格栅的承载特性。结果表明:在路基填筑初期未形成稳态土拱前土工格栅应变增长较快,当形成稳态土拱后土工格栅应变增长趋于稳定,且桩帽边缘处土工格栅应变增长最快,土工格栅使得桩顶上方多承担了7.6%的荷载;10万次动荷载作用下,土拱效应依然有效,但是会产生一定程度的弱化,土工格栅减小了动荷载对土拱效应的削弱作用;相比静载动荷载作用下土工格栅应变增长迅速,最大增长了约19%;动荷载作用后土工格栅会产生拉力退化与软化现象。

土工格栅技术在公路工程软基处理中的应用

为研究土工格栅技术在公路工程软基处理中的应用,改善软基不均匀沉降变形问题,论文结合实际工程,对土工格栅工程特性进行阐述,重点对其施工技术要点进行研究。研究结果表明,采用土工格栅技术能有效改善软基沉降变形,提高路基整体结构强度和稳定性。

普速铁路加筋膨胀土路堤填筑与现场监测研究

【目的】合理利用膨胀土作为普速铁路路堤填料,验证膨胀土直接用于路堤非动力区的可行性。【方法】通过室内击实试验和有荷膨胀试验获取了膨胀土的路用特性及膨胀性相关参数,并基于平衡含水率理论计算膨胀土路堤在运营期的竖向变形量,据此提出膨胀土的压实控制标准。为防止边坡发生浅层破坏,提出了对膨胀土路堤边坡进行土工格栅加筋处理的填筑方案,并在现场修筑试验段埋设监测元件开展现场监测,以验证该填筑方案的可行性。【结果】膨胀土填筑时应根据其湿法击实曲线中93%最大干密度所对应的湿侧含水率作为压实控制含水率;土工格栅加筋处置方案不仅可以利用格栅的弹性变形来释放膨胀土增湿产生的部分膨胀力,同时也可以约束膨胀土的湿胀变形,从而确保边坡的稳定;在接近一年的运营后,路堤沉降量基本稳定在37.0 mm左右,满足规范要求。【结论】本研究可为普速铁路膨胀土路堤填筑提供参考,以促进铁路行业的科技进步。

深厚软土层端承摩擦桩桩承式加筋低路堤现场试验

为揭示桩承式加筋低路堤的荷载传递机理及土工格栅的加固效应,选取武汉智能网联赛车道项目主赛道连接段某低路堤路段开展了一个承载单元的现场试验,分别测试了施工期桩帽顶部与格栅上层的土压力分布、路堤分层沉降、格栅应变与挠曲。数据分析表明:随着填土高度的增加,土拱效应与张拉膜效应逐渐发挥,桩帽顶部的土压力开始超过桩间土压力并在填筑结束后逐渐趋于稳定。在端承摩擦桩桩承式加筋低路堤的荷载传递机制中,桩间土承担主要荷载,占比62.23%,张拉膜效应仅占很小一部分,占总荷载的3.77%。土工格栅的最大应变出现在桩帽边缘处,但最大值仅为0.195%,这表明土工格栅性能难以得到充分发挥。在该桩承式加筋低路堤中,两桩中心处的桩间土沉降要明显大于四桩对角线中心处。

颗粒粒径对立体格栅网–砂界面剪切特性影响

传统平面格栅限制土体侧向位移的能力较弱,而立体格栅网在传统平面格栅基础上增强了横肋与土体的侧阻力作用,有助于增强加筋土结构中筋土界面的相互作用,提高加筋土结构抗变形能力和整体稳定性。为了研究网孔尺寸和颗粒粒径对立体格栅网–石英砂界面剪切特性的影响,通过3D打印技术制作不同网孔尺寸和不同增强型横肋数量的立体格栅网,利用室内大型直剪仪进行一系列单调直剪试验。试验分析了颗粒粒径、格栅网孔开口率和增强型横肋数量变化时界面的似黏聚力、摩擦角及剪切强度系数的变化规律;基于试验,建立了界面剪胀系数模型,定量分析了颗粒平均粒径和格栅网孔开口率对立体格栅网–砂界面剪胀特性的影响。结果表明:当颗粒粒径增大,界面似黏聚力最大提高了65.53%,摩擦角最大提高了7.85%,表明颗粒粒径对立体格栅网–砂界面的似黏聚力影响更明显,对摩擦角的影响较小。当竖向应力从20增大至60 kPa,不同立体格栅网–砂界面最大剪胀角降幅为38.1%~60.8%,表明界面最大剪胀角随竖向应力的增加而逐渐降低。当颗粒粒径较大、格栅网孔开口率较小时,界面的剪胀量较大;剪切强度系数随粒径的增大而增加,增幅最高可达8.76%,表明立体格栅网与粒径较大的填料之间具有更好的互锁作用。