紅砂巖粗粒土加筋擋墻力學(xué)機(jī)理和地震穩(wěn)定性研究.pdf

1、紅層軟巖主要是指侏羅紀(jì)到新近紀(jì)的陸相紅色巖系,巖性為泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等,俗稱紅砂巖粗粒土,在我國分布廣泛。區(qū)域性分布的紅砂巖粗粒土在路基工程中得到了大量應(yīng)用,但是紅砂巖粗粒土填方路堤開裂、穩(wěn)定性不佳及不均勻沉降等病害一直是普遍和突出的問題,給行車舒適性和安全性造成了極不利的影響。因此,紅砂巖粗粒土加固處治技術(shù)是紅層地區(qū)軟巖填料應(yīng)用于路基工程的關(guān)鍵之一。針對上述問題,本文依托湖南省交通廳科技項目“高速公路新型加筋土結(jié)

2、構(gòu)技術(shù)研究與示范工程”(200612)、湖南省教育廳科研項目“高速公路加筋土路堤力學(xué)行為與設(shè)計方法的研究”(08C199)等科研課題,結(jié)合湖南省湘潭至衡陽高速公路加筋紅砂巖粗粒土路堤的建設(shè),采用現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模擬等方法,開展紅砂巖粗粒土加筋路堤擋墻力學(xué)機(jī)理及地震穩(wěn)定性的研究。主要進(jìn)行了以下幾個方面的工作:
　　 (1)針對湘南紅層軟巖填料,在湖南潭衡西線高速公路上進(jìn)行紅砂巖路堤大尺度原位推剪試驗,分析紅砂巖粗

3、粒土在推剪力作用下的變形特性、力學(xué)特性以及破壞特征,得到紅砂巖粗粒土原位推剪試樣三維滑動面的簡化處理方法。并以極限平衡為理論基礎(chǔ),推導(dǎo)在考慮三維滑動面時路堤填料強(qiáng)度參數(shù)計算公式,獲得紅砂巖粗粒土的強(qiáng)度指標(biāo)。
　　 (2)采用格賓網(wǎng)和高強(qiáng)土工格柵等加強(qiáng)紅層軟巖填料,針對格賓網(wǎng)和土工格柵加筋紅砂巖粗粒土,分別制備不同加筋層數(shù)、不同壓實度和不同含水量的試樣,進(jìn)行一系列大三軸試驗。主要研究加筋紅砂巖粗粒土強(qiáng)度和應(yīng)力.應(yīng)變特性,分析紅砂巖

4、加筋粗粒土的宏觀力學(xué)機(jī)理,并引入強(qiáng)度比參數(shù)分析加筋效果,探討土的含水量和壓實度、加筋層數(shù)等對加筋紅砂巖粗粒土力學(xué)特性和變形的影響。將格賓網(wǎng)與土工格柵加筋效果進(jìn)行對比,優(yōu)選紅砂巖粗粒土加筋加固方案。
　　 (3)以PFC3D程序和離散顆粒流理論為研究平臺、利用FISH語言編程進(jìn)行二次開發(fā),建立格賓網(wǎng)加筋紅砂巖粗粒土顆粒流數(shù)值模型,以大三軸試驗、筋材拉伸試驗及拉拔試驗等為基礎(chǔ),校正顆粒流模型的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,研究加筋紅砂巖

5、粗粒土細(xì)觀加筋機(jī)理和細(xì)觀力學(xué)特性,分析圍壓和加筋層數(shù)等對其細(xì)觀力學(xué)特性的影響,并獲得不同應(yīng)變階段加筋紅砂巖粗粒土顆粒位移場分布特性和內(nèi)部剪切帶發(fā)展規(guī)律,為從本質(zhì)上認(rèn)識紅砂巖粗粒土加筋加固機(jī)理提供了方法。
　　 (4)針對潭衡西線格賓加筋紅砂巖粗粒土擋墻試驗段,在現(xiàn)場布置各種測試元器件,進(jìn)行比較系統(tǒng)的監(jiān)測,得到格賓加筋紅砂巖粗粒土擋墻墻面變形、墻后土壓力分布、格賓網(wǎng)拉筋變形等規(guī)律。以FLAC3D為研究工具,建立格賓石籠面墻、土、格

6、賓網(wǎng)、及接觸面的三維耦合數(shù)值模型,對影響擋墻受力和變形的主要參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真與優(yōu)化分析,提出紅砂巖粗粒土路堤格賓加筋處治設(shè)計時要考慮的控制因素及可供設(shè)計和施工參考的資料。
　　 (5)利用FLAC3D動力分析模塊,進(jìn)行格賓加筋紅砂巖粗粒土擋墻抗震性能數(shù)值分析,通過室內(nèi)拉拔試驗和模型墻抗震試驗結(jié)果校正數(shù)值模型參數(shù)。給出格賓加筋紅砂巖粗粒土擋墻在地震作用下的動力響應(yīng)規(guī)律(加速度時程、位移時程、破壞模式等),系統(tǒng)分析結(jié)構(gòu)材料參數(shù)以及地

7、震動參數(shù)變化對擋墻動力響應(yīng)的影響,提出格賓加筋紅砂巖粗粒土擋墻抗震設(shè)計位移控制標(biāo)準(zhǔn)、地震加速度系數(shù)取值方法以及不同抗震設(shè)防區(qū)格賓網(wǎng)合理豎向間距。
　　 (6)基于不同形狀的簡化破裂面,將擋墻加筋體劃分成一定數(shù)量水平土條,針對不同模量加筋材料,提出地震作用下加筋土擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性設(shè)計的水平條分方法,推導(dǎo)筋材拉力和所需筋材長度的計算公式,并分析填土內(nèi)摩擦角、地震加速度系數(shù)對筋材拉力及所需筋材長度的影響。為加筋土擋墻抗震設(shè)計提供了方法。