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摘要 :可用于土工格室堤防加固的設計方法是極少數(shù)。較早的兩種方法和在本文所提出的并與他們相比的第三方法。在第一種方法叫做滑移線的方法,所述土壤的塑性承載失效假定,即土工格室層在軟土中使用非對稱滑移線計算地基土。第二種方法基于邊坡穩(wěn)定分析,通用邊坡穩(wěn)定性設計對基床路堤需要土工格室的強度。在第三本文提出的方法,土工格室加固是基于堤防平面應變有限元設計的分析。所述土工格室層被建模為一個等效的復合層用以改性強度和剛度值。強度和土工格室層的尺寸則估計需要承載能力或允許變形。這三種設計方法是通過設計實例相比較。據(jù)觀察,基于有限元模擬的設計方法是最全面的,因為它解決了允許變形的問題,并給出完整的應力、變形和給定負載條件下路基的應變行為。 關鍵詞:土工格室; 加強; 堤; 軟基; 設計; 復合模式; 有限元 分析。 1. 介紹 軟弱土壤堤防建設是許多巖土工程應用中經(jīng)常遇到的問題,如高速公路,機場跑道堤防,堤防圍堵,洪水保護防洪堤,土壩和護堤。高強度土工合成材料可用于各種軟土堤防加固穩(wěn)定化技術,簡單,速度更快,性價比高。利用土工格室用于加固軟弱土體堤防,近年來已經(jīng)獲得了不少人氣。土工格室是三維土工合成材料,用其裝滿泥土或顆粒料,土工格室基礎層路基加固的重要優(yōu)點有: ?它充當一個快速的建設工作平臺。 ?它作為一個地基堤防的堅硬平臺,提升了均勻沉降。 ?它最大限度地減少施工時間,并減少了挖掘和換填成本。 ?它可以防止承載能力失效,減少過多的沉降和橫向變形。 ?它提供了短期和長期的堤防穩(wěn)定性。 對土工格室加筋土性能的文獻報道是很少,調查由巴瑟斯特和Jarrett 的(1988),詹納、(1988),Bush 等人。 (1990年),迪恩和洛錫安(1990年),巴瑟斯特和Karpurapu (1993年),Cowland 和黃(1993),巴瑟斯特和Knight (1998)Hendricker (1998),Krishnaswamy (2000),瑪達維Latha 和Rajagopal (2007),瑪達維Latha (2008年)等,可用于土工格室堤防防護的設計方法是很少。在本文中,基于土工格室的有限元分析提出了堤防設計新方法,該方法相比兩者的早期方法相比較。 2. 現(xiàn)有的設計方法 只有極少數(shù)研究人員探討了土工格室的設計方法。其中有些是給由普易格和夏弗納(1986年),奧斯汀(1992)和利里丘蒂(1994年)。但是,這些方法是根據(jù)坡面侵蝕控制應用來設計土工格室。據(jù)筆者的了解,文獻報道只有兩個方法設計土工格室強化支持軟粘土地基堤防。第一種方法是滑移線分析,由詹納等人提出的方法(1988)。第二種方法是基于邊坡穩(wěn)定分析,通過瑪達維Latha 等人提出(2006)。 2.1滑移線法 詹納(1988)建議的用于設計土工格室堤防防護的方法。在本設計中, 假設土壤承載力是塑性失敗而不是圓形滑動失敗,這類故障是對于堤防的預期,其寬度是地基土深度四倍以上。 Johnson 和梅勒(1983)的方法是在兩個粗糙的剛性地基土塊上加壓。,這是近似的軟土塊,假設加壓在頂部的土工格室基床和在底部的硬層之間。用這個模擬軟地基土加固的一種非對稱滑移區(qū)域線。這種設計的概念是,土工格室施加在具有一定程度土工格室抑制作用的軟土塊上,從而旋轉主應力的方向,最大剪切方向壓力也相應地旋轉,深推破壞面到地基。用一個15°滑移線場來確定軟土的承載能力。滑動的結構線和相應的承載壓力圖進行了詳細討論(詹納等人,1988)?;诨瑒拥耐凉じ袷衣返痰湫偷某休d能力滑移線示于圖 1。 圖1 土工格室路堤承載力滑移線圖 承載力圖通過從滑移線區(qū)的外緣向內的“剛性端”的邊界,滑移區(qū)域線定義為土工格室寬度和軟質土層深度的比?!皠傂远? 是詹納 (1988)所用的術語來表示土壤區(qū),這不經(jīng)歷塑性應變。因此,滑移線字段用來定義限制可塑性的一個區(qū)域內最大允許壓力分布。 格室墊層的拉伸力由作用在地基上的應力來確定。橫跨' 剛性端' 的應力分布,可以通過考慮旋轉來確定其中每個應力場的邊界的剛性段和弧形段。整個剛性端的平均壓力可被計算: 其中P/Cu =在剛性端的末端的應力場讀值 P'=整個剛性端的平均應力 I =Σ(水平弧弦長×旋轉) X =Σ(水平弦長) D =軟土層深度 這些條件說明,弧弦長和計算的圖形表示跨剛性邊界平均應力,由詹納等人(1988年)和布什(1990)?,F(xiàn)在的容許承載力可以根據(jù)附加應力和承載力故障安全系數(shù)計算出來。 對于設計土工格室,考慮格室墊層內顆粒土,但軟質層有影響。在元件中的應力狀態(tài)可以從Mohrcircle (詹納1988)獲得。 該構件在水平應力,由等式給出:
2.3 基于有限元分析提出的設計 采用有限元法對加筋土路堤的穩(wěn)定性分析是研究人員羅伊等人早前嘗試(2009年)。根據(jù)實驗室的實驗中,瑪達維Latha (2000)提出了土工格室包裹砂等效復合模式。后來Rajagopal 等人(2001)驗 證使用的土工格室支持模型試驗等效復合模型路堤上的軟粘土層構成。在此模型中,在土壤中的內聚力與通過土工格室對土壤圍壓的增加值 在上一節(jié)中E q (5)給出。土工格室包封土壤的等效剛度涉及未增強土壤的剛度,土工格室的材料和相互作用的割線模量,其表示在多個格室格子間的相互作用?;谕凉じ袷野馍叭S加壓試驗,瑪達維Latha (2000)和Rajagopal 等(2001)提出了以下非線性經(jīng)驗公式來表達土工格室加固砂(例如)的楊氏模量,所述土工格室的材料的割線模量和無筋砂(K u )的楊氏模量的參數(shù)。 其中P a =大氣壓, M =土工格室材料割線模量,千牛/米; σ3=圍壓。 在上述公式中模數(shù)的參數(shù)對應于雙曲線參數(shù),鄧肯和昌(1970)提出的模型。對于E q (6)給出的任何土工格室的等效模數(shù)平均值,可以通過簡單的替換來獲得模量(M )。 M 值應相應于土工格室的拉伸載荷 - 應變曲線中2.5%平均應變的值。該中心所述土工格室墊的周向應變?yōu)?.5%,典型檢測點通常為約30%至35%的基腳寬度處(瑪達維Latha 等人的早期研究的量級 2008年),此應變被認為是在土工格室的平均周向應變,而土壤的圍壓會因土工格室包裹而增加。 要設計一個土工格室路堤,路基應模擬一個有限的元。土工格室墊層尺寸的確定,可以使用在前面的章節(jié)中討論的復合模型模擬具有同等的強度和剛度。路堤的壓力效應會給路基的承載能力和下面路基 的相應沉降、毗鄰路基地面的隆起、斜坡的橫向變形。通過對比確定:可以改變土工格室墊層的尺寸和強度達到設計的要求,以獲得所需的允許荷載范圍內的變形能力。有限元設計方法的優(yōu)點在于可以得到路堤所承受的應力和變形的完整曲線,這在所描述的其它兩種設計方法是不可能的。 要驗證土工格室軟粘土地基設計的有效性,實驗室通過Krishnaswamy 等(2000)所建立的實物模型,使用有限元分析的模擬和結果進行了比較。該軟地基土路基和土壤的特性有限元分析顯示在,在GEOFEM 項目(Karpurapu 和1993年巴瑟斯特)采用有限元程序,不同的土工格室坡面的橫向變形比較的縱橫比顯示于圖4,寬高比被定義為土工格室高度(h )與格室的等效直徑(D )的比例。土工格室包裹是三角形的,等效直徑由等同于三角形面積相當?shù)膱A獲得。在這些模型試驗中,格室的直徑保持恒定為225毫米和土工格室墊層的高度是變化的,以獲得格室的不同高寬比。橫向變形恒定,因為該模型試驗在試驗鋼槽進行,因此堤腳點是受硬質基體包裹體的影響,而堤是可以橫向方向自由移動。這些結果證實該復合有限元模型能夠獲到土工格室很好的加固堤防的變化,可放心用于設計中。 3. 設計實例 在超過6米厚的軟粘性土上,設計建造一個高6米、無需排水的、抗剪強度15千牛/平方米的路堤。堤的橫截面示于圖5. 中,要求抗剪強度20千牛/平方米,設計出適合這種要求的土工格室。 圖5 設計實例中的路基橫斷面 3.1基于滑移線方法的設計 路堤基底寬=66米 土工格室寬度= 66米 - 4米(兩側偏移2米)=62米 土工格室寬度/軟土層的深度=62/6=10.33 根據(jù)應力曲線圖,P /Cu = 12(從詹納1988年和布什1990講解中的圖表中獲?。? 跨剛性端的平均壓力P'=12Cu +1Cu =13Cu 因此,根據(jù)路基承載能力繪出的對稱的半邊路堤斷如圖 圖6 承載力圖設計實例 允許壓力20千牛/平方米對稱路堤的計算如下: 土工格室墊層上的路基的重量負荷(壩頂寬18米,基部寬28米,高4米)=(18 +28)/2×4×19 =1748千牛/米; 土工格室插入路基部分的重量負荷(基寬33m 和高度2 M )=33×2×19 =1254千牛/米; 允許負載峰值(長18米)= 18×20=360千牛/米。 半邊路堤荷載(包括附加)=總負荷=1748+1254+360=3362千牛/米; 從壓力圖得到承載能力,千牛/米:6×5.71C u +(5.71+12)/2×C U × 5.71+7.5×13C U =304.43CU 為平衡所需要Cu=3362/304.43=11.04千牛/平方米
山東聯(lián)祥工程材料有限公司是一家集研發(fā)、生產、銷售及售后服務為一體的高新技術企業(yè),主營土工膜,復合土工膜,HDPE土工膜,,糙面土工膜,土工格柵,防水板等各種產品,公司成立于2009年,總資產為1.5億,占地150畝,現(xiàn)有職工300人,各類技術人員150人。公司地處全國土工合成材料專業(yè)生產基地-德州陵縣。緊靠京滬高速鐵路,京福高速公路,104國道,毗鄰青島,煙臺,天津三大水運港口,擁有得天獨厚的地理條件,交通十分便利。
我公司生產的hdpe復合土工膜以塑料薄膜作為防滲基材,與無紡布hdpe復合而成的土工防滲材料,它的防滲性能主要取決于塑料薄膜的防滲性能。目前,國內外防滲應用的塑料薄膜,主要有聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE HDPE)、乙烯/醋酸乙烯共聚物(EVA),它們是一種高分子化學柔性材料,比重較小,延伸性較強,適應變形能力高,耐腐蝕,耐低溫,抗凍性能好。其主要機理是以塑料薄膜的不透水性隔斷土壩漏水通道,以其較大的抗拉強度和延伸率承受水壓和適應壩體變形;而無紡布亦是一種高分子短纖維化學材料,通過針刺或熱粘成形,具有較高的抗拉強度和延伸性,它與塑料薄膜結合后,不僅增大了塑料薄膜的抗拉強度和抗穿刺能力,而且由于無紡布表面粗糙,增大了接觸面的摩擦系數(shù),有利于hdpe復合土工膜及保護層的穩(wěn)定。同時,它們對細菌和化學作用有較好的耐侵蝕性,不怕酸、堿、鹽類的侵蝕。現(xiàn)在又有種新型的hdpe復合土工膜--經(jīng)編復合土工膜。經(jīng)編復合土工膜以合成纖維(或玻璃纖維)為增強材料,通過與hdpe復合土工膜hdpe復合而成的新型土工材料。經(jīng)編hdpe復合土工膜不同于一般hdpe復合土工膜。其最大特點是經(jīng)線與緯線的交叉點不彎曲,各自處于平直狀態(tài)。用捆綁線將兩者捆扎牢固,可全面較均勻同步,承受外力,分布應力,且當施加的外力撕裂材料的瞬時,紗線會沿初裂口擁集,增加抗撕裂強度。經(jīng)編hdpe復合時,即利用經(jīng)編捆綁線在經(jīng),緯紗與短纖針刺非織防水土工布的纖維層間反復穿行,使三者編結為一體。因而經(jīng)編hdpe復合土工膜既具有高抗拉強度,低延伸率的特點,又兼有hdpe復合土工膜的防水性能。因此經(jīng)編hdpe復合土工膜是一種具在加筋增強、隔離、防護作用的防滲材料。它是當今國際上高水平的應用土工hdpe復合材料。公司秉承“以誠信為本,以質量求生存,以品種圖發(fā)展”的企業(yè)方針。依靠科技發(fā)展,堅持創(chuàng)新,以技術為核心,不斷為用戶提供滿意的高質量產品是我們始終不變的追求。