人工降雨條件下土工格室抗侵蝕性能試驗(yàn)

土工格室坡面由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性,其侵蝕過程與傳統(tǒng)坡面有較大差異.本文采用變坡試驗(yàn)水槽,研究土工格室坡面在坡面流作用下的侵蝕規(guī)律.分析土工格室坡面流的流動特點(diǎn)及其與普通坡面流的差異,揭示了坡面侵蝕量隨坡度、流量、切應(yīng)力,以及繞流雷諾數(shù)的變化規(guī)律.結(jié)果表明,坡面侵蝕量遠(yuǎn)小于無格室的坡面;坡面累計(jì)侵蝕量和繞流雷諾數(shù)之間呈良好的對數(shù)函數(shù)正相關(guān)關(guān)系;平均侵蝕率與坡度、流量、切應(yīng)力之間均呈良好的冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系,且流量對坡面流侵蝕率的影響大于坡度,隨著流量的增大土工格室坡面流侵蝕能力的增率增大.

通過室內(nèi)小比例尺模型試驗(yàn),模擬了土工格室在路堤中相同邊坡坡比下,未加筋與加1層、2層筋,共計(jì)3種結(jié)構(gòu),在坡頂荷載作用下坡頂沉降和邊坡的變形規(guī)律。研究了土工格室加筋參數(shù)對路堤邊坡結(jié)構(gòu)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,加筋能大幅提高路堤的穩(wěn)定性和承載能力,并得出了土工格室埋在土中的力學(xué)特征,對工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

采用自行研制的500mm×500mm×400mm(長×寬×高)大尺寸直剪儀,對土工格室加筋土以及土工格室加筋水泥穩(wěn)定土的剪切性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過大尺寸直剪試驗(yàn)?zāi)M土工格室加筋土的剪切作用過程,得出加筋土剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變關(guān)系為非線性確定了土工格室加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)以及土工格室對土的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)機(jī)理,土工格室加筋土的黏聚力提高較大,內(nèi)摩擦角變化相對較小。通過對素土和摻入量為5%的水泥穩(wěn)定土進(jìn)行常規(guī)直剪試驗(yàn)、大尺寸直剪試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)對比分析,探討不同試驗(yàn)方法對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響,得出3種試驗(yàn)方法對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及其相對大小;即素土的摩擦角大小依次為:三軸試驗(yàn)小于大尺寸直剪試驗(yàn)小于常規(guī)直剪試驗(yàn),素土的黏聚力大小依次為:大尺寸直剪試驗(yàn)小于三軸試驗(yàn)小于常規(guī)直剪試驗(yàn);水泥穩(wěn)定土的摩擦角大小為:三軸試驗(yàn)小于大尺寸直剪試驗(yàn),黏聚力結(jié)果比較大小依次為:三軸試驗(yàn)小于大尺寸直剪試驗(yàn)。

通過人工模擬降雨試驗(yàn)研究了谷子地不同留茬高度及不同坡度的水土保持效應(yīng)。結(jié)果表明,15cm留茬高度相對于未留茬處理徑流量減少了18.6%,留茬5cm與10cm無顯著減少徑流作用;留茬能夠減小產(chǎn)沙量14.36%～19.47%;5,10,及15cm留茬高度對產(chǎn)流時(shí)間沒有顯著影響,坡度的變化對產(chǎn)流時(shí)間無顯著影響;坡度為10°時(shí),徑流對土壤的侵蝕最明顯;留茬高度為15cm的處理水土保持效應(yīng)最佳。

應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的拉伸裝置,選用黃土和砂兩種填料,并通過片材應(yīng)變值的測試,開展了土工格室結(jié)構(gòu)層拉伸性狀研究,得出了兩種不同填料的拉伸特性和拉伸變形規(guī)律。結(jié)果表明,土工格室結(jié)構(gòu)層拉伸破壞均發(fā)生于固定端(作用端)處,焊點(diǎn)強(qiáng)度是其主要控制因素,且土工格室砂結(jié)構(gòu)層拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于黃土結(jié)構(gòu)層;土工格室結(jié)構(gòu)層片材的拉伸應(yīng)變曲線明顯地表現(xiàn)為界面摩擦作用、格室受拉和破壞3個(gè)階段。

通過對塑料土工格柵在低溫條件下的拉伸試驗(yàn),得到拉伸屈服力、屈服伸長率、不同伸長率對應(yīng)的拉伸力等數(shù)據(jù),試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明:(1)塑料土工格柵在低溫狀態(tài)下抗拉伸能力明顯提高;(2)低溫條件下,塑料土工格柵肋條截面積越大,拉伸力隨溫度降低而提高的幅度越大,屈服伸長率隨溫度的降低而下降的趨勢越明顯;反之,拉伸力受溫度降低的影響逐漸減弱,屈服伸長率受溫度降低的影響越小;(3)塑料土工格柵凍融循環(huán)后,與未凍融試樣對照,拉伸特性沒有降低。

土工格柵的蠕變特性是影響其在永久性加筋土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的重要因素之一。目前,大多數(shù)蠕變試驗(yàn)是在無約束條件下進(jìn)行的,與格柵在加筋土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的狀態(tài)和條件有明顯差別。采用hdpe土工格柵進(jìn)行了一系列在砂土中不同荷載水平下的側(cè)限約束蠕變試驗(yàn),獲得了格柵在砂土中的蠕變發(fā)展規(guī)律;并與無約束(在空氣中)的蠕變試驗(yàn)成果相對比,結(jié)果表明,側(cè)限約束可以顯著減小格柵的蠕變量。

拉拔試驗(yàn)?zāi)芨玫姆从臣咏钔两Y(jié)構(gòu)中筋材的加筋行為,采用自制的拉拔試驗(yàn)裝置來測試高填方路堤的現(xiàn)場砂粒填料與土工格室的界面特性參數(shù),分析土工格室與土的界面摩擦作用,進(jìn)一步研究土工格室的加筋機(jī)理。結(jié)合工程實(shí)例,對土工格室處治高填方路堤進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),分析格室在路堤橫斷面的受力特點(diǎn)以及格室的加筋性能。試驗(yàn)結(jié)果表明:土工格室拉拔受力是一個(gè)漸進(jìn)式的過程,隨著拉拔位移繼續(xù)增大,格室后面幾排網(wǎng)格依次受到填料的阻力,拉拔界面的剪應(yīng)力呈臺階式的上升;格室與填料的界面摩擦角大于填料本身的摩擦角,且拉拔系數(shù)k大于1.0,格室加筋性能遠(yuǎn)優(yōu)其他平面材料的加筋性能;在路堤橫斷面方向,格室承受拉應(yīng)力;在新舊路堤搭接處,格室受拉應(yīng)力最大,是重點(diǎn)需要處治的位置。研究表明格室能有效的約束路堤土的側(cè)向變形,同時(shí)土工格室所在層位起到了擴(kuò)散荷載的作用。

文章通過荷載板試驗(yàn)對不同型號的土工格室粗砂結(jié)構(gòu)層的壓縮變形性狀進(jìn)行了研究。并分析了土工格室的高度、焊距對土工格室結(jié)構(gòu)層作用效果的影響。

采用變坡試驗(yàn)水槽對土工格室防護(hù)坡面的侵蝕規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)坡度為5°~35°,放水流量1~2m3/h?；趥鹘y(tǒng)的徑流量和產(chǎn)沙量測定方法,分析了土工格室邊坡坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙演化規(guī)律。研究結(jié)果表明:土工格室的存在形成一系列沿格室邊緣菱形分布的紋溝,與自然坡面的沖刷形態(tài)有本質(zhì)區(qū)別;累計(jì)侵蝕量隨坡度、流量的增大而增大;土工格室坡面的侵蝕主要發(fā)生在前10min,相同時(shí)段內(nèi)的侵蝕量逐漸減小;同一流量條件下,土工格室坡面沖刷的侵蝕模數(shù)與邊坡坡度之間呈良好的冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系。

分析了土工格室和土工網(wǎng)加固路基基床的主要機(jī)理,介紹了5組不同基床結(jié)構(gòu)的靜態(tài)原型尺寸模型試驗(yàn),通過基床結(jié)構(gòu)剛度k30值、應(yīng)力和變形的測試,驗(yàn)證了土工格室和砂構(gòu)成的基床墊層在改善基床應(yīng)力分布、提高基床剛度、減少基床變形等方面的作用,并分析了其隨有關(guān)因素變化的相關(guān)規(guī)律,而土工網(wǎng)和砂構(gòu)成的基床墊層只能十分有限地改善基床的性能。兩種材料的試驗(yàn)結(jié)果對比表明,與土工網(wǎng)墊層相比,土工格室墊層能夠更有效地提高基床以及整個(gè)線路結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度

介紹了土工格室的概念,闡述了土工格室在加固軟土地基、路堤邊坡防護(hù)、擋土墻及其江湖圍堰、沙漠地區(qū)筑路、處理橋頭跳車等方面的應(yīng)用情況,并分別給出了應(yīng)用實(shí)例加以論證,應(yīng)用效果良好。

土工格室這種新型的土工合成材料與其它土工材料相比具有實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格適宜、應(yīng)用效果好等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用到處理軟弱地基、路基護(hù)坡、加筋擋土墻、治理橋頭跳車等土建工程中。

1.名詞概念: 土工格室： 土工格室是目前國內(nèi)外較為流行的一種新型的高強(qiáng)度土工合成材料，它是由強(qiáng)化的hdpe 片材料，經(jīng)高強(qiáng)力焊接而形成的一種三維網(wǎng)狀格室結(jié)構(gòu)。具有伸縮自如，運(yùn)輸可縮疊，施工 時(shí)可張拉成網(wǎng)狀，填入泥土、碎石、混凝土等松散物料，構(gòu)成具有強(qiáng)大側(cè)向限制和大剛度的 結(jié)構(gòu)體。具有材質(zhì)輕、耐磨損，化學(xué)性能穩(wěn)定、耐光氧老化、耐酸堿等特性。由于它較高的 側(cè)向限制和防滑，防變形、有效的增強(qiáng)路基的承載能力和分散荷載作用，目前被廣泛地用于： 墊層、穩(wěn)固鐵路路基、穩(wěn)固公路軟地基處理、管道及下水道的支撐結(jié)構(gòu)、防止滑坡及受載重 力的混合式擋墻、沙漠、海灘和河床、河岸的治理等。 土工格柵： 土工格柵是由用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物經(jīng)熱塑或模壓而成的二維網(wǎng)格狀或具 有一定高度的三維立體網(wǎng)格屏柵。具有強(qiáng)度大、承載力強(qiáng)、變形小、蠕變小、耐腐蝕、、摩 擦系數(shù)大、壽命長、施工方

基坑開挖若采取慢速施工或者人工開挖的方法,由于土層透水性能好,基坑中水比較容易排出,通常近似認(rèn)為固結(jié)排水過程。文章介紹的是在真三軸上模擬基坑開挖周邊土體的應(yīng)力路徑,進(jìn)行了排水卸荷試驗(yàn),通過對試驗(yàn)成果的研究,分析了卸荷排水狀態(tài)下土體的變形性質(zhì)。

采用高密度聚乙烯(hdpe)單向土工格柵,以及南水北調(diào)中線工程新鄉(xiāng)段的膨脹性泥灰?guī)r風(fēng)化土,在填土尺寸為600mm×600mm×600mm的大型疊環(huán)式剪切試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行一系列拉拔試驗(yàn),研究了土工格柵與試驗(yàn)箱側(cè)壁距離、拉拔速率、上覆荷載大小等試驗(yàn)條件因素對筋土界面拉拔性狀的影響。結(jié)果表明:不排水條件下,土工格柵與試驗(yàn)箱側(cè)壁的距離,對峰值拉拔力、界面強(qiáng)度與切向剛度的影響不大;拉拔速率較大時(shí),拉拔力增長較快,其拉拔力峰值和界面強(qiáng)度較大;上覆荷載和拉拔力不同,格柵的變形量及筋土相對位移量不同,不同上覆荷載下界面摩阻力沿格柵埋入長度分布的非均勻程度不同,并可導(dǎo)致較小上覆荷載下界面平均摩阻力反而較大的反常行為。

介紹土工格室這種新型材料,并比較土工格室和土工格柵及土工布的加筋機(jī)理,前者是三維的,而土工格柵和土工布是二維的(平面的),所以土工格室具有一定抗彎性,能分散上部結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力。

結(jié)合貴昆線k238段病害路基的整治,采用了砂土夯實(shí)樁與土工格室聯(lián)合作用的基床加固方案。對鋼軌中間、軌縫接頭不同斷面位置在列車重復(fù)荷載作用下的長期累積變形進(jìn)行了觀測。測量數(shù)據(jù)表明,砂土夯實(shí)樁與土工格室聯(lián)合作用能夠改善基床的工作性能,減小累積下沉,用于既有線路的基床加固可取得較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

以新疆清水河至伊寧高速公路為依托工程,結(jié)合粉土物理力學(xué)特性,提出了采用土工格室對粉土地基進(jìn)行加固的方法。通過對土工格室加固粉土地基開展地基承載力、室內(nèi)剪切、水分遷移等試驗(yàn)分析,論證了土工格室加固粉土地基的可行性,為新疆粉土地區(qū)公路設(shè)計(jì)提供了切實(shí)可行的技術(shù)依據(jù)。

將土工格室墊層與梁板視為疊梁體系,引入疊梁計(jì)算理論,提出土工格室墊層剛度確定新方法。首先,基于平截面假定,并考慮疊梁層間摩擦力與荷載影響,分析疊梁中間層彈性模量與疊梁跨中撓度、1/4跨撓度及荷載的對應(yīng)關(guān)系,由此建立土工格室墊層剛度的關(guān)系表達(dá)式。然后,通過自行設(shè)計(jì)的疊梁加載試驗(yàn)對該方法進(jìn)行驗(yàn)證,計(jì)算值與測試值對比顯示該計(jì)算方法誤差小于5%。最后,對土工格室墊層疊梁體系進(jìn)行多組對比試驗(yàn),對其作用機(jī)理與剛度基本規(guī)律進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明:土工格室墊層剛度與土工格室規(guī)格、填料類別及填料密實(shí)度密切相關(guān),工程中常用的碎石土工格室彈性模量取值范圍在50～70mpa,土體土工格室彈性模量取值在40～65mpa之間。

提出將土工格室與填入其內(nèi)的碎石填料組成的加筋基層置于路堤頂部,以構(gòu)成一種新型的土工格室低路堤-剛性路面結(jié)構(gòu)體系,并通過2組室內(nèi)模型試驗(yàn)對該體系的受力變形特點(diǎn)進(jìn)行研究。采用便攜式路面彎沉儀測定了試驗(yàn)路堤中土工格室基層加入前后動態(tài)回彈模量的變化,并通過自行設(shè)計(jì)的一套可實(shí)現(xiàn)往復(fù)車載的小型模型車的驅(qū)動裝置模擬作用于路面上的實(shí)際車輛荷載。試驗(yàn)結(jié)果表明:土工格室基層的加入可顯著提高碎石基層的動態(tài)回彈模量值,減少直接承受車輛荷載車道的整體平均沉降;并能帶動相鄰板塊下的土體協(xié)同工作,提高車輛荷載的擴(kuò)散均化能力,減少相鄰車道間的差異沉降。

為了探明土工格室加筋土的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理,為其合理的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論上的依據(jù),通過三軸剪切試驗(yàn)對土工格室加筋土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究,并與筋材平鋪加筋土的強(qiáng)度特性作比較。試驗(yàn)結(jié)果分析表明,用土工格室作為加筋材料,可以顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度,且其抗剪強(qiáng)度高于筋材平鋪加筋土;加筋方式、加筋密度等對應(yīng)力—應(yīng)變曲線形狀影響較大;要使土工格室加筋土強(qiáng)度得以充分發(fā)揮,需要較大的應(yīng)變;在加筋率相同且格室平面尺寸也相同的條件下,土工格室高度較小的多層土工格室,其加筋土(復(fù)合體)的抗剪強(qiáng)度有所增大、整體性將會增強(qiáng)。