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原文传递格栅加筋土挡墙结构特性及破坏机理研究

论文题名：	格栅加筋土挡墙结构特性及破坏机理研究
关键词：	格栅加筋土挡墙;模型试验;有限元动态分析
摘要：	加筋土挡墙是由面板、填料、筋材等组成的复合结构，近年来已广泛应用于公路、水运、水利、铁路等各类土建工程的支挡结构中，取得了极为广泛的经济效益、社会效益和环境效益。对于加筋土挡墙结构特性和破坏机理的研究，各组成成分各自的工程力学特性以及它们在不同工况下的相互作用特征研究是关键。尽管各国工程界和学术界不断通过各种手段，开展了大量的研究工作，但这些关键问题远没有被研究清楚，有的甚至还十分模糊。加筋土挡墙传统的分析方法建立在加筋土体极限平衡理论基础上，无法将结构的强度和变形统一考虑，无法计算面板位移和填土沉降等。70年代后期才开始的加筋土结构有限元分析将结构变形协调与力的平衡结合起来，使某些复杂的性质及过程的模拟成为可能，但至今为止加筋土挡墙结构特性的数值分析研究仍处于初期阶段，如考虑动力荷载作用较少，一般都不考虑水的作用，或仅将水作为一种外部荷载以静止水压力的形式作用在结构上。由于理论上的缺陷，在目前的加筋土挡墙结构设计中，同样没有考虑动荷载及水与筋土复合体的相互作用，使加筋土挡墙在工程应用中出现种种问题，如变形过大，甚至破坏。工程中的土体通常以饱和或非饱和状态存在，是固-液-气多相复合体，是一种典型的多孔介质。土体颗粒组成的孔隙结构构成可变形骨架，以变形为其运动学特征；流体充满互相连通的孔隙，以流动为特征。因此，实际的岩土工程问题都是典型的流固耦合问题。然而将土体视为多孔介质，利用混合物理论、多场耦合理论对加筋土挡墙的结构特性及破坏机理的研究到目前为止尚未开展，这必然会影响加筋土理论的进一步发展和加筋土技术的推广应用。本文在分析加筋土挡墙国内外研究动态及两相多孔介质流固耦合作用分析中所取得的研究成果的基础上，采用理论分析、现场试验、模型试验和数值模拟方法，开展台阶式格栅加筋土挡墙结构特性和破坏机理研究。论文的主要工作和结论如下： ⑴ 对加筋土理论研究中普遍关心的筋—土相互作用机制和加筋土的分析理论等问题的研究成果进行了回顾；对加筋土挡墙结构稳定性分析的主要内容及主要的分析方法进行了分析比较；根据土工格栅加筋土挡墙的结构特点，对其进行了强度特性分析，提出了土工格栅不仅可以提高加筋土体的内聚力而且可以增大其内摩擦角的重要概念，在此基础上进行了理论分析和推导，得到了土工格栅加筋土挡墙拉断破坏和粘着破坏时的承载力。 ⑵ 阐明了影响加筋土挡墙结构特性的主要因素。分析讨论了土体的变形特性及其本构模型；基于不同屈服准则，推导了用于数值分析的土体弹塑性本构矩阵。根据格栅加筋土挡墙的结构特点引入了“应变相容”的基本概念，作为格栅加筋土挡墙强度分析中筋—土相互作用的模型和基础；然后基于复合材料理论和自洽方法导出了筋土复合材料的弹性矩阵；最后分析了筋土复合材料变形和破坏过程，推导了能同时适用于筋土复合材料变形和破坏过程的前三个阶段的屈服准则。 ⑶ 结合广东省交通厅科技项目“山区公路高填方加筋陡坡及环境保护技术研究”，依托国道205线龙川至河源高速公路建设，对一座12米高的分级台阶式加筋土挡墙进行了现场试验研究，并利用重庆交通学院水利水运工程市重点实验室的场地和设备，以现场试验墙为原型，按1:0.5的比例进行了模型试验。通过试验，得到了土工格栅纵向筋条在拉力作用下的应力应变关系，由此导出用于数值分析的格栅拉伸模量，掌握了台阶式格栅加筋土挡墙土压力、筋带拉力及墙面变形的分布特征。 ⑷ 根据土体及筋土复合材料本构模型，编制了适用于平面问题和轴对称问题的弹塑性有限元动力数值分析程序，对室内模型试验墙、与模型墙等高的直墙和宽台阶墙进行了分析。数值分析全面地反映了墙体及后方填土内部的位移、应力、筋带拉力及塑性区的分布和变化规律，并与现场试验和模型试验测试结果吻合较好，证明了本文数值分析方法的正确性和可靠性。 ⑸ 在试验研究和数值分析的基础上，对台阶式加筋土挡墙设计方法进行了讨论，提出了适用于不同台阶宽度的加筋土挡墙的潜在破裂面合理模式和墙后土压力计算方法，对于指导工程设计和今后修改规范具有重要参考价值。 ⑹ 引入多孔介质模型模拟土体和筋土复合材料，建立了能用于模拟格栅加筋土挡墙变形场、渗流场耦合作用的数学模型，数值模拟及求解方法，对饱水条件下格栅加筋土挡墙进行了有限元动态分析，并与无水条件下的计算结果进行比较。研究表明，饱水格栅加筋土挡墙从内部和外部稳定性各个方面，都表现出比无水条件下更加不利的特性。这就从理论上解释了加筋土挡墙变形发展和破坏事例，大多发生在洪水期或暴雨季节。
作者：	周世良
专业：	固体力学
导师：	刘占芳
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文