考虑蠕变与筋土界面作用的土工格栅加筋效应研究

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土工格栅以其良好的工程特性与成本优势广泛应用于各类加筋土结构中,土工格栅蠕变行为与筋土界面作用机理对加筋土结构的设计及长期服役性能有着重要影响。本文基于室内试验、理论分析和离散元数值模拟,对HDPE单向拉伸塑料土工格栅考虑蠕变与筋土界面作用的土工格栅加筋效应进行了深入研究,主要研究内容与取得的成果如下:(1)土工格栅蠕变行为及损伤本构模型研究。通过进行不同温度和不同荷载水平条件下的土工格栅蠕变试验,分析温度和荷载水平对土工格栅蠕变的影响,得到了设计使用年限内土工格栅长期强度及蠕变强度折减系数。基于高聚物分子运动特点和Rabotnov损伤理论,构建了土工格栅蠕变黏弹塑性损伤本构模型,确定了蠕变损伤模型的各参数值。经过模型计算结果与室内试验结果的对比,验证了该模型的合理性与可靠性。通过对土工格栅蠕变损伤模型中各参数的敏感性分析,认为土工格栅的加速蠕变断裂阶段主要是材料黏塑性体行为表现,而受黏弹性体影响较小。(2)考虑土工格栅蠕变损伤的筋土界面作用机理研究。土工格栅在长期荷载作用下的蠕变会引起格栅纵肋长度的增加及抗拉强度的降低,为了分析土工格栅蠕变对筋土界面作用的影响,本文以土工格栅不同横肋间距类比蠕变后不同的伸长量。基于不同横肋土工格栅在拉拔中呈现出的应变硬化和应变软化两种不同界面力学行为,考虑蠕变损伤效应,提出了两折线型剪应力-位移硬化模型和三折线型剪应力-位移损伤软化模型。通过界面基本控制方程,推导了考虑拉拔荷载作用下土工格栅应变硬化和考虑蠕变损伤应变软化的不同阶段界面拉力、剪应力和位移的解析解,揭示了不同拉拔阶段的界面剪应力演化规律及筋土界面渐进性破坏模式。(3)法向静荷载下土工格栅加筋效应的试验研究。通过法向静载条件下的土工格栅拉拔试验,研究了筋土界面相互作用机理、摩擦系数、界面剪应力和筋土相对位移的变化规律,分析了横肋端承力对筋土界面的贡献率,提出了修正的土工格栅极限拉拔力计算模型。(4)法向动荷载和柔性边界条件下土工格栅加筋效应的试验研究。法向循环动荷载的频率和振幅对筋土界面作用有显著的影响,循环动荷载作用下界面黏聚力和界面摩擦系数均小于静荷载作用下的筋土界面参数。顶部柔性和前端柔性边界下最大拉拔力小于刚性边界条件下最大拉拔力,且顶部柔性和前端柔性边界下界面黏聚力和界面摩擦系数均小于刚性边界条件下相应值。结果表明,循环动荷载和柔性边界减弱了土工格栅的加筋效应。因此,在加筋土结构采用拟静力分析时,土工格栅强度宜做折减处理。在拉拔过程中,建议采用柔性顶部边界施加法向荷载及拉拔前端也采用柔性边界条件,若受试验条件等限制无法实现,建议采用折减系数进行相应折减。(5)静动荷载和刚柔边界下土工格栅加筋效应的数值模拟。分析了筋土界面剪切带的形成机制和演化机理,明确拉拔试验中筋土界面参数的宏细观联系,基于离散元数值方法,使用PFC2D模拟土工格栅在砂土中的拉拔试验,并与室内拉拔试验结果进行对比分析。重点研究了静动荷载及刚柔边界下剪切带内配位数、孔隙率、颗粒旋转运动、接触力链等因素的影响规律及筋土界面荷载的传递过程。从细观角度揭示了颗粒运动和旋转是剪切带变形演化的重要特征,其接触力的分布决定了试样宏观的力学性质和剪切带基本形状。通过配位数和孔隙率等细观参数、试样内部土颗粒旋转及砂土颗粒间接触力分布情况直观地展现了静动荷载和刚柔性边界条件对拉拔试验结果的影响。
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