土工合成加筋砂土地基加载速率相关的时变特性研究

土工合成加筋土结构的速率相关的变形强度特性从本质上讲应归因于材料粘性特性的外在反映，即填土材料和土工合成加筋材料本身的粘性特性以及两者之间的相互作用。因此，本项目的研究思路是：从加载速率角度出发，先对填土材料（以砂土为例）和土工合成加筋材料的速率相关的粘性行为特性分别进行详细的探讨和研究，进而对土工合成加筋土结构的速率相关的变形强度特性进行分析。通过本构模型和有限元数值分析与计算探讨了砂土材料、土工合成加筋材料以及土工合成加筋土结构的加载速率效应、蠕变和应力松弛等速率相关行为特性，为改进现有设计理论提供了科学依据。本项目的主要研究内容及所取得的研究成果包括以下几个方面： （1） 基于任意加载速率条件下室内模型试验，对砂土及土工合成加筋材料的速率相关粘性特性进行了分析，考察了砂土以及土工合成加筋材料的加载速率效应、蠕变以及应力松弛等特性。 (2) 将统一的非线性三要素弹粘塑性本构模型嵌入到基于动态松弛法的有限元程序中，从而可对砂土、土工合成加筋材料以及土工合成加筋土结构的速率相关的变形强度特性进行弹粘塑性有限元模拟，实现了包含应变速率变化加载、蠕变加载和应力松弛加载在内的全过程模拟以及砂土材料从硬化→峰值→软化→残余的变形破坏的全过程模拟。 (3) 对土工合成加筋砂土以及土工合成加筋挡土墙的速率相关变形强度特性进行弹粘塑性有限元分析，结果表明，综合考虑砂土材料和土工合成加筋材料粘性特性的有限元计算方法能很好地模拟土工合成加筋砂土结构的加载速率效应、蠕变变形以及应力松弛现象。 (4). 通过试验现象和相应有限元分析，发现蠕变并不是一种劣化现象，它对材料的最大强度几乎没有影响，为改进或取消现有蠕变设计理论中的“折减系数”法提供科学依据。 2100433B

与钢筋混凝土基础或挡土结构相比，土工合成加筋土复合地基无疑是一种相对柔软的土工构筑物。因此，施工时的瞬时变形及使用时的长期流变是土工合成加筋土设计上必须考虑的重要参数。实际工程监测表明加筋土的荷载沉降曲线与加载速率显著相关，这种特性严重影响加筋土地基的短期或长期与时间有关的变形行为，而以时间t为内在变量的传统粘塑性理论和流变模型不能完全合理解释这种现象。本项目以土工格栅加筋砂土为对象，基于加载速率变化开展一系列的模型试验和理论研究，分析加载速率变化与加筋砂土地基与时间相关变形的关系及内在规律。本项目的创新点主要包括：阐明加载速率变化下加筋砂土瞬时及长期变形发生机理；提出基于加载速率效应的加筋砂土时间有关变形的有限元预测方法。本项目的研究方法将突破直接以时间t为内变量的传统弹粘塑性理论框架，其成果对揭示加筋砂土与时间相关的变形破坏机理以及确立高精度的变形预测方法具有重要的理论意义及应用价值。

本项目拟分别对加筋黄土试样在自行改进的大三轴剪切仪上进行试验，同时进行随机地震荷载作用下加筋黄土动三轴试验，研究加筋黄土的应力-应变关系及其强度特性，以获得较合理的加筋层间距和加筋位置，建立加筋黄土的动、静本构模型及其参数；通过黄土地基的动、静模型试验研究在静力和地震动力作用下加筋黄土地基中的应力、应变和破坏变形规律；在此基础上，利用弹塑性力学、断裂力学等观点分析加筋黄土在不同加筋方式下的加筋机理及其破坏特征。最后，把试验中获得的加筋黄土动、静本构模型和参数引入实际地基工程进行动力和静力有限元分析，研究加筋和未加筋地基在静力和地震作用下的应力和变形规律，和模型试验相对比，对加筋黄土的本构模型进行验证。本项目的研究成果将为加筋土技术在黄土地区的推广使用将会产生很大的经济效益和社会效益，同时，能使加筋土技术能在地震区得到合理运用，具有极其重要的理论意义和现实意义。 2100433B

土工合成材料可以有效的解决工程边坡稳定、沉降变形等问题，因此在工程中应用非常广泛。网格状带齿加筋是一种新型的土工加筋技术，汲取了传统网格状与条带式带齿加筋的优点，其筋土界面特性是加筋结构设计的基础。对界面特性进行合理预测的一个关键点是如何揭示筋-土界面内局部变形场的变化特征。本项目针对网格状带齿加筋体的筋-土界面特性开展了系统研究。借助平面应变试验，分析了齿筋效应对加筋体的强度的影响，并借助颗粒流模拟揭示了齿筋的细观作用机理。针对网格状加筋体的动力变形特征，探讨了围压、循环荷载条件及加筋间距对残余变形的影响。开展了网格状带齿加筋体拉拔试验,分析了法向应力、砂垫层厚度、齿筋高度、横肋间距四因素对加筋体极限拉拔力的影响，从宏观角度揭示了筋-土界面间的力学特性。应用以离散元法为基础的颗粒流软件来模拟网格状带齿加筋体的拉拔试验，并进行二次开发，建立了加筋体拉拔界面作用细观模型。通过对拉拔过程颗粒位移、接触力、孔隙率、配位数等参量的监测，从微观角度分析了网格状带齿加筋体筋-土界面的力学特性和接触面变形场的发展规律。依据数值模拟结果得出齿筋的受力特点，并在考虑了齿筋侧阻力与筋材应变关系的基础上建立了极限拉拔力模型。 2100433B