人工降雨条件下土工格室抗侵蚀性能试验

土工格室坡面由于其独特的结构特性,其侵蚀过程与传统坡面有较大差异.本文采用变坡试验水槽,研究土工格室坡面在坡面流作用下的侵蚀规律.分析土工格室坡面流的流动特点及其与普通坡面流的差异,揭示了坡面侵蚀量随坡度、流量、切应力,以及绕流雷诺数的变化规律.结果表明,坡面侵蚀量远小于无格室的坡面;坡面累计侵蚀量和绕流雷诺数之间呈良好的对数函数正相关关系;平均侵蚀率与坡度、流量、切应力之间均呈良好的幂函数正相关关系,且流量对坡面流侵蚀率的影响大于坡度,随着流量的增大土工格室坡面流侵蚀能力的增率增大.

通过室内小比例尺模型试验,模拟了土工格室在路堤中相同边坡坡比下,未加筋与加1层、2层筋,共计3种结构,在坡顶荷载作用下坡顶沉降和边坡的变形规律。研究了土工格室加筋参数对路堤边坡结构性能的影响。试验结果表明,加筋能大幅提高路堤的稳定性和承载能力,并得出了土工格室埋在土中的力学特征,对工程实践具有一定的指导意义。

采用自行研制的500mm×500mm×400mm(长×宽×高)大尺寸直剪仪,对土工格室加筋土以及土工格室加筋水泥稳定土的剪切性能进行了试验研究。通过大尺寸直剪试验模拟土工格室加筋土的剪切作用过程,得出加筋土剪切应力与剪切应变关系为非线性确定了土工格室加筋土的抗剪强度指标以及土工格室对土的抗剪强度增强机理,土工格室加筋土的黏聚力提高较大,内摩擦角变化相对较小。通过对素土和掺入量为5%的水泥稳定土进行常规直剪试验、大尺寸直剪试验和三轴压缩试验对比分析,探讨不同试验方法对抗剪强度指标的影响,得出3种试验方法对应的抗剪强度指标及其相对大小;即素土的摩擦角大小依次为:三轴试验小于大尺寸直剪试验小于常规直剪试验,素土的黏聚力大小依次为:大尺寸直剪试验小于三轴试验小于常规直剪试验;水泥稳定土的摩擦角大小为:三轴试验小于大尺寸直剪试验,黏聚力结果比较大小依次为:三轴试验小于大尺寸直剪试验。

通过人工模拟降雨试验研究了谷子地不同留茬高度及不同坡度的水土保持效应。结果表明,15cm留茬高度相对于未留茬处理径流量减少了18.6%,留茬5cm与10cm无显著减少径流作用;留茬能够减小产沙量14.36%～19.47%;5,10,及15cm留茬高度对产流时间没有显著影响,坡度的变化对产流时间无显著影响;坡度为10°时,径流对土壤的侵蚀最明显;留茬高度为15cm的处理水土保持效应最佳。

应用自行设计的拉伸装置,选用黄土和砂两种填料,并通过片材应变值的测试,开展了土工格室结构层拉伸性状研究,得出了两种不同填料的拉伸特性和拉伸变形规律。结果表明,土工格室结构层拉伸破坏均发生于固定端(作用端)处,焊点强度是其主要控制因素,且土工格室砂结构层拉伸强度远大于黄土结构层;土工格室结构层片材的拉伸应变曲线明显地表现为界面摩擦作用、格室受拉和破坏3个阶段。

通过对塑料土工格栅在低温条件下的拉伸试验,得到拉伸屈服力、屈服伸长率、不同伸长率对应的拉伸力等数据,试验数据分析表明:(1)塑料土工格栅在低温状态下抗拉伸能力明显提高;(2)低温条件下,塑料土工格栅肋条截面积越大,拉伸力随温度降低而提高的幅度越大,屈服伸长率随温度的降低而下降的趋势越明显;反之,拉伸力受温度降低的影响逐渐减弱,屈服伸长率受温度降低的影响越小;(3)塑料土工格栅冻融循环后,与未冻融试样对照,拉伸特性没有降低。

土工格栅的蠕变特性是影响其在永久性加筋土结构中应用的重要因素之一。目前,大多数蠕变试验是在无约束条件下进行的,与格栅在加筋土结构中应用的状态和条件有明显差别。采用hdpe土工格栅进行了一系列在砂土中不同荷载水平下的侧限约束蠕变试验,获得了格栅在砂土中的蠕变发展规律;并与无约束(在空气中)的蠕变试验成果相对比,结果表明,侧限约束可以显著减小格栅的蠕变量。

拉拔试验能更好的反映加筋土结构中筋材的加筋行为,采用自制的拉拔试验装置来测试高填方路堤的现场砂粒填料与土工格室的界面特性参数,分析土工格室与土的界面摩擦作用,进一步研究土工格室的加筋机理。结合工程实例,对土工格室处治高填方路堤进行现场试验,分析格室在路堤横断面的受力特点以及格室的加筋性能。试验结果表明:土工格室拉拔受力是一个渐进式的过程,随着拉拔位移继续增大,格室后面几排网格依次受到填料的阻力,拉拔界面的剪应力呈台阶式的上升;格室与填料的界面摩擦角大于填料本身的摩擦角,且拉拔系数k大于1.0,格室加筋性能远优其他平面材料的加筋性能;在路堤横断面方向,格室承受拉应力;在新旧路堤搭接处,格室受拉应力最大,是重点需要处治的位置。研究表明格室能有效的约束路堤土的侧向变形,同时土工格室所在层位起到了扩散荷载的作用。

文章通过荷载板试验对不同型号的土工格室粗砂结构层的压缩变形性状进行了研究。并分析了土工格室的高度、焊距对土工格室结构层作用效果的影响。

采用变坡试验水槽对土工格室防护坡面的侵蚀规律进行了试验研究。试验坡度为5°~35°,放水流量1~2m3/h。基于传统的径流量和产沙量测定方法,分析了土工格室边坡坡面的产流产沙演化规律。研究结果表明:土工格室的存在形成一系列沿格室边缘菱形分布的纹沟,与自然坡面的冲刷形态有本质区别;累计侵蚀量随坡度、流量的增大而增大;土工格室坡面的侵蚀主要发生在前10min,相同时段内的侵蚀量逐渐减小;同一流量条件下,土工格室坡面冲刷的侵蚀模数与边坡坡度之间呈良好的幂函数正相关关系。

分析了土工格室和土工网加固路基基床的主要机理,介绍了5组不同基床结构的静态原型尺寸模型试验,通过基床结构刚度k30值、应力和变形的测试,验证了土工格室和砂构成的基床垫层在改善基床应力分布、提高基床刚度、减少基床变形等方面的作用,并分析了其随有关因素变化的相关规律,而土工网和砂构成的基床垫层只能十分有限地改善基床的性能。两种材料的试验结果对比表明,与土工网垫层相比,土工格室垫层能够更有效地提高基床以及整个线路结构的刚度和强度

介绍了土工格室的概念,阐述了土工格室在加固软土地基、路堤边坡防护、挡土墙及其江湖围堰、沙漠地区筑路、处理桥头跳车等方面的应用情况,并分别给出了应用实例加以论证,应用效果良好。

土工格室这种新型的土工合成材料与其它土工材料相比具有实用性强、价格适宜、应用效果好等优点，而被广泛应用到处理软弱地基、路基护坡、加筋挡土墙、治理桥头跳车等土建工程中。

1.名词概念: 土工格室： 土工格室是目前国内外较为流行的一种新型的高强度土工合成材料，它是由强化的hdpe 片材料，经高强力焊接而形成的一种三维网状格室结构。具有伸缩自如，运输可缩叠，施工 时可张拉成网状，填入泥土、碎石、混凝土等松散物料，构成具有强大侧向限制和大刚度的 结构体。具有材质轻、耐磨损，化学性能稳定、耐光氧老化、耐酸碱等特性。由于它较高的 侧向限制和防滑，防变形、有效的增强路基的承载能力和分散荷载作用，目前被广泛地用于： 垫层、稳固铁路路基、稳固公路软地基处理、管道及下水道的支撑结构、防止滑坡及受载重 力的混合式挡墙、沙漠、海滩和河床、河岸的治理等。 土工格栅： 土工格栅是由用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具 有一定高度的三维立体网格屏栅。具有强度大、承载力强、变形小、蠕变小、耐腐蚀、、摩 擦系数大、寿命长、施工方

基坑开挖若采取慢速施工或者人工开挖的方法,由于土层透水性能好,基坑中水比较容易排出,通常近似认为固结排水过程。文章介绍的是在真三轴上模拟基坑开挖周边土体的应力路径,进行了排水卸荷试验,通过对试验成果的研究,分析了卸荷排水状态下土体的变形性质。

采用高密度聚乙烯(hdpe)单向土工格栅,以及南水北调中线工程新乡段的膨胀性泥灰岩风化土,在填土尺寸为600mm×600mm×600mm的大型叠环式剪切试验机上进行一系列拉拔试验,研究了土工格栅与试验箱侧壁距离、拉拔速率、上覆荷载大小等试验条件因素对筋土界面拉拔性状的影响。结果表明:不排水条件下,土工格栅与试验箱侧壁的距离,对峰值拉拔力、界面强度与切向刚度的影响不大;拉拔速率较大时,拉拔力增长较快,其拉拔力峰值和界面强度较大;上覆荷载和拉拔力不同,格栅的变形量及筋土相对位移量不同,不同上覆荷载下界面摩阻力沿格栅埋入长度分布的非均匀程度不同,并可导致较小上覆荷载下界面平均摩阻力反而较大的反常行为。

介绍土工格室这种新型材料,并比较土工格室和土工格栅及土工布的加筋机理,前者是三维的,而土工格栅和土工布是二维的(平面的),所以土工格室具有一定抗弯性,能分散上部结构的竖向应力。

为研究土工格室+粗颗粒柔性结构在高原冻土地段防护路堤边坡的工程效果和适用条件,在青藏铁路沱沱河地区设计并开展了土工格室护坡试验研究,研究试验包括测定土工格室填料的物理力学性能指标;测试土工格室在常温(20℃)、高温(60℃)、低温(-25℃)、循环条件(低温→高温→低温)、连续低温常温循环条件和紫外线条件下的力学特性,对土工格室冻融和抗老化性能进行了试验,并对现场测试断面的变形进行测试,试验成果表明:土工格室这种材料更耐低温,且具有较好的抗老化性能,可适用于多年冻土地区路基坡面防护,并根据试验结果给出高原冻土地段土工格室护坡处理措施应注意的要点。

为了考察半干硬性混凝土夯扩桩与土工格室联合作用加固既有线路基基床病害的效果,结合达成铁路k337段成都黏土(膨胀土)基床病害工点的整治,选取了3个测试断面,分别测试了经不同加固方案处理后的轨道平顺性与基床不同高度处在机车荷载作用下的动应力、振动变形和加速度等动力响应。试验表明,3个测试断面的动力作用水平均在合理的范围内,动力学指标均低于相关限值;行车速度对动应力、动位移、加速度都有不同程度的影响。其中,加速度随行车速度的提高而增大最为明显;线路的平顺性与稳定程度对线路及路基结构的动力学(动应力、振动变形、加速度)响应有显著影响。

在沙漠地带中,在路基材料缺乏的状况下,利用土工格室与现场砂土可有效提高沙漠道路的承载力,并能达到经济效益与路基的设计要求。为了解土工格室于砂土路基的加筋行为,分别进行了静态承载板载重试验与动态载重试验,探讨土工格室加筋后的承载能力与动态特性。与未加筋砂土比较,土工格室发挥良好之加筋效果,其能提高砂土的承载能力;于静态承载试验中,承载能力随着土工格室高度增加而提升,并有效减少沉降量之产生。在动态试验指出,土工格室加筋于砂土受动态反复作用下,增加土工格室高度,并不相对能提升加筋的承载成效。以动态载重试验反应公路的反复载重条件,对于沙漠公路设计使用土工格室加固路基时,得以选择具有经济效益的优化方案。

土工格室作为一种新型柔性防护材料,在公路防护中的应用十分广泛。室内冲刷模型试验表明,在黄土边坡中添加土工格室后,可以降低平均累计冲蚀率达48%,并可减弱冲沟的发育和形成,从而防止路基的坍塌;在饱和黄土地基承载力试验表明,在加土工格室后,可以将其承载力提高2～3倍,并使其破坏方式只有局部剪切破坏和整体剪切破坏2种。

结合贵昆线k238段病害路基的整治,采用了砂土夯实桩与土工格室联合作用的基床加固方案。对钢轨中间、轨缝接头不同断面位置在列车重复荷载作用下的长期累积变形进行了观测。测量数据表明,砂土夯实桩与土工格室联合作用能够改善基床的工作性能,减小累积下沉,用于既有线路的基床加固可取得较好的社会经济效益。