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高速公路新型石笼网结构技术研究与示范工程

作者:联阔石笼网厂 来源:原创 更新时间:2016-6-26 11:08:21 浏览:32921次 
内容提要:土体的抗压性能很好,抗剪性能相对较差,基本无抗拉能力,因此在工程应用中受到很大程度的限制。通过在土体内加入适当的加筋材料,利用筋材与土体之间的摩擦和嵌固咬合作用,可以传递拉应力,从而分担土体应力,增加...

土体的抗压性能很好,抗剪性能相对较差,基本无抗拉能力,因此在工程应用中受到很大程度的限制。通过在土体内加入适当的加筋材料,利用筋材与土体之间的摩擦和嵌固咬合作用,可以传递拉应力,从而分担土体应力,增加土体的变形模量,改善土体的强度和变形特征,达到提高土体及其构筑物稳定性的目的。土中加筋,古已有之,早期人类就知道将自然界中的天然植物如茅草、柳条之类等埋入土体中来改善土体整体稳定性,但是这都是建立在感性基础上的,是依靠经验来指导实践,真正将加筋技术升华为理论并作为近代建筑技术加以研究和推广应用,则是近半个世纪的事。20世纪60年代,法国工程师在模型试验中发现,当土中掺人有机纤维材料后,其强度可明显提高,据此提出石笼网概念,并于1963年首先公布了其研究成果,初步分析了加筋的机制,并为土体加筋的设计计算提供了一套分析方法。

应用提出的石笼网技术和设计理论年法国在比利牛斯山的普拉聂尔斯修建了世界上第一座石笼网挡土墙。法国在石笼网技术方面的成功应用,引起了世界各国工程界、学术界的广泛重视,其发展速度相当快,应用范围也日益广泛。

英国开发了高强度土工加筋材料土工格栅并提出了设计方法,这导致现代加筋技术迅猛发展。石笼网结构的形式、功能越来越多样化。石笼网作为支挡结构,被应用于挡墙、桥台、港口岸墙和地下结构等;作为土体的稳定体系,被应用于道路路堤、水工坝体和地基加固等。

与传统重力式挡墙相比,石笼网挡墙属于柔性结构,其特点是:对地基承载力要求相对较低;适应性强,整体性好,抗震性能高,能够承受大的沉降变形;施工速度快、工程质量容易得到保证;造价低,可以节约工程造价。更为重要的是,与中国古代的“天人合一”、现代西方的“回归自然”理念相一致,柔性生态型石笼网结构表现的就是营造自然的生态景观,符合当今建设环境友好型与资源节约型社会的总体要求。在高速公路、高速铁路方兴未艾的今天,采用新的加筋材料、加筋结构,研究新的设计理论与计算方法已是目前国内工程界的迫切要求。

石笼网挡墙是由面板、填料、筋材等组成的复合结构,其结构特性与各组成成分各自的工程力学特性及其之间的相互作用密切相关。面板一般采用钢筋混凝土材料,其工程力学特性受外界因素的影响较小。填料是石笼网的主要材料之一,一般就地取材,采用工程现场附近的开山土、碎石土和砂卵石等。由于填料的多样性,加之其工程力学特性受外界因素(如荷载性质,加载方式,地表水、地下水作用等)影响较大,因此填料的工程力学特性及其在外界因素作用下的变化规律是影响石笼网挡墙结构特性的一个主要因素。筋材是组成石笼网挡墙结构的另一主要材料,目前在石笼网挡墙中使用最为广泛的筋材是土工格栅。土工格栅是一种新型的土工聚合材料,其力学特性同样受外界诸多因素(如荷载性质、加载方式、温度、紫外线、地下水的腐蚀性等)影响,因此筋材的工程力学特性及其在外界因素作用下的变化规律是影响石笼网挡墙结构特性的第二个主要因素。填料与筋材在石笼网挡墙中并非孤立存在,而是通过相互作用(如摩擦、咬合和嵌固)组成筋-土复合体(加筋体),共同承担外界因素的作用。因此,筋土之间的相互作用及其作用效果的变化规律是影响石笼网挡墙结构特性的第三个主要因素。石笼网挡墙作为岩土工程中的一种挡土结构形式,必然建于某一特定的地基之上,工程实际中的基地有岩基和非岩基,两者又有许多不同的类型和性质,因此,地基的特性是影响石笼网挡墙结构特性的另一个主要因素。此外,实际工程中的石笼网挡墙根据工程现场的实际情况的差异,可能采用不同的结构形式,如直立式、分阶直立式、斜坡式、分阶斜坡式和混合式等。显然,不同结构形式的石笼网挡墙的结构特性会有一定的甚至很大的差异。虽然国际工程界和学术界早就意识到这些因素,但它们对石笼网挡墙结构特性的影响却远没有研究清楚。这是由于土工合成材料应用的大部分问题是为了解决土体的稳定、变形和渗流等问题,这些问题也正是土力学研究的对象。有关土工合成材料设计理论和施工方法的拟定,自然以土力学原理为基础,如土体的稳定性分析基本上采用极限平衡理论;变形计算依赖于土体的固结理论渗流分析则服从达西定律。土体本来就是一种十分复杂的材料,当它和另外一种工程力学性质随变形、压力甚至温度的变化而非线性变化的土工合成材料复合时由它们的相互作用而表现出来的现象当然就更复杂了。

石笼网

目前,石笼网挡墙传统的分析方法建立在石笼网体极限平衡理论的基础上,即假设破裂面、筋材从土中拔出或拉断来分析石笼网体拉力破坏或黏着破坏时承载力,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,20世纪70年代后期才开始的石笼网结构有限元分析,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,但至今为止研究仍处于初期阶段,即将石笼网结构视为平面应变问题,然后采用组合结构或复合材料的观点加以研究,土体本构关系采用非线性弹性或弹塑性模型,土体破坏准则常采用准则,考虑静力荷载的作用较多,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。

分析中考虑动力荷载作用较少是基于“石笼网挡土结构是柔性结构,具有好的抗震性能”这一工程界普遍认可的定性结论事实上,振动或地震荷载作用对石笼网结构的影响不容忽视。例如,石笼网挡墙作为铁路路基,在列车重复荷载作用下表现出的动力特性,会引起线路运营条件的恶化。首先,在列车荷载作用下以石笼网挡墙为路基累积的永久变形过大,会引起线路不均匀下沉,造成线路不平顺,同时也影响正常维修与养护;其次,列车产生过大的弹性变形,会加大线路与车辆的相互作用和振动,影响列车运行的稳定性和舒适性;最后,过大动应力会导致石笼网挡墙产生过大的侧向变形和竖向变形,从而影响列车的运营质量。我国是一个多地震的国家,而且地震区域分布广泛,地震频繁而强烈。地震荷载作用下石笼网挡墙的受力机理、摩擦特性、变形特征等,由于其内容的杂性,影响因素的多样性,还较缺乏对其进行深入分析和研究,极大地影响和制约了石笼网挡墙在地震区的应用。因此,在石笼网挡土结构特性研究中,考虑动力荷载作用,对其动态力学响应进行研究十分必要。

鉴于此,结合湖南省交通厅科技项目“高速公路新型石笼网结构技术研究与示范工程”、浙江省交通科技计划项目“柔性生态挡墙在高速公路中的应用专题研究和国家自然科学基金项目“高速铁路路基长期动力稳定性评价方法研究”,对柔性生态型石笼网挡墙的结构特性、加筋机理、动态力学响应、耐久性和抗震性能等进行了系统研究。本书涉及材料的力学模型和破坏模式的研究,材料的耐久性研究,不同柔性生态石笼网挡墙动、静特性和动力响应规律的研究,在重复荷载作用下的疲劳特性研究,在地震荷载作用下的地震反应研究等。这对完善石笼网的理论体系,解决石笼网支挡结构在工程应用中存在的问题具有十分重要的意义。同时,开展石笼网挡墙动力和抗震分析与数值模拟技术研究也具有较高的学术价值。

关键词:石笼网
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标题:高速公路新型石笼网结构技术研究与示范工程_技术支持_安平县联阔丝网制造有限公司
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