一种土工格栅加筋散体材料网孔尺寸确定方法

1.本发明属于土木工程领域，具体涉及土工格栅加筋散体材料网孔尺寸确定方法。


背景技术：

2.近年来，随着土工格栅的逐步应用，格栅与填料的界面作用特性开始逐渐研究，土工格栅因其具有网眼、肋条等独特的表面结构能发挥出镶嵌、咬合作用，已广泛应用于路基、岸堤、边坡及挡土墙等众多加筋结构中，起到了增强土体强度和稳定性的作用，取得了良好的工程效果。
3.然而现有技术中各类规范和标准中关于界面强度指标的取值并未考虑土工格栅特有的网孔结构，致使实际工程在土工格栅的选用存在较大的人为性，其尺寸合理性的确定缺乏科学依据，从而难以保证土工格栅加筋散体材料的使用效果。


技术实现要素：

4.本发明提供一种土工格栅加筋散体材料网孔尺寸确定方法以解决现有技术中各类规范和标准中关于界面强度指标的取值并未考虑土工格栅特有的网孔结构，致使实际工程在土工格栅的选用存在较大的人为性，缺乏科学依据，从而难以保证土工格栅加筋散体材料的使用效果的技术问题。
5.一种土工格栅加筋散体材料网孔尺寸确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤1：对所用散体材料进行筛分试验与直剪试验，获取该散体材料的级配曲线及抗剪强度特性；
7.步骤2：将所用相同网孔尺寸格栅按照不同尺寸进行裁剪，并获取各网孔尺寸对应α的取值；
8.步骤3：对不同网孔尺寸土工格栅加筋散体材料进行直剪试验和拉拔试验；
9.步骤4：将格栅
‑
散体材料摩擦作用从界面综合摩擦作用中分离出来，得到k
‑
α关系式；
10.步骤5：绘制k
‑
α曲线，对k
‑
α关系式进行求导并绘制k
′‑
α曲线，考虑直剪试验和拉拔试验，选取两种试验条件下k
′‑
α曲线的交点，确定出土工格栅加筋散体材料的网孔尺寸。
11.优选为，所述步骤2中原网孔尺寸为b
×
b mm2，裁剪的n
‑
1种不同尺寸为2b
×
2b mm2、3b
×
3b mm2、4b
×
4b mm2、5b
×
5b mm2……
共n种不同格栅尺寸。其中α为格栅
‑
散体材料接触面积a
geogrid
‑
granular
与剪切面面积a
interface
之比。
12.优选为，所述步骤3中对不同网孔尺寸加筋散体材料进行直剪试验具体为：
13.直剪试验按照n种不同网孔尺寸和m种不同法向应力σ
interface
(i kpa、2i kpa、3i kpa、4i kpa
……
)共进行m
×
n组试验，依据得出直剪试验τ
interface
‑
σ
interface
曲线。
14.优选为，所述步骤3中对不同网孔尺寸加筋散体材料进行拉拔试验具体为：
15.拉拔试验按照n种不同网孔尺寸和m种不同法向应力σ
interface
(i kpa、2i kpa、3i kpa、4i kpa
……
)共进行m
×
n组试验，，并依据得出拉拔试验τ
interface
‑
σ
interface
曲线。
16.优选为，所述步骤4中界面综合摩擦作用由散体材料
‑
散体材料摩擦作用与格栅
‑
散体材料摩擦作用组成；k
‑
α关系式如下：
17.k＝(c
granular
/c
granular
‑
granular
‑
1)/α+1
18.其中k的定义为
19.k＝c
geogrid
‑
granular
/c
granular
‑
granular
20.且加筋对摩擦角的影响较小，故设定加筋前后摩擦角相同，则有：
[0021][0022]
式中：c
interface
、为综合界面粘聚力及摩擦角，c
granular
‑
granular
、为散体材料
‑
散体材料界面粘聚力及摩擦角，c
geogrid
‑
granular
、为格栅
‑
散体材料界面粘聚力及摩擦角。
[0023]
本发明一种土工格栅加筋散体材料网孔尺寸确定方法通过室内直剪和拉拔试验对不同网孔尺寸土工格栅与散体材料的界面摩擦特性分别进行研究，对比分析讨论直剪和拉拔试验对土工格栅网孔尺寸选择的影响，进而探求土工格栅加筋散体材料的网孔尺寸，使用一个量化的标准α，为土工格栅网孔尺寸的选用提供理论依据，确保土工格栅加筋散体材料的使用效果最佳。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1为本发明具体实施方式中选用尾矿砂的级配曲线图；
[0026]
图2为本发明具体实施方式中直剪试验τ
interface
‑
σ
interface
曲线图；
[0027]
图3为本发明具体实施方式中拉拔试验τ
interface
‑
σ
interface
曲线图；
[0028]
图4为本发明具体实施方式中两种试验条件下c
interface
‑
α曲线图；
[0029]
图5为本发明具体实施方式中两种试验条件下曲线图；
[0030]
图6为本发明具体实施方式中两种试验条件下k
‑
α曲线图；
[0031]
图7为本发明具体实施方式中两种试验条件下k
′‑
α曲线图；
[0032]
图8为本发明一种土工格栅加筋散体材料网孔尺寸确定方法流程图。
具体实施方式
[0033]
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0034]
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙
述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0035]
如图8所示，本发明一种土工格栅加筋散体材料网孔尺寸确定方法，包含以下步骤：
[0036]
步骤1：对所用散体填料进行筛分试验与直剪试验，获取该散体填料的级配曲线及抗剪强度指标；
[0037]
步骤2：将所用同种规格土工格栅按照不同尺寸进行裁剪，并得到α的取值；
[0038]
步骤3：对不同网孔尺寸土工格栅加筋散体填料进行直剪试验和拉拔试验；
[0039]
步骤4：将格栅
‑
散体填料摩擦作用从界面综合摩擦作用中分离出来，得到k
‑
α关系式；
[0040]
步骤5：绘制k
‑
α曲线，对k
‑
α关系式进行求导并绘制k
′‑
α曲线，考虑直剪试验和拉拔试验，选取两种试验条件下k
′‑
α曲线的交点，确定土工格栅加筋散体材料的网孔尺寸。
[0041]
其中，k
‑
α关系式的具体计算步骤如下：
[0042]
加筋散体材料界面、格栅
‑
散体材料界面及散体材料
‑
散体材料界面的破坏均符合莫尔
‑
库伦破坏准则，有
[0043][0044]
式中：τ
interface
、σ
interface
为综合界面摩擦强度及法向应力，c
interface
、为综合界面粘聚力及摩擦角，τ
granular
‑
granular
，σ
granular
‑
granular
为散体材料
‑
散体材料界面摩擦强度及法向应力，c
granular
‑
granular
、为散体材料
‑
散体材料界面粘聚力及摩擦角，τ
geogrid
‑
granular
，σ
geogrid
‑
granular
为格栅
‑
散体材料界面摩擦强度及法向应力，c
geogrid
‑
granular
、为格栅
‑
散体材料界面粘聚力及摩擦角。
[0045]
由界面剪应力的合力等于剪应力与剪切面积的乘积得到公式(2)。
[0046]
τ
interface
a
interface
＝τ
granular
‑
granular
a
granular
‑
granular
+τ
geogrid
‑
granular
a
geogrid
‑
granular
ꢀꢀꢀ
(2)
[0047]
式中：a
interface
＝a
granular
‑
granular
+a
geogrid
‑
granular
。a
interface
为剪切面面积，a
granular
‑
granular
为散体材料
‑
散体材料接触面积，a
geogrid
‑
granular
为格栅
‑
散体材料接触面积。
[0048]
由综合加筋界面、散体材料
‑
散体材料界面、格栅
‑
散体材料界面均在同一作用面可得公式(3)。
[0049]
σ
interface
＝σ
granular
‑
granular
＝σ
geogrid
‑
granular (3)
[0050]
加筋对摩擦角的影响较小，故设定加筋前后摩擦角相同，则有：
[0051][0052]
综合式(1)、(2)、(3)、(4)可得下式
[0053]
c
interface
a
interface
＝c
granular
‑
granular
a
granular
‑
granular
+c
geogrid
‑
granular
a
geogrid
‑
granular (5)
[0054]
下式为k的定义
[0055]
k＝c
geogrid
‑
granular
/c
granular
‑
granular (6)
[0056]
结合式(5)和式(6)可得k
‑
α关系式：
[0057]
k＝(c
interface
/c
tailings
‑
tailings
‑
1)/α+1 (7)
[0058]
式中α＝a
geogrid
‑
granular
/a
interface
。
[0059]
其中，步骤2中原网孔尺寸为b
×
b mm2，裁剪的不同尺寸为2b
×
2b mm2、3b
×
3b mm2、4b
×
4b mm2、5b
×
5b mm2……
共n种不同格栅尺寸。其中α为格栅
‑
散体填料接触面积a
geogrid
‑
granular
与剪切面面积a
interface
之比。
[0060]
其中，步骤3中对不同网孔尺寸加筋散体填料进行直剪试验和拉拔试验具体实现方式为：
[0061]
直剪试验按照n种不同网孔尺寸和m种不同法向应力σ
interface
(i kpa、2i kpa、3i kpa、4i kpa
……
)共进行m
×
n，依据得出直剪试验τ
interface
‑
σ
interface
曲线。式中τ
interface
为直剪或拉拔摩擦强度，t
interface
为最大剪切力。
[0062]
拉拔试验与直剪试验试验方法相同，并依据得出拉拔试验τ
interface
‑
σ
interface
曲线。
[0063]
其中，步骤4中界面综合摩擦作用由散体填料
‑
散体填料摩擦作用与格栅
‑
散体填料摩擦作用组成；k
‑
α关系式为：
[0064]
k＝(c
granular
/c
granular
‑
granular
‑
1)/α+1
[0065]
其中k的定义为
[0066]
k＝c
geogrid
‑
granular
/c
granular
‑
granular
[0067]
且加筋对摩擦角的影响较小，故设定加筋前后摩擦角相同，则有：
[0068][0069]
式中：c
interface
、为综合界面粘聚力及摩擦角，c
granular
‑
granular
、为散体填料
‑
散体填料界面粘聚力及摩擦角，c
geogrid
‑
granular
、为格栅
‑
散体填料界面粘聚力及摩擦角。
[0070]
根据上述步骤得到的k
‑
α曲线图及k
′‑
α曲线图，结合直剪试验和拉拔试验，即可确定网孔尺寸。
[0071]
本发明一种土工格栅加筋散体材料网孔尺寸确定方法通过室内直剪和拉拔试验对不同网孔尺寸土工格栅与散体材料的界面摩擦特性分别进行研究，对比分析讨论直剪和拉拔试验对土工格栅网孔尺寸选择的影响，进而探求土工格栅加筋散体材料的网孔尺寸，使用一个量化的标准α，为土工格栅网孔尺寸的选用提供理论依据，确保土工格栅加筋散体材料的使用效果最佳。
[0072]
下面将结合具体实施例详细说明本发明土工格栅加筋散体材料网孔尺寸确定方法，在本实施例中选用某尾矿库尾矿砂，该尾矿砂密度为1.83g/cm3，天然含水率为3.75％。土工格栅选用玻璃纤维双向拉伸土工格栅(ega30)。
[0073]
步骤1：对该尾矿砂进行筛分试验与直剪试验，获取该尾矿砂的抗剪强度指标为c
granular
‑
granular
＝1kn、得级配曲线如图1所示；
[0074]
步骤2：将选用的网孔尺寸为12.7
×
12.7mm2的土工格栅按照25.4
×
25.4mm2、38.1
×
38.1mm2、50.8
×
50.8mm2、63.5
×
63.5mm2网孔尺寸进行裁剪，共得5种不同网孔尺寸土工格栅。计算得各网孔尺寸对应α的不同取值见表1。
[0075]
表1不同网孔尺寸格栅的试验方案
[0076][0077]
步骤3：对不同网孔尺寸土工格栅加筋散体填料进行直剪试验和拉拔试验；
[0078]
直剪试验按照5种不同网孔尺寸和4种不同法向应力σ
interface
(10kpa、20kpa、30kpa、40kpa)共进行20组试验，直剪速度恒定为2mm/min，依据得出直剪试验τ
interface
‑
σ
interface
曲线如图2所示。
[0079]
拉拔试验与直剪试验试验方法相同，并依据得出拉拔试验τ
interface
‑
σ
interface
曲线如图3所示。
[0080]
步骤4：将格栅
‑
散体填料摩擦作用从界面综合摩擦作用中分离出来，得到k
‑
α关系式。
[0081]
由试验所得直剪试验和拉拔试验τ
interface
‑
σ
interface
曲线，及莫尔
‑
库伦破坏准则分别求得直剪试验和拉拔试验条件下对应不同α的c
interface
及计算结果见表2。
[0082]
表2土工格栅与散体填料的界面摩擦系数比
[0083][0084]
由表2可绘制直剪试验和拉拔试验条件下不同网孔尺寸c
interface
及随α的变化情况，如图4、图5所示。由图5可知随α的变化较小。
[0085]
由图4可知直剪试验和拉拔试验条件下c
interface
‑
α的拟合公式如下：
[0086]
c
interface
＝12.732
‑
30.461exp(
‑
α/0.228)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8a)
[0087]
c
interface
＝11.055
‑
18.514exp(
‑
α/0.368)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8b)
[0088]
根据式(5)计算得c
geogrid
‑
granular
，即可根据式(6)计算得k，结果均见表2。将公式(8)代入公式(7)得出两种试验条件下k(α)方程如下：
[0089][0090][0091]
步骤5：如图6所示为k
‑
α曲线。
[0092]
对k
‑
α关系式进行求导得
[0093][0094][0095]
并绘制k
′‑
α曲线如图7所示。
[0096]
综合考虑直剪试验与拉拔试验，选取两种试验条件下k
′‑
α曲线的交点，并以此确定网孔尺寸为α在0.39左右，即本实例土工格栅网孔尺寸为38.1
×
38.1mm时。
[0097]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。