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土工格室加筋层等效弹性常数计算与路堤沉降分析

碳减排；土工格室；数学均匀化；多尺度；有限元；

土工格室是一种经济、环保、可持续和用户友好的材料，已广泛用于工程实践。国内外大量研究成果表明土工格室加筋层：(1)通过竖向应力扩散效应、膜效应和水平阻力效应大幅提高了路堤承载力同时减少了路堤变形；(2)是一种三维各向异性复合材料,但当前工程设计方法没考虑加筋层的各向异性本构关系；(3)直接建模(DNS)仿真计算虽然体现了加筋层的复合材料特征，但模型不具通用性且计算代价较高。采用各向异性弹性常数的土工格室加筋层的设计方法当然更符合工程实际，但常规的试验方法无法测得这些弹性常数，而基于数学均匀化理论的多尺度计算方法可算得加筋层单胞的各向异性弹性常数，并可将这些参数用于加筋路堤仿真计算和设计。论文主要工作和结论包括：(1)采用数学均匀化方法计算土工格室加筋层单胞的等效弹性常数，并推导出加筋层的杨氏模量和泊松比，发现土工格室的铺设方式(格室侧壁水平方向与线路纵向夹角θ = 0°或θ = 45°)对线路纵横方向的加筋层的杨氏模量、泊松比有显著影响；(2) 建立含土工格室加筋层(加筋层材料参数采用等效弹性常数)的路基数值模型，路堤沉降与直接建模(DNS)计算结果相对误差很小，分析发现θ = 45°比θ = 0°的铺设方式产生的路堤沉降和横向变形都小；(3) 计算得到层间（加筋层与非加筋层层）结点接触切向应力分布规律，即接触切向应力：a. 并非同时达到滑动（极限）状态，b. 其总体动员程度沿路堤中心向四周梯度变小。