（道路与铁道工程专业论文）对拉直立挡墙理论及工程应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 挡土墙是公路工程中广泛采用的一种用来抵抗侧向土压力，防止边坡或路 基主体崩塌而设置在路旁的构造物。随着我国国民经济水平的提高与基础建设 的不断发展，以及支挡结构技术水平的提高和减少环境破坏、节约用地观念的 加强，挡土墙在工程中的使用越来越广泛，特别是在铁路、公路路基及建筑基 础工程中所占的比重也越来越大。对拉直立挡墙是近年来迅速发展起来的一种 新型加筋土挡墙结构，其设计思路是在锚定板和加筋土挡墙设计思想基础上演 变而来的。它由墙面板、拉杆、中间填料土和基础组成，中间的拉杆将两侧墙 面系连成一个整体，填土对墙面板的土压力通过墙面系作用于拉杆，由拉杆的 拉力来平衡。对拉直立挡墙具有对软基地质条件适应性强、占地少、防震性能 好、造价低廉、韧性尤为突出等优点。它适用于地形受限制而需要两侧修筑挡 土墙的地方，如市政道路桥头路堤，公路互通立交匝道，穿越良田的铁路和公 路等。作为一种新型加筋土挡墙结构，它在结构及受力特点上不同于一般加筋 土挡墙，国内学者对墙背土压力、填土对拉杆的次应力等也存在较大的争论。 该新型挡墙结构现在仍然处于实验摸索阶段，工程实例也不多，设计思路也没 有统一，我国现行的设计规范也还没有涉及该结构的具体设计方法。故对对拉 直立挡墙新型结构的相关特点的研究还有待进一步开展。 本文在学习现有的研究成果的基础上，对对拉直立加挡墙的结构和受力特 点进行了较系统的分析和探讨，同时以某一级公路对拉直立挡墙工程为依托， 运用大型有限元软件a n s y s 对软弱地基上采用对拉直立挡墙结构的受力和变 形特点进行模拟计算和分析，并结合实际工程数据资料对有限元分析进行了验 证。通过对墙体的水平侧向位移、路堤的沉降量、地基反力、基底应力及墙背 土压力的分布规律进行分析研究，研究表明：1 、有限元计算结果与工程观测结 果具有很好的一致性；2 、在土体侧向位移较大的情况下，拉筋能够充分发挥其 抗拉性能，从而限制土体的侧向变形和路堤外侧地基的隆起；3 、对拉筋的存在 对减小路堤的不均匀沉降和提高路堤的整体稳定性有重要的作用；4 、填料土有 效强度指标的改变，特别是填料的内摩擦角的改变对支挡结构的水平位移和水 平压应力有一定的影响。 关键词：对拉挡土墙加筋土非线性有限元法 武汉理i ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e t a i n i n gw a l li sas t r u c t u r ei nh i g h w a ye n g i n e e r i n gw h i c hi su s e dt or e s i s t l a t e r a ls o i lp r e s s u r ea n dp r e v e n t i n gs i d es l o p eo rr o a df o u n d a t i o nb o d yd i l a p i d a t i o n w h e r e a ss e t u pb yt h er o a d s i d e i nc o m p a n yw i t ho u rc o u n t r yn a t i o n a le c o n o m yl e v e l a d v a n c e a n dc a p i t a lc o n s t m c t i o np r o g r e s s i v ed e v e l o p m e n t ，a sw e l la sb r a n c h s t r u c t u r i n gt e c h n i q u el e v e la d v a n c ea n dd e c r e a s ee n v i r o n m e n t a ld e s t r u c t i o n ，o p t i m a l l a n du t i l i z a t i o ni d e a ls t r e n g t h e n ，r e t a i n i n gw a l li ne n g i n e e r i n gu s em o r ea n dm o r e b r o a d l y ，e s p e c i a l l y i nt h er a i l w a y ，h i g h w a ys u bg r a d ea n de r e c t i o nf o u n d a t i o n e n g i n e e r i n go c c u p ys p e c i f i cg r a v i t ya l s om o r ea n dm o r el a r g e t h eo p p o s i t e p u l l u p r i g h tr e t a i n i n gw a l li sas o r to fn e ws t y l er e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r ei nr e c e n ty e a r s t h eo p p o s i t e - p u l lu p r i g h tr e t a i n i n gw a l li sb a s eo nt h ed e s i g np h i l o s o p h yo ft h e a n c h o rp l a t ea n dt h er e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l lw h i c hc o m p o s e do fw a l l b o a r d t e n s i o nl i n ka n df o u n d a t i o na n dp o s s e s st od i v e r s eg e o l o g i cs e t t i n g sh a r d i n e s s ， s t a n d i n gf e w n e s s ，a n t i k n o c kv i r t u e b e s t ，c o s tc h e a p ，t e n a c i t yp a r t i c u l a r l yf o re x t r u d e a n dm o r em e r i t s i ts u i t a b l ef o rt h ep l a c ew h e r et h et o p o g r a p h yi s l i m i t e da n d n e e dt ob u i l dr e t a i n i n gw a l lb o t hs i d e ，s u c ha sm u n i c i p a lr o a d 、a p p r o a c he m b a n k m e n t h i g h w a yi n t e r c o m m u n i c a t i o no v e r p a s tr a m p 、r a i l w a y a n dh i g h w a yw h i c ht r a v e r s e s f e r t i l el a n d a sas o r to fn e ws t y l er e i n f o r c e de ：l r t hr e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r e ，i ti s d i f f e r e n tf r o mt h eg e n e r a lr e i n f o r c e de a r t h r e t a i n i n gw a l li nt h ea s p e c to fs t r u c t u r e a n ds t r e s sf e a t u r e ，t h e r ea r ea l s ol a r g e rd i s p u t ef o rt h eb a c ko fw a l ls o i lp r e s s u r e 、t h e f i l l i n gt ot h es e c o n d a r ys t r e s s o ft e n s i o nl i n k t h en e ws t y l eo fr e t a i n i n gw a l l s t r u c t u r en o ws t i l lg e to f ft oe x p e r i m e n tf u m b l es t a g e ，t h ee n g i n e e r i n ge x a m p l en o r m u c h ，d e s i g nc l u en o ru n i f y , o u rc o u n t r ya c t i v ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa l s on o ty e tr e f e r t ot h es t r u c t u r a ld e t a i l e dd e s i g nm e t h o d s ot h ec o r r e l a t i o np r o b l e mr e s e a r c ho nt h e n e ws t y l es t r u c t u r a lo fr e t a i n i n gw a l ls t i l ln e e df u r t h e rs t e pu n f o l d i n g t h i sa r t i c l ei sb a s eo nt h er e s e a r c hf i n d i n g sp r e s e n t t os t u d yt h es t r u c t u r ea n d s t r e s sf e a t u r eo ft h eo p p o s i t e - p u l lu p r i g h tr e t a i n i n gw a l l j _ a tt h es a m et i m ei nt e r m so f o n eo p p o s i t e - p u l lu p r i g h tr e t a i n i n gw a l le n g i n e e r i n go fo u el e v e lh i g h w a y ，a p p l y 武汉理r 【大学硕士学位论文 l a r g e - s c a l ef i n i t ec l e m e a t s o f t w a r ea n s y st oa n a l y s ea n dc a l c u l u st h eo p p o s i t e - p u l l u p r i g h tr e t a i n i n gw a l l s t r e s sa n dd i s t o r t i o nm o d e la n dc o m b i n ep r a c t i c ee n g i n e e r i n g d a t a m a t e r i a lt o v e r i f y t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t os t u d y i n gr e g u l a r i t i e so f d i s t r i b u t i o no ft h e w a l l i n gl e v e ll a t e r a l s h i f t 、r o a de m b a n k m e n ts u b s i d e n c e 、 s u b g r a d er e a c t i o n 、f o u n d a t i o ns t r e s sa n d s o i lp r e s s u r eo fb a c ko f w a l l , t h es t u d y i n g s h o w ：1 、t h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o nr e s u l ta n de n g i n e e r i n gr e a ld a t ar e s u l t p o s s e s sv e r yc o n s i s t e n c y ：2 、t h er e i n f o r c e m e n tc a ng i v ef u l lp l a yt oh i st e n s i l e p r o p e r t yw h e nt h e l a t e r a ls h i f to fs o i lm a s si s l a r g e t h e r e b y l i m i tt h el a t e r a l d e f o r m a t i o no fs o i lm a s sa n dt h e u p h e a v a lo ft h er o a de m b a n k m e n to u t b o a r d f o u n d a t i o n ：3 、t h ee x i s t e n c eo fo p p o s i t e p u l lr e i n f o r c e m e n ti sv e r yi m p o r t m e n tt o w a n et h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to fr o a de m b a n k m e n ta n de n h a n c et h eg l o b a ls t a b i l i t y o fr o a de m b a n k m e a t ；4 、t h et r a n s f o r m a t i o no fi n t e r n a lf r i c t i o na v m l a b l ei n t e n s i t y m d i c e s ，e s p e c i a l l y t h et r a n s f o r m a t i o no fe m b a n k m e n ta n # ef o rt h ei n f l u e n c e h o r i z o n t a ls h i f ta n dl e v e lc o m p r e s s i v es t r e s so fb r a n c hb l o c ks t r u c t u r e k e y w o r d ：o p p o s i t e p u l l e a r t hr e t a i n i n gw a l lr e i n f o r c e ds o i ln o n - - l l n e a rf e m m e t h o d m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生( 签名) ： 关于论文使用授权的说明 日期：墨直：! ! ：。 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师( 签名) ：每户期：兰产生二 武汉理丁= 人学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 问题的提出和研究目的、意义 挡土墙是公路工程中广泛采用的一种构造物。随着我国高等级公路建设的 飞速发展，特别是高等级公路建设向中西部地区的推进，挡土墙在公路工程中 的使用愈来愈多，应用亦愈来愈广泛。 经过多年的工程实践和理论研究，挡土墙的设计结构形式不断得到丰富， 其安全性、经济性也得到了很大的改善和提高。加筋土挡墙作为一种较新兴的 挡土墙设计形式，其发展和应用尤为迅速。 加筋土挡墙是利用加筋土技术修建的一种支挡结构物，加筋土是一种在土 中加入拉筋的复合土，它利用拉筋与土之间的摩擦作用，改善土体的变形条件 和提高土体的工程性能，从而达到稳定土体的目的。 在我国，加筋土的应用实际上有悠久的历史，如水工建筑中用树木枝条加 固地基，道路工程中加入枝条的黄土“土桥”，民用房屋建筑中用掺入草筋，发 丝或竹片的土夯筑土墙等，可惜未进行总结并向更深一步发展【l 】o 加筋土作为近代建筑技术加以研究和推广应用，则是近4 0 年来的事。2 0 世纪6 0 年代初，法国工程师维达尔( h e n r y v i d a l ) 【2 】在模型试验中发现，当 土中掺入有机纤维材料后，其强度可明显提高，据此提出了加筋土概念，并于 1 9 6 3 年首先公布了其研究成果，提出了土的加筋方法和设计理论。应用此理论， 1 9 6 5 年法国在比利牛斯山的普拉聂尔斯( p r a g e r e e ) 成功修建了世界上第一座 加筋土挡土墙。 2 0 世纪7 0 年代是加筋土技术在世界范围内传播、发展的阶段。相应的试 验、研究工作也同时进行。当时，研究最为活跃的当属法国桥梁道路中心、美 国加州大学等。在维达尔申请专利后的第二年( 1 9 6 7 年) ，日本将该技术正式公 布为“补强土工法”，于7 0 年代初开始进行模型试验研究，并专门研究了其抗 震性能，将它广泛应用于许多铁路、公路、城市道路、边坡等工程中。在西班 牙，于1 9 7 1 年建造了第一座加筋土挡墙，随后的发展和推广应用也相当快。 2 0 世纪8 0 年代，除了进一步探讨加筋土结构的基本性状、完善设计计算 武汉理工大学硕士学位论文 理论之外，许多国家还在拓宽材料、筋材的应用范盈方面傲了大量工作。美国 联邦公路管理局提供研究基金，以加州大学j k m i t c h e l l 为首与英、法学者合作 的研究项目“加筋土坡和路堤”于1 9 8 7 年完成了研究报告。美、英学者r d h o l t z 和r a j e w e u 等人开展的用土工合成材料稳定路堤、处理软弱地基方面的研究 也取得了重要成果。踟年代中期，美、法合作，利用离心机进行模拟试验，以 了解不同的筋材、面板刚度、地基土的压缩性以及不同的超载和填料对加筋土 结构内部稳定性的影响，并利用有限元法对加筋土结构的设计和试验成果进行 数值分析3 1 。 2 0 世纪9 0 年代加筋土的研究工作主要集中在完善设计计算理论，进一步 拓宽应用范围并研究与其他加固技术的配合应用问题；将加筋土体看成均质“复 合材料”，用有限元法和弹塑性理论进行分析加筋土体变形的因素和计算方法， 进行筋带使用寿命的研究；荷载在加筋体内的扩散及其对加筋土体内部稳定性 的影响和加筋地基承载力计算等。 加筋土以其技术上的优越性、显著的经济性和广泛的适用性，受到了世界 各国工程界、学术界的重视，其发展速度相当快。根据1 9 8 2 年发表的资料( 不 完全统计1 ，世界上有3 7 个国家建成了大约5 0 0 0 多项加筋土工程，加筋土工程 已从加筋土挡墙发展应用到桥台、护岸、堤坝、建筑物基础、铁路路堤、码头 防波堤、水库、尾矿坝、储仓及核设施、军用设施等多个领域。在1 9 8 1 年第十 届国际土力学及基础工程会议的科技水平发展报告中认为，加筋土技术的广泛 应用是6 0 年代以来岩土工程中重要新进展之一。前西德地下建设杂志( 1 9 r 7 9 年) 曾誉之为“继钢筋混凝土之后又一造福人类的复合材料”1 4 j 。 加筋土技术在我国的发展和应用是在7 0 年代末才开始的。1 9 7 8 1 9 7 9 年云 南煤矿设计院在田坝矿区建成了3 座仅2 m 高的试验性的加筋土挡墙，这是 我国第一座加筋土挡墙。1 9 8 1 年在山西晋城一陵川公路线上建成了一座长 8 1 7 5 m ，最高达1 2 m 的路肩式加筋土挡墙。1 9 8 4 - 1 9 8 5 年，重庆交通学院在重 庆长寿白沙湾长江北岸设计并成功建造了一座高近2 6 m ，长1 1 0 余米的加筋土 码头，这也是当时世界上最高的加筋土码头工程。 到目前为止，我国先后在云南、山西、湖北、浙江、广东、四川、重庆、 陕西、贵州、广西、辽宁、北京、天津、江苏、江西等2 6 个省、市修建了加筋 土工程3 0 0 余座，其中公路占8 5 ，铁路占6 ，林区、矿区道路占3 ，其他 占6 。目前国内对加筋土挡墙的理论研究已接近国际先进水平1 5 1 。 2 武汉理j 二大学硕士学位论文 为适应加筋土技术的推广应用，我国先后共举行5 次( 武汉：1 9 8 2 年：昆明： 1 9 8 6 年；重庆：1 9 9 0 ；济南：1 9 9 4 年；泰安：1 9 9 8 年1 全国加筋土技术经验交 流会，而世界上许多国家先后制定并颁发了有关加筋土工程的设计、施工规范 和标准，或设计施工指南等，如法国、日本、美国、荷兰等。我国交通部早在 1 9 9 1 年就制定并颁发了公路加筋土工程设计规范( j t j 0 1 5 9 1 、公路加筋 土工程施工技术规范( 1 t j 0 3 5 - 9 1 ) 等行业标准；铁道部在铁路路基支挡结构 物设计规范中加入了加筋土工程的有关条文和内容：水利部己发布了有关应 用指南。1 9 9 9 年初，国家正式颁发了土工合成材料应用技术规范fg b 5 0 2 9 0 9 8 ) ，土工合成材料产品标准即将颁发，交通部制定和颁发了水运 工程土工织物应用技术规程( j t j 2 3 9 9 8 ) 、水利部制定和颁发了水利水电 工程土工合成材料应用技术规范fs d t 2 2 5 9 8 ) 和土工合成材料测试规程、 铁道部制定和颁发了铁路路基土工合成材料应用技术规范( t b l 0 1 1 8 9 9 ) 【“ 4 1 。 加筋土挡墙广泛应用于土木工程，其优点归纳起来有如下几点1 1 i 【5 1 ： ( 1 ) 施工简便。加筋土的组成构件( 面板、拉筋、路缘石、栏杆、条形基础 等) 均可预先预制，除需压实机械外，施工时一般不需要配备其他机械，易于 掌握。同时可缩短工期和节约劳力。 ( 2 ) 柔韧性好。加筋土是柔性结构物，能够适应地基轻微的变形。在软弱地 基上修筑时，由于拉筋在填筑过程中逐层埋设，所以因填土引起的地基变形对 加筋土挡墙的稳定性影响比对其它结构物小，地基的处理也较简便。 ( 3 ) 抗地震。加筋土挡土墙具有一定的柔性，抗震动性强，因此，它也是一 种很好的抗震结构物。 ( 4 ) 节约土地，适应性好。加筋土挡墙最大的特点是可以做成很高的垂直填 土，墙面板可以垂直砌筑，可大量减少占地。这对于放坡困难的地区，城市郊 区的道路以及土地珍贵的地区，有着巨大的经济意义。 ( 5 ) 投资省。加筋土挡墙造价比较低，与钢筋混凝土挡墙相比，可减少造价 一半左右；与石砌重力式挡墙比较，可节约2 0 以上。而且，加筋土挡墙造价 的节省随墙高的增加而愈加显著，因此它具有良好的经济效益 ( 6 ) 造型美观。墙面板形式可以根据需要、受力特点选用各种设计造型，并 使之拼装成造型美观的建筑物，改善道路景观。 正如前面所述，随着我国高等级公路工程的大规模修筑，工程中将会出现 大量的高填方路堤工程，加筋土挡土墙正越来越广泛地应用于岩土工程的各个 3 武汉理1 人学硕士学位论文 领域。然而在特殊条件下，对于路基两侧均需设置挡土墙的地段，若采用常规 方法设计加筋土挡墙就会出现以下问题i i j l 7 】： ( 1 ) 每侧面板的拉筋均有一定长度的无效段； ( 2 ) 左右两侧拉筋因分别设置而相互重叠造成浪费； ( 3 ) 因局部拉筋摩阻力不足使面板承受土压力由静止土压力转变为主动土 压力而造成墙壁凹凸不平。 同时，对于在人工填土边坡受限制的地段和城市郊区铁路，公路及城市道 路，单边加筋土挡墙往往并不能满足实际的设计需要，而此时对拉直立挡墙便 成为一种有效的支挡结构形式。其基本结构如图1 - 1 所示，它由墙面板、拉杆、 中间填料土和基础组成，中间的拉杆将两侧墙面系连成一个整体，填土对墙面 板的土压力通过墙面系作用于拉杆，由拉杆的拉力来平衡。 拉杆 填科土 墙面板 基础 图1 - 1 对拉直立挡墙基本结构 另一方面由于我国现行的设计规范都没有涉及该结构的设计方法，实际设 计时只能参考条带式加筋挡墙结构的计算理论，使工程设计与施工缺乏科学的 理论指导。从结构的经济性、合理性和应用性等方面考虑，探求一套合理的设 计理论和施工方法是非常必要的。 本文将在学习现有的研究成果的基础上，对对拉直立挡墙结构进行较系统 的分析和探讨，同时运用大型有限元软件a n s y s 对软弱地基上采用对拉直立 挡墙的受力和变形进行有限元分析。研究分析了墙体的水平侧移、路堤的沉降 量、地基反力、基底应力及墙背土压力的分布规律，希望使得对拉直立挡墙结 构的设计更合理，更科学，更符合实际。 总之随着我国交通、水利、水电、城市规划等各种工程的不断兴建，对拉 直立加筋土挡墙由于其自身的优越性必将更为广泛地应用到其中。因此，深入 4 武汉理上大学硕士学位论文 开展对拉直立挡墙的应力应变规律及变形破坏机理研究，确定合理、经济安全 的对拉直立挡墙设计方案和方法，对于该结构的应用及推广不仅有重要的理论 意义，而且具有应用价值。 1 2 加筋土理论研究 1 2 1 国外研究概况 现代加筋土理论是由法国工程师h v i d a l 于1 9 6 6 年提出的，随后，法国 建成了世界上第一座加筋土挡墙。迄今，加筋土挡墙的发展仅几十年的历史。 国内外学者通过大量的研究工作，对土工加筋原理、加筋土破坏模式、加筋土 内部稳定分析、加筋土的强度特性分析、加筋土本构模型研究等加筋土的基本 理论都有了较为深入的认识。对有关加筋土挡墙中拉筋拉力分布、填土的应力 分布和计算，拉筋有效区和无效区的划分、总抗拔力的确定都得出了一些理论 和经验公式。 最早应用于加筋土工程的理论是古典的朗肯理论，库仑土压力理论。按照 朗肯土压力计算的拉筋最大拉力发生在墙体底部。库仑法假定在极限破坏时， 作用于墙上的主动土压力与分布在墙内的拉筋拉力互相平衡，拉筋的拉力与填 土的高度成正比，最大拉力也出现在墙体的底部。 澳大利亚w h a r r i s o n 和c g e r r a r d 提出把正交一各项异性材料的弹性理论用 于加筋土i 引。 1 9 7 6 年加利福尼亚大学m r o m s t a d 等考虑到加筋土体内的摩擦特性，把加 筋土体看作一种复合材科，提出了“单元晶格”概念，认为加筋土体由许多“单 元晶格”组成。根据大量简单复合体的应力一应变状态和单元晶格的近似应力一 应变反应，可确定整个加筋土体的应力一应变关系。还有人通过土中直接拉伸 试验研究加筋土正切模量e t 和法向压应力的关系表达式【8 l 9 1 。 1 9 8 6 年d eb u h a n 将均化法屈服设计用于加筋土，将加筋土理解为均质各 向异性物质，根据其强度准则可导出结构各个组成部分的强度特性。 法国的j g o u r e 和p h d e l m a s 等人1 1 0 l ，在极限平衡法的基础上引入了土与筋 的应变相容关系，于1 9 8 6 年提出了位移法。 1 9 8 9 年l j u r a n 和c c h e n l l l 垤出现有的极限平衡设计方法和按应力控制的 设计方法都有各自的局限性，因此提出应变相容设计法。此方法满足筋土应变 5 武汉理工大学硕士学位论文 相容要求，考虑在工作应力和破坏应力时的真实位移模式，建立土的塑性破坏 模型。假定滑动面为对数螺旋线，筋为理想弹塑性弹簧，剪应变在破坏面上是 均匀分布或沿着破坏面线性增加，从而求出拉筋屈服前的挡墙临界高度，同时 对施工过程影响的上下限做了分析。用各种试验对这种计算的临界高度、破坏 面形态、最大拉力分布进行了验证。 进入9 0 年代，在加筋士设计方面，有些国家的设计人员开始采用极限状态 法，设计时分为最终极限状态和使用极限状态两大类，考虑建筑物的使用寿命 和筋材与土的应变相容性，对材料特性指标、土力学指标和作用力等，采用分 项系数以代替单一的安全系数，较大地改进了极限平衡法( m c g o w n 等1 9 9 8 年) 。 总的来说，加筋土的设计仍以极限平衡法最为普遍，其次是有限元法。 加筋土结构的有限元分析起步较晚，7 0 年代后开始运用该方法预测加筋 结构的变形及内部稳定性分析。如张佑启( 1 9 7 4 ) 、b a n e d e e 只联1 9 7 5 ) 、n a y l o r d j ( 1 9 7 8 ) 和s a l o m o n e m a ( 1 9 7 8 ) 等人提出用有限元法预测加筋土结构的内部 稳定性i 矾。有限单元分析的优越性是将加筋土体结构的变形协调性和应力平衡 结合在一起，克服了传统极限平衡理论将两者完全分开的局限，并且可以模拟 某些复杂性质及过程( 如加筋土结构的施工过程) ，能够考虑岩土材料的非线性、 层状体系及筋土之间的非线性相互影响等因素，能够模拟不同土况下加筋土结 构的工作机理与破坏性状，具有极高的经济性，在一定条件下也具有极高的可 靠性，是现阶段岩土工程数值模拟中最通用的方法。有限元分析为加筋土技术 在重大结构中的应用提供了理论支持。 1 2 2 国内研究概况 我国从1 9 7 5 年引进加筋土挡土墙技术，随之也引进了相关的加筋土理论， 国内学者在充分吸收国外加筋土发展理论的基础上，也对该理论进行了发展。 1 9 8 3 年我国赵炎华对加筋土设计提出了塑性区配筋法即b 法和剪胀区配筋 法即c 法，并分析了实践效果。该理论认为加筋土在自重及荷载作用下，墙背 填土中因受力状态不同而形成压密区、剪胀区和弹性区，配筋重点应是剪胀区。 1 9 8 7 年进一步对挡土墙土压力分布规律进行探讨，认为土压力分布图形是加筋 土所固有的特性曲线，不应随其它条样的变化而改变1 4 j 。 同年赵炎华在云南小龙潭煤矿做了加筋土挡墙的原位测试，结果显示出拉 筋拉力最大值发生在距面板附近，而后向尾端逐渐变小，筋条尾端拉力为零， 6 武汉理工大学硕十学位论文 最大拉力沿深度的分布规律显示了剪胀区配筋法分层配筋是塑性区发生转移的 实际效果，验证了剪胀区配筋法的合理性。 1 9 9 2 年吴雄志提出了一种以变压力系数为基础，并考虑墙后填土破裂面影 响的拉筋最大拉力计算方法。该方法与试验结果有很好的吻合性。 1 9 9 4 年李广信等人提出了将多层加筋土中筋材的作用当成一个附加周围压 力，把任意方向布筋的加筋土看作沿布筋方向施加附加压应力的各向同性材料， 利用己有的土的本构模型和计算参数来进行计算。1 9 9 9 年李广信根据自己研究 素土的本构模型的经验提出了加筋土计算的等效应力法，根据土体的变形结合 加筋材料的变形规律将加筋的作用等效为附加应力【1 1 【3 】【8 】。 1 9 9 7 年徐少曼等人提出土工织物抗拉力的发挥依赖其变形的发挥，提出理 想的筋材受力机制，以及筋材料变形接近理想机制可以有效提高加筋效果的预 应变加筋法。 在有限元法理论发展方面，1 9 9 8 年张冬霁等在实验基础上提出了剪切错动 带单元； 廷浩等在基于剪切错动带概念上于2 0 0 0 年，提出了接触面上法向刚度与切 向刚度相耦合的非线性本构模型；随后高俊合等通过大型单剪试验提出了有厚 度剪切滑移薄层单元； 安关峰等在2 0 0 1 年提出了接触面的三维弹粘塑性模型【踟。 综合国内外加筋土理论研究现状，可知虽然工程界和学术界通过理论分析、 现场试验模型试验和数值模拟方法，对加筋土挡墙结构特性和破坏机理开展了 深入的研究工作，并取得了一些具有较高理论价值和工程应用价值的重要成果。 但鉴于土体、土工合成材料特性以及相互作用机理的复杂性，目前的研究水平 仍然远远不能满足指导工程实践的需要。 1 3 论文主要研究内容和技术路线 1 3 1 主要研究内容 通过对现有研究成果的分析和归纳，本文确定对对拉直立挡墙结构稳定性 及受力特点进行分析和研究。主要研究内容如下： 1 ) 运用常规计算方法对对拉直立挡墙工程地底面承载力、基底滑移安全系 数、抗倾覆安全系数以及整体安全系数进行计算； 7 茎堡垄! ：查兰堡主兰篁堡奎 _-_-_- 2 ) 运用有限元对对拉直立挡墙结构进行模拟计算，并对计算结果进行分析 研究； 3 ) 结合原型监测数据资料对有限元计算结果进行验证分析，得出合理的结 论； 4 ) 研究填土性质( 内摩擦角、压缩模量) 的改变对结构受力情况的影响。 1 3 2 研究手段及技术路线 通过对各种研究手段的对比，确定采用有限元数值分析模拟的方法来完成 本次研究工作。具体技术路线如下： 1 ) 研究工程实例； 2 ) 确定模拟对象的本构模型和有关参数； 3 ) 建立有限元模型进行数值分析； 4 ) 结合部分实际工程数据资料与有限元模拟分析的结果进行对比分析； 5 ) 对不同填土内摩擦角的对拉直立加筋土挡墙进行数值模拟分析； 6 ) 对不同填土压缩模量的对拉直立加筋土挡墙进行数值模拟分析； 7 ) 对以上数值模拟分析的结果进行分析和归纳，并对对拉直立加筋土挡墙 设计提出合理的建议； 8 ) 在以上工作基础上完成本论文。 8 武汉理r 大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章加筋土的工作原理 土体都有一定的抗压和抗剪强度，但抗拉性能较差，如果在砂土中分层埋 设水平向的加筋材料，使之与土体形成复合土体，一定可以改善土体的强度和 变形特性。加筋体在土体中可以扩散土体的应力，提高土体的承载力，限制土 体的侧向变形，增强土体的整体性和稳定性。 为了弄清楚加筋砂土复合体强度和其稳定性提高的原因，v i d a l 等人就加筋 材料如何提高砂土的抗剪强度进行了三轴试验研究。根据试验研究结果可以认 为，加筋土强度的提高或者说是加筋土体自主稳定性的增加，其根本原因在于： 填料( 砂土体) 和筋材在变形模量方面存在着巨大差异，因而它们在共同受力变 形过程中，存在相互错动的趋势。这种错动趋势被加筋材料和土体之间存在的 摩阻联结产生的摩阻力所抵抗，从而使筋材承受很大拉力，同时加筋之间的土 体侧向变形受到约束，相当于受到附加侧向约束力，正是这一侧向约束力提高 了加筋土的强度。这些可归纳为两种解释：( 1 ) 摩擦加筋原理；( 2 ) 准粘聚力原理 【6 l 。 2 2 摩擦加筋原理 在加筋土结构中，由填土和井力产生的土压力作用于墙面板，通过墙面板 上的拉筋连接体将此土压力传递给拉筋，试图将拉筋从土体中拉出。而拉筋材 料与土体之间的摩擦力阻止拉筋被拔出。故而，只要拉筋材料具有足够的强度， 并与土体之间产生足够的摩阻力，则加筋体就可保持稳定而不会产生破坏。摩 擦加筋原理认为：加筋材料是土体中的受拉构件，填土与加筋材料间的摩阻作 用既可将筋材的拉力传递到土体中，又可阻止土层的侧向变形发展，因此只要 拉筋材料具有足够的强度，并与土体产生足够的摩阻力，则整个加筋体的内部 稳定性就能得到保证1 1 j 【3 】。摩擦加筋理论实际上是填土一筋材相互作用原理， 由于概念明确、简单，在高模量( 如金属加筋) 加筋土的实际工程中得到广泛的 应用。 9 武汉理r 【人学硕士学位论文 为了说明拉筋与土颗粒之间的受力情况，取拉筋中的一个微段d l 来分析， 在此微段上拉力变化为d t = tj 7 2 ，拉筋上下两面共有摩阻力为2 口，色也( 忽 略拉筋本身的重力1f 埘，拉筋不被拉拔t i l 来所需的摩擦关系应为： d t 1 0 2 81 0 55 - 1 0 注：每毫克当量( m - e ) 氯离子为0 0 3 5 5 9 ) 每毫克当量( m e ) 硫酸根离子为0 0 4 8 9 ( 6 ) 采用土工合成带作拉筋，筋带上、下两面严禁与硬质棱角填料直接接 触，一般在其上下表面铺设一层薄砂或细粒土，以免损伤筋带表面。同时填料 中不宜使用含有二价以上的铜、锰、铁离子及氯化钙、碳酸钠、硫化物等化学 物质的材料，因为它们会加速聚丙烯、聚乙烯等材料的老化与溶解。 ( 7 ) 填料的设计参数，应由实验或根据当地经验数据确定。当无上述条件 时，可参照公路加筋土工程设计规范( j t j 0 1 5 9 1 ) 的推荐值论证选用。 考虑工程填料要求及现场试验结果，综合各方因素该工程填料选用天然砂 砾料，容重y - - 1 9 6 k n m 3 ，内摩擦角巾= 3 8 。 3 5 基础设计 加筋土支挡墙的一般情况只在面板下设置宽度不小于0 3 m ，厚度不小于 0 2 m 的混凝土或浆砌片( 块) 石条形基础。但属下述情况之一者可不设【6 】【1 6 】1 1 7 1 ： ( i ) 面板筑于石砌圬工或混凝土之上。 ( 2 ) 地基为岩石，但需要先用一层贫混凝土找平岩石地基。 对于地面横坡较陡的岩石地基，则可以设置混凝土或浆砌片( 块) 石台阶 基础。 当地基为土质地基时，应铺设一层0 i - 0 1 5 m 厚的砂砾或碎石垫层，如果 地基土质较差。承载力不能满足要求，应进行地基处理，如采用换填、土质改 良以及加固补强等措施。 加筋土挡墙的墙面板基础应有一定的埋置深度，以防止因墙前土粒流失而 引起墙面附近加筋体的局部破坏，其埋置深度与地基的地质与地形条件、冻结 深度和冲刷深度等有关。 对于一般土质地基应不小于0 6 m ，当设置在岩石上时应清除表面风化层， 当风化层较厚难以全部清除时，可采用土质地基的埋置深度。 武汉理_ l + 大学硕士学位论文 浸水地区与冰冻地区的加筋土挡墙面板基础埋置深度，应按现行公路桥 涵地基设计规范( j t j 0 2 4 8 5 ) 的有关规定确定。 浸水加筋土挡墙应埋置深度小于冻结冲刷线以下l m ，并要防止墙面板后填 料的渗漏。 季节性冰冻地区，当基础埋置深度小于冻结线时，为防止地基冻胀的危害， 对基底至冻结线范围内的土，应换填为非冻胀性的中砂、粗砂、砾石等粗粒土， 其中粉、粘土粒含量应不小于1 5 1 6 j 。 斜坡上的加筋土挡墙应设置宽度不小于l m 的护脚，以防止前沿土体在加 筋土体在加筋土体水平推力作用下剪切破坏，导致加筋土体结构丧失稳定。加 筋土挡墙面板基础设置深度从护脚顶面算起。另外，为防止基础冲刷和排除地 表径流，护脚表面宜用浆砌片石做成具有3 5 横坡的散水。 图3 - 2 护坡断面图 加筋土挡墙的墙面基底沿路线方向有纵坡度时，一般采用纵向台阶，在错 台处要保证最小埋置深度。基础的台阶长度要满足面板模数要求。 3 6 本章小结 本章结合现有的研究和应用成果以及设计规范对加筋土支挡结构的加筋材 料、墙面板、加筋土填料及基础设计进行了较为详细的介绍和阐述。一般来说， 加筋材料要求具有足够的抗拉强度，较小的延伸率和蠕变性，较好的耐腐蚀和 耐久性，同时又要方便于施工；墙面板不仅要有一定的强度，保证拉筋带端部 土体的稳定，而且要求具有足够的刚度，以抵抗预期的冲击和震动作用，又需 要具有足够的柔性，以适应加筋体在荷载作用下产生的容许沉降所带来的变形。 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 同时墙面板的设计还要满足坚硬、美观、运输方便和易于安装的要求；加筋土 填料的使用要选择内摩擦角较大、粘土含量少的颗粒土壤，对于金属钢带为拉 筋带时，填料的化学和电化学标准还应满足防腐蚀的要求；基础的设计在满足 强度和稳定性要求的前提下可以视工况的具体情况而定。 武汉理。【大学硕士学位论文 4 1 概述 第4 章对拉直立挡墙的常规计算 对拉直立挡土墙结构常规计算主要分为两大部分，一是内部稳定性分析， 二是整体稳定性分析【1 1 4 1 。加筋体内部稳定性分析计算主要是解决拉筋的设置 问题，保证筋土形成的复合体能共同工作，其计算理论为锚定结构理论，通常 把加筋土看成锚固系统，结构体的土压力是由填土和荷载产生，并通过拉筋与 墙面板的连接而传给拉筋。对拉直立挡墙的受力特点决定了其内部稳定性优于 单面加筋土挡墙：在潜在破裂面处不仅本侧拉筋的抵抗力，而且存在对侧拉筋 的摩阻力，在墙面板处的拉筋拉力同单面加筋土挡墙一样，是以墙面板面积所 承受的土压力决定的。外部稳定分析是解决筋土形成的复合体墙的整体稳定、 倾覆稳定及基础的稳定和基底应力等问题。 4 2 内部稳定计算 4 2 1 拉筋拉力计算 拉筋是维持支挡结构平衡的主要部分，拉筋的拉力计算公式比较多，国内 外广泛采用的方法有库仑合力法、库仑力矩法、正应力均匀分布法、正应力梯 形分布法、正应力梅氏分布法、能量法和各种半经验半理论法，日本采用正应 力均匀分布法，法国采用的是梅氏分布法。综合国内外学者对拉筋受力的理论 研究，各种方法的计算表达式可以写成通用表达式【5 】： 互一k s ，s ， ( 4 1 ) 式中：五一第i 层一个结点拉筋所受拉力( k n ) ； j q 一拉筋拉力的计算系数； a 。一第i 层拉筋上的平均正应力； s 、s 一为拉筋结点的水平、竖向间距。 其中蜃0 的各种计算公式如下表： 武汉理工大学硕士学位论文 表4 _ l 墨的各种计算公式 计算方法计算公式 经验法 l 阮 6 k 。2 8 ( 号堕) 】 k 。 库仑合力法 k j a 者k 。 库仑力矩法 k 戚- 岳k 。 正应力均匀分布法 k 矗一k 。 正应力梯形分布法 如| 1 岷k 。 lj 能量法 卜5 ( 华) 2 卜 正应力梅氏分布法 。高& 图4 1 各种计算法的线形图比较 其中k 。= 留2 ( 4 54 一妒2 ) ；工为加筋体的宽度。 我国现行公路规范采用正应力均匀分布法，对墙背土压力的计算采用了变 系数法，即土压力计算公式随深度的变化而变化，并认为加筋土挡墙顶层土