（岩土工程专业论文）高速公路过渡段路基土工格栅加筋设计方法研究.pdf

摘要 摘要 过渡段地基的差异沉降会导致路面沿横向产生裂缝或者“跳车”，用土工格栅处理差异沉降施工简 便、效果明显、费用也较低，具有良好的性价比。本文采用原位试验、室内试验、室内模型试验和数值 模拟的方法对土工格栅在过渡段路基中的铺设方法进行深入研究，主要工作及成果如下： ( 1 ) 介绍宁杭高速公路典型过渡段的形式；在典型过渡段现场进行原位试验，揭示了现场的软土 工程地质特性；分析宁杭高速典型过渡段的常用处理方法，明确了本文的研究对象为加筋路基过渡方式。 ( 2 ) 通过室内试验研究了土工格栅条带拉伸特性和筋土接触面特性。探讨了筋条数目对格栅拉伸 强度的影响；比较了碾压前后格栅的拉伸特性：采用直剪摩擦试验方法研究土工格栅与路基士之间的摩 擦特性。 ( 3 ) 采用室内模型试验测试系统，模拟在过渡段地基差异沉降下士工格栅改善过渡段路基沉降曲 线特征的效果，通过室内模型试验研究格栅在过渡段路基中的铺设位置，得到土工格栅在过渡段路基中 铺设的初步规律。 ( 4 ) 介绍了三维快速拉格朗日法的基本理论以及软件自带的土工格栅结构单元的特点；运用该软 件模拟模型试验，与模型试验所得到的规律进行对比验证数值模拟的合理性：剖析了土工格栅在过渡段 路基中的加筋机理。 ( 5 ) 从总沉降改善的角度分析过渡段路基中铺设土工格栅对坡降差的影响规律，得到筋材选择、格 栅铺设范围与格栅铺设位置等设计参数。 关键词：高速公路；过渡段；土工格栅；室内模型试验；三维数值模拟；沉降曲线特征；坡降差 a b s t r a c t t h eg e o g r i dh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h eh i g h w a ye n g i n e e r i n gf o re a s yc o n s t r u c t i o na n dl o wc o s t t h e g e o g r i d - r e i n f o r c e dm e t h o d i so f t e nu s e dt os o l v et h ec r a c k sa l o n gt h eh o r i z o n t a lo r j u m p ”o f m a n yt r a n s i t i o n a l e m b a n k m e n t , b u tt h ee f f e c ti sn o tc l e a rn o w h e n c et h i s 弘慨r e s e a r c h e so f t h ee f f e c t sa n dt h em e c h a n i s ma r e c a r r i e do u tb yt h ei n - s i t ut e s t , l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t , l a b o r a t o r ym o d e le x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d t h em a i nw o r k sc a nb el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a f t e rs u m m a r i z i n gt h ef o r mo f t y p i c a lt r a n s i t i o n si nn a n j i n g - h a n g z h o ue x p r e s s w a y ；t h i sp a p e r r e v e a l st h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h es o f ts o i lb yi n v e s t i g a t i o n s f u r t h e r m o r e ，t h ec o m m o n a p p r o a c ht od e a lw i t ht h et y p i c a lt r a n s i t i o n si sa n a l y z e di nt h en a n j i n g - h a n g z h o uh i g h w a ya n d t h ek e yr e s e a r c h p o i n to f t h eg e o g r i d - r e i n f o r c e de m b a n k m e n ti sp r o p o s e d ( 2 ) t h et e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h eg e o g r i di sa f f e c t e db yt h ef a c t o r s b e l o w ：t h en u m b e ro f f i b sa n d c o m p a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c a tt h es a m et i m e , t h ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h eg e o g r i da n d s o i la r e s t u d i e db yt h ed i r e c ts h e a rf r i c t i o ne x p e r i m e n t ( 3 ) t h el a b o r a t o r ym o d e le x p e r i m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e dt oa n a l y z et h ee f f e c to fg e o g r i do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es e t t l e m e n tc u l n e l a t e r , t h er e a s o n a b l el a y o u tm e t h o do fg e o g r i d si ne m b a n k m e n t si s d i s c u s s e di nt h ep a p e r ( 4 ) a f t e ri n t r o d u c i n gt h et h e o r yo f t h ef a s tl a g r a n g ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，t h es i m u l a t i o no f t h e l a b o r a t o r ym o d e l t e s ti su s e dt ov e r i f yt h er e a s o n a b i l i t yo f f l a ca n a l y s i s f u r t h e r m o r e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es e t t l e m e n tc u r v eo f t h ee m b a n k m e n t sr e i n f o r c eb yg e o g r i d sa r ed i s c u s s e d t h e nt h em e c h a n i s mo f t h e g e o g r i dr e i n f o r c e m e n ti st m d e r s t o o d ( 5 ) a tt h ee n do f t h ep a p e r , t h ed e s i g nm e t h o do f g e o g n dr e i n f o r c e m e n t si nt r a n s i t i o n a le m b a n k m e n t si s p r o p o s e d , a n dt h em a t e r i a la n dl a y o u to f t h eg r o g r l dc a nb eo b t a i n e di f t h ef i l l i n ga n dh e i g h to f e m b a n k m e n t s a r ed e c i d e d k e y w o r d s ：h i g h w a y ；t r a n s i t i o n a lr o a d ；g e o g r i d ；l a b o r a t o r ym o d e lt e s t ；t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； t h ec h a r a c t e r so f s e t t l e m e n tc u r v e ；d i f f e r e n c eo f s l o p er a t i o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我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： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本入所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：圣皇：! 邕导师签名：i t 期) 竺苎兰三 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 公路为线形构造物，其走向受主要控制点制约，当路线跨越水网发育地区的河塘地带或丘陵山区时， 经常遇到不对称的地基，不对称的地基包括两类：第一类为横向不对称地基，如丘陵地带的沿路基横向的 半填半挖路段、沿路基横向穿越河塘的路段以及老路扩建或匝道拼接的路段( 图l 1 ) ；第二类为纵向不 对称地基，如丘陵地带沿路基纵向的半填半挖路段、沿路基纵向穿越河塘的路段和不同地基处理过渡段 ( 图1 - 2 ) 。其中不同地基处理过渡段属于纵向不对称地基。 填方公路瓤自 乏 挖方 丘陵殷 河塘2 张6 填方 确& 图1 - 1 横向不对称地基 公路纵向 i 填方：i 河塘 设计高程 丘月喊河塘段地基处理段 图l - 2 纵向不对称地基 由于过渡段的特殊性，其变形与稳定特性与一般地基的特性存在着较大的区别，如果采取的工程措 施不当，就可能诱发公路病害的产生。这类地基的主要问题是差异变形引起路基不均匀沉降，使上覆路 面中的半刚性基层、沥青面层或水泥混凝土板产生附加弯拉应力，附加弯拉应力和路面荷载应力共同作 用将加剧路面结构的疲劳破坏，宏观表现即为路面产生裂缝、跳车等。这种病害一旦发生，其危害性十 分明显，造成的损失巨大。例如投资3 7 7 亿元的云南省某公路1 9 9 8 年5 月工程建成后十八天，发现填 挖结合部路基不均匀沉降，填方路基大范围沉陷，边缘坍塌，路面脱空，为此不得不再投入1 亿元进行 返工修复，造成了重大的经济损失，产生了极其不良的社会影响。 过渡段常常沿路面横向产生裂缝或者跳车，实际上是由于地基的不均匀沉降所导致的，不均匀沉降会 给高速公路带来下列问题： ( 1 ) 严重影响行车舒适及安全： ( 2 ) 增加路面的维护费用，甚至需增加对路基的处治费用： 目前国内外对不均匀沉降的处理方法有： ( 1 ) 采用超轻质材料作为路基填料 该方法可以有效降低地基所承受的自载应力，减少沉降并增大稳定安全系数。常用的材料主要为粉煤 灰、人工气泡混合土、轻质工业废弃物、火山灰、中空构造物等。这种方法的主要特点是填料的密度小， 可以大大减轻路堤自身重量，很好的遏制路基沉降，从而减少不均匀沉降。但该法施工工艺还不是非常成 熟，填料的选择也受到地域的影响材料的选择还不是很明确，目前还未进入大规模的施工阶段。 ( 2 ) 提高填方路堤的压实度 1 畚 东南大学硕士学位论文 通过提高压实度尽可能减少路堤自身的施工期沉降和工后沉降，以避免填方路堤与挖方路堤产生过大 沉降差，有效控制不均匀沉降的产生。例如在宁马、宁高、雍六等高速公路中，在台背回填地段对填方路 基提高压实度( 9 0 提高到9 3 ；9 3 提高到9 5 ) 的处理方法，该法处理效果较好，但施工难度较大，同时该法虽然 对减少施工期沉降的效果较为明显，但在不同地基的条件下工后沉降产生的不均匀沉降仍然不可避免。 ( 3 ) 对地基进行处理 在软土地基的地段，采取粉喷桩、沙桩、碎石挤密桩、沙砾垫层等方法进行处理，提高地基承载力以 减少沉降量。此法设计意图明确，材料性质可靠，刚度和变形可实现均匀过渡。但该法施工要求高、费用 高，投资较大。 ( 4 ) 采用刚性搭板 在桥头等易出现不均匀沉降的过渡段，设置一定长度的刚性搭板( 钢筋混凝土) ，一端放在桥台等人工 构造物固定端处，并加设防滑锚固钢筋和在搭板上预留灌浆孔，使两个对接性质不同路面体系在变形沉降 上能平顺过渡。 目前在桥梁设计规范中已对该方法的设计等问题作了明确规定。该法是减少不均匀沉降最直接的方 法。但该方法存在施工困难、周期较长等问题，同时由于路堤沉降后，搭板在与桥头之间也将形成纵坡折， 同样对行车会产生不利影响。 ( 5 ) 土工格栅加筋技术 该方法是一种较为成熟的现代土工加固新技术。加筋土不仅能增加路基的强度，而且还能大幅度提高 路基的刚度，显著减少路基的变形。通过调整格栅的布置间距和位置，可以达到路桥间线路平顺过渡的目 的。大量工程实践证明，应用加筋技术处理桥头过渡段，能显著减少不均匀沉降。加筋的主要作用是降低 路基的整体沉降，降低路基沉降速率、减少不均匀沉降。 此法在工程中得到了大量的应用，其主要优点在于施工简便、效果明显、费用也较低，具有良好的性 价比。因而。设计时往往采用土工格栅加筋方法处理技术。 1 2 研究现状 1 2 1 土工格栅的特性 ( 1 ) 、化学稳定性 塑料土工格栅对紫外线十分敏感，紫外线照射是造成土工格栅老化的主要原因。但土工格栅在应用中 都是深埋于土中，紫外线照射几乎不存在，生产厂家又把产品制成黑色，而且添加一定的抗氧剂，具有屏 蔽紫外线和抗氧的能力，只要在生产、运输、施工、产品储存中，严格按规范的规定进行操作，老化问题 也就相应地减弱了。对于钢塑料复合焊接的土工格栅，主要看塑料是否包裹好钢丝，生产与施工过程，做 好塑料保护层不损伤，钢丝不露，钢丝不锈蚀，是保证产品质量的关键。关于玻纤或化纤形成的格栅，如 果全是玻璃纤维，化学稳定性较好。 ( 2 ) 、耐碾压性 格栅在土体中是水平铺设，要起到很好的加筋效应，必须是分层铺设、填料必须分层碾压，保证路 基土有较大的密实度。不经过碾压的土体是松散的，周围介质没有很好地嵌入格栅的开孔中，格栅就没 有很好的摩阻力，那么就产生不了加筋效应。如果格栅各网孔的肋带或节点在碾压时被压断，格栅就失 效了。如果网孔节点松动、脱落，其嵌固作用也减小了，加筋效应也就不显著了。关于土工格栅的耐碾 压性研究较少，在规范上也没有提出具体要求。 ( 3 ) 、格栅的整体性能 格栅是网状物，在土体荷载的作用下，是靠各个孔带分散受力，又集中形成合力的机理。现在市场上 格栅的幅面宽有1 、1 5 、2 、4 、6m 不等，已逐渐向宽幅发展。理想的格栅幅面越宽越好，并且偏斜率、平 整度也十分重要，如果起波浪状，边线不直，那么在受力状态下，各个接点就会受力不均。在工程应用中， 一般开挖面积都很大，特别是码头软基工程要求双向受力，最好是把格栅形成整体的大幅面，但是现在的 厂家提供幅面最宽才6 m ，不可能达到几千米的整体大幅面。如何解决该问题，规范中指出：幅与幅之间进 行搭接，采用人工捆扎的方法，要求搭接强度不低于原强度的6 0 。实际上，人工捆扎搭接的方法根本达 不到这个要求，很仔细的人工捆扎最多达到原强度的2 0 左右，即使把横向的连接打成死结，也仅有原强 2 第一章绪论 度的3 0 左右。因此如何提高土工格栅的整体性能已引起各生产厂家的足够重视。例如2 0 0 2 年8 月重庆九 地加筋土工程公司，创出了一项发明专利，可以把格栅产品的纵横带的尾端，在同一受力的轴线上，形成 一个扣环，安装铺设过程中，将各扣环穿锁起来，采取无搭接的连接方式，使格栅连接成大幅面的整体结 构。这既为工程降低了材料用量( 约1 5 ) ，又改变了人工搭接的方式，提高了铺设速度，而且比人工捆扎 搭接的质量好得多。通过测试，这样扣环穿锁连接的方式，其连接强度己超过原同轴方向强度的6 0 的要 求，施工部门对这种称为0 2 8 型的专利格栅产品十分欢迎。 1 2 2 土工格栅的功能 ( 1 ) 加筋作用 土工格栅具有较高的抗拉模量和张拉模量，因此能将荷载均匀地扩散在较大的面积范围内。对于软弱 地基而言，可大大分散作用于软基上的荷载压力。其网状结构使其与颗粒添料之间具有很强的嵌锁作用和 很大的界面摩擦力，并具有很高的抗拉强度和抗剪强度，作为加筋材料能大大提高加筋体的强度。 ( 2 ) 压实作用 当非均匀的局部外力作用于格栅时，网孔就会相应变形，其约束作用也显示出来，因而土工格栅对非 均匀荷载的适应性较好并能将其均匀传递。 ( 3 ) 协调变形作用 当非均匀的局部外力作用于格栅时，网孔就会相应发生变形、其约束作用也显示出来，因而土工格栅 对非均匀荷载的适应性较好并将其均匀传递。 ( 4 ) 土工格栅的网状结构可使空隙水压力更快地消散，这对于加固粘性土地基时非常重要的。 ( 5 ) 凭借网面层的高摩阻力而产生的高抗拉强度增加了结构层材料的剪切强度和整体性。 但是，土工格栅较其它土工材料的优越性主要在于它的加筋作用与协调变形作用。因此，它在工程中 的应用主要体现在它在加筋土中的应用。 1 2 3 土工格栅的加筋原理 加筋技术在工程中得到了广泛的应用，但对作用其机理的研究却相对滞后。国内外的研究人员一直在 利用各种手段对土工格栅的加筋机理进行研究，并取得不少研究成果。归结起来，有以下两种解释： ( 1 ) 摩擦加筋原理 该理论认为，在加筋土结构中，加筋材料是土体中的受拉构件，填土与加筋材料的摩阻作用既可将筋 材的拉力传递到土体中，又可阻止土体的侧向变形的发展，即当土体与加筋材料发生相对运动时，接触面 上的摩阻力阻止这种运动：当加筋材料受到拉力作用时，接触面上的摩阻力又阻止加筋材料被拔出。因此， 只要加筋材料具有足够的强度，并与土产生足够的摩擦阻力，则加筋的土体就可保持平衡稳定。对土工格 栅而言，土体与土工格栅之间的相互作用所形成的摩擦阻力可分为两部分：一是土体颗粒与土工格栅之间 的摩擦剪力：是土体颗粒与土工格栅之间的咬合力( 包括土体颗粒与土工格栅横向肋之间的端承力和土 工格栅孔内的土颗粒与土工格栅孔外的土颗粒之间的摩擦阻力) ，准确地将两种相互作用区分出来非常困 难，因此通常笼统地将两种相互作用概括为土颗粒与土工格栅之间的摩擦力。 ( 2 ) 准粘聚力理论 准粘聚力理论是较早提出而在目前也普遍采用的理论之一。该理论从宏观角度解释加筋机理，将加筋 i 訇结构作为整体来考虑，认为加筋土结构可以看作是各向异性的复合材料( 通常，加筋材料的弹性模量远 大于填土) ，土中加筋约束了土体的侧向变形，增大了侧向压力，从而增大了土体的抗剪强度。土工格栅 是一种具有孔眼的网格式加筋材料，由于网格在填土中的存在，组成的网格条带不仅可以承受拉力，而且 可以承受剪力，并且条带可以视为具有一定刚性的杆件，这样土工格栅加筋土的抗剪强度增量更大，所以 土工格栅的加筋效果比其它土工合成材料更加明显。 1 2 4 3 h 筋土结构设计现状 目前，加筋土的设计计算方法主要有三种方法：极限平衡法、极限状态法、数值分析法。 ( 1 ) 极限平衡法 目前，加筋土极限平衡法是从无加筋极限平衡法基础上演绎出来的。其思路是：首先假定可能的破坏形 式，然后在极限平衡分析中计入加筋的拉力对加筋土结构稳定性的贡献。 加固软土地基的设计应用最多的是基于极限平衡法的圆弧滑动法，考虑加筋拉力产生的抗滑力矩，计 3 东南大学硕士学位论文 算稳定的安全系数。抗滑力矩取决于加筋拉力的大小和方向，对于加筋拉力的大小有三种取值方法：极限抗 拉强度、长期允许设计强度和对应于一定应变的强度。对于加筋拉力的方向：假定为水平方向，将加筋材 料当作刚性平板，称为瑞典法；一种假定与滑弧相切，将加筋材料当作柔性板，称为荷兰法f 乔正寿，1 9 8 7 ； i n g o l d , 1 9 8 2 ； 1 3 1 1 1 4 1 1 1 5 j e w e l l ，1 9 8 2 ；s h e n b a g a , 1 9 9 6 【l 州) 研究了加筋拉力大小和方向的影响因素，方向取决于 未加筋堤的安全系数和加筋的刚度，而大小敏感于要求达到的安全系数和地基的c u 值。国内一些加筋路堤 的计算结果表明，加筋拉力的方向对安全系数影响小于5 ( 郑祖祯，1 9 8 7 ；郑祖祯，1 9 9 9 ；陈洪江，1 9 9 2 ) 1 6 - ”m 。沈珠江院士( 1 9 9 8 ) ”认为：当土工合成材料加筋具有足够强度时，不可能发生圆弧滑动，唯一可能 的破坏模式是伴随沉降而产生的横向挤出，由于加筋改变了地表剪应力的方向，从而提高了承载力。吴景 海和陈环( 1 9 9 9 ) 2 0 l 认为该方法计算出加筋的拉力与国内外一些工程实测加筋的拉力出入很大。刘吉福等 ( 1 9 9 6 ) “”认为在圆弧滑动分析中还应考虑筋土界面摩阻力对地基应力状态的影响，应力状态用有限元分 析，然后用圆弧滑动分析计算安全系数。徐少曼等( 2 0 0 0 ) 1 2 3 1 认为计算安全系数既要考虑筋土界面的摩阻力， 又要考虑加筋垫层的应力扩散作用，土条底面应力应为地基部分自重应力和附加应力之和，其中附加应力 由弹性力学方法计算。徐少曼( 1 9 9 7 ) 根据若干工程实测资料堤坝下软基加筋土工织物破坏时的应变很小， 一般为4 6 ，在正常工作状态下土工织物的应变更小，而土工织物的极限应变很大，为了充分发挥土工 织物的作用，提出“预应变加筋法”。目前，土工合成材料加固软土地基的极限平衡法限于定性分析，远未 达到实用程度，仍是许多学者研究的热点。 极限平衡法简单、易行，所以设计单位多采用极限平衡法，但是由于极限平衡法需要对加筋、土体、 滑动面做出许多假定，加上人为隔离强度与变形，与实际情况差异较大，导致极限平衡法计算结果精度较 差，只能将极限平衡法看作半经验半理论的方法。通过积累工程经验和进行试验研究、理论研究，对极限 平衡法进行合理的修正，使其更接近工程实际 ( 2 ) 极限状态法 二十世纪8 0 年代在结构工程中开始采用极限状态法，9 0 年代在岩土工程得到应用。在极限状态法中， 一个特点是同时考虑强度和变形，即承载力极限状态和正常使用极限状态：另一个特点是引入风险系数，即 分项系数，来代替整体安全系数。在欧洲，加筋土结构的设计正在从极限平衡法的整体安全系数向极限状 态法的分项系数转变。英国标准b s 8 0 0 6 和欧洲标准e u r oc o d ee n v 1 9 9 7 1 采用极限状态法。在上述标准中， 采用了三类分项系数，分别为：材料分项系数、荷载分项系数、破坏模式分项系数( i n g o l d 1 9 9 8 ；m c g o w n , 1 9 9 8 ；b s i ，1 9 9 5 ；c e n1 9 9 4 ) 2 4 1 - 2 6 1 。 ( 3 ) 数值分析法 数值分析在二十世纪5 0 年代首先应用于飞机制造业，目的是取得精确的计算结果，达到尽量减少机身 的重量。c l o u g h 和w o o d w a r d ( 1 9 6 7 ) 首先将数值分析引入岩土工程领域，分析土坝的应力和位移，计算中 模拟了分层填筑的施工工程，使用的是结构分析中的通用程序。1 9 6 9 年d u n c a n 等人按照非线性弹性模型计 算土坝的应力，并编制了第一个土坝应力和变形的专用计算程序，而d u n c a n - c h a n g 完整的非线性弹性双曲 线模型是在1 9 7 0 年发表的。 2 s l - 【刈 土工合成材料加筋土工程的计算分析是一个十分复杂的问题，涉及到填料、土工合成材料、地基以及 土工合成材料与填料和土工合成材料与地基的相互作用等因素。土工合成材料加筋土的数值分析法主要分 为三类： 将土工合成材料单元与土单元分开考虑，土工合成材料单元与土单元之间设接触面单元： 将土工合成材料与土揉为一体，作为复合材料考虑： 将土工合成材料作为外荷载考虑，直接作用在土单元上，仅有土单元。 土单元、土工合成材料单元、接触面单元采用不同类型的单元和不同的本构关系也构成了有限元法的 区别，土单元主要采用非线性弹性或弹塑性模型，一般都采用比较成熟的模型进行计算，如非线性弹性的 d u n c a n - c h a n g 模型和弹塑性的d r u c h e r - p r a g e r 模型等；土工合成材料单元采用线弹性模型和折线型、双曲线 型、多项式型、幂函数型非线性弹性模型；土工合成材料与土接触面单元常采用无厚度g o o d m a n 单元。 以下是国内外一些学者使用数值分析法对加筋土计算方面的一些成果。a n d r a w e s ，k z 等人( 1 9 8 2 ) p l 】 ”4 对土单元采用d c _ c h g 的e 、u 双曲线非线性弹性模型，土与土工合成材料的接触面单元采用双曲 线非线性弹性摩擦模型，土工合成材料单元采用多项式表示的非线性弹性模型李艳春( 1 9 9 6 ) 【3 ”在土工格 4 第一章绪论 栅与土相互作用的分析中，将土工格栅的纵向肋与横肋分开来考虑，纵向肋起抗拉作用，纵向肋与土的相 互作用采用无厚度g o o d m a n 单元模拟：横向肋起抗挠作用，横向肋与土的相互作用采用两结点单元来模拟。 张道宽0 9 8 7 ) m 1 构造的土工合成材料与土相互作用单元是把两个无厚度的接触面单元和模拟土工合成材 料加筋的拉杆单元揉和在一起，组成了加筋系统有限元分析的离散结构，能够很好地适应大转角和大位移， 满足了大变形的要求。h a r r i s o n l 3 5 1 等人将土与土工合成材料当作复合材料对待，假定土和土工合成材料都 是线弹性的，而复合材料为横观各向同性，有四个参数丫h 、h 、e l l 、b 属于线弹性模型。施祖元用非线性 的横观各向同性模型计算加筋土。乐翠英等( 1 9 8 9 ) 州( 采用横观各向同性模型计算加筋垫层处理油罐地基。 介玉新( 1 9 9 8 ) ”提出等效附加应力的分析方法，把土工合成材料的加筋作用等效成附加应力，当成外力沿 着加筋的方向作用在土单元上，计算中只出现土单元，不出现土工合成材料单元，同时也不存在土工合成 材料与土的接触面单元。 需要指出，不同学者的数值分析分析方法，除了一些相似之外，隐含在公式中的假设有时差别很大， 特别是在模拟非线性、塑性破坏、大变形以及接触面单元时，采用了不同的处理方法和精度等级，从而导 致数值分析的计算结果存在差异。 与极限平衡法相比，数值分析法能计算出土体中各点的位移、应力、应变和应力水平，并且可以模拟 施工过程和考虑复杂的边界条件，弥补了极限平衡法的不足，但是由于数值分析法的参数需要进行复杂的 试验来确定，并且参数的准确直接影响到数值模拟的结果，所以数值模拟分析需要很好的试验参数。 1 1 2 5 加筋路堤研究现状 目前对加筋路堤的研究主要从数值模拟、现场试验以及室内模型试验三方面研究。 ( 1 ) 加筋路堤数值模拟研究现状 j h a n | 4 3 1 等通过数值计算方法研究路基中“桩土一格栅”相互作用，考虑了三个主要影响因素：填土高度、 格栅强度和桩的摸量。研究表明应力集中、格栅的最大应力随着这三个因素的增加而增大。土工加筋中的 应力分布显示出最大应力在靠近桩的边缘。 朱湘i j w 唧l 等考虑了软土层厚度、加筋模量、加筋层数及位置、土与加筋材料间的界面强度、地基强度 和施工速度等因素，利用有限元方法对软土地基上的加筋路堤进行了研究。研究发现，填土的内摩擦角越 大，加筋的效果就越好；在路堤中加入筋材，有利于减小路堤的不均匀沉降：位于路堤中部的格栅对路堤软 土的受力及变形情况影响不大，但是，对路堤局部的强度和稳定性有较大影响。 杨庆刚m 1 等利用非线性有限元程序a b a q u s 分析了加筋前后路堤底部的竖向位移，堤址点垂线下 地基深度的水平位移和地表的水平位移，采用d m c k e r - p r a g e r 模型和c l a yp l a s t i c i t y 模型模拟土体的非线 性，土工格栅用一维杆单元来模拟，不仅考虑了施工期位移，还考虑了工后的固结。通过对加筋层数、 筋材模量、填土高度和软土层厚度等影响加筋效果的因素进行对比分析，计算结果表明：路堤加筋对软 土路基的竖向位移影响不大，但加筋能有效抑制侧向位移的发展，这样可以增大了路堤边坡的稳定性。 杨瑞i 舳1 等人利用p l a x i s 模拟研究老集高速公路碎石桩与土工格栅联合加固高原湿地软路基的机 理。研究表明土工格栅作为水平向增强体，起到类似抗拉膜的作用，对上面的荷载起到侧向约束力效应， 尤其在接近路基底的持力层十分不均匀的情况下，格栅这一作用就显得尤其重要；对于散体材料处理的 路基，铺设土工格栅可以减小路堤尤其是坡脚附近的侧向位移，使得路堤有较好的完整性，但对沉降贡 献较小；土工格栅的存在有效地调节桩土应力，约束桩项鼓状变形并且充分发挥桩间土体承载力。 李炜1 4 7 1 等人通过土体采用邓肯一张非线性弹性模型编制四节点等参元有限元程序，对土工格栅加筋 的软基上路堤进行数值分析，揭示了土工格栅的加筋机理和若干规律，对影响加筋效果的一些影响因素进 行了探讨。研究结果表明：加筋的作用有效地阻止了地基与路堤的侧向移，但对竖向位移影响不大。随着 土工格栅的弹性模量的提高，地基模量的增加，加筋效果更显著。 甘英等人利用a n s y s 有限元程序采用分离式有限元法对未加筋、加一层筋材、加两层筋材等几 种工况下的路堤进行计算分析。研究表明：土工格栅的主要作用在于减少软基和路堤的侧向变形，对竖 向位移影响不大：加筋对水平应力响较大，而对竖向应力影响极小，这与土工格栅抗拉模量大，计算时 土工格栅不考虑抗弯的假设是吻合的；位于路堤中部的土工格栅，虽然可以加强局部强度和稳定性，但 没有明显改善路堤下软土的受力和变形情况。 戴为民1 等利用有限元方法对土工格栅处理桥头跳车机理进行了研究。研究指出，土工格栅分层布 5 东南大学硕士学位论文 置在台背填土内，端部与桥台连接在一起，可以减小台背后一定范围内的填土的垂直应力和水平应力。 合理地布置土工格栅可以使得路基的承载能力、抗变形能力和抗裂能力得到提高。 吴瑞麟删1 等人采用a d l n a 非线性有限元分析软件，对土工格栅处理武黄高速公路武汉市三环线共 线段拓宽路堤变形和应力进行仿真计算和分析，对土工格栅处理拓宽路堤不均匀变形的作用效果进行分 析结果表明，土工格栅对减小路堤不均匀竖向附加变形、侧向位移以及基底不均匀附加应力有显著效 果。 刘俊彦”w 结合秦沈客运专线现场测试及室内模型试验的结果，利用有限元法。分析一层土工格栅、两 层土工格栅和一层土工格室加筋垫层对软土地基变形的控制效果，比较现场试验与室内模型试验中加筋 效果的差异。提出加筋垫层对地基沉降的控制效果与地基土的强度密切相关，当地基土强度太高或太低 时，铺设加筋垫层将显示不出多少效果，尚未发现其使用范围：同时，加筋垫层对地基沉降的控制效果 还与尺寸效应有关，在实际应用中，可将加筋垫层的尺寸加大，以提高加筋垫层的抗弯强度及其对地基 沉降的控制效果。 钱劲松i ，“等人运用通用有限元程序a n s y s ，对软弱地基上路堤加筋的作用和效果进行了三维有限元分 析计算中采用d p 模型模拟土体的材料非线性，采用面一面接触单元考虑筋土界面的状态非线性，并采用 薄膜单元来模拟土工格栅通过对相关参数的敏感性分析，证明了土工格栅模量对加筋效果有显著影响，并 且加筋位置靠近路堤底部时更能发挥加筋性能；证明了在土体发生显著侧向变形时土工格栅能够发挥抗拉 效果，从而限制土体侧向变形和路堤外侧土体的隆起，达到减小沉降和不均匀沉降的效果。 顾长存“1 等采用通用非线性有限元a b a q u s 程序分析了加筋前后路堤的竖向位移和侧向位移。作者 采用d r u c k e r 2 p r a g e r ( d 2 p ) 理想弹塑性本构模型模拟路堤填土和淤泥质黏土，用修正的剑桥模型( c l a y p l a s t i c i t y ) 模拟粉质黏土，用一维杆单元模拟平面应变下的土工格栅筋材，采用a b a q u s 中的界面约束 ( c o n s t r a i n t s ) 命令，使用嵌入区域来处理( e m b e d d e dr e g i o n ) ，土工格栅作为嵌入区域fe m b e d d e dr e g i o n ) 嵌入 到路堤中去，路堤作为主区( h o s tr e g i o n ) 。分析结果表明，土工格栅加筋能有效地降低路堤的竖向位移和水平 位移。 孙献国”1 利用f l a c - 3 d 有限差分软件对粉喷桩与土工格栅联合加固地基进行数值模拟，探讨联合 加固后地基的位移场、应力场的变化规律，并于实际监测分析对比。研究表明利用该软件模拟的结果与 实测数据很吻合；采用联合加固法可以限制侧向位移，增加路堤的稳定性，减少不均匀沉降，便于快速 施工。模拟中土工格栅采用c a b l e 单元不能较好的模拟加筋土层的应力扩散作用，对土工格栅模型的选 用欠妥，值得进一步研究。 ( 2 ) 加筋路堤现场分析研究现状 高翔一。在他的博士论文中研究了土工格栅在高速公路新老路拼接段不工铺设位置、铺设层数、加筋 摸量对路基的影响，研究表明采用单层底部加筋可以减少不均匀沉降，而中部加筋对不均匀沉降影响不大， 但一定程度上可以增加路基的稳定性；加筋层数的增加，对加筋效果改善并不是很明显。 杨锡武1 以渝长公路上的加筋路堤为依托，对不同布筋方案的加筋路堤陡边坡的变形性态进行了研 究。研究得出，加筋路堤边坡与不加筋路堤边坡均在路堤高度的1 ，3 ，l 2 出现最大侧向变形，在此范围内增 加筋材的数量能有效地减小路堤的侧向变形和增加路堤的稳定性。 胡幼常”1 等针对一段双向土工格栅试验路堤，在不同层间距工况下均匀布设土工格栅，通过测定现 场试验段路基的回弹模量，研究加筋层间距( 对应不同层数) 对回弹模量的影响规律。研究发现双向土 工格栅加筋路堤的回弹模量随加筋层间距减小而提高，而提高的幅度随层间距的减小而降低。所以，建 议采用合理层间距，对具体间距大小的研究尚缺进一步探讨。 臧继成p ”等人对土工格栅处理填挖过渡段路基不均匀沉降进行了实体试验研究，研究表明铺设土工 格栅可以减少路基不均匀沉降：通过实体工程的观测分析，过渡段埋设土工格栅后，其路堤部分的沉降 在完工后1 5 0 天左右已经接近最终沉降的9 5 - - 9 7 ，此后残余沉降已很小，建议在条件允许下，路面 铺筑安排在1 5 0 天后施s e ；对填挖交界过渡段的工后容许沉降值建议按所处部位的不同而作不同规定， 不应统一为一个定值，建议今后在修订有关规范时考虑到这一点。 孙献国p ”等人针对黄河冲积区修建的某高速公路桥头高填土路段地基处理，通过粉喷桩与土工格栅 联合加固某高填土路基的现场试验情况，分析测试结果，探讨了土工格栅的作用机理：经粉喷桩与士工 6 第一章绪论 格栅联合加固后的路堤，桩顶和桩间土的沉降量大致相同，说明了土工格栅充分发挥了扩散和调整应力， 协调桩土变形的作用。研究还发现土工格栅对调整和再分配、提高路基抗变形、抗剪切能力发挥了重要 作用。 李李年9 ”通过工程实例介绍了铺设土工格栅对于沉降、水平位移等方面的良好的调节作用。研究表 明：加筋地基具有较高的应力扩散作用、侧限作用及调整应力分布的能力，可明显减少地基沉降变形、 减小差异沉降、充分发挥原状土的承载力和自身的抗拉能力。 陈惠明哪j 针对2 0 4 国道盐城北段的改建工程的软土地基采用土工格栅加粉煤灰综合处理，通过极限 承载力研究了土工格栅与粉煤灰综合处理软基时的设计，同时还与换填处理方法从经济上进行了对比分 析，研究表明铺设土工格栅处理软土地基缩短了工期，减少了施工费用，提高经济效益。 李建才p ”等人结合沈阳至大连高速公路改扩建工程，采用土工格栅防止新老路联接等部位产生的不 均匀沉降，并介绍土工格栅设计的一般方法，铺设工艺流程和施工要点。 赵志忠1 6 0 1 对用土工格栅来处理路基填挖交界处，对土工格栅具体的施工进行了研究，研究了土工格 栅的铺设范围、锚固的长度，铺设的层数及位置，并建议预先给格栅产生2 0 0 - 4 的伸长。但是缺乏对各 种影响因素的对比研究，缺乏说服力。 ( 3 ) 加筋路堤室内模型试验研究现状 s m u r u g s a n l 4 2 1 等利用室内模型试验，对不同土工格栅加筋红土路堤与未加筋路堤在荷载作用下的沉 降、坡面侧向位移情况进行了研究。研究表明在一定的荷载限度范围内，加筋路堤与未加筋路堤的沉降没 有明显差别；但是随着荷载的逐渐增大，未加筋路堤会发生突然破坏，而加筋路堤则表现为沉降速度加快， 路堤逐渐破坏；加筋路堤的承载能力约为未加筋路堤承载能力的1 5 倍。研究还指出由于加筋材料土体的约 束作用，使得边坡坡面的侧向位移减小，并且加筋路堤在坡面发生很大变形时仍没有破坏的迹象，这表明 加筋路堤承受变形的能力比未加筋路堤要大。 黄琴龙1 6 lj 等通过室内模型槽模拟研究新老路基不协调变形的控制。提出通过在路基底部预填水溶性化 肥硫酸铵，然后再注水溶解造成路堤脱空的方式来模拟新老路基间的不均匀变形，研究表明这是一种较为 理想的室内模拟方法；研究还发现在路基中采用高强度土工格栅可以有效地降低路基中的土压力，减少新 老路基之间的不协调变形，并且发现差异沉降越大，加筋效果越明显。 1 3 存在的问题 通过上面的析，土工格栅处理过渡段路基还存在着以下一些问题，值得进一步的解决，本文将围绕这 些问题开展研究。 ( 1 ) 数值模拟参数的准确性 采用土工格栅进行软土地基处理时，铺设土工格栅能否有效减小地基沉降量，目前尚有争议，有的人认为 格栅不具有抗弯能力，因此不能降低地基中的竖向应力，对地基的最终沉降量不会有较大的影响【6 2 1 ；然而，更 多的人通过室内试验和现场试验都确实说明了土工格栅加筋能够减少地基沉降，是一种非常有效的加固方 法1 6 m 畔i 。本文认为，任何一种地基处理方法都有其适用范围，土工格栅对地基沉降的控制效果与地基土以 及路基土的强度密切相关，当地基土强度太高或太低时，铺设土工格栅将显示不出多少效果，只是尚未发现其 适用范围，因此，室内试验提供的参数的准确性直接影响到数值模拟的结果。 ( 2 ) 筋材选择的任意性 另外，加筋路基设计中还存在选择筋材往往凭经验，选择材料参数过于保守等问题，而事实上加筋材 料的刚度和强度往往比设计取值要大得多等问题，导致大量浪费。例如，使用对于单条拉伸还是宽幅拉伸 的结果，选用2 应变时格栅的模量还是破坏应变时格栅的模量对模拟的效果都有很大影响。还有格栅种类 繁多，每种格栅有各自的特点，有双向的还有单向的，针对过渡段这个特殊的工程情况，单向比较适宜； 同样格栅还有不同质地、不同厚度等。对这些因素的分析很有必要性，目前已有人对这些因素的影响进行 过研究，但对于过渡段这个特殊工程环境，格栅材料的选择值得具体研究。 ( 3 ) 缺乏系统的过渡段路基中格栅的设计方法 目前对影响格栅在路基中铺设效果的众多因素( 路堤填高，格栅位置等) 已经有零散的研究。然而，对 这众多因素影响系统的分析，进一步提出一套过渡段土工格栅铺设的方法的研究将是本文的研究重点。 7 东南大学硕士学位论文 1 4 研究的目的、内容 1 4 1 研究目的 本文以江苏省宁杭高速公路等工程为依托，以新建公路的填挖路段、河塘地段和地基处理的过渡段地 基为研究对象，通过现场试验、室内模拟、数值模拟等方法，研究过渡段地基上路基的变形响应，深入研 究过渡段路基中土工格栅作用效果，从而提出一套实用可行的设计方法。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 室内模型实验及数值模拟准备工作 取现场原状土，通过室内常规土性试验( 颗分、比重、含水率、容重、液塑限、固结、渗透、三 轴) 为数值模拟提供土性参数； 现场补充勘察为数值模拟提供现场土层分布情况； 通过室内筋条试验为数值模拟及室内模型实验提供格栅的相关指标； 通过筋土接触面实验为数值模拟及室内模型实验提供接触面的相关参数。 ( 2 ) 开发室内模型试验槽和相关测试设备，通过室内模型试验模拟地基差异沉降下的各种格栅铺设 工况，分析比较各种工况下( 铺设与不铺设，铺设上部、中部还下部) 格栅的铺设效果。 ( 3 ) 用f l a c 模拟模型试验的各种工况，并与模型试验的结果进行对比分析，验证改软件模拟的合理 性。 ( 4 ) 进一步使用f l a c 模拟现场，通过分析土工格栅不同铺设范围，布置位置以及格栅材料的选择对 过渡段路基坡降差的影响规律，得到种过渡段路基中土工格栅的实用铺设方法。 1 4 3 技术路线流程图 8 第二章宁杭高速公路典型过渡段分析 第二章宁杭高速公路典型过渡段分析 目前，国i 勾# 1 - 对如何消除桥头过渡段和不同地基过渡段的差异沉降，以达到消除“桥头跳车”的研 究较多，形成了各钟处理方法。每种处理方法都有它的适用范围，因而本章将首先介绍宁杭高速典型过 渡段的形式，