（岩土工程专业论文）土工格栅与昔格达填土相互作用机理研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 摘要 昔格达是一种广泛分布于西攀地区的性质特殊的岩层。正在修建的西攀 高速公路中有近百万方的昔格达弃土，若能将其有效地利用，将产生显著的 经济效益。土工格栅是一种强度高、延性小、抗老化的新型土工合成材料， 用于路堤填土中，可有效地提高路堤的强度，降低其沉降量。目前，对土工 格栅作用机理的理论研究落后于其工程应用，而对昔格达填土来说，则几乎 是空白的。本文的目的就是通过试验和有限元分析等手段对土工格栅与昔格 达填土相互作用机理进行研究，为设计和施工提供依据。 论文首先分析介绍了土工格栅与填土相互作用的理论和分析方法，总结 了国内外筋一土相互作用机理的研究成果。为进行试验，作者研制了一台直 剪一拉拔试验仪，并利用本设备分别进行了5 组直剪试验和4 组拉拔试验， 确定出格栅与昔格达填土界面的摩擦角、摩擦系数和粘聚力等材料设计参数， 并探讨了填土压实度、格栅形式对筋一土界面抗剪强度的影响。 为进一步研究土工格栅与填土相互作用机理，应用a n s y s 程序对土工格 栅拉拔试验进行了数值模拟。计算中，将土体看作符合d r u c k e r p r a g e r 准 则的弹塑性材料，采用八结点单元模拟填土及土工格栅，并采用面一面接触 单元模拟格栅一土界面。为研究横肋位置等因素对拉拔试验的影响，计算了6 种不同形式的格栅，结果表明：数值计算结果与拉拔试验结果吻合较好；有 横肋格栅较无横肋格栅抗拉拔力提高显著；横肋位置对抗拔力影响较小，对 格栅位移影响较大。横肋距拉拔端越近，格栅位移越小。 关键词：昔格达；土工格栅；直剪试验；拉拔试验；有限元；接触单元 西南交通大学硕士研究生学位论文 第| | 页 a b s tr a c t x i g e d ai sad i s t i n ds o f tr o c k d i s t r i b u t e dw i d e l yi n ) ( i c h a n ga n dp a n z h i h u a ， s i c h u a n ，p r c n e a r l yo n em i l l j o nc u b i cm e t e f so fx i g e d as p o i la r eb m u g h to u t i ne x c a v a t j o ni nt h eb u i l d i n gx i c h a n g - p a n z h i h u as p e e d w a y i tw i l ln l ；l k e c o n s i d e r a b l ee c o n o m i cb e n e f i t si ft h es p o i lc a i lb eu t i l i z e di nt h ee n 百n e e r i n g 舡 w ek n o v qt h eg e o g r i dp l a c e di ne a n h6 uc a ne n h a n c et l l es t r e n g t l lo fr o a d e m b a n k n l e n t sa n dr e d u c et h es e t t l e m e n td u et oi t sh i g hs t r c n 舀h ，l o wd u c t i l i t y m o r e o v e r ，i t sa 舀n gr e s i s t a n c ei sh 培h ( r r e n t l y ；t h o u g hg e o g r i dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ， t h er e c o g n i t i o nt oi t sm e c h a n i s mi sd e f i c i e n t e s p e c i a l l y ，t h e r ei sn op r e c e d e n tf b r t h ea p p l i c a t i o no fg e o g r i di x i g e d ae a r t ha 1 1 t h ea i mo ft h i st h e s i si st or e s e a r c h t h em e c h a n i s m0 fi n t e r a c t i o nb e t 、：l r e e ng e o g r i da i l d ) ( i g e d as o i lw i t hl a b o m t o r yt e s t a n dn u m e r i c a ls i i i l u l a t i o na n do b t a i nt h em e c h a l l i c a lp a r 锄e t e r st os a t i s f yt h e d e m a n d si nd e s i g na n dc o n s t m c t i o n i nt h et h e s i s ，f i t s t l y ，t h ea c h i e v e m e n t sc o n c e m i n gi n t e i a c t i o no fg e o 酽i da n d s o i l a r es u m m a r i z e da i l da n a l y z e d a na p p a r a t u sf o rd i r e c ts h e a ra n dp u l lo u tt e s t d e s i g n e d b yt h ea u t h o ri sm a n u f a c t u r e d w i t ht h ee q u i p m e m ，f i v eg r o u p so fd i r e c t s h e a rt e s ta n df b u rg i o u p so fp u l lo u tt e s ta r ec a r r i e do u ta n dt h es t r e n g t h p a r a m e t e r so ft h ej n t e d l a c eb e t w e e ng e o g r i da n dx i g e d as o i li c l u d i n gf r i c t i o n a n 寸e ，c o h e s i o na r ed e t e 珊i n e d a l s o ，t h ei n f l u e n c e so fc o m p a c t n e s s ，t r a n s v e r s er i b o fg e o g r i dt os h e a rs t r e n g t ho fi n t e r f a c ea r ea n a l y z e d f 1 l r t h e 彻o r e ，af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h ep r o c e s so fp u l io u t 钯s ti s p e r f o 珊e dw i t ha n s y s t 0r e c o g n i z em e c h a n i s mo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 g e o g r i da n dt h es o i l e l a s t o p l a s t i ci 玎o d e lf o n o w i n gd r u c k e 卜p r a g e rl a w a n d e l a s t i cm o d e ia r ee m p l o y e df o rt h es o i la n dg c o g r i dr e s p e c t i v e l y 。h e x a h e d r a l e l e m e n ti sa d o p t e df o rb o t hs o i ia n dg e o g r i d 7 n l ei n t e r f a c e sb e t w e e nt h es o i la n d g e o g r i da r es i m u l a t e dw i t hc o n t a c te l e m e n t s i xg e o g r i dw j t hd i f f e r e n tl o c a t i o no f t r a n s v e f s er i ba r ec a l c u l a t e df oa n a l y z ee 丘- e c t so fr i b t h ec o m p u t a f i o n a lr e s u l t s s h o wg o o da g f e e m e n tw i t ht h et e s tr c s u l t t h e 曲c 锄e n h a i l c ct h ep u no u t c a p i b i l j t yo fg e o g r i da n di t s1 0 c a t i o nh a sl e s se f f e c to nt h ep u l lo u tc a p a b i l i t ya n d m o r ee f f c c t so nt h ed i s p l a c c m e n to fg e o g r i d t h ec l o s e rr i bi sn e a rt h ep u l lo u te n d ， t h el e s st h ee n do fg e o g r j dd i s p l a c e s k e y w o r d ：g e d a ；g e o 鲈i d ；d i r e c ts h e a r t e s t ；p u uo u tt e s t ；f i n i t ee l e m e n t ； c o n t a c te l e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 。1 昔格达组地层概述 第1 章绪论 1 1 1 昔格达组地层的形成 四川西部攀枝花、珏昌地区广泛分布着第四纪早期静水湖相沉积物 昔格达组地层。昔格达组地层主要是由浅黄色、肉红色、灰黑色粘土层与浅 黄色细砂层呈韵律相互组成，并以浅黄色粘土层和细砂层互层为主，层理清 晰，产状平缓，遇水易软化成土，是种工程性质较差的极软岩。 中新世以来，由于印度板块和太平洋板块相互挤压，现青藏高原及周边 地区的古海逐渐生成陆地。在近亿年的地质历史中，青藏高原在隆起过程中 出现几次间歇期，由于抬升的不均匀和地形差异的影响，在青藏高原内部和 周围，形成许多古湖。自第三纪以来，伴随青藏高原隆起速度的加快，上升 到足够高度，受其阻隔，来自印度洋的水汽数量大幅减少，在西攀地区，由 于日照强，蒸发量大，古湖水量不能保持均衡，汇入量小于蒸发量和流出量， 最后古湖死亡。受汇入古湖的物资不同及古湖地形的不同、沉积过程中气候 的变化和固结历史的差异等因素的影响，造成了昔格达地层岩性的差异，在 不同地段、不同深度的昔格达地层的岩性变化较大。同时，由于其沉积、固 结历史的特殊性，昔格达地层的岩性介于岩石与土之间。 1 1 2 昔格达组地层的地质特征 调查结果表明，昔格达地层北起汉源，南至攀枝花，西界盐源，东临布 托，呈南北向不连续条带状、片状分布，约有4 万k m 2 ，其主要集中区域为： 金沙江中游的华坪至渡口( 攀枝花) 段，大渡河流域的九袭至富林段，雅砻 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 江下游地区盐边至雅江桥河段，安宁河的西昌至米易河段。1 。 最典型的昔格达剖面位于攀枝花市( 原渡口市) 盐边县红格乡昔格达村， 此处昔格达剖面厚约2 4 8 m ，昔格达地层即以此命名。依据沉积物颜色，地质 学家将昔格达组划分为下部“灰色层”和上部“黄色层”。昔格达村剖面“灰 色层”厚1 0 2 m ，为灰绿色，由灰色粉砂岩、粘土质粉砂岩和粉砂质粘土岩组 成，其顶部为后期河流阶地砂砾石所覆盖。“黄色层”厚约1 3 8 m ，主要为灰黄 色、灰白色粉细砂岩、粉砂质粘土岩和粘土岩，顶部地层由于后期发生侵蚀 导致缺失。整个昔格达村剖面粒度曲线可以分为上下两段：上部1 0 0 m 沉积物 主要为厚层粉砂质粘土岩与厚层粉细砂岩互层；下部约1 4 8 m 沉积物主要为中 厚层粉细砂岩与薄层粘土岩互层。 昔格达组可分为粘土岩、砂岩( 也可细分为：泥岩、页岩、粉砂岩及细 砂岩等) ，其粘土岩较致密，砂岩较疏松。粘土岩矿物成分以伊利石为主( 含 量达6 6 8 2 ) ，高岭石、绿泥石次之，石英、针铁矿少量；砂岩的矿物成 分主要为斜长石，少量方解石、石英、黑云母、绿帘石、角闪石和磁铁矿等。 粘土泥岩有微细层理，浸水后容易崩解成鳞片状：砂岩呈半胶结状，胶结物 为泥质或钙质，p h 值一般为8 7 8 8 “1 。 1 。1 。3 昔格达组岩的工程性质 在上世纪3 0 年代，我国地质学家常隆庆先生就对昔格达地层进行了研究， 其后很多地质工作者也投入到对昔格达组地层的研究中，他们的研究主要围 绕昔格达地层的地质环境、地质历史以及我国西南地区古气候变化的影响等 方面。在工程上对昔格达地层的研究始于上世纪6 0 年代，当时国家大规模建 设攀枝花，昔格达地层的工程性质开始引起重视，但由于早期认识的局限性， 导致部分工程在建设过程中或建成后因昔格达地层发生滑坡等地质灾害而给 国家和人民生命财产带来重大损失，对昔格达的认识是在付出重大代价的基 础上不断深化的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 昔格达地层属半成岩地层，性质介于岩、土之间，其裂隙较发育，遇水 易软化，具有弱膨胀性，但其膨胀收缩均较小，各项指标均未达到膨胀岩( 土) 指标，不属于膨胀岩( 土) 。昔格达岩石的孔隙率较高，一般为3 7 4 9 ； 天然密度变化较大，在1 7 0 2 3 0 9 c m 3 之间，比重多在2 7 0 2 7 5 之间。 昔格达岩层的天然极限抗压强度范围值较大，主要受风化程度、含水量等影 响。弱风化的昔格达岩层的抗压强度多在1 0 2 o m p a 之间，最高达3 4 9 m p a ， 属极软岩范畴：在饱和状态下强度较低，这与岩石的胶结程度弱和遇水崩解 快的特征相吻合。1 。 1 。2 本论文的主要研究内容 国道主干线1 0 8 线西昌至攀枝花高速公路是交通部规划的八条西部大通 道之的甘肃至云南磨憨口岸公路的重要组成部分，是四川省高速公路网中 的主干线之一，也是四川到云南昆明的主要通道。公路经过的大部分地段与 有“地质博物馆”之称的成昆铁路平行，地质条件十分复杂，公路沿线大部 分路段位于度高烈度地震区。在公路初步设计时，已注意到沿线昔格 达土分布情况，并在选线时进行了绕避，但由于在仅有的安宁河谷走廊内， 成昆铁路已占据了地质条件较好的一岸等因素，线路仍不同程度地分布于昔 格达地层上。据不完全统计，西攀高速公路沿线共开挖近百万方的昔格达岩， 如果利用昔格达地层作路基的填料，可以节省建设投资，也为西攀地区乃至 其余地区昔格达填土的应用积累经验。试验结果表明，路基填料的工程性质 取决于其原岩，其中源于砂层的填料工程性质较好，粘土层的则较差。由于 土工格栅能有效的分配荷载，约束侧向变形，提高路基强度，限制不均匀沉 降，提高路基的稳定性，因此在西攀高速公路中，以c 2 合同段k 4 9 + 7 6 0 k 4 9 十8 2 0 段为试验段，以昔格达地层作为路堤填料，以土工格栅作为加筋材料， 对昔格达填土的应用进行探索。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 目前，对昔格达填土与土工格栅间相互作用的研究几乎是空白的，缺乏 对其作用机理的了解，并缺少设计所需的基本材料参数。本论文结合交通部 西部交通建设科技项目“昔格达组地层路基土工格栅材料应用研究”，通过 直剪和拉拔试验，确定相应的力学参数，并结合数值计算研究土工格栅与昔 格达填土的相互作用机理，为设计、施工等提供依据。 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 通过直剪试验和拉拔试验研究土工格栅与昔格达填土之间的相互作 用，确定土工格栅与昔格达填土界面的摩擦角、摩擦系数、粘聚力等设计所 需的力学参数。 ( 2 ) 采用有限元方法对拉拔试验过程进行模拟，研究格栅受力变形规律 及横肋位置等因素对拉拔力的影响问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章格栅一土相互作用的研究现状 2 1 土工合成材料及其应用 土工合成材料是由高分子聚合物，如聚乙烯( p e ) 、聚酯( p e r ) 、聚酰 胺( p a ) 、聚氯乙稀( p v c ) 、聚丙烯( p p ) 等，制作的各种类型土工织物 ( g e o t e x t i l e ) 、土工薄膜( g e o m e m b r a i l e ) 、士工格栅( g e o g r i d ) 、土工网 ( g e o n e t ) 、土工席垫( g e o m a t ) 等的总称。 土工合成材料的最早应用可追溯到二十世纪二、三十年代，美国垦务局 将聚乙烯、聚氯乙烯土工膜应用于渠道和水池的防渗。随着合成纤维工业的 发展，5 0 年代末期合成纤维材料在土木工程中广泛应用，1 9 5 8 年美国佛罗里 达州将土工织物铺在海岸块石护坡下作为防冲垫层，一般认为这是应用现代 土工织物的开端。 土工合成材料在我国的应用始于6 0 年代中期，首先是塑料薄膜在渠道防 渗方面的应用，较早的工程有河南的人民胜利渠、陕西的人民引渭渠、北京 的东北旺灌渠和山西的几处灌区，主要原料是聚氯乙稀、少数是聚乙烯，薄 膜厚o 1 2 o 3 8 m ，效果良好，以后推广到水库、水闸和蓄水池等工程。1 9 6 5 年桓仁水电站为了防治混凝支墩坝的裂缝漏水，用沥青聚氯乙稀热压膜锚 固并粘贴于上游坝面，取得了良好的防渗效果，这是我国利用土工合成材料 处理混凝土坝裂缝的首例。1 9 7 9 1 9 8 0 年，宁夏石嘴山市修建了一座容量 为2 5 万一的蓄水池，采用厚度为o 1 m m 的聚氯乙稀薄膜防渗，运用多年，效 果良好4 1 。8 0 年代初期应用针刺织物防治铁路路基翻浆冒泥病害的试验工程 之后，土工合成材料的应用在我国迅速发展，相继在高速公路、机场、铁路、 水库、海岸工程、地基处理、抗洪防灾、环境工程等工程中应用”1 。 水库、海岸工程、地基处理、抗洪防灾、环境工程等工程中应用”“”。 西南交通大学硕士研究生擎位论文 第6 页 2 2 土工格栅及其应用 土工格栅是国外8 0 年代开发的一种新型土工合成材料，是聚丙烯或聚乙 烯高分子聚合物在一定温度下，经过压延、冲孔、纵向拉伸( 使高分子聚合 物的分子链定向排列，达到提高其抗拉强度的目的) 、冷却定型等工艺过程制 作而成的片状网状结构物。根据材料的不同，分为塑料土工格栅、涤纶纤维 经编土工格栅和玻璃纤维经编土工格栅等类型。其中，塑料土工格栅的应用 更为广泛。3 。 2 2 1 土工格栅的特性 ( 1 ) 结构特性 土工格栅呈网状结构，由纵肋及横肋组成，具有较高的拉伸强度和较低 的伸长率，结点处厚度较大，对土料颗粒具有侧向阻力作用。它的栅肋较粗， 强度高，不易发生网眼断裂，抗冲击性强，能大大提高抗尖石刺破能力；网 孔稳定性好，对粗粒土有较强的嵌锁作用及拱效应，增大了土工格栅与填料 的剪切阻力，尤其是双向土工格栅，具有与台球框相似结果的特点，能与土 体颗粒形成非常有效的咬合和嵌圈作用，形成网兜效应，其加筋整体效果更 加明显。 ( 2 ) 力学特性 由于制造过程中经过了定向拉伸，使聚合物的长链碳氢原子沿拉伸方向 重新排列成一直线，因此大大提高了土工格栅拉伸强度( 比未拉伸前可提高 5 1 0 倍) ，而伸长率却仅为原板材的1 0 1 5 。 ( 3 ) 耐候性及耐久性 土工格栅的主要原料是聚乙烯或聚丙烯，其中加有稳定剂、抗氧剂、紫 外光屏蔽剂等，使土工格栅耐酸、碱、盐等腐蚀，并具有优异的耐候性和长 期稳定性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 4 ) 施工特性 土工格栅是一种质轻且有一定柔性的平面网材，易于现场裁剪、连接( 可 用聚乙烯绳或连接棒连接) ，也可重叠搭接，便于现场组装成所需构造形状。 此外土工格栅在施工过程中折曲影响小，施工简单，不需要特殊的施工机械 和专业技术工人。 2 2 2 土工格栅的作用 ( 1 ) 加筋作用 土工格栅具有很高的抗拉强度和张拉模量，因此能将荷载和应力均匀地 扩散到较大的面积范围内。对于软弱地基而言，可大大减少作用于软基上的 荷载压力，防止地基破坏、过大的沉降和不均匀沉降。对于填土边坡而言， 可防止边坡表面的滑塌和增加边坡的稳定性。对于沥青结构层而言，可大大 减轻沥青结构层产生的徐变作用，最终达到防止沥青路面开裂的目的，同时 由于土工格栅对压力具有均匀分散性。也可大大减小沥青面层的车辙深度。 ( 2 ) 压实作用 由于格栅的刚度大，强度高，其网孔对土颗粒有嵌锁作用，阻止因压实 荷载作用而引起的局部位移变形，从而加强了颗粒材料的压实作用。 ( 3 ) 抗变形作用 当非均布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布荷载的适应性较好并将其均布传递。 ( 4 ) 排水作用 土工格栅的网状结构可使孔隙水压力更快地消散，这对于粘性土地基的 加固具有重要的作用。1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 土工格栅与土的相互作用机理研究 把土工格栅沿主应变方向铺设于土体中，由于格栅与土体的相互摩擦作 用以及格栅网眼所具有的特殊的嵌锁、咬合作用，限制其上下土体的侧向变 形，提高加筋土的抗剪强度，增强土体的稳定性。对于没有网孔结构的加筋 材料，筋材与填土表面发生相对剪切变形，其与土的摩擦力仅仅产生于土与 筋材的接触界面处。而对于具有网孔结构的土工格栅，格栅的阻力来源于： ( 1 ) 格栅表面与土粒的摩擦作用； ( 2 ) 土颗粒对格栅肋的被动阻抗作用； ( 3 ) 格栅孔眼对土的嵌锁与咬合作用。 这三种作用均能充分约束土颗粒的侧向位移。同时也使土工格栅在土中 的抗拔能力有明显提高。其中，土工格栅与土之间的表面摩擦力与其它平面 条带型筋材相同，而格栅与土颗粒之间的咬合力则区别于其它条带式加筋材 料，也是土工格栅优越性的体现。 下面用摩擦加筋理论来解释，如 图2 1 所示：取加筋土中微段讲， 拉筋左截面受力为正，右截面受力为 l ，拉筋法向应力为o ，略去微元体 的重量。设由土的水平推力在该微段 中所引起的拉力为d 丁e 正一l ，土料 与拉筋之间的摩擦系数为r ( ，= t a l l 口) b 为拉筋的宽度，设抒 为土粒与拉筋在该微元段产生的总 摩擦力，则有d f = 2 0 仍讲，如果 d f d 7 1( 2 1 ) 则筋一土之间就不会产生相互滑动。 l l g !f 图2 1 摩擦加筋原理示意图 即土的水平推力被筋一土之间的摩擦力 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 所克服，微元体保持稳定，反之不能保持稳定。 拉筋表面的切向剪应力可用下式表示： d r f _ 2 6 珊 ( 2 2 ) 式中符号意义同前。 摩擦加筋理论概念明确、简单，因此在加筋土工程中得到较广泛的应用。 2 4 土工格栅与土相互作用研究现状 2 a 1 筋一相互作用的试验研究概述 在加筋土工程中，筋一土界面作用特性直接决定加筋工程的内部稳定， 因此筋一土界面力学特性及相互作用机理对实际工程具有重要意义。目前， 筋一土相互作用的试验研究以直剪试验和拉拔试验为主。 c h a n d a ng h o s h “”( 1 9 8 8 ) 等利用拉拔试验研究表明，土工布与砂的摩擦角 随法向应力增大而减小，其界面平均摩擦角约等于三轴试验测定的砂的内摩 擦角。 r a g u if w i l s o n “”( 1 9 9 4 ) 等利用拉拔试验对拉拔力作用下砂中土工格栅 的行为进行了研究。土工格栅在拉拔力作用下表现出三种破坏形式：格栅被 拔出、拉断以及格栅纵肋与横肋之间联结发生破坏。研究结果表明，土工格 栅受拉方向的拉伸性能、横肋的柔韧度以及纵横筋肋之间联结传递荷载的能 力对土工格栅的拉拔性能的影响显著。 台湾学者r h c h e n “”( 1 9 9 4 ) 对土工格栅和土工织物与砂性土、粘性土的 直接剪切试验和拉拔试验的结果表明：当上覆压力很小时，只要很小的拉拔 位移，拉拔摩阻力即达到极大值。增加上覆压力，土工格栅破坏时的拉拔位 移随之增加。格栅滑动或拔出时受到的阻力大小与很多因素有关，如土粒之 间的粘聚力、格栅表面光滑程度、格栅的应变值等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 周志刚等“”( 1 9 9 7 ) 利用直剪试验对土工格栅与土之间的界面性能进行研 究。结果指出，基于d u n a n c h a n 模型而提出的双曲线模型不能完整地描述 土与土工格栅界面的剪切特性，而南京水利科学研究院所提出的推广双曲线 模型则能很好的体现筋一土界面的剪胀现象，并提出界面残余抗剪强度与抗 剪强度之比的参数同正应力之间的指数函数关系式。同时通过对红砂岩风化 士、砂卵石、黄土与土工格栅之间直剪试验结果的对比发现，增大土体中粗 颗粒含量，对改善界面抗剪强度指标和界面残余抗剪强度指标有利。 s h i g e n o r ih a y a s h i “”( 1 9 9 9 ) 等利用土工格栅在密实砂砾中的拉拔试验， 对土工格栅与土界面上的应力分布情况进行了研究。结果表明：在法向应力 较小时，土体会发生膨胀；土与格栅界面上的法向应力增加，格栅的抗拔力 有所提高。 吴景海等“”( 1 9 9 9 ) 对五种不同的土工台成材料加筋砂土进行了直剪试验 和三轴试验，研究结果表明：土工合成材料加筋砂土具有准粘聚力，加筋砂 土符合m o h r c o u l o m b 理论。无纺土工织物、双向土工格栅和土工网加筋砂 土的摩擦角与纯砂的摩擦角基本相同：而经编土工格栅、玻璃纤维土工格栅 加筋砂土的摩擦角与纯砂的摩擦角不同。无纺土工织物、双向土工格栅和土 工网加筋砂土破坏由加筋的纵、横向筋条结点的抗剪强度控制。在加筋砂土 中，砂土能限制土工合成材料的侧向收缩，使土工合成材料的抗拉模量增加， 且砂土对各种土工合成材料侧向收缩约束作用程度是有差异的。 s m u r u g e s a n “7 1 ( 2 0 0 3 ) 等利用直剪试验对不同形式的格栅与不同土之间 的剪切性能进行了研究，其结果表明，格栅网孔的大小对格栅与土之间的剪 切性能有很大影响，同种格栅与不同土之间的剪切强度由大到小依次为砂、 红土、粘性土。 张波等“”( 2 0 0 5 ) 通过对高液限粘土与聚丙烯土工带的直剪试验和拉拔试 验，研究了粘土与筋带界面相互作用的特性。结果表明：筋一土之间的剪应 力随着垂直压力的增大而增大，但增加率逐渐减小，筋一土之间的剪应力收 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 敛于某一上限值；由于加筋材料在试样制作过程中不可避免地在土中发生凹 凸变形，使土体对筋带产生一定的锚固作用，拉拔试验所测得的摩擦系数和 粘聚力小于直剪试验所测得的摩擦系数及粘聚力。 2 4 2 有限元计算方法模拟筋一土界面相互作用研究概况 有限元计算方法模拟筋一土界面相互作用的研究工作开始于2 0 世纪8 0 年代，到了上世纪9 0 年代，取得了更多的研究成果。 h a r r i s s o n ( 1 9 8 2 ) 。”将土与土工合成材料看作复合材料，假定复合材料 为各向同性，而且土与土工合成材料的本构关系都是线弹性。 李春艳等。”( 1 9 9 4 ) 在有限元计算中，利用弹簧单元模拟筋一土之间的相 互作用，分析研究了格栅的受力变形特征，指出土工格栅纵肋的拉伸特性和 横肋的抗挠刚度是土工格栅结构中影响荷载分布的主要因素。 周志刚。”( 1 9 9 5 ) 考虑软土非线性力学特征，对土工格栅加筋结构的作用 机理进行有限元分析，其中采用八结点等参单元模拟土体，薄膜单元模拟土 工格栅，g 0 0 d m a n 接触面单元反映土工格栅与上下填土间的相互作用，采用 增量法模拟加筋土结构。结果表明：土工格栅的扩散作用和约束作用改变了 软土地基上部填料层的受力形态，软土层顶面的应力下降。 p v i l l a r d ( 1 9 9 6 ) “”针对筋一土界面的位移特征，建立了反映筋一土界 面相对位移的计算分析模型，该模型允许筋一土界面有较大的相对位移，并 且土体材料可考虑为线弹性、非线弹性和塑性。 闰澍旺等( 1 9 9 7 ) 。”用非线性弹簧模拟土工格栅与土体界面的摩擦阻力， 建立了相应的有限元分析计算方法，计算了埋在粗粒土体中的土工格栅的抗 拉拔特性、荷载与变形的关系、格栅位移沿拉拔方向的分布、士体应力分布 及格栅横肋阻力的承载比等。 s b m a l l i c k ( 1 9 9 8 ) 。”进行了土工织物的拉拔试验，在有限元计算中用 节理单元和摩擦单元模拟筋一土界面相互作用性状，得出了土工织物与土体 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 相互作用摩擦阻力的分布形式。 介玉新( 1 9 9 8 ) 1 提出了等效附加应力的分析方法，把土工合成材料的加 筋作用等效为附加应力，作为外力沿加筋的方向作用在土体单元上，计算中 只出现土体单元。 张兴强等1 ( 2 0 0 1 ) 在前人工作的基础上提出了在动力荷载作用下土工格 栅与土相互作用的有限元分析模型，采用集中刚度法，用非线性弹簧一阻尼 延迟器一质量块系统模拟土工格栅纵肋、横肋与土动力相互作用。 王鹏等。7 1 ( 2 0 0 3 ) 采用软化与流动的分段弹塑性模型，对土工织物加筋材 料在接触面上的剪应力一应变关系进行了研究，由此推导了相关的拉拔力一 位移微分方程，并应用有限差分法通过迭代得到数值解。 钱劲松等。1 ( 2 0 0 3 ) 应用a n s y s 程序对软弱土地基上路堤加筋的作用和效 果进行了三维有限元分析，其中采用d r u c k e r p r a g e r 准则模拟土体的材料 非线性，采用薄膜单元模拟土工格栅，采用面一面接触单元考虑筋一土界面 的状态非线性。通过对相关参数敏感性分析，得出土工格栅主要通过抗拉应力 来发挥其加筋效果，而只有在土体发生向上隆起和大量的侧向挤出时，土工 格栅才能产生拉应变，进而产生拉应力。通过土与加筋材料之间的摩擦力来 限制土体的侧向变形，达到改善地基应力状态的效果。 综上所述，目前对加筋土的有限元分析计算可归纳为三种模式： ( 1 ) 将士体和加筋材料看作复合材料，假设土体和筋材之间没有相对滑 移，土体和筋材采用相同的本构关系模型进行有限元分析。 ( 2 ) 将土工合成材料作为外荷载考虑，直接作用在士体单元上，计算模 型仅有土体单元。 ( 3 ) 将土工合成材料单元与土体单元分开考虑，土工合成材料单元与土 单元之间设接触单元。 在本论文中，将通过直剪试验、拉拔试验确定土工格栅一昔格达填土界 面的力学参数，研究界面的力学特性；将格栅一土界面作为接触面，按接触 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 问题对拉拔试验过程进行有限元数值模拟，研究格栅受力变形规律及横肋位 置等因素对拉拔力的影响问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章土工格栅与昔格达填土相互作用试验研究 在土工格栅加筋的路堤中，考虑土工格栅与填士界面相互作用的类型、 格栅位置、潜在破坏面位置等因素，将土工格栅与填士界面相互作用分为三 种形式。，如图3 1 所示。 潜在破坏面 a 型 拉拔试验 c 型 殊直剪试验 b 型 直剪试验 图3 1 格栅加筋路堤筋一土界面相互作用形式 土工格栅与填土界面相互作用分为三种形式： ( 1 ) 若格栅位于潜在破坏面后面，即锚固段格栅，属于a 型，用拉拔试 验模型该部分筋一土界面相互作用关系较为合理；拉拔试验可以确定筋一土 界面的抗剪切强度指标，还可研究筋一土相互作用机理。 ( 2 ) 若格栅与潜在破坏面平行( 几乎重合) 时，属于b 型，水平部分筋 一土界面易发生剪切破坏，用直剪试验模拟该部分筋一土界面相互作用关系； 直剪试验可以确定筋一土界面的剪应力与位移之间的关系及抗剪切强度指 标，即粘聚力和摩擦角( 摩擦系数) 。 ( 3 ) 若潜在破坏面与水平面成一定角度时，格栅近似看作处于水平状态， 属于c 型，这种情况属于特殊的剪切类型，可采用特制直剪仪器，模拟潜在 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 破坏面与格栅成不同夹角时筋一土界面的相互作用关系。我国现行的规范没 有涉及此种情况的试验方法，国外对此问题也无普遍认同的试验方法。 3 1 大型直剪一拉拔联合试验仪的研制 3 1 1 国内外直剪一拉拔设备情况 目前，国内外对加筋土的界面特性试验研究以直剪试验与拉拔试验为主， 但直剪试验和拉拔试验的设备、方法并未统一，为减少边界效应，试验盒应 有足够的尺寸，我国土工合成材料测试规程对该项只提出了一个下限值： 对直剪试验要求剪力盒大于6 c m 6 c m ，对拉拔试验则要求箱体尺寸不小于 2 5 c m 2 0 c m 2 0 c m ( 长宽高) ，日本土力学与基础工程学会土工织物标准 化委员会规定拉拔箱尺寸必须大于3 0 c l r 【3 0 c m 2 0 c m ，近年来大尺寸试验盒 的使用较多。 试验加载方式可分为“应力控制”和“应变控制”两种。所谓“应变控 制”是通过在试验过程中保持剪切速率或拉拔速率不变进行加载的，而“应 力控制”则通过在试验过程中逐渐增加水平剪切力或水平拉拔力进行加载的。 表3 1 所示为国内外部分直剪试验设备情况，从表中可看到，采用2 0 c m x 2 0 c m 以上剪力盒的直剪仪较多，有些直剪仪的下盒大于上盒，以保证在直剪过 程中剪切面面积始终不变。表3 2 所示为国内外部分拉拔设备情况，其试验箱 的截面大多为方形和矩形。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 表3 一l国内外部分直剪试验设备 尺寸( c m )加载设备 剪切速率 单位 长宽垂直水平 ( m m i n ) 3 0 3 07 0 k n 液压稳压液压稳压 3 7 中 长江科学院 中 浙江工学院、浙 2 5 z 5液压稳压液压稳压0 ，2 5 江大学 5 0 5 03 0 0 k n 千斤顶3 0 0 k n 千斤顶 1 5 中 西北农业大学 调速电机和变 2 0 2 0 2 0 k n 气压装置 0 ，1 ，d 8 2 6 中 山东工业大学 速箱 调速电机和变 中 南京水利科学 3 0 3 0 7 0 k n 液压稳压 o o l 3 速箱研究院 1 翎p a 液压稳1 1 m p a 液压 3 0 3 0 o 1 3 0 2 6 法 d e g o u t t e 压装置稳压装置 1 0 0 k p a 气压装1 0 0 k p a 气压 3 0 5 x 3 0 5 0 0 0 3 0 3 美 w i u i 8 l n s 装置 2 0 0 k p a 液压装 2 8 2 8变速箱和电机 o ，7 6 美 s a x e n a 置 表3 2 国内外部分拉拔试验设备 尺寸( c m )自载设备拉拔速率 单位 长宽x 高 垂直 水平( m m m i n ) 中 华北水利水电学 5 0 2 4 3 4 千斤项油压千斤顶 8 1 0 院北京研究生部 5 0 6 9 x 2 1 螺旋千斤顶 油压千斤顶 5 日 铃木邦产 1 5 5 9 0 1 2 5 螺旋千斤顶螺旋千斤项1 ( 全自动) 加 g eb w e r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 加 3 0 0 1 3 0 3 0 0 空气包液压千斤顶 l j p 0 0 s t v e e n 1 5 2 9 0 1 2 5 液压加荷液压加荷系统 2 2 0 美 k h a l i df a r r a g 2 0 0 5 0 1 0 0千斤顶千斤顶 l 英 i y o g a r a j a h 2 0 0 7 0 6 0 空气包干斤顶 l 中 s y a n 5 0 1 0 1 0 气袋液压千斤顶 1 中 闫澍旺 3 1 2 直剪一拉拔试验仪的研制 根据本课题的需要，作者研制了一台集土工格栅直剪试验和拉拔试验于 一体的综合试验仪器，如图3 2 所示； l 广1 j 四 皓匕 5 1 5 8o 6 图3 2 直剪一拉拔试验仪示意图( 单位：m m ) 图中：1 上试验盒2 下试验盒3 水平千斤顶 4 竖向千斤顶5 底板6 反力框架 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 1 、2 试验盒，截面为4 0 0 m m 4 0 0 m m ，上、下盒高均为2 0 0 唧，采用 厚度为1 4 咖的q 3 4 5 钢板，直剪试验时作为剪力盒，拉拔试验时用固定销钉 将上下盒连为一体，作为拉拔箱； 3 水平千斤顶，由于在其顶部进行特殊处理，该千斤顶可以推压和张 拉，直剪试验时施加摊力，设计承载力为l o 吨，拉拔试验时施加拉力，设计 承载力为5 吨； 4 竖向千斤顶，只能施加推力，试验时施加法向力，设计承载力为2 0 吨； 5 剪切盒底板，采用两块尺寸为5 1 0 唧6 8 0 嘞5 0 啪的q 3 4 5 钢板制 成，在上底板下表面和下底板上表面分别刨出尺寸为5 0 0 姗2 2 唧8 哪的长 方槽，直剪试验时作为放置滚柱的滚槽； 6 反力框架，为该仪器的主要承载系统，采用2 0 0 哪2 0 0 m m 的h 型 q 3 4 5 钢梁，具有足够的强度和刚度。反力框架净空长1 1 4 0 m m ，高9 4 0 唧。 本仪器采用应力控制的加载方式，手动加载，采用百分表测量位移。 在进行直剪试验时，将下盒设为可滑动部分，在滚槽内放置滚柱，以减 小摩擦力，试验时将水平千斤顶置于下位，旌加水平推力推动下剪切盒。 在进行拉拔试验时，将滚槽内滚柱取出，将下盒底板固定，并用固定销 钉将上下盒连为一体，形成拉拔试验箱。试验箱的拉拔端侧壁设置高5 m 的 开口，供土工格栅引出箱体，将水平千斤顶置于上位，旖加水平拉力拉拔格栅。 3 1 3 仪器技术指标 本仪器采用手动加载，其法向力设计值为2 0 吨，水平推力设计值为1 0 吨( 直剪) ，拉力设计值为5 吨( 拉拔) ，推拉系统移动o 3 0 m m 。 该仪器具有以下特点： ( 1 ) 可迸行土工格栅等土工合成材料的直接剪切试验、拉拔试验，也可 用作土的压缩试验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 ( 2 ) 设备简单，操作方便，且具有较高的精度。 图3 3 直剪一拉拔试验仪( 图为拉拔试验) 3 2 影响试验结果的因素 影响试验结果有以下几个因素： ( 1 ) 加载方式 水平加载方式有应力控制和应变控制两种。应力控制试验可以测试筋材 在土中的蠕变特性，但目前应力控制的试验工作开展较少，一般采用应变控 制。应变控制中的剪切速率目前尚无统一的标准，直剪试验一般采用0 2 3 o 咖m i n ，拉拔试验采用0 1 2 0 姗i n 。 ( 2 ) 试验盒 盒壁的摩擦力会降低作用在界面上的正应力，可以通过润滑盒壁等措施 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 来减小这一影响。为减小边界效应，应使剪力盒或拉拔箱具有足够的尺寸。 ( 3 ) 填料的密实 筋一土界面的摩擦特性与填料的压实度有关。密实的填料与筋材之间的 摩擦力较大，疏松的填料与筋材之间的摩擦力随着摩擦过程逐渐增强。所以 在试验时要严格控制填料的压实度，以便与实际情况相符合。 ( 4 ) 筋材的夹持 在拉拔试验中，应保证夹具与被夹的筋材之间不发生相对位移，否则影 响试验结果。 3 3 土工格栅与昔格达填料直剪试验 3 3 1 试验材料 3 3 1 1 格栅材料 本试验采用西攀高速公路施工现场所使用的土工格栅，为重庆九地公司 生产的j d 单向新型塑性土工格栅，型号为t g d g l o o k n m ，其力学特性指标如表 3 3 所示。 表3 3 土工格栅力学特性指标 试验结果标准要求试验结论 试验项目 纵向横向纵向横向纵向横向 每延米拉伸屈服力( k n 肺)ff| 屈服拉伸率( ) iiij | 2 伸长率时的拉伸力( k n m ) 3 0| = 2 6|合格 5 伸长率时的拉伸力( k n m ) 4 1 3 = 4 8 f合格 每延米拉断裂拉力( k n ，m )1 1 1 9 = 8 0合格 断裂伸长率 9 3 | 0 面力条件：p ：一，? = o( k = 1 ，2 ，3 ) 二、粘结接触状态 位移条件：g ，一0 9 1 鼻9 2 墨0 面力条件：p ：+ p ? = o ( k = l ，2 ，3 ) p ，等一p ；篁p ； o 0 1 ) 2 + ( p ：) 2 一印3 三、滑动接触状态 位移条件： g ，= o 面力条件： p ；+ p ：一o ( k = 1 ，2 ，3 ) p ，三一p ：= p ； o ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 一1 4 ) ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 ( p 。) 2 + ( p 2 ) 2 - 印3 ( 4 1 7 ) 上述各式中，“为摩擦系数。 4 2 4 接触问题