（地质工程专业论文）软土地基加筋灰土路堤离心模型试验及数值模拟.pdf

摘要 摘要 加筋对提高土工构筑物的稳定性已为人们熟知，但理论研究成果落后于工 程实践。石灰土路堤在我国北方和南方公路建设中已得到较多的应用，其便于 就地取材，降低建设成本。目前对软土地基石灰土路堤、特别是加筋后的变形 性状及稳定性方面的研究还很少，本课题采用离心模型试验和数值模拟手段研 究软土地基加筋石灰土路堤的性状及加筋机理。 本文进行了a 、b 两组石灰土路堤离心模型试验，其各包含1 个加筋路堤离 心试验和1 个用于对比分析的不加筋试验。a 组试验采用的模型率为1 0 0 ，用变 加速度方法模拟路堤的分级堆载，并在地基中打设了竖向排水体。根据固结度 相似的原则推导了模型砂井与原型砂井的相似公式，并根据宽条拉伸试验确定 采用一种三维土工网夹层来模拟原型土工格栅。试验中，在地基土中及其表面 布设了位移计、孔隙水压力计和土压计，在模型土工格栅上粘贴了微型应变片 以测试加筋拉力。a 组试验结果表明：加筋减少了沉降量，加筋路堤呈现较明显 的地面隆起，而不加筋路堤主要表现为沉降；加筋和不加筋路堤地基中两者的 孔隙水压力基本接近，在每一堆载休止期，孔隙水压力都呈较明显的消散；加 筋明显扩散了路堤堆载压力，加筋路堤中心下地基土压力比不加筋路堤要小 6 1 0 ，而坡脚下土压力前者比后者大4 0 左右；模型格栅拉力随加速度的增大 变化规律较好，在休止期拉力持续增大，与沉降规律一致；在堆载高度o - - 2 m 期 间，格栅拉力分布较均匀，其后格栅中心处拉力明显比两侧增大，加筋对提高 灰土路堤的稳定性作用明显。b 组试验采用模型率为8 0 ，模拟的是一次性堆载， 且地基中未打设竖向排水体。b 组试验结果表明，加筋路堤中心沉降量比未加筋 路堤减小将近一半，加筋延缓了路堤开裂，减小了裂缝宽度，提高了路堤的稳 定性。 对a 、b 两组离心模型试验进行了数值模拟。a 组离心模型试验数值模型几 何尺寸与试验尺寸相同，以模拟变加速度分级堆载过程。数值模型计算的路堤 和地基中的位移、土压力、孔隙水压力和加筋拉力，与离心模型试验实测结果 一致或接近。采用该数值模型分析了不加筋、加1 层筋和加2 层筋时灰土路堤 和地基的沉降和水平位移，表明不加筋路堤的中心沉降量和坡脚下地基水平位 移比加1 层筋时明显大一些，而加2 层筋其位移与加1 层筋接近。b 组离心模型 摘要 试验数值模型是按原型尺寸建立的，模拟结果与离心模型试验原型结果相近。 采用b 组离心模型试验数值模型，分析加筋层数、筋材模量、筋土界面和 地基土等因素对软土地基灰土路堤性状的影响。分析结果表明，砂垫层加筋、 砂垫层及路堤底部1 4 处加筋路堤的沉降、水平位移较不加筋情况减小明显，而 再加筋对减小路堤沉降和地基水平位移影响不大；加筋没能减小地基的垂直有 效应力，但使其分布趋向均匀；加筋对路堤及地基变形的影响深度约为7 m ；筋 材发挥的拉力不到其极限抗拉强度的3 0 ，产生的拉伸率约为2 ；筋材与路堤 土的模量比在3 4 之间较为合适；筋土界面力学性质对路堤变形和筋材拉力的影 响很小。 最后，提出了本研究进一步工作的方向。 关键词：路堤，离心试验，软土地基，灰土，土工格栅，数值模拟 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo ft h ee a r t hs t r u c t u r ec a nb ee r d a a n c e db yr e i n f o r c e m e n th a sb e e n k n o w nv e r yw e l l ，b u to fw h i c ht h e t h e o r y f e l lb e h i n dt h e p r o j e c tp r a c t i c e e m b a n k m e n t sw i t hl i m e - s t a b i l i z e d s o i l ，e a s y t o g e to ns p o t a n dr e d u c et h e c o n s t r u c t i o nc o s t ，h a v eb e e na p p l i e di nn o r t ha n ds o u t hh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni n c h i n a a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nr e i n f o r c e de m b a n k m e n tw i t hl i m e - s t a b i l i z e ds o i la s b a c k f i l lo ns o f tc l a y , e s p e c i a l l yo nt h ed i s t o r t i o na n ds t a b i l i t ya f t e rr e i n f o r c e m e n t ，i s v e r yl i m i t e d t h i sd i s s e r t a t i o nt o o kc e n t r i f u g a lm o d e lt e s ta n dt h en u m e r i c a la n a l y s i s a sm e t h o d s ，l a u n c h e dt h er e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e sa n dr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo f r e i n f o r c e de m b a n k m e n tw i t hl i m e - s t a b i l i z e ds o i la sb a c k f i l lo ns o f tc l a y t h es t u d yt o o kt w os e t so fc e n t r i f u g a lm o d e lt e s t so nr e i n f o r c e de m b a n k m e n t w i t hl i m e s t a b i l i z e ds o i 卜t e s taa n dt e s tb ，i nw h i c har e i n f o r e e de m b a n k m e n t c e n t r i f u g a l t e s ta n dac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fu n r e i n f o r c e dt e s tw e r ei n v o l v e d r e s p e c t i v e l y i nt e s t 八m o d e ls c a l ew a s1 0 0 ；i n c o n s t a n ta c c e l e r a t i o nw a su s e df o r s i m u l a t i n gt h eg r a d i n gh e a p e dl o a do fr o a de m b a n k m e n t ，a n dv e r t i c a ld r a i n sw a s p l a c e di nf o u n d a t i o n t h es i m i l a r i t yf o r m u l ao fm o d e ls a n dd r a i na n dp r o t o t y p es a n d d r a i nw a sd e r i v e do u ta c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yp r i n c i p l eo ft h ec o n s o l i d a t i o nd e g r e e a n dat h r e e - d i m e n s i o n a lg e o n e td i s s e c t i o nw a su s e dt os i m u l a t ep r o t o t y p eg e o g r i d a c c o r d i n gt ow i d t hs t r i pp u l l i n gt e s t d u r i n gt h i st e s t ，t h ei n s t r u m e n t su s e dt om e a s u r e d i s p l a c e m e n t ，p o r ep r e s s u r e sa n de a r t hp r e s s u r e sw e r ei n s t a l l e d ，a n dt h es t r a i ng a u g e s w e r eg l u e dw i t he p o x yr e s i no n t ot h es u r f a c eo ft h em o d e lg e o g r i d t h er e s u l t so ft e s t as h o w e d ：( 1 ) c o m p a r e dt ot h eu n r e i n f o r c e de m b a n k m e n t ，t h es e t t l e m e n to f r e i n f o r c e de m b a n k m e n tw a sr e d u c e da p p r o x i m a t e l yb y8 t h eh e a v eo ft h e r e i n f o r e e de m b a n k m e n tf o u n d a t i o nw a so b s e r v e d ，w h e r e a su n r e i n f o r e e de m b a n k m e n t d o m i n a n t l ys h o w e ds e t t l e m e n t ( 2 ) p o r ep r e s s u r e si nt h ef o u n d a t i o n so fr e i n f o r c e da n d u n r e i n f o r c e de m b a n k m e n t sw e r eb a s i c a l l ys i m i l a r d u r i n ge a c hl o a d i n gb r e a k ，p o r e p r e s s u r e sw e r eo b v i o u s l yd i s s i p a t e d ( 3 ) e a r t hp r e s s u r e su n d e re m b a n k m e n tb a s e t e n d e dt ob ed i s t r i b u t e du n i f o r m l yd u et og e o g r i dr e i n f o r c e m e n t e a r t hp r e s s u r e s u n d e rc e n t r a lp a r to ft h e r e i n f o r e e de m b a n k m e n tw e r e6 - 1 0 l e s st h a nt h a to f i i i u n r e i n f o r c e de m b a n k m e n t ，w h e r e a se a r t hp r e s s u r e su n d e rt h es l o p et o e so ft h ef o r m e r w e r ea p p r o x i m a t e l y4 0 g r e a t e rt h a nt h a to ft h el a t t e r ( 4 ) t e n s i l ef o r c e si nt h em o d e l g e o g r i dh a dag o o dc h a n g i n gl a ww i t ht h ea c c e l e r a t i o ni n c r e a s i n g d u r i n gl o a d i n g b r e a k ，t e n s i l ef o r c e si n c r e a s e d ，w h i c hw a sc o n s i s t e n tw i t ht h es e t t l e m e n tc h a n g i n gl a w t h ed i s t r i b u t i o no ft h et e n s i l ef o r c e ss h o w e du n i f o r mu n t i lt h er e i n f o r c e d e m b a n k m e n tw a sl o a d e du pt o2 mh e i g h t a f t e r w a r d s ，t h et e n s i l ef o r c e sa tt h ec e n t r a l p a r to b v i o u s l yi n c r e a s e dm o r et h a nt h a ta tt w os i d e s ( 5 ) a ni d e at oa d dg e o s y n t h e t i c s t ot h ee m b a n k m e n t sl i m e - s t a b i l i z e ds o i li sp r o p o s e ds oa st oi m p r o v ei t st e n s i l e s t r e n g t h ，w h i c ha l s om a k e st h ee m b a n k m e n tm o r es t a b l e t e s t sb u s e d8 0o fm o d e l r a t eo fo n e t i m el o a d i n g , a n dd i dn o tp l a c ed r a i n t h er e s u l t so ft e s tbs h o w e dt h a tt h e s e t t l e m e n ta tt h ec e n t e ro ft h er e i n f o r c e de m b a n k m e n tw a sn e a r l yah a l ft h a to ft h e u n r e i n f o r c e de m b a n k m e n t r e i n f o r c e m e n tg r e a t l yr e d u c e dt h es e t t l e m e n to fl i m e - s o i l e m b a n k m e n t ，d e l a y e di t sc r a c k i n ga n dr e d u c e dt h ec r a c kw i d t h ；t h e r e b y , i n c r e a s e dt h e s t a b i l i t yo fe m b a n k m e n t an u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u to nc e n t r i f u g a lm o d e lt e s taa n dt e s tb i n t e s t 八t h es a m eg e o m e t r i c a ls i z ea n dt h ee x p e r i m e n t a ls i z eo fc a l i b r a t e dn u m e r i c a l m o d e lw e r eu s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so fa c c e l e r a t i o n v a r i a b l eg r a d i n gh e a p e dl o a d t h er e s u l t so fn u m e r i c a lv a l u ec a l c u l a t i o no ne m b a n k m e n t ，d i s p l a c e m e n t s ，e a r t h p r e s s u r e s ，p o r ep r e s s u r e sa n dr e i n f o r c e m e n t sa r ec o n s i s t e n to rc l o s et ot h er e s u l t so f c e n t r i f u g a l m o d e lt e s t t h es e t t l e m e n ta n dh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t o ft h e e m b a n k m e n t sa n dt h eg r o u n d s i l lw i t hu n r e i n f o r c e m e n t ，o n eb a s e - r e i n f o r c e m e n ta n d t w o - l a y e rr e i n f o r c e m e n t sw e r ea l s oa n a l y z e db yc a l i b r a t e dn u m e r i c a lm o d e l t h e r e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ev e r t i c a la n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n t s ，r e s p e c t i v e l ya tt h ec e n t r e a n du n d e rt h es l o p et o eo fu n r e i n f o r c e de m b a n k m e n t , s h o w e dg r e a t e rt h a nt h o s eo f o n eb a s e r e i n f o r c e de m b a n k m e n t h o w e v e r , t h e d i s p l a c e m e n t s o f t w o l a y e r r e i n f o r c e de m b a n k m e n tw e r ev e r yc l o s et ot h o s eo fb a s e - r e i n f o r c e de m b a n k m e n t t h e m o d e ls i z eo ft e s t sbw a sa l s or e t u r n e dt ot h ep r o t o t y p es i z et oc o n d u c tt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h er e s u l to ft h et e s ts h o w e dt h a tc o n d u c t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nu n d e r t h ec o n d i t i o no f p r o t o t y p ei sr e a s o n a b l e t a k i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nu s e di nt e s tb a st h em e a n s ，t h i st h e s i su s e dt h e s a m ep a r a m e t e ra st h em o d e lt e s tt oc a l c u l a t er e i n f o r c e m e n ta n du n r e i n f o r c e m e n t ， i v d i f f e r e n tl o c a t i o n sa n dl a y e r so fr e i n f o r c e m e n t ，m o d u l u so fr e i n f o r c e dm a t e r i a l ， i n t e r f a c eo ft h er e i n f o r c e ds o i l ，a n a l y z e dt h ee f f e c to fr e i n f o r c e m e n t t h et e s tr e s u l t s s h o w e d ：t h ed e p t ho fi n f l u e n c eo ft h er e i n f o r c e m e n tt o t h eg r o u n d s i l lw a s a p p r o x i m a t e l y7 m ；t h et e n s i o no ft h er e i n f o r c e dm a t e r i a lw a sn o tu pt o3 0 o fi t s l i m i tt e n s i l es t r e n g t h ，a n di t ss t r a i nw a sa b o u t2 ；t h er e i n f o r c e m e n tc a nb ea d d e d s i m u l t a n e o u s l yi nt h es a n dm a ta n di nt h eb a s eo fe m b a n k m e n t ，a n dt h er e i n f o r c e m e n t e f f e c tc a nb es t r e n g t h e n e db ye n h a n c i n gt h er e i n f o r c e m e n tm a t e r i a lm o d u l e ，r a t h e r t h a nc o n s i d e re m p h a t i c a l l yt h eu l t i m a t es t r e n g t h ；t h ep r o p o r t i o no ft h em o d u l u so f r e i n f o r c e de m b a n k m e n tb e t w e e n3a n d4i sm o r ea p p r o p r i a t e f i n a l l y , t h ep r o b l e m sf o rf u r t h e rs t u d i e s o nt h es t u d yw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：e m b a n k m e n t ，c e n t r i f u g em o d e l i n g , s o f tc l a y , l i m e 。s t a b i l i z e d s o i l ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：、噼张专耷 砂年岁月旷日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：叶挈嗨 ：研年孑月i 夕e l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 在岩土工程领域，常用来对实际工程状况进行考察的手段主要是原型观测、 模型试验和数值方法。原型观测是研究结构物性状的最直接、最有说服力的方 法，但是原型试验步骤萦杂、耗资巨大，仅应用于较少的工程实践中。常规试 验由于它不能满足模型与原型应力水平相同的相似性条件，在岩土工程研究中 常常使试验结果与实际偏差较大。从实际研究对象抽象出来的数值模型是一种 便利而花费较少的方法，但是数值模型的精度主要依赖于输入参数及本构关系 的准确性。输入参数及本构关系的获得通常采用室内试验的方法，但一方面室 内试验对模型的尺寸及试验时间有很大限制，另一方面土的本构关系极为复杂， 目前只能得到一般规律，这就造成数值计算的结果与实际结果之间存在出入。 离一t l , 模型试验则能够克服上述试验方法的许多不足，它不但可以减小模型尺寸， 大大缩短试验时间，而且还可以建立各种非均质模型，模拟各种复杂的工程情 形，从而提高了模型的预测能力。同时它还可以提供充足可靠的数据，以便校 正和提高目前使用的数值模型。 灰土路堤在我国北方和南方公路建设中已得到较多的应用n 。4 1 ，其便于就地 取材，降低建设成本。高液限、高含盐量和高压缩性的黏土和亚黏土经石灰改 性后，能达到规范要求的物理力学性能。如江苏沿长江南北的高速公路，地基 土为含水量较高、塑性指数为1 0 2 5 的黏土和亚黏土，施工中对现场的土经晒 干粉碎，掺5 一8 的石灰后进行路堤填筑，取得良好效果h 1 。 加筋对提高土工构筑物的稳定性已为人们熟知，但理论研究成果落后于工 程实践。国内外许多学者进行了软土地基加筋路堤或堤坝离心模型试验，得到 许多重要的成果阳1 ，但对软土地基上加筋灰土路堤还未进行过离心模型是试验 研究，对其加筋及破坏机理还未明了。 1 2 土工离心试验发展状况n 胡 离心模型试验技术从最初设想发展至今已有近一个半世纪的时间，t a y l o r 第1 章绪论 将其发展过程大体分为以下四个阶段： 1 思想的起源及第一次试验( 1 8 6 9 1 9 3 9 ) 在1 8 6 9 年e d o u a r dp h i l i p s 提出了模型以及模型试验的重要性，更为重要的 是他认识到在一些情况下自重的影响并推导了相应的比例关系，从中意识到可 以利用离心机来获取相同的应力条件。他初始的设想是用来研究横跨英吉利海 峡的金属桥，按预想的1 ：5 0 的比例，模型的长度将达到8 6 米长。这些想法在 当时条件下还不能真正实现，但这应是最早的有关离心模型试验技术的思想。 第一次真正利用离心机进行试验的是哥伦比亚大学的是p h i l i pb u c k y ，他在 1 9 3 1 年用离心机进行了地下巷道顶板完整性分析，直到1 9 8 8 年该大学的c h a n e y 仍进行了该方面研究，但由于他们离心机上测试设备陈旧，所以他们的试验仅 仅是历史性而没有形成主流。 2 世界大战期间及战后恢复时期( 1 9 3 9 1 9 7 3 ) 岩土离心技术的早期发展主要集中在前苏联，是由d a v i d e n k o v 和p o k o r v s k i i 分别倡议下进行的。第一篇全面介绍离心机的文章是在第一届国际士力学及基 础工程会议f1 吼i c s m f e ) 上由p o k r o v s k i i 和f i o d o r o v 发表的。虽然哥伦比亚大学 一直进行离心模型试验，而且美国采矿局对岩石锚固技术这个土与结构相互作 用的例子进行了系列的研究，但由于计算机的出现，人们对数值模拟产生了 浓厚兴趣，这些研究未能产生广泛的影响。 在日本，m i s a k a 教授在o s a k ac i t yu n i v e r s i t y 为寻求验证其固结理论进行了 离心模型试验。通过试验的成功以及对离心机的不断了解改进，在1 9 7 3 年以前 他又对土体承载力以及边坡稳定性分析进行了研究，而且发展了一些机械以及 测试设备，并通过内部装置的转动实现了离心机上地震力的模拟。 在英国，a n s c h o f i e l d 教授在翻译俄国土力学书籍时意识到高质量小比例 模型试验的潜力。在剑桥大学进行了一系列模型试验，他早期工作重点是粘土 边坡稳定，当然也包括了土体固结问题，所以在许多方面类似于日本人的研究 内容。 1 9 6 9 年在墨西哥召开了7 mi c s m f e ，这是1 9 3 6 年后第一次出现离心模型试 验方面的文章。英国( a r g h e f i n o & s c h o f i e l d ) 、日本( m i k a s a ) ：禾f 1 前苏联( t e r s t e p a n i a n g o l d s t e i n ) 等所有人的文章都是针对边坡稳定的，因为边坡稳定问题中土体自 重以及自重引起的渗流问题是造成边坡失稳的主导作用，因此要想在模型试验 中能够模拟实际应力水平只有利用离心机。其他一些问题一般要考虑自重以外 2 第1 章绪论 其他外力的作用相对更为复杂，因而在初期水平下边坡稳定成为分析的重点也 就不足为奇。 接下去的i c s m f e 是1 9 7 3 年在莫斯科召开的。在这次大会上苏联专家在离 心模型试验方面的研究内容得以公开。各国专家被邀请到会并第一次了解了苏 联的离心机。很显然从1 9 3 0 年以来苏联人在离心机领域的研究一直没有中断， 形成了大量的装置。其研究大多是模拟地下爆破影响、炸坑以及振动传播过程 方面的内容。 3 蓬勃发展阶段( 1 9 7 3 1 9 8 5 1 莫斯科国际会议之后在离心机制模技术、离心机设备以及附属测试装置方 面得到了迅猛发展。苏联的离心机技术成就是在缺少数值计算条件下取得的， 而且他们的发展也受到了模型装置以及数据采集设备短缺的限制。测试设备以 及计算机的发展带来了岩土工程的新时代，即岩土工程问题用离心机和数值计 算并行发展的局面。由于岩土材料本身的复杂性和不太明确的本构关系使数值 计算得以发展同时也促使物理模型试验技术得以发展，所以在1 9 8 5 年之前在岩 土领域随着计算机数量以及功能的提高使数值模拟得到迅猛发展的同时在离心 模型技术方面也得到了迅猛发展。 4 广泛应用时期( 1 9 8 5 现在) 从1 9 8 5 年以后，离心机模型的适应性在许多国家得到了认可，许多国家建 造了离心机，并扩大了研究范围。1 9 8 8 年在法国巴黎，1 9 9 1 年美国克罗拉多州 的博尔德、1 9 9 4 年新加坡、1 9 9 8 年在日本东京召开了国际会议，并出版了会议 的论文集，这些论文中有很多对于试验技术和硬件进行了研究，而且揭示了该 模型试验的广泛适用性。利用离心模型试验，人们已经在各个领域都取得了大 量有益的成果。 1 3 加筋路堤离心模型试验研究现状 国内外已对加筋路堤进行了一些离心模型试验研究。 俞仲泉等( 1 9 8 9 ) n 7 1 利用离心模型试验论证土工织物和砂垫层复合加固软 土地基的可行性，分析了加筋对路堤沉降、地基位移场的影响。试验中用厚度 为0 3 m m 的无纺布模拟土工织物，砂垫层采用f = 3 6 - o 的标准细砂，地基土采用 亚黏土，模型率为1 0 0 ，经试验后认为土工织物和砂垫层相结合的方法对堤基有 3 第1 章绪论 显著的加固作用，既可减少沉降，也可减少水平位移，土工织物对浅层土体产 生侧限作用，对深层土体侧限作用不明显。并建议在实际工程使用中采用在堤 基及堤体内同时铺设土工织物，以改善地基变形性能，并提高堤坝的稳定性。 m d b o l t o n 等( 1 9 9 4 ) 晦1 用离心模型试验研究了软土地基上加筋路堤的性 状，对加筋类型、地基深度和地基竖向排水等的影响作了探讨。 m a n d a l 等( 1 9 9 6 ) n 羽用离心模型试验观测软土地基上棉和麻的土工织物加 筋路堤的短期稳定性，获得了地基内部沉降和水平位移分布。 丁金华( 1 9 9 9 ) 如3 等对软土地基及吹填土上土工织物加筋堤进行离心模型试 验，研究了不同排水条件、不同织物布置方式对堤坝稳定和变形的影响。 j s s h a r m a 等( 1 9 9 6 ) 口1 引采用离心模型试验和有限元分析了软土地基上设 置和未设置塑料排水板、采用土工格栅和土工布加筋方式的加筋路堤加筋应力 的分布并对地基深度、排水条件等对路堤稳定性的影响进行了分析。采用二维 有限元程序c r i s p 对离心模型试验进行了数值模拟，其中，软土地基采用剑桥模 型，路堤采用摩尔库仑模型。 陈胜立、y uy u z h e n ( 2 0 0 5 ) 等协川对土工织物加筋斜坡式防波堤的固结过程 进行了离心模型试验，分析了地基土体固结过程中防波堤- 力口筋垫层地基体系的 位移场和应力场的发展，及织物拉应力分布和发展。 v i s w a n a d h a m 等( 2 0 0 4 ) 乜做了土工织物加筋的路堤砂土边坡的离心模型试 验，对水平位移、沉降及筋材的应变分布作了分析。 胡红蕊等( 2 0 0 3 ) 胁1 以黄骅港北防波堤工程为依托，采用变加速度方法对 加筋软黏土地基及斜坡式防波堤固结过程进行了离心模型试验，并用二维有限 元程序对实验进行了验证分析。 j o r g egz o m b e r g 等( 1 9 9 8 ) 瞳3 1 利用离心模型试验对土工织物加筋砂边坡的 破坏机理进行了研究，试验中考虑了不同加筋密度、不同拉伸强度的筋材以及 不同抗剪强度的土。试验表明边坡破裂面为一通过坡脚的光滑弧线，所有模型 边坡的破坏均始于边坡中部，路堤顶面的沉降依赖于填土的性质，而加筋情况 对其影响不大。同时指出加筋的最大拉力并不是出现在路堤的最底层，其出现 的位置与边坡的坡度有关。 杨锡武等( 2 0 0 0 ) 嘲1 以渝长公路上的一段加筋高路堤为依托，利用离心模 型试验，对不同布筋方案的加筋高路堤陡边坡的变形性态进行了研究。指出加 筋路堤边坡与不加筋路堤边坡的坡面最大侧向位移均出现在路堤高度的1 3 1 2 4 第1 章绪论 之间，在此范围内增加布筋数量能有效减少坡面侧向变形，增加边坡稳定性。 他们从试验中还发现加筋边坡与不加筋边坡的破坏模式不同，不加筋边坡的滑 裂面呈较光滑的曲线，而加筋边坡的滑裂面呈折线。同时还指出加筋能改变沉 降沿路基横向的分布，使沉降分布较为均匀，从而减少不均匀沉降引起的路面 破坏。 朱湘等( 1 9 9 9 ) 汹删利用有限元方法对软土地基上的加筋路堤进行了分析， 提出填土的摩擦角越大加筋效果越好，加筋对减小路堤沉降和地基的不均匀沉 降效果明显。认为格栅在一定深度内极大地限制了土体的侧向位移，使地基的 稳定性得以提高，减少了竖向变形。同时又指出位于路堤中部的格栅，仅对路 堤局部的强度和稳定性有贡献，而对路堤下软土的受力和变形情况影响不大。 1 4 本文主要内容 本文以软土地基加筋灰土路堤为研究对象，通过离心模型试验和数值模拟， 研究加筋灰土路堤性状及加筋机理。本文主要内容有： ( 1 ) 简要介绍土工离心模型试验发展状况，总结目前国内外加筋路堤离心模 型试验和数值模拟的研究现状。 ( 2 ) 阐述离心模型试验量纲分析方法、基本原理和相似方程，并归纳总结离 心试验的若干问题。 ( 3 ) 对a 、b 两组灰土路堤离心模型试验的模拟对象、模型材料制备、仪器 埋设和布置、试验过程和试验结果进行详细阐述。 ( 4 ) 对a 、b 两组离心模型试验进行了数值模拟。a 组离心模型试验数值模 型几何尺寸与试验尺寸相同，以模拟变加速度分级堆载过程，并采用该数值模 型分析不加筋、加1 层筋和加2 层筋时路堤和地基的沉降和水平位移；b 组离心 模型试验数值模型按原型尺寸建立，模拟转化为原型的离心模型试验。 ( 5 ) 采用建立的b 组离心模型试验数值模型，分析加筋层数、筋材模量、筋 土界面、地基土等因素对软土地基灰土路堤性状和加筋效果的影响。 ( 6 ) 总结本文工作，并指出下一步研究的方向。 5 第2 章离心模型试验原理 第2 章离心模型试验原理 土是一种非线性变形材料，它的性状受应力水平的影响较大。当对土工构 筑物进行物理模拟时，首要条件是保证模型的应力水平与原型相同。离心模型 在离心试验机所形成的加速度场中能达到与原型相同的应力水平，而得到与原 型相同的应力状态、位移变化，相似的塑性区发展和变形破坏过程，以获取全 比例尺模型的变形破坏机理。 离心模型试验的实质是用离心力来模拟自重效应。根据近代相对论的解释， 牛顿的重力与惯性力是等效的，故原型在地球上受到的重力与模型在离心机上 受到的离心力所产生的物理效应是一致的。从微理结构来看，决定材料的工程 性质是原子核外的电子，由于电子的质量可以忽略不计，材料的工程性质也就 不会改变，这样，我们分析离心模型的性态时，可以利用自然重力场的参数。 2 1 量纲分析 模型试验的理论根据是相似原理，要求模型和原型相似，模型试验的结果 能够反映原型的状况。相似原理可表述为：若有两个系统( 模型与原型) 相似， 则它们的几何特征和各个对应的物理量必然互相成为一定的比例关系，这样， 就可以由模型系统的物理量推测原型相应的物理量。具体应满足下面的相似三 定理2 7 嚣矧： ( 1 ) 相似第一定理( 正定理) ：该定理是1 8 4 8 年由法国的j b e r t r a n d ( 勃尔特朗) 建立的，具体表述为：对于相似系统( 相似现象) ，其相似指标为1 ，或者相似判 据相等。相似第一定理是系统( 现象) 相似的必要条件，它揭示了相似系统( 现象) 的基本属性。 ( 2 ) 相似第二定理o 定理) ：该定理是1 9 1 4 年由英国学者e b u c k i n g h a m ( 白金 汉) 首先提出来的，又称为白金汉定理，具体表述为：一个物理系统，由瓴+ j 夕 个量纲不同的物理量s ，& ，& ，& 所组成，并在这组物理量中选取k 个量 纲独立的物理量作为基本量，则这个物理方程一定可以用由( 刀+ 1 ) 个有量纲两 组合而成的+ 1 ) 一k 个无量纲p ，p l ，p z ，p n - k 完全表示出来。相似第二定 理告诉我们，如果物理现象规定的物理量有以个，其中k 个是基本物理量，则独 6 第2 章离心模型试验原理 立的数有( 肛约个。 ( 3 ) 相似第三定理( 逆定理) ：对于同一类物理现象，如果单值条件相似，而且 由单值条件确定的物理量所组成的相似判据在数值上相等，则现象相似。相似 第三定理是现象相似的充分必要条件。 以上3 个相似定理是相似理论的核心，第一和第二定理把现象相似的存在 当作己知条件，然后来确定相似现象的性质，还不是判别全部相似性的法则。 第三定理由于直接和代表具体现象的单值条件相联系，并强调单值量相似，所 以显示了它在科学上的严密性，是模型试验必须遵循的理论原则啪3 。对于一些 复杂的工程问题，很难确定现象的单值条件，只能凭经验判断什么是最主要的 参数；或虽然知道某些单值量，但很难甚至不能满足其相似要求，这就使得相 似第三定理难以真正实行，并使模型试验的结果带有近似性质。由此可见，模 型试验是否反映了客观规律，关键在于正确地选择控制现象的物理参数，这又 取决于对问题的深入分析和经验。 量纲分析的理论基础即是白金汉提出的p 定理b 副。无量纲p ，肌，p z ，p - k 数学表达式为： 万= f ( 1 ，1 ，乃，呢一t ) ( 2 1 ) 式中， 石；兰一 ( 2 2 ) s ：蛙2 s ：t 石；厶l( 2 3 ) l s ：迟；护s 2 t t5 雨蒜 q 4 u “j u 现以确定砂土地基极限承载力问题为例说明以量纲分析法确定物理现象的 相似模数和组成综合方程的具体方法和步骤。该问题的物理方程为： = 厂( ) ，d ，e ，驴，呸，巳，疋，d 。) ( 2 5 ) 式中，r 砂土地基极限承载力，f l 2 ；】k 罐步土地基容重，f l 3 ；仁基 础直径，l ；卜砂土孔隙比，f o l o ；，砂粒间摩擦角，f o l 0 ：s 广砂粒 问凝聚力，f l - 2 ；s g _ 埘粒破坏强度，f l 2 ；砂粒弹性系数，f l - 2 ；如一 砂的平均粒径，l 。 现在选取t ，d 值为量纲独立的基本量，即k - - 2 ，而对于物理方程 7 第2 章离心模型试验原理 = 厂( 7 ，d ，p ，驴，吼，哝，乓，d 。) ，其中n = 8 ，则o + 1 ) - k = 7 ，于是可用7 个无量纲 量，即p 和p j ，p 2 ，脚完全表示出物理方程式( 2 1 ) ： 万= 厂( 1 ，1 吸，呢，乃，以，啄，a t 6 ) ( 2 6 ) 确定物理方程各物理相似模数的方法有p 项法、量纲置换法和图解法，其 中p 项法又分为解指数方程法和量纲矩阵法。现以解指数方程法确定式( 2 6 ) 中的各p 项表达式，p 项的指数方程为： 万t7 d 6 ( 2 7 ) 乃= ) ，4