（岩土工程专业论文）条带式带齿加筋砂土挡墙的承载力和作用机理研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 传统的加筋土结构中，筋条通常沿水平方向布置。本文在立体加筋的 基础上提出了一种新型加筋方式一条带式带齿加筋。该加筋方式采用立体 的条带式带齿筋条取代了传统的水平筋条，两者最大的区别在于：条带式 带齿能够使周围土体形成“土体加强区”，该加强区域内的土体将会在齿筋 上产生侧阻力，侧阻力可以有效地限制土体变形、抵抗土体剪切破坏，从 而提高加筋土的强度和稳定性。 本文通过室内模型试验将条带式带齿加筋应用于挡土墙结构，并根据 水平筋条长度、齿筋高度和齿筋间距设计了1 5 个试验工况。通过试验中获 取的墙面板位移和齿筋侧向土压力数据研究了条带式带齿加筋挡墙的承载 力、变形特征和作用机理等问题。同时，使用高分辨率数码摄像机全程记 录了挡墙的渐进破坏过程，根据条带式带齿加筋砂土挡墙破坏过程相关图 像分析了条带式带齿加筋挡墙的初始剪切破坏和后期二次剪切破坏，并提 出了破裂面模型。最后，采用基于非连续介质力学的p f c 2 d 软件对条带式 带齿加筋砂土挡墙进行了数值模拟，并与模型试验的实测结果进行比对， 进一步验证了本文关于条带式带齿加筋砂土挡墙承载力和作用机理等问题 得出的结论。 关键词：条带式带齿加筋；加筋砂土挡墙；模型试验；墙面板水平位移； 齿筋侧向土压力；破裂面 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc o n v e n t i o n a lr e i n f o r c e ds o i ls t r u c t u r e s ，t h er e i n f o r c e m e n t sa reo r e nl a i d h o r i z o n t a l l yi nt h es o i l i nt h i sp a p e r , an e wc o n c 砷to fs o i lr e i n f o r c e dw i t h d e n t i s t r i pi n c l u s i o n si sp r o p o s e d i nt h ep r o p o s e dm e t h o do f s o i lr e i n f o r c e m e n t ， d e n t i s t r i pd e m e n t si n s t e a do fc o n v e n t i o n a lh o r i z o n t a li n c l u s i o n sa r ep l a c e di n t h es o i l af u n d a m e n t a ld i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed e n t i s t r i pr e i n f o r c i n ge l e m e n t s p r e s e n t e di nt h i sp a p e ra n do t h e rf o r m so fi n c l u s i o n si s t h a tt h es o i le n c l o s e d w i t h i nt h eh vo r t h o g o n a lr e i n f o r c i n gd e m e n t sw i l lp r o v i d ep a s s i v er e s i s t a n c e s a g a i n s ts h e a r i n gt h a tw i l li n c r e a s et h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo ft h er e i n f o r c e d s o f t as e r i e so fl a b o r a t o r ym o d e lt e s t sw e r ec a r r i e do u to ns a n dr e t a i n i n gw a l l r e i n f o r c e dw i t hd e n t i s t r i pi n c l u s i o n s b e s i d e st h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t so f t h ef a c i n g , t h el a t e r a le a r t hp r e s s u r e sa c t e do nv e r t i c a le l e m e n t sw e r em e a s u r e d ， w h i c hh e l pt oi n v e s t i g a t et h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e ro f r e i n f o r c e ds a n dr e t a i n i n gw a l l t h ep r o g r e s s i v ef a i l u r eo ft h es a n dw i t h i n r e t a i n i n gw a l lr e i n f o r c e dw i t hd e n t i s t n pr e i n f o r c e m e n t sw a sr e c o r d e db yd i g i t a l v i d e oc a m e r a b a s e do nt h ei m a g ea n dg r a p hd i s p o s a lt e c h n i q u e ，t h em o d e lo f t h ei n i t i a ls h e a rf a i l u r ea n df i n a ls h e a rf a i l u r ew a sp r o p o s e d t h ef a i l u r es u r f a c e a n di n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo fr e i n f o r c e ds a n dr e t a i n i n gw a l lw e r ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，p f c 2 dw a sa d o p t e dt os i m u l a t et h em o d e lt e s ta n dp r o v i d e d s i m u l a t e dd a t at ot e s t i f yt h er u l e sa n dc o n c l u s i o n sp r o p o s e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：d e n t i s t r i pi n c l u s i o n s ；r e i n f o r c e ds a n dr e t a i n i n gw a l l ；m o d e lt e s t ； h o r i z o n t a lf a c i n gd i s p l a c e m e n t s ；l a t e r a le a r t hp r e s s u r e so nd e n tr e i n f o r c e m e n t ； f a i l u r es u r f a c e v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：皿日期：逊u y 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) n 上海大学硕士学位论文 1 1 加筋土技术简介 第一章绪论 1 1 。1 加筋土技术的概念和历史 加筋土技术是一种通过在土中加入加筋材料来提高土体强度、增强土体稳 定性、改善土体力学性能的土工加固方法【l 】。加筋土作为添加了加筋材料的复 合土，属于复合材料范畴。 2 0 世纪6 0 年代法国工程师h e n r iv i d a l 在三轴试验中发现：当土中掺有少 量纤维材料后，其抗剪强度可明显提高。由此，h e n r iv i d a l 于1 9 6 3 年首先公布 了其研究成果，提出了加筋土的概念，并逐步提出了土的加筋方法和设计理论 【2 1 。此后，加筋土技术在世界范围内广泛传播，发展迅速，引起了世界各国工 程界、学术界的重视。前联邦德国地下建筑杂志( 1 9 7 9 ) 曾誉之为“继钢 筋混凝土之后又一造福于人类的复合材料。 加筋土技术在人类历史上的应用最早可以追溯到数千年前，当时由于加筋 材料的限制，应用范围较小。我国古代在修筑城墙和房屋墙体时常加入一些植 物纤维，如秸秆、竹片、柳条等。建于两千多年前的长城，有些地方就是在黏 土和砾石中添加柳条来修筑城墙的。而掺入秸秆、草筋砌筑的传统土坯房，直 至上个世纪中叶在我国仍然很常见。 2 0 世纪，新技术、新材料的不断涌现，促进了加筋土技术的发展。人工合 成的高分子聚合物如塑料、化纤、合成橡胶等相继被用作加筋材料，由此诞生 了新型的加筋材料一土工合成材料( g e o s y n t h e t i c s ) 。1 9 5 8 年美国佛罗里达州将 化纤织物用于海岸块石护坡下作为防冲层，此举被公认为是土工合成材料用于 岩土工程的开端。2 0 世纪8 0 年代，土工网、土工布、土工格栅等合成材料相 继问世，1 9 8 3 年国际土工合成材料学会( i g s ) 正式成立，土工合成材料的研 究与应用进一步加快了加筋土技术的发展。 我国于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初引进加筋土技术。1 9 8 6 年在天津召开 上海大学硕士学位论文 的“土工织物学术讨论会 和“土工合成材料技术协作网 的成立，标志着土 工合成材料在我国的应用进入了一个新的阶段。1 9 9 1 年，交通部制定和颁布了 我国第一部专门针对加筋土结构的规范公路加筋土工程设计规范。1 9 9 8 年 我国颁布了土工合成材料应用技术规范的国家标准和水利部的行业标准。 1 9 9 9 年铁道部制定和颁布了铁路路基土工合成材料应用技术规范，并在铁 路路基支挡结构物设计规范中加入了有关加筋土的内容。这些都促进了加筋 土技术在我国的应用和推广。 1 1 2 加筋土技术的特点 随着加筋土技术的不断应用和发展，其优越性也日益明显，加筋土与其它 类型材料相比，具有以下特点： ( 1 ) 具复合材料特性。加筋材料与土壤间存在互制机制，使其具有复合材料 特性，因而改变了原始土壤的结构性质，增加了土体的抗剪强度，使土体趋于 稳定。 ( 2 ) 施工简便。加筋土的组成构件可以预先制作，运往工地安装，简化施工 作业，缩短工期；在软弱地基上填筑时，由于拉筋是填土过程中逐层铺设的， 所以，因填土引起的地基变形对加筋结构稳定性的影响比对其它土工建筑物要 小，地基的处理因而也较简便；加筋土挡墙的施工只是单纯作业的重复，不需 要技术工，也不要支撑，也不必在养护上花费时间，全部作业可在填土一侧进 行，可以大大缩短工期。 ( 3 ) 对地基要求低，适应性好，加筋土属柔性结构，可以承受较大的地基变 形，其稳定性好，是一种良好的抗震结构，可用于可能产生不均匀沉降的软弱 地基，例如用混凝土挡墙须采用桩基时，加筋土挡墙可不做任何处理。 ( 4 ) 施工限制少，可因地制宜，就地取材。由于挡墙是由预制的墙面和拉筋 以及填土组成，在狭窄施工场地或严格限制噪音，振动的地方也能建造。 ( 5 ) 拆除简便。拆除时不用圬工凿除，取走填土即可，这对于一些临时构筑 物特别方便。 ( 6 ) 抗震性。由于加筋土结构物所特有的柔性能很好地吸收地震的能量，故 2 上海大学硕士学位论文 具有刚性结构物无法与之比拟的耐震性能。正因为加筋土具有这种良好的抗震 性能，所以在地震频繁的国家，比如日本，得到了快速推广。 ( 7 ) 耐寒性。在严寒地区建筑物的冻害是个大难题，但加筋土结构物能适应 严寒。加拿大1 9 7 1 年以来在严寒地区修建了4 0 多座加筋土工程，至今使用良 好。 ( 8 ) 少占土地，造形美观。加筋土挡墙墙面为一竖直平面，不用勾缝墙面板， 自然形成错落有致的规则图案，又壮观又美观。 ( 9 ) 节省投资。和钢筋混凝土结构相比，可减少造价一半以上，填筑的高度 愈大，节约的效果愈显著；和其它土工加固设施相比，加筋土工的总造价也较 低廉。 1 1 3 加筋土技术的应用和分类 目前，加筋土技术的应用非常广泛：作为支挡结构，被应用于挡墙、桥台、 港口岸墙和地下结构等；作为土体的稳定体系，被应用于道路路堤、水工坝体、 码头护墙、边坡稳定和加固地基等。近二十年来加筋土技术在我国发展迅速， 遍布公路、铁路、港口、航道、建筑、水利等多个领域。 加筋土按其所用加筋材料可分为：天然材料类，采用草、竹、柳条等， 一般用于临时工程、临时抢险工程等；金属材料类，采用扁钢带、带肋钢带、 镀锌钢带等；合成材料类，采用聚丙乙烯、聚酷、尼龙、玻璃纤维等；其形 式主要有聚丙烯带、土工格栅、土工网、土工织物( 俗称土工布) ；复合材料 类，采用钢筋混凝土拉筋、钢塑复合土工带( c a t 带) 等。目前国内外普遍采用 的是后两类，前两类用的较少。我国在上世纪8 0 年代相继修建各类加筋土工程 3 0 0 多座，其中8 0 以上工程的筋材为合成材料。 1 2 加筋土技术的研究现状 1 2 1 基本理论 迄今为止，各国学者对于加筋土强度和稳定性的提高有着不同的假设和 3 上海大学硕士学位论文 理论。总体来说，加筋土的基本理论主要包括摩擦加筋理论和准粘聚力理论【3 1 。 ( 1 ) 摩擦加筋理论 摩擦加筋理论认为，在加筋土结构中，填土自重和荷载等其他外力产生的 侧压力作用于面板，通过面板上的筋带连接件将此侧压力传递给筋带，具有将 筋带从土中拉出的趋势，而筋带材料由于被土压住，筋带与填土之间的摩擦力 阻止筋带被拔出。因此，只要筋带材料具有足够的强度，并与土产生足够的摩 阻力，则加筋的土体就可以保持稳定，成为能够支承外力和自重的结构体。 ( 2 ) 准粘聚力理论 准粘聚力理论认为，加筋砂土结构可以看作是各向异性的复合材料。通常 采用的拉筋，其弹性模量大于填土。在这种情况下，拉筋与填土的共同作用， 包括填土的抗剪力、填土与拉筋的摩擦阻力以及拉筋的抗拉力，使得带有拉筋 的填土的强度明显提高。研究发现，加筋砂的内摩擦角在加筋后基本不变，加 筋砂力学性能的改善是由于复合砂体具有新的“粘聚力 的缘故，而该“粘聚 力”不是砂土所固有的，是加筋的结果，因此称其为“准粘聚力。 此外，对加筋土的研究还有均质等代材料理论、弹塑性层板理论和弹性薄 膜理论等【4 1 。 1 2 2 数值计算研究 加筋土的数值计算模型，包括基于加筋土应力一应变关系的本构模型、基 于破坏形式的强度模型以及基于筋一土相互作用的有限元计算模型等。 ( 1 ) 本构模型 加筋的土本构模型主要分为两类。一类是分离模型，即把筋、土分开考虑。 一般将加筋体用一维线性单元或薄层矩形单元进行模拟，土体仍采用未加筋时 的本构模型。土、筋之间的相互作用常采用接触单元进行模拟，如果假定加筋 材料与土体在各点变形协调，就可取消接触单元。r o m s t a d 和s h e n ( 1 9 7 6 ) d - 6 、 石名磊和姚代禄( 1 9 9 4 ) 网、k a r p u r a p u 和b a t h u r s t ( 1 9 9 5 ) 嘲、s a m p a c o ( 1 9 9 6 ) 9 1 、陈群( 1 9 9 7 ) u 0 、孟松兔( 1 9 9 7 ) 1 1 1 】、胡再强和陈存礼( 1 9 9 8 ) u 2 、丁金 华和包承纲( 1 9 9 9 ) i t 3 、徐少曼和洪昌华( 1 9 9 9 ) 1 4 1 都用此类方法对加筋土结 4 上海大学硕士学位论文 构进行了数值分析。此类方法中还有一种较简单实用的方法，即介玉新和李广 信【”。1 6 1 提出的等效附加应力法。此方法是把加筋土中筋的作用等效成附加应力 沿筋的方向加在土骨架上，取加筋土中的土体进行计算。因而只出现土体单元， 筋的作用仅当成外力加在土体单元上，模拟筋材本身的单元并不出现。 另一类是复合模型，即把加筋土看成宏观上均匀的复合材料，土与筋材的 相互作用表现为内力，只对复合材料的性质产生影响，而不直接出现在应力应 变计算中，在数值计算中建立一种加筋土复合体的本构模型。加筋土的复合材 料本构模型经历了从弹性、弹性非线性到弹塑性乃至流变模型的发展过程。 h a r r i s o 和g e r r a r d ( 1 9 7 2 ) 提出把正交各向异性材料的弹性理论用于加筋土【1 7 】。 g e r r a r d ( 1 9 8 2 ) 将加筋当作层状正交均质加筋体【l 引，进一步发展了上述模型。 p r i s c o 和n o v a ( 1 9 9 3 ) 将加筋土看作由未加筋和只能承受拉力的摩擦介质两种 连续体组成，由两种连续体的本构关系推出加筋土的非线性本构关系 1 9 1 。s h u k l a 和c h a n d r a ( 1 9 9 4 ) 将加筋土的各个部分简化成一般的力学单元，提出了软土 地基上土工合成材料加筋土的沉降计算普遍力学模型【2 0 1 。殷建华( 1 9 9 7 ) 进一 步发展了这一模型，将土体和弹簧模型都假设为双曲线函数来代表颗粒状填料 的非线性剪应力一应变关系和软土的非线性性质【2 l 】。s a w i c k i ( 1 9 9 9 ) 建立了适 用于土工合成材料加筋土的流变模型2 2 1 ，该模型中假设土工合成材料是粘弹性 体，土是弹塑性体，把加筋土的整个应力一应变关系分成弹性和塑性两个阶段， 分别建立各阶段的模型方程。c h e n 等人( 2 0 0 0 ) 利用均质横向各向同性的概念， 建立了加筋土的非线性均质模型【2 3 】。张孟喜和孙钧( 2 0 0 0 ) 在土工合成材料加 筋土应变软化试验研究的基础上，提出了适合加筋砂粘土特性的三段式弹塑性 计算模型【2 4 】，并对加筋土挡墙进行了弹塑性有限元分析。 ( 2 ) 强度模型 加筋土根据加筋材料、外荷载的大小不同而发生不同形式的破坏，加筋土 的粘聚力和内摩擦角也相应发生变化。加筋土体的破坏主要包括拉力破坏( 断 裂) 和粘着破坏( 摩擦) 两种形式，前者是指填土中的加筋材料被拉断所导致 的破坏，而后者则是由于加筋和土体之间的摩擦力不足导致加筋材料从填土中 拔出形成的破坏。根据加筋土体破坏时的受力平衡条件，可以建立相应的加筋 5 上海大学硕士学位论文 土强度模型。 y a n g ( 1 9 7 2 ) 首先提出了等效围压原理【2 5 】，将筋材当作附近周围应力来分 析加筋土的破坏，d o n a l d ( 1 9 8 6 ) 将该理论应用于加筋砂土的三轴试验，并提 出了加筋砂土的等效围压强度表达式【2 6 1 。吴雄志( 1 9 9 2 ) 分析了加筋砂土试样 发生拉力破坏和粘着破坏时的极限平衡条件，给出了由临界围压确定拉力破坏 和粘着破坏的判别准则，从而建立了加筋砂土的强度模型【2 7 1 。熊正洪( 1 9 9 4 ) 在吴雄志等研究加筋砂土的基础上，研究了加筋粘土试样受剪破坏时隔离体的 受力平衡条件，推导出在拉力破坏和粘着破坏时加筋粘土的强度模型表达式【2 8 】。 a i g e n ( 1 9 9 6 ) 根据滑裂面平衡法计算了临界破坏荷载，提出了加筋土结构的强 度模型 2 9 1 。梁波( 1 9 9 8 ) 提出了加筋土体( 石灰、粉煤灰) 的等效侧向约束力 计算模型，根据剪阻力和侧向约束力的平衡关系，建立了粘着破坏条件下的强 度参数表达式【3 0 1 。周志刚( 1 9 9 8 ) 利用极限平衡理论分析土工格栅加筋土体的 抗压强度，推导出在拉力破坏和粘着破坏条件下相应的承载力和破裂角计算公 式【3 l 】。杨果林( 1 9 9 9 ) 从加筋土支挡结构墙后填土的破裂面形状及所在位置出 发，分析了支挡结构在拉力破坏和粘着破坏时的承载力，建立了包含增大的粘 聚力分量和增大的摩擦角分量的极限平衡方程式【3 2 1 。 ( 3 ) 有限元模型 土中加入加筋材料后，可以划分成三个部分来处理，即土体、筋材以及土 体与筋材的界面，对这三部分采用不同的单元划分方法，就提出了不同的有限 元计算模型。 加筋土的有限元计算模型根据其本构模型也有分离和复合两类。张道宽 ( 1 9 8 7 ) 把两个无厚度的接触面单元和模拟筋材的拉杆单元揉合在一起，组成 了加筋系统有限元分析的离散化结构【3 3 1 。李艳春等人( 1 9 9 6 ) 在土工格栅与土 的相互作用分析中，将格栅的纵肋和横肋分开考虑，用g o o d m a n 无厚度单元来 模拟抗拉的纵肋，用两节点单元来模拟抗弯的横肋【3 4 】。闰澍旺( 1 9 9 7 ) 将土工 格栅的纵肋与横肋沿纵横两个方向分成若干单元，用非线性弹簧来模拟土体对 格栅的阻力，提出了土工格栅在拉拔状态下与土体相互作用的有限元分析计算 模型【3 5 】。朱湘( 2 0 0 0 ) 针对软土采用邓肯一张非线性模型，土工格栅与土体的 6 上海大学硕士学位论文 接触面采用g o o d m a n 弹簧单元，格栅单元为只能受拉、不能受压、不具有抗 弯刚度、只能沿轴向变形的一维单元【3 6 1 。张兴强( 2 0 0 1 ) 采用非线性弹簧一阻 力延迟器一质量块系统模拟土工格栅纵肋、横肋与土体的动力相互作用，采用 集中刚度法形成总刚，提出了在动力荷载作用下，土工格栅与土体相互作用的 有限元分析模型【3 7 1 。 。 现有加筋土的本构模型、强度模型以及有限元模型，都是针对不同土体和 加筋材料提出的，其计算分析结果虽然能够解释加筋土体的一些力学特性，但 至今还没有一个公认的适用于加筋土体的通用模型，特别是筋土界面模型。 1 2 3 试验研究 加筋土的试验研究是促进加筋土技术发展的重要基础，目前关于加筋土的 试验种类较多，其中比较常见的有以下5 种。 ( 1 ) 三轴试验 三轴试验是目前岩土工程测试技术中应用最广泛的一种测试手段。它通过 三轴试验仪对原状的或重塑的三轴试件进行轴对称压缩或挤长试验，以期得到 非常重要的反映土的强度性质和力学指标粘聚力和内摩擦角( c ，缈值) ，以及饱 和三轴试件中孔隙压力对土的强度性质的影响规律，击实密度( 即孔隙比) 对 于强度性质和沉降的影响等。 加筋土的概念就是h e m iv i d a l 通过三轴试验提出的，此后三轴试验一直被 广泛应用于研究加筋土的强度和受力机理等问题。如，b r o m s ( 1 9 7 7 ) 测试了 土工织物加筋砂试样的三轴压缩极限强度【3 8 】；r a j a g o p a l 等( 1 9 9 9 ) 进行了大量 三轴压缩试验以研究土工格室应用于加筋土的效果【3 9 】；吴景海等( 2 0 0 0 ) 通过 三轴试验验证了：土工合成材料加筋砂具有准粘聚力，且仍符合m o h r - c o u l o m b 抗剪强度理论【矧。 ( 2 ) 拉伸试验 拉伸试验是测试土工合成材料性能的一种常用方法。土工合成材料的拉伸 试验最先采用“窄条抗拉测试法，但会发生比较严重的颈缩现象，与筋材在土 体中的实际变形有较大差异。后来许多学者对实验仪器和方法进行了改进， 7 上海大学硕士学位论文 s i s i o r ( 1 9 7 7 ) 采用了平面应变抗拉强度试验装置，把试样两侧用带有凸钉的夹 杆夹住，以防止试样收缩。s h r e s t h a ( 1 9 8 6 ) 、郑玉琨( 1 9 9 0 ) 提出用宽条抗拉 测试法，以克服窄条法在土工合成材料测试中的不足。 ( 3 ) 筋一土作用试验 筋一土相互作用关系一直是加筋土研究的重点，目前主要通过直剪试验和 拉拔试验来研究筋土界面的摩擦特性。如，e i g e n b r o d 和l o c k e r ( 19 8 7 ) 通过直 剪试验发现土与土工合成材料间的摩擦角小于土本身的摩擦角【4 1 】；赵爱根 ( 1 9 8 7 ) 在土工合成材料与高岭土和标准中砂之间的直剪试验中发现：土与织 物界面的剪应力一剪切位移曲线呈非线性，界面剪应力的发挥需一定的位移， 影响界面相关系数的主要因素是材料的物理、力学性质以及上覆法向应力和剪 切速度 4 2 】；i r s y a 和h r y c i w ( 1 9 9 1 ) 通过拉拔试验研究了平面肋式加筋的摩阻力 变化规掣4 3 】；r a c a n a 等( 2 0 0 3 ) 研究了波状土工织物带的拉拔特性 4 4 1 。 ( 4 ) 原型试验 原型试验又称现场足尺试验( f u l ls c a l et e s t ) 。虽然试验投资大、周期长， 但能够真实地反映加筋土结构的实际情况，有助于对加筋土结构的性状及加筋 机理更深刻的认识。如，r o w e 等( 1 9 9 5 ) 通过对土工织物加筋路基的现场原型 试验，研究了裂缝的发展规律和路基破坏机理【4 5 】；陈群和何昌荣( 1 9 9 9 ) 对刚 性、柔性两种加筋土挡墙的拉筋进行了原型观测，分析了两种拉筋受力在挡墙 内沿筋长及墙高的分布规律。 ( 5 ) 模型试验 与现场足尺试验相比，模型试验投资较小、周期较短，经济性好，因此也 是加筋土研究中常用的一种试验方法。目前，加筋土的模型试验主要包括室内 静态模型试验和离心模型试验。 静态模型试验是按一定的几何、物理尺寸，用室内静态来间接模拟原型的 试验。一般是直接施加面力使加筋土结构达到破坏，来观测和分析加筋土的相 关受力性能。但是，由于这类试验无法模拟实际土体的真实受力，且边界条件 与实际情况有差异，故试验结果不能直接用于设计。如，s m i t h 和b r i g i l s o n ( 1 9 7 9 ) 、熊正洪和张孟喜( 1 9 9 2 ) 通过模型试验研究了自重和超载两种条件下 8 上海大学硕士学位论文 筋条布置对加筋土挡墙承载力的影响 4 7 - 4 s 1 ；魏丽敏( 1 9 9 7 ) 在模型试验的基础 上，对浅埋条形基础下加筋土地基的筋带内力大小及分布规律进行了探讨【4 9 】。 离心模型试验根据相似理论【删，借助离心机产生离心加速度来模拟重力场 ( 体力) 。试验要求模型具有与原型相似的边界条件和受力状态，当重力加速度 增至氅( g 为重力加速度) 时，模型尺寸可缩短为原型的1 n ，固结时间更可缩 短为原型的1 铲，有较强的应用性。如，介玉新等( 1 9 9 8 ) 对两种不同密度粘 性土的素土和纤维加筋土直立边坡进行了离心模型试验，分析了边坡的破坏形 式、破坏过程和稳定性【5 1 1 。 1 2 4 加筋土技术研究展望 总体来说，加筋土技术推广快，应用领域广，而对加筋材料与土体相互作 用机理及其设计计算理论的研究却相对落后于工程实际应用，使得工程应用缺 乏必要的理论依据和指导。此外，仪器控制和测试方法还未统一，设计方法有 些还不够完善，试验和观测技术还有局限，这些都有待于继续深入研究。可以 预见，随着加筋新材料、新结构形式、实践中加筋填料的多样性、工程所处环 境和实际情况的复杂性不断对加筋土技术提出新的要求，加筋土技术的研究将 有一个非常广阔的发展空间。 1 3 本文的研究对象及研究思路 1 3 1 加筋土挡墙的研究 1 9 6 5 年法国首先运用加筋土技术在比利牛斯山的普拉聂尔斯修建了世界上 第一座加筋土挡墙，当时的加筋材料为镀锌金属条带。此后，加筋土挡墙一直 是加筋土技术的重要应用领域，广泛地出现在世界各国的公路、铁路等工程建 设中。近十年来，国内外对加筋土挡墙的研究逐步深入，成果丰富：l e s n i e w s k a 和p o r b a h a ( 1 9 9 8 ) 用刚塑性模型对加筋土挡墙进行了数值模拟【5 2 】；s a w i c k i ( 1 9 9 9 ) 就加筋土挡墙的蠕变提出了相应的计算理论吲；h a t a m i 等( 2 0 0 1 ) 讨 论了不同加筋方式对挡土墙强度的影响【矧；杨果林( 2 0 0 3 ) 对加筋土挡墙的动 9 上海大学硕士学位论文 力特性进行了模型试验研辩明；t a e s o o n 和s i e w ( 2 0 0 5 ) 验证了混合短纤维在 加筋土挡墙中的加筋效梨5 6 】；王祥等( 2 0 0 5 ) 对铁路路堤式加筋土挡墙的墙面 板水平土压力、墙后土体垂直土压力及加筋材料变形进行了现场原位试验【5 刀： 高江平等( 2 0 0 5 ) 观测了加筋土挡墙模型试验中破裂面的情况【诣】；c h e l a 和c h i u ( 2 0 0 7 ) 研究了土工格室加筋挡墙的破坏机理【5 9 1 。这些研究成果有力地推动了 加筋土挡墙的发展。 目前，关于加筋土挡墙的一些主要研究成果和设计方法如下。 ( 1 ) 变形特征 根据一些专家学者对加筋土挡墙的现场原型观测，加筋土挡墙在自重和超 载下墙面板的位移情况大致可以分为4 种，如图1 1 所示。 图1 1 加筋土挡墙的变形特征 图1 中，a 、b 是加筋土挡墙在自重下墙面板位移的两种常见形式( b a t h r u s t ( 1 9 9 1 ) 【删、a l l e n ( 1 9 9 2 ) 6 1 1 ) ，其最大水平位移都发生在顶部，影响两者差 异的因素很多，其中包括结构尺寸、筋条布置、墙面板构造等。c 是目前较为 公认的加筋土挡墙在超载下的变形形式( b a t h r u s t ( 1 9 9 1 ) 6 0 】、b e n i g n i ( 1 9 9 6 ) 【6 2 】) ，其最大水平位移发生在挡墙的中部附近。d 则反映了自重下加筋土挡墙长 期( 数年以上) 的流变特征( d j a x w a d ia n dw o n g ( 1 9 9 4 ) 6 3 1 ) 。 ( 2 ) 墙背土压力 对于重力式挡墙而言，“土压力 是指在( 主动) 极限状态下，填土及超载 对墙背所产生的侧压力；而对加筋挡墙的设计而言，“土压力是指在没有加筋 时，主动极限状态下，填土及超载施加于墙背的侧压力，或指有筋时，在主动 1 0 c八 上海大学硕士学位论文 极限状态f ，要求筋条提供的拉力，这时，墙面板上实际承受的压力可能很小， 甚至完全没有压力。 目前，国内外学者普遍认为加筋土挡墙的墙背侧压力系数介于主动土压力 系数疋和静止土压力系数毛之间。其数值的变化取决于拉筋的延伸，直观的 表现是墙面板的位移，位移大则靠向兄，位移小则靠向k 。 法国和日本在加筋土挡墙设计中，都对侧压力系数作了如下规定： k = k o ( 1 一z z o ) + i q z z o( z z o = 6 m ) 式中：疋= t a n 2 ( 4 5 。一缈2 ) ；g o = 1 - s i n q o ；缈为填料的内摩擦角。从挡墙 上端至深度6 m 处，侧压力系数k 由静止土压力系数线性变化为主动土压力 系数吃，6 m 以下深度则采用主动土压力系数瓦，如图1 2 所示。 k z ( 上深) 图1 2 加筋土挡墙墙背侧压力系数 我国铁路路基支挡结构物设计规则( t b l o l l 8 9 9 ) 规定：作用于加筋土 挡墙面板上的土压力，为墙后填料和荷载产生的土压力之和【硎，如式( 1 2 ) 所 示。 o h j = 吒n + j 2 ( 1 2 ) 上海大学硕士学位论文 式中：为墙背侧向土压力：吒n 为填料产生的侧向土压力：为荷载 产生的侧向土压力。 规范还规定，由填料产生的侧压力按式( 1 3 ) 计算。 l2 c o 7 鬼( 忽 0 5 h ) 式中：7 为填料重度；h 为墙高；鬼为墙面板距离墙顶的距离；c o = 1 - s i n 缈； 矽为填料的内摩擦角。填料产生的侧压力呈梯形分布，如图1 3 所示。 警 ： 二 ： 雹 l n o j 广 雹 雹 i ，、 o 杠一竺：堕堕一少 c 叫 图1 3 由填料产生的土压力分布 此外，由荷载产生的侧压力按式( 1 4 ) 计算。 = 争c 撬一群等+ a r c t a n 半一一鲁， 4 ) 式中：b 为荷载内边缘至墙背的距离；为荷载换算图柱高度；l o 为荷载 分布宽度。 ( 3 ) 破裂面形式 关于加筋土挡墙破裂面的位置和形状，国内外研究者通过室内模型试验和 现场足尺试验获得了大量试验资料。s c h l o s s c r 和s e g e r s t i n 研究认为它是一条对 数螺旋线；国内外众多文献指出，通过试验量测的各层水平筋条拉力峰值点连 1 2 上海大学硕士学位论文 线确定破裂面，其顶部约在离挡墙墙面板0 3 h 处，沿该点垂直向下延伸，并与 自墙底与水平面成4 5 。娜2 的斜线相交，也有文献认为简化破裂面的转折点固 定为h 2 。如图1 4 所示。在实际应用中，国内外采用较多的是0 3 h 简化型破 裂面。 图1 4 传统加筋土挡墙破裂面 ( 4 ) 加筋土挡墙的设计方法 目前，世界各国使用的加筋土挡墙设计方法主要有三大类：极限平衡法 ( l e m ) ，其中主流的通用方法有d e m 0 8 2 法( 美国) 、后拉楔体设计法( 欧洲) 、 d i b t 法( 德国) 等，我国国家标准和水利规范中加筋挡土墙的设计均采用了极 限平衡法；极限状态法，如英国提出的b s 8 0 0 6 法；有限元法( fem ) 。 此外，还有其它设计方法，如能量法、剪胀区法、塑性极限分析法、弹性薄膜 分析法、基于边界积分原理的加筋土设计方法等。 1 3 2 本文主要研究内容 目前，关于土工合成材料的研究，还主要集中在材料本身的性质；而对加 筋材料的布置方式研究，主要还是在加筋层数、单层加筋数以及单层纵横布置 方式方面做出改变。 本文依托国家自然科学基金项目“条带式带齿加筋砂性土作用机理的细观 1 3 上海大学硕士学位论文 模拟与试验研究 ，在张孟喜( 2 0 0 6 ) 提出的立体加筋土概念( 见第二章) 基础 上，设计了一种新型加筋方式一条带式带齿加筋，通过模型试验将其应用于挡 土墙，主要进行了以下几个方面的研究： ( 1 ) 模型试验的设计。其中包括试验模型箱的构建、试验仪器的制备以及试 验方案的制定。 ( 2 ) 根据模型试验中量测到的承载力、墙面板位移、齿筋侧向土压力等数据， 研究分析该加筋方式下挡墙的承载能力、变形特征和受力机理等问题，总结条 带式带齿加筋砂土挡墙的工作机理。 ( 3 ) 通过数码设备观测该加筋方式下挡墙的渐进破坏过程，研究条带式带齿 加筋砂土挡墙的破坏机理，并与传统破裂面假设进行比较，拟提出破裂面的具 体形式。 ( 4 ) 本文采用基于非连续介质理论的p f c 2 d 程序，建立力学模型，对条带式 带齿加筋砂土挡墙进行数值模拟。将p f c 2 d 模拟数据与试验实测数据进行比较 分析，进一步探讨该加筋方式下挡墙的受力机理等问题。 1 4 上海大学硕士学位论文 第二章立体加筋土理论 2 1 立体加筋土的概念 近年来，加筋土工合成材料的形式呈现出从以土工带为代表的一维条带筋 材向以土工格栅为代表的二维平面筋材甚至准三维的土工格室发展的趋势。加 筋材料与填土的共同作用从以“面 为主发展到以“楔 为主，又进一步发展 到以“柱 为主。也即从以“摩擦”为主发展到以“咬合为主，又进一步发 展到以“阻抗”为主。 从目前加筋土的研究成果、设计理论及施工方法来看，加筋土的布筋形式 主要还是以水平布筋为主。尽管一些学者在布筋形式上做了进一步探索，如 r a j a g o p a l 等( 1 9 9 9 ) 研究了多层土工格室加筋土的强度和刚度特性【3 9 】；杨果林 等( 1 9 9 9 ) 提出了由纵横筋平面网格式混凝土组成的加筋结构吲；雷胜友( 2 0 0 1 ) 分析了钢筋混凝土串联块作为筋带的加筋土支挡结构的强度特性 6 5 】。但这些研 究主要还是在加筋层数、单层加筋数以及单层纵横布置方式方面做出改变，未 能真正向空间立体布筋方向发展。 张孟喜( 2 0 0 6 ) 首先提出了一种新的加筋方式一立体加筋【6 6 1 ，并申请了国 家发明专利( 2 0 0 5 1 0 0 2 8 2 4 1 8 ) 。立体加筋的概念是在土中布置水平、竖向或空 间的立体加筋，即在传统水平加筋的基础上布置竖向或立体加筋，或在土体中 直接布置立体加筋，或在土体中布置水平一竖向联合立体格构式加筋，真正实 现了“空间立体 意义上的加筋。 本文在立体加筋前期研究的基础【6 6 击8 】上提出的一种新型的加筋方式一条带 式带齿加筋，它是在水平条带式筋条上布置竖向或空间筋材，由此组合而成的 加筋形式。与传统的带状或片状筋条相比，除了筋土界面的摩擦力，竖向或空 间齿筋可以提供一定的侧阻力，并能在齿筋间将形成“加强土柱 或“加强土 楔体”起到加固作用。因此，条带式带齿加筋是一种集水平、竖向、空间为一 体的三维立体结构。 1 5 上海丈学磺学位电i 按照条带式带齿加筋的概念根据齿筋几何形状厦其不同组合并考虑到土 体碾压密实性，其加筋方案大致可以分为以下3 种，如图2 1 23 所示。 ( j ) 方案j 一等宽条带式带齿加筋 等宽条带式带齿加筋的典型方案如图2l 所示。齿筋形状可采用变厚度的 矩形、多面体板或半球体等，其宽度与水平筋相同，二者组合形成立体加筋。 其中，水平筋主要发挥其水平方向筋土摩擦作用：受齿筋的侧阻约束作用，齿 筋阳j 的土体将形成“挤密区域”。为了保证土体能被碾压密实使水平筋摩擦作 用与齿筋侧阻作用均能充分发挥，二者可正交布置或呈一定角度，形成“倒楔 形”齿筋。莎 ( a ) 单侧正交竖向扳组合加筋( b ) 烈侧正交竖向扳组合加筋 剖2l 等宽条带式带齿加筋典型方寰示意图 ( 2 ) 方案i i 一不等宽条带式带齿加筋 不等宽条带式带齿加筋的典型方案如图2 2 所示。当条带式水平筋宽度较 小时，竖向或空日j 齿筋通过单根或双根条带式水平筋连接形成齿筋为主的组合 体。由于较窄的条带式水平筋主要起连接作用，组合筋周围孔洞容易保证上体 在施工过程中被压密，连筋可在水平筋上、下两侧对称布置或单侧布置，也可 在水平筋上单侧布置半球形齿筋。该加筋形式。主要通过齿筋侧阻约束作用， 在齿筋间形成土体“挤密区域”。 c a ) 趴侧止交水平竖向组合加筋m ) 单侧水平一半球形纽台加筋 圉2 , 2 不等宽条带式带齿加筋典型方案示意闰 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 方案一杆式带齿加筋 杆式带齿加筋的典型方案如图2 3 所示。若单根连接的水平筋变为较细的 圆柱或棱柱状杆件时，齿筋采用等厚度或变厚度多边形、圆形板，或者在杆式 水平筋上闻隔布置类似球形齿筋( 形成类似于“糖葫芦串”加筋) ，则成为杆式 带齿加筋，其齿筋也可采用“倒楔形”布置。这种形式加筋，以齿筋作用为主， 杆式水平筋主要起连接作用。 ， 杆式- 球彤组台加舳( b ) 杆式六边彤组台硼筋 图2 3 杆式带齿加筋典型方案示意图 2 2 立体加筋土的研究 张孟喜等( 2 0 0 6 ) 通过单层、双层立体加筋砂土的三轴试验【6 7 椰】，研究了 其强度特性，初步验证了立体加筋土的加筋效果，并提出了多层立体加筋土的 三轴强度模型【6 ”，经计算该模型与试验结果吻合良好。 此后，立体加筋土体系还被引入到拉拔试验7 、非饱和黏土三轴试验7 ”、 条形地基模型试验m 肄，进一步研究了立体加筋土的筋土界面特性、共同作 用机理等问题。这些工作深化了立体加筋土的研究。 2 3 立体加筋于挡土墙的应用 目前，加筋土挡墙中采用的加筋材料主要集中在条带状筋条( 如聚丙烯土 工带) 和平面状筋条( 如土工织物、土工布、土工膜和土工格栅等) 。这些筋材 无论是否布置横向肋带，主要还是停留在传统的水平布筋形式上。因此，将立 体加筋引入加筋土挡墙结构具有现实的研究意义。 根据21 节提出的条带式带齿加筋的概念，本文设计了条带式带齿加筋挡 墙的方案，如图2 4 所示。在该设计方案中，齿筋上的侧阻力可以更有针对性 上海大学硕士学位论文 地限制墙后土体的侧向变形，齿筋间形成的“土体加强区”可以有效地改善加 筋土的受力状况，从而提高挡墙的强度与稳定性。 ( a ) 单侧竖向板条带筋( b ) 加筋挡墙方案 图2 4 典型条带式带齿加筋挡墙示意图 上海大学硕士学位论文 第三章条带式带齿加筋砂土挡墙的室内模型试验 本文室内模型试验的目的在于：将作为立体加筋方式中一种的条带式带齿 加筋，应用于加筋土挡墙，以研究该加筋方式下挡土墙的承载力、变形特征和 破坏机理等问题，并通过试验结果对立体加筋理论作进一步验证和补充。 3 1 试验设计 本文试验设计的内容主要包括：模型箱与加载装置的设计制作、加筋方案 的制定、土样以及量测系统的选用。其中涉及的仪器设备主要有：模型箱、反 力架、千斤顶、测力仪、位移计、磁性表座、土压力计、静态电阻应变仪等， 用以获取面板水平位移、承载力、齿筋侧向土压力等数据。 3 1 1 模型箱与加载装置 图3 1 模型箱示意图 1 9 上海大学顽学位论文 圈3 2 模型箱实物图 模型箱如图31 、3 2 所示，该模型箱的设计制作参照了兰州铁道学院室内 模型试验所使用的模型葙。根据试验要求并考虑到试验场地限制，模型箱的 整体尺寸为1 3 0 x s o x l l o c m ( 长宽高) 。模型箱骨架由z 7 0 x 7 0 5 m m 角钢焊 接而成，两侧挡板采用螺栓固定的厚度为l e n a 的高强度有机玻璃板，受力时基 本不产生变形，同时可以直接观测或片l 数码摄像机拍摄模型箱内填料颗粒的分 布及运动情况：模型箱中部由竖向焊接的四根z 4 0 x 4 0 x 45 m m 角钢将其分为前 后两个部分本文试验仅取