（岩土工程专业论文）格室垫层刚度测试技术及其计算理论研究.pdf

格室挚层刚度测试技术及j e 计算理论研究 摘要 土工格室加筋垫层在双向增强复合地基中充当柔性筏板基础，能扩散、均化 上部荷载，约束地基侧向变形，有效调节桩土应力分担等。研究表明，土工格室 结构层上述作用的发挥与其抗弯刚度存在密切联系。然而，目前理论分析中将结 构层的变形模量用于计算格室体抗弯刚度的方法存在不合理。为此，本文提出基 于叠梁试验测试土工格室垫层抗弯刚度的方法。 为得到格室垫层的刚度测试技术及其计算方法，本文首先进行了叠梁的接触 特性研究。为克服以往解析解答与实际不合的现象，将叠梁接触问题构造为线性 互补问题，并给出基于l e m k e 算法的一般求解过程。在此基础上，分析讨论了几 类典型荷载作用下的叠梁层间接触力分布规律。为进一步了解叠梁的力学特性， 基于大型商业有限元软件a d i n a 进行了叠梁有限元分析。一方面，研究不同荷 载形式、不同刚度比情况下悬臂叠梁的接触规律；另一方面，研究两种常见加载 方式下简支叠梁的应力应变情况，分析中考虑了刚度比和摩擦的影响。在获得叠 梁力学特性基础上，进行了格室垫层的抗弯刚度测试研究。首先进行多组普通叠 梁试验，以验证后文的计算方法。然后，进行格室垫层的刚度测试试验，试验中 考虑了土工格室规格、填料种类和填料密实度等影响因素。针对上述测试试验， 提出了改进的叠梁计算方法，以计算格室垫层的刚度。通过与普通叠梁试验测试 数据进行对比，发现考虑摩擦影响的叠梁计算方法的计算精度较传统方法明显提 高。在此基础上，对格室垫层刚度测试试验进行计算，得到格室垫层的弯曲弹性 模量，并将计算结果进行统计分析。 最后本文得到：碎石填料大规格格室体梁弯曲弹性模量在5 0 - - 1 0 0 m p a ，平 均值约为7 0 m p a ；粉土格室体梁弯曲弹性模量在4 0 - - 9 0 m p a ，均值约为6 0 m p a ； 碎石填料小规格格室体梁弯曲弹性模量在3 5 5 5 m p a ，平均值约为4 5 m p a 。由此， 本文为土工格室加筋垫层的抗弯刚度参数取值提供了依据，同时也丰富了材料宏 观力学参数测试试验的内容。 关键词：复合地基；土工格室垫层；抗弯刚度；测试技术；叠梁；线性互补算法 i i 硕i ：学位论文 a bs t r a c t g e o c e l lr e i n f o r c e dc u s h i o ni nt h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nr e i n f o r c e di n t w o d i r e c t i o n s e r v e sa saf l e x i b l er a f tf o u n d a t i o n ，t os p r e a da n dh o m o g e n i z et h e u p p e rl o a d ，r e s t r a i nl a t e r a ld e f o r m a t i o no fg r o u n d ，e f f e c t i v e l yr e g u l a t et h ep i l e s o i l s t r e s ss h a r i n ga n ds oo n f u r t h e rt h e o r e t i c a ls t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h ee x e r t i n go f a b o v ef u n c t i o no fg e o c e l lr e i n f o r c e dc u s h i o nh a sac l o s ec o n t a c tw i t hb e n d i n gr i g i d i t y h o w e v e r ，t h e r ei sas i g n i f i c a n tu n r e a s o n a b l ei nc u r r e n tt h e o r e t i c a la n a l y s i si nw h i c h t h ed e f o r m a t i o nm o d u l u so fg e o c e l lc u s h i o ni st a k e nt oc o m p u t eb e n d i n gr i g i d i t y t o t h i se n d ，am e t h o dt h a tt e s tb e n d i n gs t i f f n e s so fg e o c e l lc u s h i o nb yu s i n gs t a c k e d b e a ms y s t e mi sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s i no r d e rt oo b t a i ni t st e s tm e t h o da n dc a l c u l a t i o nt h e o r y , f i r s t l yc o n t a c tl a wo f l a m i n a t e db e a mw a ss t u d i e di nt h et h e s i s t h ec o n t a c tp r o b l e mo fl a m i n a t e db e a mi s f o r m e da sl i n e a rc o m p l e m e n t a r i t yp r o b l e mt o o v e r c o m ei r r a t i o n a lr e s u l t sf r o m t r a d i t i o n a la n a l y t i c a ls o l u t i o n ，a n dt h eg e n e r a ls o l v i n gp r o c e s sb a s e do nt h el e m k e a l g o r i t h mi se s t a b l i s h e d o nt h eb a s i s ，t h ec o n t a c tl a wo f s t a c k e db e a mu n d e rt y p i c a l l o a di ss t u d i e d s e c o n d l y , af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb a s e d o nc o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a d i n ai sc a r r i e do u t ，t of u r t h e ru n d e r s t a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t a c k e db e a m o nt h eo n eh a n d ，t h ec o n t a c tl a wo fs t a c k e dc a n t i l e v e rb e a mw i t hv a r i o u sl o a dt y p e a n ds t i m l e s sr a t i oi ss t u d i e d o nt h eo t h e rh a n d ，o ns t r e s sa n ds t r a i no fs i m p l y s u p p o r t e db e a mu n d e rt w oc o m m o nl o a d i n g si ss t u d i e d ，c o n s i d e r i n gt h e e f f e c to f s t i f f n e s sa n df r i c t i o n t h e nt h es t i f f n e s so fg e o c e l lr e i n f o r c e dc u s h i o ni st e s t e d f i r s t l ys o m eo r d i n a r y s t a c k e db e a mt e s t si sc a r r i e do u t ，a n db a s e do nt h a t ，ag r o u po ft e s t st h a tt e s t i n g g e o c e l lc u s h i o n ss t i f f n e s si sc o m p l e t e d f a c t o r s ，s u c ha sg e o c e l ls p e c i f i c a t i o n s ，f i l l e r t y p ea n dp a c k i n gd e n s i t y ，h a v eb e e n t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h et e s t a c c o r d i n gt ot h e s et e s t s ，a ni m p r o v e dm e t h o dt o c a l c u l a t eg e o c e l lc u s h i o n s t if f n e s si sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s b yc o m p a r i n gc a l c u l a t e dv a l u e sa n de x i s t i n gt e s t r e s u i t sf r o mo r d i n a r yb e a mt e s t s ，i ti s f o u n dt h a tt h ec a l c u l a t i o na c c u r a c yh a s i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yf r o mt r a d i t i o n a lm e t h o d s t h e n ，g e o c e l lc u s h i o n s t i f f n e s st e s t s a r ec a l c u l a t e d ，a n das t a t i s t i c a la n a l y s i so fr e s u l t sa r ec a r r i e do u tt o o f i n a l l v ，s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s b e n d i n ge l a s t i c i t ym o d u l u so f i i i l a r g e 。s i z e dg e o c e l lc u s h i o nw i t hg r a v e la r ef r o m5 0t o10 0 m p a ，t h ea v e r a g ei sa b o u t 7 0 m p a ；b e n d i n ge l a s t i c i t ym o d u l u so fl a r g e s i z e dg e o c e l lc u s h i o nw i t hs i l tm a t e r i a l s a r ef r o m4 0t o8 0 m p a ，t h ea v e r a g ei sa b o u t6 0 m p a ；b e n d i n ge l a s t i c i t ym o d u i u so f s m a l ls p e c i f i c a t i o n sg e o c e l lc u s h i o nw i t hg r a v e la r ef r o m3 5t o5 5 m p a ，t h ea v e r a g ei s a b o u t4 5 m p a t h u s ，f r o mt h i s t h e s i s ，t h eb a s i sf o re v a l u a t i n gb e n d i n gr i g i d i t v p a r a m e t e r so fg e o c e l lr e i n f o r c e dc u s h i o ni sp r o v i d e d ，a n dt h et e s tc o n t e n to fm a c r o m a t e r i a lm e c h a n i c sp a r a m e t e r si se n r i c h e d k e yw o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；g e o c e l lr e i n f o r c e dc u s h i o n ；b e n d i n gr i g i d i t y ； t e s t i n gt e c h n o l o g y ；s t a c k e db e a m ；l i n e a rc o m p l e m e n t a r ya l g o r i t h m i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：召i f 墓儇日期：歹年弓月净日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：哆亭应儇 日期：加c ，年3 月z t 日 刷醛考旌缪f 醐：渺7 年3 月午日 粥孵铹l 硕f ：学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 人类在改造自然界的过程中，会利用主观能动性来指导实践。土工合成材料 在岩土工程中的应用，便是人类智慧的结晶。从2 0 世纪6 0 年代开始，土工合成 材料已经在公路、边坡、大坝、水利、港口和建筑工程中得到广泛应用。在利 用土工合成材料处理岩土工程问题时，人们首先想到的是平面加筋材料，包括土 工布、土工膜、土工格栅等。在力学模型分析中，这些平面加筋材料，都看成具 有一定抗拉强度的膜。由于平面类型的加筋材料厚度很小，其抗弯刚度近似为零。 因而，平面类型的加筋材料在参与复合地基处治软基中效果有限。而在2 0 世纪 8 0 年代中期，出现了立体加筋材料一一土工格室。 土工格室与格室内的填料在荷载作用下，相互挤压，紧密结合，形成一个具 有一定抗弯、抗剪和抗压强度的复合体，能够有效的扩散上部路堤荷载，均化软 基顶面的应力分布，阻止路基的破坏向软基深处发展。土工格室水平向加筋垫层 在双向增强复合地基应用中，与竖向增强桩体及桩周土体组成约束调节与支撑体 系。三者在荷载作用下相互作用，共同工作，形成一个多元的复合地基体系。土 工格室垫层的存在能够有效调节桩土应力比，并能充分发挥桩体及桩间土体承载 能力。 已有的理论研究表明他1 3 ，在调节复合地基桩土应力比中，水平向增强体的刚 度起了很大的作用。垫层刚度越大，双向增强体的桥架作用越明显，越能充分发 挥桩体的承载特性。同时，垫层的刚度越大，复合地基的整体性越强，地基的稳 定性亦越高。可见，土工格室垫层在参与双向增强复合地基共同作用中，其抗弯 刚度是一个不可忽略的影响因素。这为我们带来一个问题一一格室垫层抗弯刚度 参数取值问题。 1 2 水平向增强复合地基与土工格室的研究现状 1 2 1 水平向增强复合地基概述 当天然地基不能满足结构物对地基的要求时，就需要进行地基处理。处理后 的人工地基可以分为三类：均质地基、多层地基和复合地基哺1 。复合地基是指天 然地基在处理过程中部分土体得到增强或者被黄换，或在天然地基中设置加筋材 料，加固区由基体与增强体两部分组成的人工地基。复合地基具有非均质各向异 性的特点，在荷载的作用下，基体和增强体共同承担荷载作用。根据复合地基工 格审挚层刚度测试技术及l e 计算理论研究 作机理可将复合地基分为竖向增强复合地基和水平向增强复合地基。 水平向增强复合地基主要指通过在地基中铺设各类土工合成材料形成的复合 地基，它对于增强软弱地基的承载力，减少不均匀沉降，防止地基土体侧向剪切 挤出破坏具有良好的效果。这种地基的工作性状与加筋体的构造、长度和强度， 以及加筋体与土体间接触的方式和力学性质等因素有关。水平向增强复合地基处 治软基技术在我国实际上有悠久的历史，如用草绳、柳条填筑路堤等。不过这些 加筋材料基本上都是利用天然纤维材料，而且完全依靠经验指导实践。 1 2 2 土工合成材料概述 现代水平向加筋技术的发展与其主要材料一土工合成材料的发展密不可分。 土工合成材料的发展进程可划分为三个阶段：1 9 6 0 - - - - 1 9 7 5 开拓时期；1 9 7 5 1 9 9 0 设计施工方法研究和新铲平开发时期；1 9 9 0 以后为土工聚合物时期，即岩土工程 师与聚合物专家合作改进设计施工方法和研制新产品时期。如今，土工合成材料 的产品类型已经非常多， 土工合成材料 按其功能与制造工艺的不同，可以划分为如下体系1 ： 土工织物 靠蓑鼍霎刍， 土工膜 粱喜玄至兰膜 f 土工格栅 特种土工合成材料 土工膜袋、玻纤网、土工网 i 土工垫、土工格室 复合型土工合成材料 土工合成材料加筋技术在水利、铁路、公路、港口和建筑工程中已经得到大 量应用，归纳起来，大致可分为支挡结构、陡坡和软土地基加筋三方面。 ( 1 ) 支挡结构：包括挡墙、桥台及岸边陡壁等。在这类应用上，是将一些形式 的加筋材料埋在填土中，依靠筋材平衡土压力。这类支挡结构较之传统的如混凝 土的刚性结构能更好地适应地基变形，所以在不良地基处采用尤能显示其优越性。 ( 2 ) 陡坡工程：无论是天然土坡，或是人工填筑的铁路、公路路堤及挡水土坝、 土堤，其边坡常会遇到需要作成较陡的边坡情况。这时，土工合成材料能发挥其 较强的抗拉能力使陡坡的稳定性大幅提高。 ( 3 ) 软土地基上筑堤：由于填土的侧向土压力，使地基表面承受剪应力，导致 堤身向两侧发生位移，很容易造成堤身失稳。利用土工合成材料加筋地基能起到 以下效果：提高堤坝的稳定性：增加堤坝填筑高度；减小施工期间填土的大量下 沉，节约土方；使堤身沉降均匀，防止开裂。但应注意，加筋在减小长期固结和 次固结沉降方面效果不明显。 其它方面的加筋工程包括：在工业及民用建筑工程中，利用土工合成材料制 2 硕学位论史 成加筋垫层，提高承载力、均化应力分布和减小不均匀沉降。在公路路面工程中， 在路基基层上与路面之间铺设一层土工合成材料，防止路面开裂。 1 2 3 土工格室研究概况 土工格室( g e o c e l l ) 是2 0 世纪8 0 年代出现的一种新型土工合成材料，具有立 体网状结构，如图11 。它伸缩自如，运输方便，使用时张开并充填土石料或混 凝土料，构成具有强大侧向限制和较大刚度的结构体。目前，土工格室已经广泛 地应用于土木工程的各个领域，取得了良好的社会经济效益。它既可用于加固建 筑地基和道路地基加固，又可用于边坡防护、挡土墙，还可用于河道治理、堤坝 工程、城市捧水道支撑工程等。如图1 2 所示，当汽车行驶在沙漠上时，车轮会 压出深深的辙印并使两侧高高隆起，而当铺设了土工格室后，上述现象基本上 不复存在。 圈l i 土工格室囝1 2 土工格室应用 土工格室在世界范围内的广泛应用客观上推动了相关理论的研究，主要集中 于以下几个方面”。”： ( 1 ) 作用机理研究：通过三轴试验研究土工格室的加筋机理，目前有等效附加 应力理论和准粘聚力原理；士工格室加筋存在下面三方面的效应，即当量侧向约 束力效应、筏板基础效应和网兜效应。 f 2 、土工格室和土界面相互作用研究：试验手段主要包括直剪试验和拉拨试 验。通过直剪试验得到土工格室结构层与填料的摩擦角与填料本身的内摩擦角相 当。通过直剪试验得到拉拔摩擦强度通常较直剪试验的低；土工格室与土的相互 作用中，可以用修正双曲线函数来描述拉力与变形的相关关系：土工格室与土的 相互作用取决于界面填料的摩擦作用，摩擦系数随格室高度增加而提高；土工格 室与土相互作用受填料的性质影响较大。 ( 3 ) 承载力研究：目前土工格室加筋地基承载力计算理论包括k o e m c r 承载力 公式、王协群在此基础上的改进公式以及把土工格室垫层和地基分开考虑的承载 力计算公式。 ( 4 ) 稳定性分析：包括传统的加筋边坡圆弧滑动面稳定性分析理论和基于极限 格室毕层刚度测试技术及其计算理论研究 承载力概念的滑块平衡法稳定性分析理论等。 ( 5 ) 沉降计算理论：包括分层总和法、有限单元法和弹性地基梁板法。其中有 限单元法方法又可分为两种思路：一是考虑筋土相互作用的分离式分析法，一是 基于等效应力法的复合模量分析法。 1 3 土工格室垫层研究综述 1 3 1 格室垫层的工程特性 工程上应用土工格室处理软弱地基时，先张拉土工格室，然后根据设计方案 选取碎石、砂卵石、粗砂等填充于格室内并压实，形成土工格室垫层。土工格室 垫层在地基处理中表现出的工程特性主要有如下几点n j 引： ( 1 ) 采用土工格室处理软弱路基时，一般会清除部分浅层软土换以土工格室加 筋垫层，从而具有换填作用。由于换填层填料采用内摩擦角较大的粗骨料且压实 程度较高，故能有效扩散上部路堤荷载，减小作用于下卧软土层顶面的附加应力， 改善浅层软土的应力状态，均化应力分布，从而实现减少沉降和不均匀沉降的目 的。 ( 2 ) 具有立体结构的土工格室与填料相互作用、共同工作，形成具有良好排水 通道、刚度大、整体性好的整体结构。工程上，通常将其视作一柔性的筏板基础， 从而具有筏板基础效应。当格室垫层铺设于软土地基上时，由于土工格室垫层具 有很强的抗剪能力，能有效改善浅层软土的应力状态，使地基的剪切破坏面向深 层发展，从而使地基达到临界破坏状态所需要的极限荷载较高，进而提高地基承 载力。 ( 3 ) 在路堤荷载的作用下，格室垫层产生的沉降量在路堤中央大，在两侧小， 变形后的格室垫层不再保持水平而是呈一凹曲面，形成网兜效应。网兜效应的存 在，使得垫层与界面产生相对滑移，生存界面摩擦力，平衡部分路堤荷载，且对 界面土体的侧向变形形成约束作用，提高地基承载力，同时使得土工格室产生拉 伸变形，使其膜效应得到发挥。 ( 4 ) 不同于一般的平面加筋材料，格室体垫层凹曲面形成后，立体结构的格室 垫层受荷载一侧受压，另一侧受拉。该过程中，土工格室与填料相互之间存在拉 伸和挤压作用，耗散能量，进一步抵消外部荷载。这可以称为格室垫层的抗弯效 应。 实际上，土工格室垫层的上述效应不是孤立的。从微观机理来看，这些作用 的发挥与格室垫层内部组成材料间的相互作用密切相关。从宏观角度看，格室垫 层的上述效应与其宏观有效性能有关。 4 硕十学位论文 1 3 2 格室垫层的研究现状 土工格室只有和其内部填充的材料共同工作时，才能发挥其特有的工程性能。 本文将土工格室和格室内填充材料组成的土工格室加筋复合材料称为格室体。国 内外学者对此进行了较为深入的研究。 r e a 和m i t c h e l l ( 1 9 7 8 ) 通过采用纸质格室研究加筋砂的特性n9 1 。其主要研究内 容是荷载作用面积与格室宽度之比、格室宽高比以及基层刚度对加筋效果的影响。 试验时荷载作用部位分为两种：分别为作用在格室胶结处和作用在格室中央处。 试验研究结果表明，该加筋砂复合体的破坏形式为明显的冲剪破坏。 b a t h u r s t 和c r o w e ( 1 9 9 4 ) 出于为格室加筋体作为柔性重力挡土墙的墙面提供 设计参数，进行了土工格室加筋砂复合柱体的单轴压缩试验和土工格室加筋层与 土体之间的剪切试验，并在分析中采用环向应力理论解释了格室加筋机理心引。 d a s h 等( 2 0 0 1 ) 通过室内模型试验，对土工格室加筋砂垫层作为条形基础的持 力层的参数特性做了研究，这些参数包括：格室形状、格室大小、格室垫层的高 度和宽度、基础表面距垫层表面的距离、格室的抗拉刚度以及砂的相对密度心。 试验表明上述参数对格室加筋效果均有影响。 国内方面，长安大学对格室体的力学特性进行了较为系统的研究心2 2 2 3 1 。他们 通过压缩、剪切和拉伸等手段，主要研究了黄土填料和粗砂填料土工格室结构层 的力学性质。试验得到：在地基上铺设土工格室结构层，承载力比软基提高5 6 倍；焊距和高度对格室结构层的强度影响并不显著；土工格室内的填土压实度越 大，强度越大；粘聚力越小的填料，土工格室加固的效果越好。土工格室的加入 对结构层间的抗剪强度有所提高，但提高甚微。对于土工格室加筋土而言，其应 力应变曲线表现出加工硬化特性；加筋方式、加筋密度等对应力应变曲线形状 影响较大；将高度较大的土工格室变成高度较小的多层土工格室，其加筋土的抗 剪强度显著增加。土工格室结构层的拉伸强度由焊点强度控制；土工格室结构层 拉伸过程主要分三个阶段：格室受拉阶段、格室与填料两者相互作用阶段和破坏 阶段。 河海大学乜们分别对有无土工格室的素土、水泥土、石灰土进行压缩试验，以 弄清各土工格室结构层复合材料的应力应变关系，确定其变形模量，并探讨了土 工格室与何种土填料配合使用时才能达到最好的效果。 叶方才心5 1 等将粗砂填料与不同规格的土工格室组成的结构层铺设于普通粘 土地基上，并进行载荷板试验，得到：在普通粘土地基上铺设土工格室结构层， 地基承载力得到了很大的提高；格室焊距对土工格室结构层性状并无显著影响； 格室高度对土工格室结构层性状亦无显著的影响。 东南大学心叫通过室内外试验研究了土工格室水泥混凝土的物理力学性质，并 利用有限元方法分析了该种复合材料路面的强度和变形特征。 5 格室挚层刚度测试技术及j t 汁算理论研究 另外，马卓军心 等也通过三轴试验研究了土工格室加筋粘性土的强度特性。 综上可见，目前针对格室体的研究对象包括：土工格室加黄土、土工格室加 砂、土工格室加粘土、土工格室加水泥土。试验手段包括直剪试验、三轴试验、 压缩试验、拉伸试验和拉拔试验。试验结论几乎相似，均表明格室加筋垫层能提 高浅层地基承载力；格室体比未加筋土体具有更高的强度和刚度；围压、填料密 实度、格室规格以及加载方式等均对格室体的力学特性有影响。 1 3 3 格室垫层弯曲模量测试与取值综述 前文已经提到，格室垫层工程特性的发挥与其宏观有效力学性能相关。若将 格室挚层宏观的视为弹性梁或弹性板，则格室垫层的抗弯刚度则是其力学分析模 型的关键参数。本文搜集了国内关于格室体弯曲模量的测试与取值情况。 顾良军心胡运用压缩试验方法以确定不同填料、不同土工格室规格的挚层变形 模量( 格室垫层置于坚实的黄土地基上) ：黄土填料土工格室垫层变形模量 4 0 m p a 4 6 5 m p a ；粗砂填料土工格室垫层变形模量约等于4 0 m p a 。 杨爱武陋鲫对土工格室加筋垫层处理路堤进行了有限元分析，计算中立体加筋 格室采用线弹性模型，弹性模量为5 0 0 m p a ，泊松比o 2 5 。 张志国们视土工格室加筋垫层为文克尔地基上弹性地基梁进行求解，格室体 梁弹性模量取5 0 m p a 。 张福海乜钉把土工格室加筋垫层看作一个承受水平拉应力的弹性薄板，利用双 参数地基梁板方法求解。为得到关于土工格室加筋结构层弹性地基梁法计算中弯 曲刚度参数的取值，在室内进行了三种组合土工格室垫层变形模量对比实验。分 别为土工格室与黄色粉质粘土、黄色粉质粘土与水泥拌合形成水泥稳定土与土工 格室、黄色粉质粘土与石灰拌合形成的石灰稳定土与土工格室。测量结果得到格 室垫层模量平均值如下：土工格室+ 粉土变形模量为6 4 m p a ；土工格室+ 水泥土变 形模量为1 2 0 m p a ；土工格室+ 石灰土变形模量为1 9 2 m p a 。该文还利用双参数法 进行了实例计算，参数取值中格室体模量为2 0 0 m p a ，泊松比0 0 3 4 。 周正兵口u 基于a n s y s 进行了土工格室加筋条形地基的有限元分析。为研究 土工格室及填料( 砂) 组成的复合体弹性模量对加筋效果的影响，计算中复合体模 量分别取5 0 m p a 、1 0 0 m p a 、1 5 0 m p a ，泊松比o 2 5 。 刘俊彦口2 1 根据现场测试情况，选取了一个有代表性的断面进行有限元计算和 分析。计算参数如下：土工格室高度1 5 c m ，当格室内充填密砂时，筋土复合材 料的弹性模量为2 0 0 m p a ，泊松比0 3 。 俞永华口3 1 等进行了楔型柔性搭板的优化设计探讨，为研究土工格室复合体模 量的影响，计算中复合体模量取值分别为e = 3 0 m p a 、7 0 m p a 、1 0 0 m p a 、2 0 0 m p a 以及5 0 0 m p a 。 华锋阳引通过室内外载荷板试验研究了土工格室沙结构层宏观模量，并分析填 6 硕l j 学位论文 料压实度、承载板大小和加载方式对土工格室宏观模量的影响。最后结果得到： 结构层宏观模量从3 0 m p a 变化到4 0 0 m p a 。由于现场压实度较小，现场测试的模 量较室内模量相应要小。 韩明引亦进行了软土地基上加筋路堤有限元分析，立体加筋格室线弹性模量 为5 0 0 m p a ，泊松比o 2 5 。 陈昌富b 们在算例分析中，土工格室加筋垫层的弹性模量取值为6 0 0 m p a ，泊 松比为o 2 。为分析土工格室垫层等代板弹性模量对沉降计算的影响，模量取值 变化范围为6 0 0 m p a - - 1 2 0 0 0 m p a 。 上述文献对格室体在参与弹性地基梁板计算中的弯曲弹性模量取值进行了试 验或探讨，弯曲模量取值范围在3 0 m p a 1 2 0 0 0 m p a 。然而，上述弯曲模量值均是 通过对放置于地基上的土工格室垫层进行法向压缩试验获得。对于各向同性体而 言，如金属材料，以上思路基本可行。对于格室体而言，根据格室体材料的组成 特性以及已有的试验测试结果，均能得到这样一个结论：格室体力学特性存在明 显的各向异性。因而，上述方法将格室垫层的变形模量运用到格室体梁或板的抗 弯刚度计算不合理。 实际上，土工格室和内部填料组合的复合体属于复合材料范畴。从复合材料 学科来看，土工格室垫层抗弯刚度参数取值问题是预测格室垫层复合材料的宏观 有效性能问题。 由复合材料学科理论可知7 1 ，影响复合材料宏观有效性能的因素可分为两 类，一类是复合材料中组分材料的弹性常数，另一类是复合材料内部的微结构特 征( 夹杂) 及其环境荷载。预测复合材料的宏观有效性能有两种思路，一是建立预 报复合材料宏观性能的细观力学模型，一是将复合材料看成一个整体通过试验手 段进行宏观性能测试。前一种思路首先针对所研究的组分材料进行大量的试验工 作，以保证对材料在环境载荷作用下的响应有一清晰的认识，并弄清不同组分材 料及细观结构在材料响应中所起的作用。 由于格室内填料力学性能的复杂性、土工格室的室状结构以及两者间相互作 用的复杂性，要想从细观角度准确预测格室垫层复合材料的宏观性能将非常困难， 或者说不可能实现。通常，测试复合材料的宏观性能试验手段包括拉、压、剪、 弯、扭等。然而，由于格室内填充材料的松散特性，通过常规的弯曲试验手段测 试格室垫层的抗弯刚度亦不可行。 通过翻阅土工合成材料试验规程、分析对比各类材料弯曲刚度的测试方法 口p 引1 ，最终从复合材料夹层结构弯曲性能测试试验受到启发，尝试用叠梁试验来 研究土工格室垫层的宏观弯曲性能参数一抗弯刚度。 实际上，土工格室垫层在处理软土路基时，路堤、垫层、路基组成的体系可 以抽象为叠梁体系。如图1 3 ，用上下两层梁分别模拟路堤和路基，将格室垫层 7 格室毕层刚度测试技术及j t 计算理论研究 夹于之间。这样，格室挚层在叠梁体系中的受力状况与实际工程中的受力状况一 致。这表明：通过测试叠梁体系的刚度反算格室垫层的抗弯刚度，是一种让人信 服的手段。然而，目前对叠梁体系的相关研究还不成熟，对叠梁的力学特性及其 计算方法研究有待深入。为此，本文首先对格室垫层刚度测试系统一一叠梁进行 分析。 模拟路堤当窒挚曼 模拟路基 叠梁体系 图1 3 格室垫层软基处理体系与叠梁 1 4 叠梁及其研究现状 1 4 1 叠梁概念及力学特性 叠梁，或称叠层梁，指多层梁自然叠合在一起共同承担荷载的结构。叠梁在 实际工程中并不少见，较为常见的供电、供水等工程的管道桥梁就属于此类结构。 电缆套在钢管内，钢管又搁放在桥梁上，于是钢管与桥梁便组成了叠梁形式的结 构h 羽。桥梁工程中，在已有的桥梁面层浇筑钢筋混凝土补强层，形成叠层梁结构， 从提高桥梁的承载能力h3 1 。水利大坝的叠梁船闸是应用叠层结构的又一例h4 i 。在 家具设计中，也经常应用叠梁方法来增加结构的承载力。 有关叠梁的概念，需要注意的有两点：一是自然叠合；二是共同承担荷载。 为进一步弄清叠梁概念，下面介绍与之相关的概念及其主要的力学特性。 1 4 1 - 1 叠合梁 叠合梁在工程中主要指钢筋混凝土叠合梁，该结构利用混凝土本身的粘结性 能以及界面的粗糙性或构造凹凸面将混凝土梁或钢筋混凝土梁叠合在一起，如图 1 4 所示。叠合梁结构设计计算难点是弄清叠合面的基本力学性状，主要包括界 面滑移与剪应力关系特性、界面剪切强度以及叠合面剪力传递性能等方面n 5 1 。 抗剪连接件 生j 是 圣：产二哥。圣；j ，鼍三丘芭压吞上 y ：诌”_ l 二? t 、j 卫 d | 一 二j ( = 图1 4 叠合梁( 板) 结构 8 图1 5 组合粱结构 筋混 土板 硕 ：学位论文 1 4 1 2 组合梁 用一种以上材料所构成的梁称为组合梁。钢混凝土组合结构是土木工程中应 用最为广泛的组合结构。该结构是用型钢或钢板焊( 或冷压) 成钢截面，再在其上、 四周或内部浇筑混凝土，通过剪力连接件使混凝土与型钢形成整体而共同受力的 复合体，如图1 5 所示。剪力连接件是保证组合梁结构共同工作的关键元件。根 据剪力连接件布置数量和刚度，组合结构上下层的共同作用分为完全组合作用和 部分组合作用两种情况。完全组合作用是指在荷载作用下，组合梁上下层的相对 水平滑移很小( 1 3 m m ) ，在计算中可以忽略，按整体结构来进行分析。部分组合 作用是指上下叠合层有一定的水平滑移，这种应变不连续对结构的变形有一定的 影响，在计算中不能忽略h 引。 1 4 1 3 复合材料层合梁 。 复合材料层合梁指通过一定的工艺或粘结材料将多层复合材料梁板胶合而成 的结构。目前，工程上常用的层合梁有横向层合梁、纵向层合梁和由它们组成的 组合层合梁。研究复合材料层合梁在外界因素( 荷载、变温等) 作用下发生的力学 响应的理论称为层合梁理论。常见的层合梁理论包括经典层梁理论、一阶剪切变 形理论、高阶剪切变形理论以及分层剪切理论等。复合材料层合梁的力学特点是 层间剪切刚度和强度远低于面内量，因此，层合梁的剪切效应以及层合梁的脱层 问题( 梁间局部或整体的剪切破坏) 是目前该领域中研究的热点和难点h 7 1 。 1 4 。1 4 夹层梁 梁的弯曲行为中起主要作用的是上、下边缘处的材料，为了物尽其用，人们 经常采用在二层金属板之间夹一层芯材的夹层梁，即在两层金属板之间夹一层重 量较轻的非金属材料，用热滚压或粘结的方式使各层之间牢固的结合在一起。夹 层梁研究难点包括：夹心材料导致的柔性的增加所引起上下表层变形不一致；载 荷附近的表层和芯子之间的横向应力常超过芯子的许用应力而引起结构的突然失 效受蠕变效应；夹层梁的剖面为叠合结构，抗剪强度低，在变形过程中存在着拉 伸一扭转、弯曲一扭转的耦合作用，结构在变形后固有平面外的翘曲变形比较大。 上述几点造成了其理论计算及工程应用的困难h 引。 1 4 1 5 弹性夹层梁 另外一个与叠梁相关的概念是弹性夹层梁。梁一类结构对接使用时，对接部 位加装有衬垫一类弹性夹层，这样的结构可以称为弹性夹层梁。弹性夹层梁对接 部位的接触变形将对整体结构的力学特性产生较大影响。研究表明，弹性夹层对 结构总柔度的贡献很多情况下可达5 0 。因此，研究这类结构的力学性能，必须 充分考虑弹性夹层的影响。对于梁的弯曲问题，此类结构主要考虑夹层法向刚度 的影响。在力学分析模型中通常将其视为w i n k e r 基床，用弹簧进行模拟h 9 l 。 对比上述结构体系可知，叠梁的特点在于各梁自然叠合在一起，层间粗糙度 9 格室挚层刚度测试技术及其汁算理论研究 相对较小，无胶合剂粘结，亦无栓钉、楔块等连接构件，因而叠梁的剪力传递明 显小于上述结构，进而可知叠梁的承载性能较上述体系要差。另一方面，虽然叠 梁层间无连接，但各梁并非单独工作。叠梁将荷载从上梁如何传递给下梁是叠梁 计算的关键点之一。这也构成了叠梁研究的一个重点：叠梁接触规律研究。 1 4 2 叠梁试验研究现状 工程中叠梁的广泛应用，推动了叠梁试验和理论研究的发展。单梁弯曲问题， 在材料力学中占有重要地位，在工程实际中也经常遇到。因此，前人对此做了大 量的研究，并建立了比较系统的理论。但对于几个梁叠合在一起的弯曲问题，却 讨论得很不深入。为此，一些学者在叠梁试验方面进行了相关研究。 孙振东等( 1 9 9 1 ) 分别以纯弯曲和横力弯曲情况进行试验，测试不同加载情况 下叠层梁的内力分布情况。试验得到，在纯弯曲情况下各梁受力基本相同，而在 横力弯曲情况下，两梁内力变形规律不一致哺引。孙建国( 2 0 0 4 ) 运用能量法和电测 试验技术相结合，完成了矩形截面叠梁纯弯曲的模型简化、理论计算与试验分析 工作拍。刘向东、屈铁军( 2 0 0 5 ) 从理论分析与测试结果都证明了叠层梁应力分布 的正确性。由于实测偏差造成与理论值不完全相同哺副。郑碧玉等( 2 0 0 6 ) 为了分析 叠梁、加楔块叠梁和整梁的承载能力，采用温克尔假设法和电测试验技术，完成 了矩形截面叠梁受力弯曲时的模型简化理论计算与实测分析。结果表明：叠梁的 应力最大，加楔块叠梁的应力次之，整梁的应力最小随3 1 。赵至善等( 2 0 0 8 ) 分析了 钢钢相叠和钢铝相叠两种梁在纯弯曲条件下横截面正应力的分布规律，并对相 应的计算公式进行了推导和验证哺引。 整理上述试验资料，均能得到下面的结论：叠梁受弯后，均绕各自的中性轴 转动，但中性轴的位置与单梁对称轴位置有偏差；在叠梁的横截面上，任一点的 正应力与该点到中性轴的距离成正比，离中性轴最远处应力值最大，且下梁最下 端有最大拉应力，上梁最上端有最大压应力；在叠梁分界面上应力均不连续。 1 4 3 叠梁理论研究现状 理论研究上，可将叠梁问题分为两方面内容，一是叠梁接触规律的研究；另 一方面是叠梁承载性能的研究，或叠梁的内力变形计算。 较早的叠梁问题研究见于t i m o s h e n k o 所著的材料力学，该书用叠层梁例 子分析了整体梁中性轴处存在的剪应力作用5 f 。l ih u i 和d e m p s e y ( 1 9 8 9 ) 研究了 有限长t i m o s h e n k e 梁与弹性层间的无摩擦接触问题，以研究对称荷载作用下两者 之间的接触力大小和接触区域。分析中假定弹性层是均匀且置于刚性基础上，并 认为梁与弹性层间无摩擦。该文考虑了剪切变形对接触规律的影响哺引。j u 和 r o w l a n d s ( 1 9 9 9 ) 研究了悬臂叠粱的接触规律，以验证该文提出的一类有限元分析 的接触单元的合理性啼引。叠梁由两相同梁组成，上层梁作用有均布荷载。荷载分 i o 硕i j 学位论文 五级施加。该文叠梁分析中考虑了梁间摩擦的影响，梁间摩擦系数为o 2 。胡海 昌( 1 9 8 1 ) 用两个广义梁理论研究了梁与刚体的接触问题哺引。该法考虑了剪切挠度 的影响，得到的接触规律解答较t i m o s h e n k o 解答有所改进，并指出在梁的接触问 题中必须考虑剪切变形的影响。罗开彬( 1 9 8 7 ) 用能量法求得了层间接触应力的近 似解引。黄文彬等( 1 9 8 9 ) 讨论了叠层梁的接触规律，但没有考虑剪切变形影响哺训。 罗建辉( 1 9 9 1 ) 等考虑了剪切变形的影响，用两个广义梁理论先对叠层梁的一般情 况求解，得到特殊荷载作用下叠梁接触规律的解析解答，然后对几种典型梁的问 题进行分析讨论，得到相关荷载作用下的叠梁接触规律。舒小平( 1 9 9 3 ) 、( 1 9 9 4 ) 考虑了接触面间摩擦力对接触问题的影响，对接触问题的经典梁理论和广义梁理 论作了改进，得到梁与刚体接触和叠层梁接触压力解，克服了以往梁接触问题中一 些不切实际的接触规律，使梁的接触规律趋于合理哺2 喝引。该文结论指出，摩擦力 的存在不仅可以影响接触规律，影响接触力大小，也可克服梁理论自身的缺陷， 使接触规律趋于合理。黄志强( 1 9 9 7 ) 利用克雷洛夫函数讨论了叠层梁的弯曲问题， 给出了弹性连接叠层梁位移的解析解，及上下两梁间相互作用力分布规律引。李 丽娟等( 1 9 9 8 ) 应用深梁理论，分析了受均布荷载悬臂梁与刚性地基接触的全过程。 消除了接触区间端点的集中反力，其接触区间明显大于只考虑剪切变形的梁理论 的结果，揭示了横向正应变对梁的接触问题有着不可忽略的影响哺别。陈杰( 2 0 0 0 ) 假设接触压力和接触变形成正比，分析了叠合梁层间接触压力，给出了算例，并 与接“共同曲率 假设求得的解答作了比较哺引。 叠梁内力变形计算方面，通常在计算中假定各梁独立弯曲，忽略层间摩擦影 响，各梁按刚度分配荷载。本文将该法称之为独立弯曲叠梁计算方法。由于该法 计算简单，且基本能满足工程需要，所以该法在工程中一直沿用至