（岩土工程专业论文）平面应变条件下单层hv加筋砂（土）的强度特性研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 加筋土作为工程技术的一种已得到了广泛的应用，但是现代加筋土技术大 多数仍然停留在纯水平的加筋形式上。本文作者的导师张孟喜提出了立体加筋 ( h v 加筋) 的概念，即在原有的水平加筋的基础上再相应的增加竖向筋片， 在水平筋片和竖向筋片的共同作用下，土体中形成一个土体加固区，从而大大 的提高了加筋土的强度。 平面应变状态是岩土工程中常遇到的状态之一，如土石坝、边坡、地基、 挡土墙等。在这些工程中普通加筋如土工织物，土工格栅等都已有广泛的应用， 如今引入h v 加筋是想更好的使挡土墙等类似的平面应变结构能更好的得到应 用。本文利用平面应变仪进行了大量的试验，针对砂土在单层单向加筋的情况 下，研究加筋的竖向筋条高度、加筋的数量、侧压力对加筋土的强度特性的影 响。 平面应变试验结果表明，加筋砂土的抗剪强度比无加筋砂土的有明显的提 高，随着竖向筋条的高度的增加土体强度呈增加的趋势，不同的加筋数和不同 的侧压都对土体的强度有一定的贡献。在试验结果分析的基础上，对平面应变 条件下的h v 加筋土的受力机理作了分析，推导了其强度计算的理论公式，并 将理论值与试验值进行了对比，结果表明两者基本吻合。 关键词：加筋土；h v 加筋；平面应变试验；强度模型 v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t r e i n f 0 r c e ds o i lh a u sb e c i l w i d e l yu s c d蹈 o n e1 ( i n do fg e o t e c h n 0 1 0 9 y n e v e r t h e l e s sm o d e n l 峨n f 0 r c e ds o i l t e c l l i l o l o g yt h e o 巧h a sb e 饥f a r 咖i l e dp r a c t i c e 嬲t l l e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o na 1 1 d 饥百n e 嘶n gp r a c t i c ea p p l i c a t i o nm o s t l yr e s to nm e b a s i so fh o r i z o n t a ls o i lr e i n f o r c e d an e wc o n c e p to fs o i lr e i n f o r o e dw i t h h o r i z o n t a l v e r t i c a l ( h v ) r e i n f o r c i l l ge l e m e n t sw 嬲p r o p o s e db yt l l es u p e r v i s o ro f t h i sp a p e r sa u t l l o r i nt l l e p r o p o s e dh - vr e i n f o r c e ds o i l ，b e s i d e sh o r i z o n t a l r e i i l f o r c 锄a e n t s ，v e n i c a lr e i n f o r c i n ge l e m e 妇惦a r ea l s op l a c e do nh o r i z o n t a lo n e sa t i n t e r v a l s s o i l i s 蜘l g t h e n e dr e m a r k a b l yb yb o t hd i r e 嘶o nc o a c t i o n p l a i n s 订a i l lc o n d i t i o ni so n eo ft h em o s tc o m m o nc o n d i t i o ni nt h eg e o t e c l l i c a l e n g i n e e r i n g ，e s p e c i a l l yi nt h ee a r t h - f i l ld 锄a n ds t o n e - f i l ld a m ，s l o p e ，g r o u n d w o r k ， 趾de a r t hr e t a i n i n gw a l l s t h er e i n f o r c e dg e o t e x t i l es u c h 勰g e o 鲥d r e i n f o r c e da r e w i d e l y u s e d an e wc o n c e p to fs o i lr e i n f o r c e dw i n lh o r i z o n t a l 一玑i c a l r e i n f o r c e m e n t sw a sp r o p o s e dt 0r e i n f o r c et l l ep l a i n - s 慨ns t m c t l l r es u c ha se 枷l r e t a i n i n gw a l l s ac o m p r e h e l l s i v es e to fp l a n es t r a i nt e s t sw e r ec 枷e do u to ns a n d r e i n f o r c e dw i t hs i n g l e - l a ) 惯h vo r n l o g o n a le l 锄e n t s t l l ei n n u e l l c eo f h e i 曲to f v e f t i c a l r e i n f o r c e i i l e l l t s ， t l l ed i c eo fs i d e p r e s s u r e a n dn l en u m b e ro f r e i n f o r c e i l l e i l t sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p 既 t h e e x p e r i m e i l t a lr e s u l t ss h o wt l l a tt 1 1 e 蜘l g t ho fs a i l dw i lr e i n f o r c e m e n t si s m u c hh i g l l e rt h a nt h es a n dw i t h o u tr e i n f o r c e m e n t ，a n dm es t r e i l g t ho fm es a n dw i t l l h o r i z o n t a l v e n i c a l ( h 一r e i n f o r c e m e n t si sk g h e rt h 觚t h es 锄dw i t ho n l yh o r i z o n t a l r e i n f o r c e m 锄t s i i lt l l i sp a p e r t h eb e h a v i o ro fm es a n dr e i n f o r c e dw i md i 伍嬲l th v o n h o g o n a le l 锄e n t sw a ss t u d i e di nt e m l so fs h e a rs 仃e 1 1 9 t h t h es 舱l g t hm o d e lo f t 1 1 es a n dr e i n f o r c e dw i mh o r i z o n t a l 一v e r t i c a l ( h 一r e i n f o r c e m e i l t sw a sa l s o 西v e l l t h er e s u l t so fp r o p o s e ds t r e l l g t hm o d c la r ec o m p a r c dw i 廿l l o s eo b t a i n e d 右r o mt h e p l a i l es t l a i nt e s t s ni ss h o w e d t h a tt h er e s u l t so ft h e p r e d i c t i o na r ei n9 0 0 da 黟e e m e l l t v i 上海大学硕士学位论文 w i mt l l o s eo ft h ep l a n es 仃a i nt e s t s k e y w o r d s ：r e i n f o r c e ds o i l ；h o r i z o n t a l v e n i c a l ( h v ) o n h o g o n a le l e m e m ；p l 锄e s t m i nt e s t s ；s t r c i l g t l lm o d c l v i i 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。 本论文使用授权说明 期： 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) 签名：之蛙导师签名：鳓期：毕 i l 1 1 概述 1 1 i 加筋土简介 第一章绪论 加筋上足指在上中埋设抗扣强度较大的加筋劓料而形成的种复合l ：，属 _ ri r 合成材料的范畴。无加筋的p 体虽其有定的抗扎和抗剪强度f n 它们 的抗抽强度去很低。在土内掺八或铺设适当的筋村肝，可以币矧程度地改善l ： 体的强度与变形特征。在我国，加筋上的应用实际上已宵悠久的历史，v 在2 4 0 0 多年前的战国时期，李冰父f 在都江堰的修建过程中就在江堤的地基里铺设 树木枝条以加同地基：在河滩险工地段，常在堤身运层n x 入枝条咀圳越：议武 帝时期也曾用苹和树枝混杂存l 中来修筑长城：在民用膀屋建筑巾，用掺入草 筋或发丝筋料的上夯筑墙或抹平墙的村科等则更为昔遍。最早采用的加筋体仪 局限于天然材料，直竹片、麻杆等。后来金属构件和钢筋混凝上构什被广泛用 于加筋材料。在2 0 世纪8 0 年代中后期，加筋上技术得到r 飞速发展。上工网、 j 上布、1 工格栅等人工台成材料的相继问世进一步加快r l 哪口筋技术的 发腥。幽i l 中鞋示了现今主要朐筋材利一类。 a ) 1 】格栅 r 晦 学k 学论女 m 】十l 条莆 ( c ) 锚q 式加筋 剧l i 荐种筋材加筋 加筋上”是由法罔工程师藏建筑师h e 州v i d a i 2 锰1 9 6 6 年白先提m 的， 他提出，当上壤受到难直方向荷重时，糟在上壤中加上加筋材料凭借上壤与 加筋材料之州的摩擦力可以有效阻制上体的侧自变形，相当十增加，上体的 有效围压，提高rl ：体的抗剪强度。h e n n d 甜将金属加筋村分层娅置于。k 壤 中，并配合混凝上面板来构筑加筋上挡j 墙，秩得r 很好的成效，扦在比利十 斯【i i 的普扣蕞尔斯成功修建，世界上第座加筋l 。挡上墙，墙的屉大高度达 2 3 m ，由f 加筋材料的存在，使得一般被视为各| f 】j h 州的上壤成为备向异性的 复台材料。自此以后，加筋上结构的研究和上程试验普遍而迅速的发展起来。 据1 9 8 2 年发表的资料，已有三十七个国家建成r 五千多项加筋上工程，加筋l 上海大学硕士学位论文 技术的应用也从最初的用作挡土墙而扩展到用于桥台、护岸、堤坝、沉淀池、 半地下仓斜墙、建筑物基础、核电站反应堆等复杂条件下工作的结构中。由于 加筋土技术的研究不断深入，有关的国际国内学会在加筋土技术的研究和推广 应用方面也异常活跃，各行业部门的许多工程技术人员也均看好加筋土技术， 并在工程实践中不断地进行研究和探索。 我国自1 9 7 7 年以来，先后召开了七届国际土工合成材料学术会议。土工合 成材料在我国的应用起步较晚。7 0 年代末，铁路部门开始研究并在现场实验应 用土工织物防治铁路路基基床翻浆冒泥和包石盲沟加强排水；水利、交通等部 门也开始研究土工织物在反滤、防冲和排水等方面的应用。1 9 8 4 年成立了全国 性的“土工织物科技情报网”，后来改名为“中国土工合成材料协会”。自1 9 8 6 年 以来，共召开了七届全国土工合成材料学术会议，大大推动了土工合成材料在 我国的应用与发展【3 1 。2 0 0 6 年9 月1 8 2 2 号在日木横滨召开了第八届国际土工 合成材料学会会议， 为了适应加筋土技术的推广应用，世界上许多国家制定并颁发了有关加筋 土工程的设计、施工规范和标准等。我国交通部在1 9 9 1 年制定并颁发了公路 加筋土工程设计规范( j t j 0 1 5 9 1 ) 、公路加筋土工程施工技术规范 ( j t j 0 3 5 9 1 ) 等行业标准，铁道部在铁路路基支挡结构物设计规范中加入 了加筋土工程的有关条文和内容，水利部已发布了有关的应用指南。1 9 9 9 年初， 国家正式颁发了土工合成材料应用技术规范( g b5 0 2 9 0 9 8 ) ，交通部制定并 颁发了水运工程土工织物应用技术规程( j t j t 2 3 9 9 8 ) 、水利部制订和颁发 了水利水电工程土工合成材料应用技术规范( s 坍2 2 5 9 8 ) 和土工合成材料 测试规程、铁道部制订和颁发了铁路路基土工合成材料应用技术规范 ( t b l 0 1 1 8 9 9 ) 。 1 1 2 加筋土的优点 近年来加筋土技术广泛应用于土木工程，与其它类型的材料相比，加筋土 有许多突出的优点和特点： ( 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 3 上海大学硕上学位论文 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。由于挡墙是预制的墙面和拉筋 以及填土形成，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 ) 抗地震。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，得到快速的的推广。 ( 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5 1 。据国内部分工程的资料统计，一般为普通挡土墙造价的4 0 躺o ， 并且挡墙越高时节省投资也越多。有资料表明湖北一座加筋土工程造价节省 7 1 5 。 4 j ：海大学硕上学位论文 1 2 加筋土结构国内外发展状况 加筋土是由一层或多层水平加筋构件与填土交替铺设而形成的一种复合 体。由于土体的抗拉强度非常低，而筋材的加入可以在不同程度上改善土体的 强度与变形特征。筋材埋在土体中，可以扩散土体的应力，增加土体的变形模 量，传递拉应力，限制土体侧向位移：还利用土体和其他材料之间的摩阻力， 来提高土体及有关建筑物的稳定性。因此，在土中加入筋材不仪提高了土体的 强度，而且增强了土体的稳定性。 法国工程师h e 埘d a l 于2 0 世纪6 0 年代初提出了现代加筋土技术，他在 模型试验中发现，当途中掺入有机纤维材料后，其强度可明显提高，据此提出 了加筋土的概念，并与1 9 6 3 年首次公布了其研究成果，提出了土的加筋方法和 设计理论。应用此理论，1 9 6 5 年法国在比利牛斯山的普拉聂尔斯修建了世界上 第一座加筋土挡土墙。由于在工程方面的成功应用，加筋土技术引起了世界各 国工程界、学术界的重视，发展速度相当快，应用范围也日益广泛。加筋土作 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。在 1 9 8 1 年第十届国际土力学及基础工程会议的科技水平发展报告中认为，加筋土 技术的广泛应用是6 0 年代以来岩土工程中重要新进展之一【4 】在前联邦德国地 下建设杂志( 1 9 7 9 年) 曾誉之为“继钢筋混凝土之后又一造福于人类的复合 材料【5 1 。 2 0 世纪7 0 年代是加筋土技术在世界范围传播、发展的阶段。相应的试验、 研究工作也同时进行。当时，研究最为活跃的当属法国桥梁道路中心、美国加 州大学、日本国铁和建设省等。在筋带拉力、墙背土压力的分布和计算，以及 破裂面的形态等方面，法国f a c h l o s s e r 、n g l o n g 、i j u 啪、美国加州大学的 k l l e e 以及k p m c k i t t r i c k 等学者作出了突出贡献 6 】。为了交流研究成果和实 践经验，1 9 7 8 年和1 9 7 9 年先后在匹兹堡、悉尼和巴黎等地召开了加筋土技术 的国际性研讨会。“加筋土工程协会”和国际间的合作研究结构相继成立，发、 美、英、日、德等国也先后制定了有关加筋土工程的规程、条列和手册。 上海大学硕：l 学位论文 2 0 世纪8 0 年代，除了进一步探讨加筋土的基本形状、完善设计计算理论 之外，许多国家还在拓宽填料、筋材的应用范围方面做了大量工作。美国联邦 公路管理局提供研究基金，以加州大学j k m i t c h e l l 为首，与英、法学者合作的 研究项目：“筋土坡和路堤”于1 9 8 7 年完成了研究报告。美、英学者r d h 0 1 t z 和r a j e w e u 等人开展的用土工合成材料稳定路堤、处理软弱地基方面的研究 也取得了重要成果。8 0 年代中期，美、法合作，利用离心机进行模拟试验，以 了解不同的筋材、面板刚度、地基土的压缩性以及不同的超载和填料对加筋土 结构内部稳定性的影响，并利用有限元法对加筋土结构的设计和实验成果进行 数值分析。 在我国，加筋土技术研究开始于7 0 年代中期，第一批试验工程于1 9 7 8 1 9 7 9 年在云南宣威田坝和富源后所煤矿区建成了三座高仅2 4 m 的实验性加筋土挡 土墙。2 0 世纪8 0 年代是我国加筋土发展的一个重要时期。1 0 年间，相继修建 各类加筋上工程3 0 0 多座，突破了一些国家规范中对填料的限制和筋材的应用 范围，其中8 0 以上工程的筋材为聚合物。与此同时，广泛开展了加筋技术的 研究，从理论研究、模型试验和现场测试到机理分析，都取得了有益的成果， 使加筋土技术的应用得到了更好的推广，并且在设计计算理论的研究方面也取 得了进展。交通部制定的公路加筋土工程设计及施工规范。全国先后共举行 过5 次全国加筋土技术经验交流会( 武汉，1 9 8 2 年；昆明，1 9 8 6 年；重庆，1 9 9 0 年；济南，1 9 9 4 年；泰安，1 9 9 8 年) 明。 进入9 0 年代后，加筋土技术的理论及试验研究得到了进一步发展。在加筋 土的设计方法上，仍以极限平衡法最为普遍，其次是有限元法。极限平衡法是 一种保守而安全的设计方法，迄今仍使用于各种土建类工程，不过在分析计算 中未考虑土体变形，设计时要限制筋材的延伸长度。与极限平衡法相比，有限 元法可以提供受荷土体的应力场和位移场，在计算中考虑土体的非均匀和非线 性、土性随时间的变化、施工程序和荷载变化，因而计算成果可反映从施工开 始到运行期间土体性质变化的全过程。法国的j g g o u r c 和p d e l m a s 等人，在 极限平衡法的基础上，引入了土与筋的应变相容关系，于1 9 8 6 年提出了位移法 6 上海大学硕1 ：学位论文 ( d i s p l a c e r n e i l tm e t h o d ) 。进入2 0 世纪9 0 年代，在加筋土设计方面，有些国家 的设计人员，开始采用极限状态法，设计时分为最终极限状态和使用极限状态 两大类，考虑建筑物的使用寿命和筋材与土的应变相容性，对材料特性指标、 土力学指标和作用力等，采用分项系数以代替单一的安全系数，较大地改进了 极限平衡法，但目前尚未被普遍使用。 c 1 1 r i s t o p h e r 等( 1 9 9 4 ) 在现场足尺试验中，发现面板上的侧向土压力小于 朗金或库仑土压力；张孟喜，孙遇祺( 1 9 9 9 ) 通过加筋土挡墙模型试验，研究 了面板压力及筋条拉力分布规律【8 】。杨锡武等( 2 0 0 0 ) 通过三轴试验研究了条 带式、双向垂直条带式及网状加筋土的应力应变关系，得到了d u i l c a l l c h a i l g 非线性模型参数【9 】；b a t h u r s t ( 2 0 0 1 ) 在第6 届加筋土国际研讨会的特邀报告中， 介绍了加拿大1 0 座足尺加筋土挡墙、美国西雅图1 2 6 m 高的不同包裹式土工织 物加筋挡墙等多座足尺加筋土结构的长期研究与监测成果【1 0 】。 同时，加筋方式研究也获得了一定进展。g 叫和o h a l s h i ( 1 9 8 3 ) 通过一系 列包含天然纤维、合成材料及金属纤维的纤维砂土直剪试验，研究了其不同纤 维角度对应力、应变的影响【1 1 】；熊正洪，张孟喜( 1 9 9 2 ) 通过理论分析及模型 试验，研究了在自重和有超载两种条件下加筋土挡墙中筋条布置的最佳倾角【1 2 1 ； 杨果林( 1 9 9 9 ) 提出了由纵横筋组成的平面网格式加筋形式，并对混凝土平面 网格式加筋土结构进行了稳定性分析【1 3 】；r 旬a g o p a l 等( 1 9 9 9 ) 对单个及多个土工 格室的加筋砂土进行了三轴试验【1 4 1 。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1 5 】；谢文东( 2 0 0 3 ) 提出了“加筋环，的 新型加筋形式【1 6 1 ；m i c h a l o w s l ( i 和c e 珊酞( 2 0 0 3 ) ，y 文i m o g l u 和s a l b 弱( 2 0 0 3 ) 通过三轴试验研究了随机分布纤维的纤维土强度特性17 】【1 8 1 ；罗强( 2 0 0 4 ) 对既 有线铁路基床换填为包含卵石垫层的土工格室加筋砂层进行了现场的动静态试 验【1 9 1 。 从上述内容可以看出，虽然加筋土技术已得到广泛发展，但是其理论研究 和工程应用仍主要停留在水平方向布筋的基础上。本文导师( 2 0 0 6 ) 首先提出 了立体加筋土的概念，并对其进行三轴压缩试验，在试验的基础上分析了立体 7 j 海太# 顾| = 址* z 加筋砂上的工作机理，建立了单、双层赢体力筋上的强度模型刚，取得了相 当丰富的成果，井获得了国家自然科学基金资助( 项爿编号：5 0 6 7 8 1 0 0 ) 。立体 加筋上是在上中布置传统水平加筋的基础上设置竖1 q 或立体筋材，或者直接在 上中布置小同儿何形状的市体加筋，或者足存l 体中布肖水1 峰向联合立体 格构式加筋，其特征是：布置在上l l l 的筋材是一个三维立体结构。如目1 2 所 i ： a 】m e 9 加筋 式 f b l 懿型h v 筋条 i 生【i 2 她刑h v 加筋示意幽 水文导师和前几界学长已经在三轴试验和模型试验方面取得了许多宝贵的 成果2 2 4 4 l ： ( 1 ) 立体加筋对上体强度的增加效果随立体加筋上中竖筋高度的增大而增 大。 ( 2 ) 立体加筋上对上体强度增强效果和加筋材料的变形模量有很大关系， 变形模量越人的加筋材料对上体强度的增强效果也越大。 ( 3 ) 立体加筋不仪能提高上体的牯聚力c ，也能提高土体内摩擦角口。 ( 4 ) 立体加筋同水平加筋一样，都足在低围压下才能更有效地工作。 上海大学硕士学位论文 ( 5 ) 在竖向筋总高度为定值时，采用双面加筋形式比采用单面加筋形式能 更有效提高土体的强度。 ( 6 ) 立体加筋比传统的水平加筋强度进一步提高的机理在于所加竖向筋的 作用。土体受力侧向发牛膨胀，使竖向筋条发生变形，反过来对土体产生侧向 力，约束了土体的变形，提高了土体的强度。 1 3 平面应变下研究加筋土的必要性 平面应变是指无限长的柱形体，沿纵向的应变为零。平面应变状态是岩土 工程中常遇到的状态之一，在土石坝、边坡、地基、挡土墙工程中，土体一般 都近似或可以简化为平面应变状态。挡土墙的受力条件基本近似于平面应变问 题，而普通加筋如土工织物，土工格栅等都已有广泛的应用。 在平面应变条件下对土体进行强度和变形分析是岩土工程中经常遇到的一 个问题。在目前的分析方法中，大多采用不考虑中主应力仃，影响的莫尔一库仑 破坏准则。然而，大量的试验结果表明，在平面应变条件下，中主应力对土的 强度具有一定的增强作用。并且，随着土的有效内摩擦角p 的增大，这种增强 作用也越明显。因此，对于够较大的材料，如果不考虑中主应力的影响，尽管 所得的结果是偏于安全的，但可能严重低估了材料的强度，从而造成不必要的 浪费。现在又引进h v 加筋的概念，希望能更好的加强平面应变条件下的加筋 土的强度。 1 4 本文主要研究工作 本论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 观模拟学试验研究”( 项目编号：5 0 6 7 8 1 0 0 ) ，是以作者攻读硕士学位期间承担 课题的工作为基础，第一章介绍了加筋土的发展现状；第二章对于现有的加筋 土理论和试验研究做了总结；第三章为单层h v 加筋土的平面应变试验研究； 第四章建立了平面应变条件下h v 加筋砂( 土) 的强度模型，并与试验值进行 了比较；第五章是总结与展望。 9 上海大学硕士学位论文 本文用有机玻璃作为h v 加筋材料进行了平面应变试验，并在此基础上对 加筋黏性土的强度，特性，加筋机理等做了讨论。 本文研究内容主要包括以下几方面： ( 1 ) 进行大量平面应变试验，用以研究土体的h v 加筋对土体强度的影响， 侧压的大小对土体强度的贡献，以及竖向加筋高度对土体强度的增加 有何影响。 ( 2 ) 在平面应变试验的基础上对加筋土体进行了受力分析，通过楔体极限 平衡条件推导得出加筋土的强度公式以及破坏时大小主应力的关系， 并与试验值进行比较。 1 0 上海大学硕上学位论文 第二章加筋土的基本理论与试验研究 2 1 加筋土基本理论 松散的砂土可堆成具有天然休止角的砂堆，粘性土体可开挖出具有一定高度 的垂直坡面。如果在砂土中分层埋设水平向的加筋材料，则这种由砂土和加筋材 料形成的筋土复合体就可保持一定的高度和直立状态而不塌成斜坡。这表明砂土 内加入筋条后，土体的强度和稳定性都得到了提高。为了解释砂土加筋后强度与 稳定性提高的原因，学者们根据试验提出了各种假说。根据迄今为止的研究结果， 筋土间相互作用的基本原理大致可归纳为两大类：一是摩擦加筋原理( f r i c t i o n a l r e i n f o r c e m e n tt h e o 呦，二是准粘聚力原理，或是粘聚力原理( p s e u d o c o h e s i o n t h e o 呦。 2 1 1 摩擦加筋理论 摩擦加筋理论认为：在加筋土结构中，由填土自重和外力产生的土压力作用 于墙面板，通过墙面板上的拉筋连接件将此土压力传递给拉筋，存在着将拉筋从 土中拉出的可能，而拉筋又被土压住，于是填土与拉筋之间的摩擦力阻止拉筋被 拔出。因此，只要拉筋材料具有足够的强度，并与土产生足够的摩擦阻力，则加 筋的土体就可以保持稳定。 图2 1 摩擦加筋理论 j ：海大学硕士学位论文 根据加筋土复合体中筋一土之间的基本构造，我们在加筋体中取出一微段 来分析。如图2 1 所示，微元体长为讲，拉筋左截面受力为互，右截面受力为疋， 压住拉筋的法向应力为仃，略去筋带重量和微元体土体重量。设拉筋与土粒之 间的摩擦系数为厂，6 为筋带宽度。由于土的水平推力在该微元段拉筋中所引 起的拉力为d 丁，d r = 互一疋。设卵为土粒与拉筋在该微元段上产生的总摩擦 力，有 扭= 2 刃刃( 2 1 ) 如果卵 d 丁则拉筋与土体之间就不会相互滑动。如果每一层加筋能满足 上式要求，则整个加筋土结构的内部抗拔稳定性就得到保证。 根据摩擦加筋原理可知，若要取得很好的加筋效果，拉筋材料必须满足两 点：一是表面要粗糙，能使筋一土之间产生较大的摩擦力；二是要有足够的强 度和弹性模量。 根据摩擦加筋原理，当筋片成层的铺设于密实的土中受力时，直接与筋片 接触的土颗粒和筋片之间形成一定的摩擦阻力，由于颗粒运动受限，摩擦阻力 将在土颗粒之间传递，从而在筋片间的土体中形成与土压力相平衡的承压拱。 这时，在上下筋条之间的土体，除端部的土体外，将形成一个稳定的整体。 2 1 2 准粘聚力理论 该理论认为：加筋土结构可以看作是各向异性复合材料，通常采用的拉筋， 其弹性模量远大于填土。在这种情况下，拉筋与填土共同作用，包括填土的抗 剪力、填土与拉筋的摩擦阻力及拉筋的抗拉力，使得带有拉筋的填土强度明显 提高。加筋土的基本应力状态如图2 2 ( a ) 所示。 在没有拉筋的土体中，在竖向应力仉的作用下，土体产生竖向压缩变形。 随着竖向应力的加大，压缩变形和侧向变形也随之加大，直到破坏。如果在土 体中设置了水平方向拉筋，则在同样的竖向应力仉的作用下，其侧向变形和竖 向变形则会大大减小，如图2 2 ( b ) 所示。 1 2 上海大学硕士学位论文 广 i l ( a ) 无加筋土体基本应力状态( b ) 加筋后土体基本应力状态 图2 2 加筋土基本应力状态 仍仍 t堡!了1 仃 = ；l h 图2 3 摩尔圆表示的土的加筋作用 这是由于水平拉筋与土体之间产生了摩擦作用，将引起侧向膨胀的拉力传 递给拉筋，使土体侧向变形受到约束。拉筋的约束力仃舟相当于在土体侧向施加 了一个侧压力以。 将加筋砂圆柱试样与未加筋砂圆柱式样进行三轴对比试验就可发现，如果 未加筋砂土样加筋结构在q 及吒作用下达到极限平衡，那么加筋砂土样在同样 大小的q 作用下就达不到极限平衡，而是处于弹性平衡状态如图2 3 所示，这 说明加筋砂土样的强度得到提高。 未加筋土的极限平衡条件为 盯l = 盯3t a n 2 ( 4 5 。+ 罢) ( 2 2 ) 二 如果在试验中对加筋砂土样仍施以以并保持不变，则欲使试样达到新的极 1 3 上海大学硕二 ：学位论文 限平衡状态势必增大q 至仃。，。根据库仑摩尔破坏准则，同时假定加筋前 后土样的缈值不变，于是由图可得试样处于新的极限平衡状态下的数学表达 式： 町吧t a n 2 ( 4 5 。+ 詈) + 2 c - 锄( 4 5 。+ 詈) ( 2 - 3 ) 式中仃。，加筋土样破坏时的最大主应力； 仃，作用于土样侧面的最小主应力； 缈未加筋砂的内摩擦角； c 加筋砂土样的“准粘聚力 。 o 图2 _ 4 砂的加筋效果 将式( 2 3 ) 与( 2 2 ) 相比较，加筋砂土样多了一项由c 引起的承载力。而 三轴试验的结果表明，加筋砂和未加筋砂的强度曲线几乎完全平行，如图2 4 所示，这说明假定缈值不变是可行的；但加筋砂土的强度曲线不通过坐标原点 而与纵坐标相截，其截距就是式( 2 3 ) 中的c 。为此，我们可以说，加筋砂土 力学性能的改善是由于新的复合土体( 即加筋砂) 具有某种粘聚力的缘故。这 种粘聚力不是砂土原有的，而是加筋的结果。同时在试验中我们对土样施加的 侧限应力也只是盯，而不是仃，+ 仃，盯，是加筋产生的，但在试验结果中却被 “c ( 粘聚力) 代替了，为此，我们也称这个“粘聚力”为“准粘聚力 ，它 反映了加筋砂这个复合体本身的材料特性。 准粘聚力可根据莫尔一库仑定律求得，见图2 3 。 仃1 = ( 仃3 + 盯3 ) t a i l 2 ( 4 5 。+ 罢) 1 4 上海大学硕士学位论文 加筋后土体处于新的平衡状态，即 盯- ，= 仃st a n 2 ( 4 5 。+ 詈) + 仃，t a i l 2 ( 4 5 。+ 詈) ( 2 4 ) 式中仃，因加筋产生的侧限应力增量。 比较式( 2 3 ) 和( 2 2 ) 可得： 2 c t 肌( 4 5 0 + 争时，耐( 4 5 0 + 争， 令k ，= t a n 2 ( 4 5 。+ 罢) 由此得准粘聚力的表达式： c ：坐 ( 2 5 ) c = 一 二- j 2 上式是建立在拉筋不出现断裂或滑动的情况下得出的，同时也不考虑拉筋 受力作用后产生拉伸变形。显然这只适用于高抗拉强度和高模量的拉筋材料， 如钢带、钢片和高强度、高模量的加筋塑料带等。对于低模量、大延伸率的土 工合成材料的加筋作用机理，不考虑其变形的影响是不符合实际的。为了考虑 加筋的变形性质，取三轴试验的楔体来做进一步的分析，如图2 5 所示。 ta j d r 3 t a i 搬 入o 图2 5 加筋土楔体力学平衡图 图2 5 中，彳为试样的截面积；口为破裂角，；口= 4 5 0 + 缈2 为土的内摩擦 角；辟为与破裂面相交的各拉筋层的水平合力，c r 3 为拉筋的极限抗拉强度。极 限静力平衡条件： r 7 + 吒彳t a n ( 4 5 。+ 詈) = 仃l 彳t a n ( 4 5 。+ 詈) ( 2 6 ) 上海大学硕士学位论文 丁：竺! 堂竺) s 。加筋土体中拉筋水平间距( m ) 吒拉筋的极限抗拉强度( 1 ( p a ) 4 拉筋的截面积( m 2 ) q ：一 2 1 3 其他理论 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 1 加筋等效围压理论 所谓等效围压，是指试样在三轴压缩剪切试验中，在相同的围压作用下， 与不加筋土样相比，加筋土样的应力一应变关系曲线比不加筋土样高，破坏时 主应力差增大，加筋土样抗剪强度的增大效果相当于作用于试样上的围压的提 高。 2 均质等待材料原理 加筋土是由填土与加筋材料层层交替铺设而成的复合体，每一层加筋材料 和每一层填土形成一个单元层，每层若相互平行且间距相等，则可将加筋体看 成交替正交层系。加筋体由许多单元层组成，加筋体的厚度与单元层相比要厚 得多。假定加筋体为弹性体，各单元层界面上无相对位移，即土与加筋间不产 生相对滑动，每一层中三个均质材料的平面垂直于一个直角坐标轴，而且层面 必须平行与一个弹性对称面，那么这种交替正交层系可用等代均质材料的理论 来分析，一研究加筋土在工作荷载作用下的性状。均质等待材料分析计算可采 1 6 上海大学硕士学位论文 用有限元法、有限差分法、边界积分法或积分变换法来求解。从工程实用角度 上讲，未加筋土体和加筋体的应力区比较判断还有一个判定标准问题要解决。 其关键是确定等代的正交材料的有关参数。 3 弹塑性层板理论 加筋体是填土与加筋材料层层铺设而成，把每一层加筋材料和填土看作一 个“层板单元”，整个加筋体就是由粘结在一起的层板单元的有限层组成。假定 每一层单元具有唯一确定的材料性质，则可以用增量分析法计算层板单元在弹 塑性状态下的位移和应力，从而对加筋体的应力应变特性进行分析。弹性层板 理论计算一般采用有限元法进行计算，关键是要选择并确定层板单元的弹塑性 模型和相应的屈服准则。 4 弹性薄膜理论 在土工织物加固的使用计算中，现有的许多方法无法考虑土工织物与土体 相互作用的特性，有些可以求解此类问题的弹性理论法由于方程的非线形而使 求解非常困难。有人提出用弹性薄膜来模拟土工织物，从弹性薄膜的普遍理论 出发，导出了地基变形和土工织物受力耦合的微分方程。由于薄膜不能受纵横 向的剪力，切厚度很小，认为薄膜中的应力在厚度方向是均匀的，使得方程的 推导大为简化。假定土工织物是线弹性材料，地基反力满足文克尔( 删e r ) 假设，则在平面应变的条件下可以对土工织物与土之间的相互作用进行研究， 从而探讨土工织物对地基的加固特性。 2 2 试验研究 研究加筋土和加筋土结构的强度和变形时，可采用的试验包括三轴试验， 模型试验和离心机等。若测定土筋摩擦系数可进行直剪试验或拉拔试验。单纯 地了解加筋土的内部位移与应变情况可使用射电照相技术。 2 2 1 直剪和拉拔试验 筋土界面的相互作用是影响多数加筋结构内部和外部稳定性的主要因素， 上海大学硕士学位论文 在加筋土结构的设计与计算分析中，研究筋土之间界面拉拔力的发挥过程、拉 拔力的大小、界面似摩擦系数的变化规律等问题具有重要意义。近一、二十年 来，对加筋土界面特性的研究广泛深入、发展迅速，成果十分丰富：j e w e l l ( 1 9 8 4 ) ， l 沁w e ( 1 9 8 5 ) 等探讨了筋土界面的拉拔机理；j u r a n ( 1 9 8 8 ) 对土工布与砂土的界面 摩擦角进行试验研究；p a l m e i r a 和m i l l i g a l l ( 19 8 9 ) 分析了试验箱边界效应对格栅 拉拔试验结果的影响；i r s y a 和h 妒i w ( 1 9 9 1 ) 通过拉拔试验研究了平面肋式加筋 的摩阻力变化规律；r a j u 和f 猢i n ( 1 9 9 7 ) 探讨了格栅循环荷载下的拉拔力规 律；r a c a i l a 等( 2 0 0 3 ) 对波状的土工织物带进行了拉拔试验的研究；h o n g ( 2 0 0 3 ) 分析了单排和双排土钉的拉拔阻力。这些研究成果对加筋土的发展起着积极推 动作用。 由于在直剪试验中剪应变均匀分布，直剪试验不能够较好地模拟承受拉伸 荷载的筋材的受力机制，比如，在筋条受拉的情况下，由直剪试验得出的界面 摩擦系数与由拉拔试验的结果不同，有些情况下，后者能达到前者的1 3 倍。一 般认为这是由土的剪胀性与筋材的粗糙性引起的，这种情况下只有拉拔试验的 结果更符合实际情况。 2 2 2 原位试验 原位试验又称现场足尺试验( f u l ls c a l et e s t ) 。尽管不太经济，但能够反映 加筋工程的实际情况，有助于对加筋土挡墙的性状及其加筋机理有更深刻的认 口【2 5 】 矿、o k o n a m i ( 1 9 9 4 ) 在原型试验中发现，越靠近底层，筋材最大拉力越大，且 最大拉力点越靠近墙面，上层的最大拉力值则变小且向墙体内部移动，各层筋 材最大拉力点连线接近o 3 h 型的潜在破坏面。但也有不少学者发现，当筋材刚 度很大，面板刚度相对较小时，各层筋材的最大拉力点均在筋材与面板连接处。 2 2 3 离心试验 离心机试验实际上是模型试验的一个分支，但是它又具有模型试验所不具 j ：海大学硕七学位论文 各的特点。其基本原理是借助离心机产生的离心加速度，增加了模型中的重力 场，使土工模型具有与原型相似的边界条件和应力应变状态，在模拟挡墙墙背 的土压力，坝体或边坡稳定都有一定的实际意义。章为民( 2 0 0 0 ) 等通过离心模 型试验加详细地地研究了加筋挡墙的工作机理。林彤( 2 0 0 4 ) 等对超高三级加筋 土结构进行了离心模型试验研究，得到了一些有意义的结论。张师德和杜鸿梁 ( 1 9 9 6 ) 在包裹式挡墙的离心模型试验中，发现包裹面内的实测土压力值大于主 动土压力，土压力最大值位于墙高中部；当墙顶有均布超载时，侧压力系数接 近1 。如墙顶无超载，则墙面土压力分布为上小下大，沿墙高近似线形分布 ( k b n a m i ，1 9 9 4 ) 或抛物线分布( w o n g 等人1 9 9 4 ) 。 由于离心机试验具有良好的相似比，可以较真实的反映加筋土结构的特性， 所以特别适合边坡的稳定研究。但由于实验花费较高，使得这种试验方法的推 广性受到限制。 2 2 4 模型试验 模型试验是通过缩小比例的模型槽来模拟实际工程结构中的受力特性的。 除了尺寸是缩小的以外，其他试验过程，包括试验材料和实验步骤均可同实际 工程一致。这样就保证了试验结果与实际工程的受力情况的相似性，从而为实 际工程的设计提供了可信的设计依据。 加筋土的模型试验主要是分析加筋土的内部稳定性，即加筋的临界长度或 临界配筋率与填高和荷载的关系。a n d r z 白s a w i c l ( i ( 1 9 9 9 ) 观察了加筋土挡墙的蠕 变和破裂面【2 6 1 。徐林荣等进行了加筋边坡承载力和位移的模型试验研列2 7 】；张 孟喜等对加筋土结构的工作机理做了室内试验研究；梁波等通过模型试验研究 了加筋土中的拉力破坏现象2 8 1 。 2 2 5 三轴试验 三轴试验是迄今为止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 1 9 上海大学硕上学位论文 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( 即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。这些都应用于岩土工程的设计之中，并给 工程的质量标准提供可靠的保证。 最早采用三轴试验研究加筋砂土性能的是l a b o r a t o i r ec e l l t r a ld e sp