（岩土工程专业论文）昔格达填土土工格栅高路堤的稳定性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 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。据不 完全统计，西攀高速公路修建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，限制不均匀沉降，提高路基的稳定性。 目前虽然在高填方格栅路基方面已取得较多的研究成果，但针对 昔格达这种性质特殊的填土，相应的研究成果却很少。本文的目 的就是采取离心模型试验与数值分析等方法研究昔格达土工格栅 高路堤的稳定性问题，为设计和施工提供依据。 论文首先分析介绍了加筋路堤稳定性的理论和分析方法，总 结了国内外加筋路堤稳定性的研究成果。为研究昔格达土工格栅 高路堤的稳定性，首先进行了4 组离心模型试验，其中无格栅及 有格栅的各2 组，通过试验研究土工格栅与昔格达路堤的变形、 受力及稳定性，分析格栅对路堤变形、受力及稳定性的影响。 为进一步研究昔格达土工格栅高路堤的稳定性，利用有限元 强度折减法研究边坡坡度、格栅间距等因素对昔格达填土路堤稳 定性的影响。有限元计算中，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，路堤、地基、土工格栅等均采用四结点实体单 元。 研究结果表明：实际路堤在加格栅和未加格栅时均处于稳定 状态，设计偏于安全；土工格栅可明显改变路堤填土的应力状态， 并使路堤中周围更多的土体参与抵抗路堤滑移，土体抗剪强度得 以充分发挥，提高路堤的稳定性；此外，路堤坡度越陡，格栅轴 力越大，格栅所发挥的作用越明显，对路堤的稳定性提高越大。 关键词：昔格达；土工格栅；离心模型试验；路堤；强度折减 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t x i g e d ai s as p e c i a lr o c kd i s t r i b u t e dw i d e l yi nx i c h a n ga n dp a n z h i h u a , s i c h u a n n e a r l yo n em i l i l o nc u b i cm e t e r so fx i g e d as p o i la r eb r o u g h to u ti nt h e b u i l do fx 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 l m a k ec o n s i d e r a b l ee c o n o m i c b e n e f i t sf ft h es p o i lc a nb e 砸1 i z c de f f e c t i v e l yi nt h ee n g i n e e r i n g t h eg c o g r i di sa l l i 曲s t r e n g t h , s m a l ld u c t i l i t y , a n t i - a g i n gg e o s y n t h e t i c s t h eg e o g d dp l a c e di n r u l i n gc a l li m p r o v et h es t a b i l i t yo fe m b a n k m e n t a n dr e d u c et h eu n e v e ns e t t l e m e n t c u r r e n t l y , t h o u g hm a n ys t u d yr e s u l t sh a sb e e na c h i e v e di nh i 曲- f i ug e o g r i d e m b a n k m e n t ，t h ec o r r e s p o n d i n gs t u d yc o n c e r n i n gx i g e d af i l l i n ga r er e l a t i v e l y p o o r t h ea i mo ft h i st h e s i si s t os t u d yt h e s t a b i l i t yo fh i g hx i g e d ag c o g r i d e m b a n k m e n tw i t hc e n t r i f u g a lm o d e lt e s ta n dn u m e r i c a la n a l y s i s ，t os c r v e rt h e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n i nt h et h e s i s ，f i r s t l yt h et h e o r ya n dm e t h o dt oa n a l y s et h e s t a b i l i t yo f r e i n f o r c e de m b a n k m e n tw e r ei n t r o d u c e d , a n dt h ec o r r e s p o n d i n ga c h i e v e m e n t s w e r es u m m a r i z e d t os t u d yt h es t a b i l i t yo fh i g hx i g e d ag c o g r i de m b a n k m e n t , f o u rg r o u p so f c e n t r i f u g a lm o d e l t e s t sw e r ec o n d u c t e d ，i n c l u d i n gt w og r o u p sw i t h g c o g d da n dt h eo t h e rt w ow i t h o u tg e o g r i d w i t ht h er e s u l t so ft h ed e f o r m a t i o na n d s t r e s so ft h ee m b a n k m e n t , t h ei n f l u e n c e so fg e o g r i do nt h es t a b i l i t yo ft h e e m b a n k m e n tw e r ea n a l y s e d f u r t h e r m o r e ，f i n i t ee l e m e n ts t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h e i n f l u e n c e so ft h ev e r t i c a ls p a c i n gb e t w e e nl a y e r so fg e o g r i da n dt h eg r a d i e n ts l o p e o ft h ee m b a n k m e n to nt h es t a b i l i t yo fh i g hx i g e d ag e o g r i de m b a n k m e n t i nt h e c o m p u t a t i o n , d a s t o - p l a s t i cm o d e lf o l l o w i n gd r u c k e r - p r a g e rl a ww a se m p l o y e d f o r t h e f i l l i n g s o i l f o u r - n o d es o l i de l e m e n tw a su s e dt od i s c r e t i z et h e e m b a n k m e n t , s u b g r a d ea n dg e o g r i d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e de m b a n k m e n tw i t h w i t h o u tg e o g r i di s s t a b l ea n ds a f e t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s si ng e o g r i de m b a n k m e n ti sa f f e c t e d b yt h eg c o g r i do b s e r v a b l ya n dt h es o i li nt h ev i c i n i t yo ft h eg c o g r i di sm o b i l i z e d t ow i t h s t a n dt h et e n d e n c yt os a po ft h ee m b a n k m e n t t h es h e a r i n gs t r e n g t ho ft h e s o i li sm o b i l i z e dm o r es u f f i c i e n t l y , w h i c hm a yi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 e m b a n k m e n te f f e c t i v e l y m o r e o v e r , t h ea x i a lf o r c eo fg e o g r i dw i l li n c r e a s e ，a st h e e m b a n k m e n ts l o p eb e c o m es t e e p e r n a m e l y , t h ee f f e c t so fg e o g f i db e c o m em o r e e f f e c t i v ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h eg r a d i e n ts l o p eo fe m b a n k m e n t k e y w o r d s ：x i g e d a ；g e o g d d ；c e n t r i f u g a lm o d e lt e s t ；e m b a n k m e n t ；s t r e n g t h r e d u c t i o n 西南交通大学曲南父遗大字 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印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q 锰用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 指导老师签名： 日期： 彩哆彬哆j 乙 2 d q g 参i i 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 实际路堤在加格栅和未加格栅时均处于稳定状态，设计偏于安全。 2 土工格栅可明显改变路堤填土的应力状态，并使路堤中周围更多的土体 参与抵抗路堤滑移，土体抗剪强度得以充分发挥，提高路堤的稳定性。 3 路堤坡度越陡，格栅轴力越大，格栅所发挥的作用越明显，对路堤的稳 定性提高越大。 鹰篱民 州1 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、西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。昔格达地层原名“混旦层”，是我国西南地区著名的晚新生代 地层【1 】，1 9 5 8 年才根据其实际出露地点昔格达村而改称“昔格达层”。其后， 在区域地质调查中，昔格达组被广泛用来代表安宁河、金沙江、大渡河、雅 碧江河谷覆盖在早第三系之上的一套河湖相地层【2 】。 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。受汇入古潮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，雅砻江 下游地区盐边至雅江桥河段，安宁河的西昌至米易河段。 昔格达地层是一套连续的沉积，完整层序为三段。i 段仃：段) 为砾层，属 河流相沉积，以富林、老台子梁岗剖面为代表，厚约l o m 。i i 段( 中段) 为灰 色，杂色条带状( 由灰与肉红色或浅灰色与浅黄色构成间色条带) 粘土岩与黄 色细砂岩互层，属湖相沉积，以富林、清香坪( 攀枝花市西区) 剖面为代表， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 厚约5 0 - 7 5 m 。i i i 段( 上段) 以层状黄色细砂岩为主，与杂色条带状粘土岩互 层，也属湖相沉积，该段在炳草岗( 攀枝花市中区) 出露厚度约为7 0 m 2 1 。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。粘土 层一般层厚5 - - - 5 0 c m ，最厚也可达l m 以上。粘土层有较好的结构连结，呈 半胶结半成岩状。细砂层层厚几c l l l 至数m 不等，呈较疏松的半胶结状结构 f 3 】 o 昔格达组属半成岩，按岩性可分为粘土岩、砂岩，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治量达6 6 - - 8 2 ) ，高岭石、绿 泥石次之，石英、针铁矿少量；砂岩的碎屑成分主要为斜长石，少量为方解 石、石英、黑云母、绿帘石、角闪石、磁铁矿等。粘土泥岩具微细层理，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【2 】。 1 1 3 昔格达组岩工程性质的研究现状 上世纪3 0 年代，我国早期地质学家常隆庆先生就对昔格达地层进行了研 究，之后许多地质学家也投入到昔格达组沉积物的研究中，其研究工作主要 围绕昔格达组地层的地质环境、地质历史以及对西南地区古气候变化的反映 等方面。从工程角度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受到重视，开展了多方面的研究 工作，特别是随着8 0 、9 0 年代二滩水电站等一批水利工程及大型的工业与民 用建筑的开工建设，进一步加深了对昔格达组地层的工程性质的认识。 王思敬等【3 】的研究成果表明，攀西地区昔格达土中的粘土岩含水量较高， 为3 3 - - 3 6 ，少数可达5 0 以上，天然密度为1 7 9 - - - 1 8 2 9 c m 3 ，颗粒密度为 2 7 6 , - - , 2 7 9 9 e r a 3 ，干密度小，为1 3 1 1 3 5 9 c m 3 ，孔隙比大，为1 0 4 8 1 0 8 5 ， 饱和度高，为8 3 7 - - 9 3 。细砂岩天然含水量低，平均为1 9 ，干密度小， 平均值为1 5 9 e r a 3 ，孔隙比较大，平均值为0 8 2 1 ，饱和度低，平均值为6 2 ， 结构呈中密，少数呈松散状。 周云金 4 1 分析了昔格达地层的特征，认为它具有成岩程度低，结构构造 不均一，富含粘土颗粒及粘土矿物，具有压缩性较强、遇水软化崩解、脱水 干裂等特点。 李小泉 5 1 对不同地段的昔格达地层性质进行了综合对比分析，认为不同 地段的昔格达地层性质变化较大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 张永治【2 l 等从归属年代、地质构造、分布、工程地质特性、常用的工程 处理措施等方面对攀西地区昔格达地层进行了分析，指出昔格达组地层具有 以下不良特性：尽管经受了一定的成岩作用，但与前四系的成岩程度有天壤 之别，因此强度较低，特别是在水的作用下，承载性能和抗剪强度都会大幅 度降低；其页岩、泥岩具有微细的层理，在风干，特别是反复浸水后，极易 崩解；由于砂溯砂) 岩、泥( 页) 岩互层，岩体中常有软弱的沉积结构面，这些 软弱结构面及昔格达组层与上覆松散堆积层的接触界面、与下伏地层的界面， 是该地层产生滑坡、塌方的主要不良结构面；由于该地区新构造运动强烈， 岩体中常存有断裂和构造裂隙为主的破裂结构面，在工民建、道路与桥梁、 水利工程等的建设中必须十分注意。 近年来，随着我国西部大开发战略的实施，高等级公路的规划建设己经 成为基础设施建设的重要组成部分。西攀高速公路作为交通部规划的8 条西 部大通道之一的甘肃兰州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，也是四川省通往云南昆明的主要通道。围绕西攀 高速公路的建设，研究者针对昔格达岩层及昔格达填料开展了大量的研究工 作。 张文举【6 】使用微机控制电磁式动三轴仪，对昔格达土进行了动强度液化 和动模量阻尼试验，确定了昔格达土的动强度和动力参数，并对其影响因素 进行了探讨。 文丽娜【7 】对西攀高速公路昔格达地层路堑边坡的稳定性进行了系统研 究：按稳定程度，对边坡进行分类，归纳出稳定、次稳定、次不稳定、和不 稳定四种边坡类型；采用有限元法对四类1 7 种典型代表性边坡进行了变形及 应力、应变分布研究，从理论上探讨了各种代表性边坡稳定性的变形及应力 分布关系；采用离心模型试验方法，对新九连接线开挖高边坡进行了离心模 型试验，求得其变形和应力、应变值，以及它们的变化趋势；在上述基础上， 总结了各类型边坡破坏的原因，提出了相应的防治措施建议。 吴兴序【8 】对昔格达岩层中的1 3 根灌注桩进行了单桩轴向静载试验，研究 了桩的承载力和影响承载力的因素。结果表明：昔格达岩层的单轴抗压强度 很低，属于极软岩，但与一般硬土层比较，昔格达岩层中的灌注桩( 包括人工 挖孔桩和冲孔灌注桩) 具有较高的承载力，昔格达岩层可以提供较高的桩侧摩 阻力和桩端阻力，因此，工程中可以选择昔格达岩层作为基础持力层；旅工 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 质量对桩的承载力具有至关重要的影响，施工过程中务必采用可靠的措施保 证孔壁的稳定性，并尽量降低对于孔壁的扰动，成孔后应尽快浇注混凝土。 何贵府【9 】通过大量的室内及现场试验，对昔格达填料的抗剪强度、室内 承载比及现场承载比特征进行了较为系统的研究后认为：昔格达混合填料承 载比值受填料含水量及其中泥岩含量的影响，当泥岩含量小于一定值时，昔 格达混合填料具有较高的承载比值，能够满足高速公路对填料的最低强度要 求；并建立了综合评判昔格达填料性能及现场压实效果的现场承载比( c b r ) 标准。 彭盛恩【1 0 】在对昔格达土作为筑路坝特性材料的研究后得出的结论：昔格 达组5 0 - - 3 3 的粘土砾土与5 0 - - 6 7 细砂砾士的混合土具有较高的抗剪强度 和较低的压缩性，渗透性中等，抗渗透变形特征较好，适合于作筑坝材料。 向贵府【1 1 】还分析了含水量变化对昔格达土填料工程性质的影响，发现其 最大干密度仂。、压实度及“驴值都与含水量存在一致的相关性，即存 在一个最优含水量，这个最优含水量接近随机混合的昔格达填料的天然含水 量的结论，这说明天然昔格达混合填料适合于用作路基、坝基填料的。 刘惠军【1 2 】对昔格达土在路基中的应用进行了研究，主要研究成果有以下 两点：昔格达填料是混合填料，其性质受其中泥岩和砂岩性质的影响，泥 岩含量少，但含水量高，砂岩含量大，但含水量低，由于沿线泥岩和砂岩厚 度变化较大，对于压实指标应实行动态取值；提出了主压实和次压实概念， 通过试验确定昔格达填料的主要碾压工艺为先强振后弱振动，这可以减少压 实遍数。 王毅【1 3 】对营格达地层填筑路堤的变形问题进行了分析和研究后认为：为 控制路堤的沉降变形，不仅应满足现行规范中规定的压实度标准，还应该引 入填料压实后的力学参数变形模量值标准，实行双重控制标准，而对于 昔格达地层这种混合填料，为获得较大的模量值，应控制填料中泥岩的含量。 胡涮1 4 】在大量现场调查、室内外试验资料基础上，详细研究了昔格达填 料的工程性质；通过路基回弹模量特征的研究，说明了含水量、干密度、泥 岩含量等“内因”，及压实方式、松铺厚度等“外因”对路基模量值的影响；研 究了回弹模量与路基压实质量指标间的关系，给出了不同压实区间对应的模 量值。 周杨1 1 5 】对土工格栅与昔格达填土相互作用机理进行了研究。利用自制的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 直剪拉拔试验仪，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、格栅形式对筋土界面抗剪强度的影响。 向科【1 6 1 以西攀高速公路k 4 9 + 7 6 0 蛋王4 9 + 8 2 0 段昔格达路基为原型，进行 了6 组离心模型试验，其中3 组不加土工格栅，3 组加土工格栅。通过量测 路基顶面的沉降、内部的水平、竖向土压力，得出路堤的变形及堤内土压力 的分布形式，对高填方路堤中土工格栅的作用效果进行了分析和研究。 1 2 本论文的主要研究内容及技术路线 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地层极软岩， 如果加以合理利用，可以节省建设投资，少占农业耕地，同时为攀西地区及 其余昔格达分布地区的公路建设积累经验。 另一方面，近年来，土工合成材料在水电、铁路、机场、港口及公路建 设中得到广泛的应用并发挥了重要作用，其中，土工格栅因具有良好的抗拉、 抗剪等特点，而在公路建设中用于路基及地基的加固、路基的防护，它能有 效地分配荷载，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。 在高等级公路的建设中常会遇到高填方路基工程，在高填方路段分层铺 设土工格栅能有效地提高路基的强度，减轻路基的沉陷问题。目前虽然在高 填方格栅路基方面已取得较多的研究成果，但针对昔格达这种性质特殊的填 土，相应的研究成果却很少。本论文结合交通部西部交通建设科技项目“土 工格栅在昔格达填土路基中的应用”，采取离心模型试验与数值分析等方法研 究昔格达土工格栅高路堤的稳定性问题。论文的主要研究内容及技术路线如 下： 本论文研究的主要内容有： ( 1 ) 通过离心模型试验来研究土工格栅与昔格达路堤的变形、受力及稳 定性，对加格栅和未加格栅两种情况进行变形、受力与稳定性分析。 ( 2 ) 采用有限元强度折减法和圆弧条分法对加格栅和未加格栅路堤的稳 定性进行计算分析，分析格栅对路堤稳定性的影响。 本论文研究的主要方法及技术路线： ( 1 ) 通过在模型路堤顶部布置位移传感器，量测路堤竖向位移分布，分 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 析其变化规律及土工格栅的影响；在模型路堤内部不同位置布置压力传感器， 量测路堤中的水平应力和竖向应力，分析路堤的水平应力和竖向应力变化规 律，并分析格栅对路堤水平应力和竖向应力的影响。同时，采用有限元法对 试验过程进行数值模拟，并与离心模型试验进行对比。 ( 2 ) 采用有限元强度折减法，分别对不同边坡坡度、无格栅、不同格栅 间距的昔格达填土加格栅路堤进行计算，研究路堤的渐进破坏过程，分析这 些因素对路堤稳定性的影响，并对格栅轴力的分布变化规律进行研究。 ( 3 ) 利用圆弧条分法对路堤进行稳定性计算，计算分析格栅间距对路堤 稳定性的影响，并与有限元模拟结果进行比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章土工格栅及高路堤稳定性的研究现状 2 1 土工格栅及其应用 按材料的不同，土工格栅分为塑料土工格栅和高强纤维土工格栅两个种 类【1 7 1 ，目前以塑料土工格栅在工程中的应用最为广泛，它以聚丙烯或高密度 聚乙烯等为主要原料，加入抗紫外线等助剂，经挤压制出板材，再经冲孔、 拉伸成形而制成的格栅状产品，本论文中的土工格栅均指这类格栅。按成形 时的拉伸方向可分为单向拉伸格栅和双向拉伸格栅【堋。 2 1 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固作用，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，使聚合物分子沿拉伸方向定向排列， 加强了分子链间的联结力，因此格栅的抗拉强度较原板材高5 1 0 倍，而延 伸率却仅为原板材的1 0 - 1 5 。 ( 3 ) 耐候性及耐久性 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。 ( 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， 也可重叠搭接，便于现场组装成所需的构造及形状。此外在施工过程中折曲 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 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 1 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。 2 1 3 土工格栅在路堤中的应用 上世纪8 0 年代初，欧洲首次将土工格栅成功地用于土质边坡的滑坡处 治，之后在欧洲及北美国家广泛用于路基加固，软基处理及堤坝的防护等工 程。9 0 年代初以来，我国的高速公路和铁路建设迅猛发展，土工格栅在路堤 填土工程得到广泛的应用。 土工格栅用于路堤填土工程可以达到以下目的： ( 1 ) 可有效地增强高填土路堤边坡的稳定性。 ( 2 ) 可减少路堤不均匀沉降，从而减少对路面结构的影响。 ( 3 ) 在软弱地基上修筑路堤时，在地基与路堤之间以及路堤内部铺设土 工格栅，可以增强路堤的整体稳定性，减小地基变形对路堤稳定性的影响。 ( 4 ) 采用土工格栅加筋路堤填土工程，可增陡边坡，从而大大减少公 路和铁路的建设对耕地的占用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 5 ) 在道路拓宽工程中，在新老路堤结合部也分层铺设土工格栅，可以 减小新老路堤差异沉降，提高新老路堤结合面强度。 2 2 高路堤边坡稳定性的分析方法 山区高速公路的修建常会遇到高填方路基。目前，高填方路基尚无一个 统一的界定标准。实际上高路堤与低路堤只是一个相对的概念。在公路路 基设计规范( j t od 3 0 - 2 0 0 4 ) d f l ，以边坡的总高度作为划分界限，当总高度 大于2 0 m 时，宜进行稳定性验算。 高路堤边坡稳定性分析方法主要有以下几种。 ( 1 ) 极限平衡法 在高路堤边坡稳定性分析中，目前工程实践中多采用极限平衡法。 以砂石料等无黏性土筑成的路堤，其滑动破坏面常接近于平面，在横断 面上则为一条直线。此外，对于某些虽具有一定的黏聚力，但其抗剪强度主 要来源于摩擦力的黏性土，亦可采用直线滑动面进行分析。 黏性土土坡失稳时，其边坡滑动面成曲面，常用的计算方法是假定为圆 弧曲线，圆弧滑动面的边坡稳定计算方法很多，工程上普遍采用f e l l e n i e u s 法及b i s法。 对于h 任o p 意形状的滑动面，f e l l e n i e u s 法及b i s h o p 法不再适用，可采用j a n b u 法、m o r g e n s t e m p r i c e 法、s a r m a 法、s p e n c e r 法、l o w e k a r a f i a t h 法、美国 陆军工程师团法等。 ( 2 ) 滑移线场法 滑移线场法严格满足塑性理论，假定土体为理想塑性体并将土体分为塑 性区和刚性区，塑性区满足静力平衡条件和莫尔库仑准则。二者结合得到偏 微分方程，采用特性线法求解。但严格滑移线场解是十分有限的，故这种方 法在实际应用中并不广泛。 ( 3 ) 极限分析法 该法是运用塑性力学上、下限定理求解边坡稳定问题。上限定理解，即 能量法，需假定一个滑裂面，并将土体分成若干块，土体视作刚塑性体，然 后构筑一个协调位移场，为此需假设滑裂面为对数螺线或直线，再根据虚功 原理求解使结构处于极限平衡的极限荷载或稳定安全系数。极限分析下限法 的理论基础是下限定理，它在计算过程中需构造一个合适的静力许可的应力 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 0 页 分布，在通常情况下可用应力柱法或者应力不连续法来求得问题的下限解， 其解偏于安全，可以实用，但只有极少数情况下可以获得下限解。 ( 4 ) 数值分析法 数值分析法大致可分为两大类，基于连续介质的应力应变分析方法和基 于非连续介质的应力应变分析方法，前者主要有：有限元呷m ) 法、边界元 ( b e m ) 法、快速拉格朗日( n a c ) 法；后者主要有：离散元( d e m ) 法、不连续 变形分析( d d a ) 法、流行元( n m m ) 法等。 其中有限元法是最早用于边坡稳定评价的数值分析法，也是目前最广泛 使用的数值方法。用于边坡稳定性分析时，包括基于滑裂面上应力分析及强 度折减法两种处理方法，本文中采用的是强度折减法。 有限元强度折减法是通过不断减低边坡岩土体抗剪切强度参数，使边坡 达到极限破坏状态。根据弹塑性有限元计算可以得到破坏滑动面，同时得到 边坡的强度储备安全系数。 与极限平衡法相比，有限元强度折减法全面满足了静力许可、应变相容 条件以及土体的非线性应力应变关系；而与极限平衡法相比，求解安全系数 时，强度折减法不需假定滑动面的形状和位置，能够模拟边坡的渐进破坏过 程，并能提供应力、应变和位移等力与变形的全部信息。 ( 5 ) 非确定性分析法 边坡工程中存在着人为、模型和参数等不确定因素的影响，使得边坡的 稳定性分析具有随机性、模糊性和不确定性。在确定性分析方法的基础上， 通过吸收现代科学理论中的耗散理论、协同学理论、混沌理论、随机理论、 模糊理论、灰色系统理论、突变理论等，创立和发展了一批非确定性分析方 法。非确定性分析中常将边坡岩土体材料性能( 弹性模量、泊松比) 、边坡几 何尺寸( 如内部结构面、边坡边界尺寸) 、边坡外部荷载( 如地震力、重力场、 渗流场) 等视为随机变量，再运用概率论、模糊理论和灰色理论等知识来研 究边坡的稳定性。目前，边坡稳定性问题的非确定性分析方法主要包括边坡 稳定的遗传进化算法、概率分析法、模糊数学法、灰色系统评价法、人工神 经网络评价法、蒙特卡洛法、蚂蚁算法等。 2 3 加筋路堤的研究现状 对于土工格栅加筋机理的研究，一般基于现场试验、模型试验、理论分 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 析等方法。 2 3 1 加筋路堤的现场试验研究 朱湘【1 9 1 等对软土地基上的加筋路堤进行了室内模拟试验和现场沉降观 测，结果表明加筋能降低地基中的附加竖向应力和消减部分工后沉降，是一 种有效的加固方法。 刘俊彦【捌等在秦沈客运专线某段对松软地基进行了现场试验，试验结果 表明土工合成材料加筋砂垫层能够提高软土地基抵抗变形的能力，在一定程 度上能减少软土地基的沉降量；加筋后复合土体中的应力场发生改变，软土 地基面的最大土压力降低，软土地基面的土压力分布也趋均匀：格栅张力随 加载压力的增加而增加，土筋间的界面摩阻作用随之增加，界面摩擦力的增 加限制了软土地基的侧向变形。 胡幼制2 1 】等用粉质红砂土修筑了一段双向土工格栅加筋试验路堤，现场 测定试验路基的回弹模量。结果表明：用双向土工格栅加筋路堤，可以明显 提高路堤的回弹模量；双向土工卒欠姆加筋路堤的回弹模量随加筋层间距的减 小而提高，提高的幅度随层间距的减小而降低。 苏艺【2 2 】等在青藏铁路清水河路堤试验工程冻土加筋试验段，对加筋路堤 与未加筋路堤水平位移变化进行了现场测试，结果表明：加筋路堤空间变形 要均匀，这主要与加筋后土体的受力均匀有关，说明加筋对应力均匀分布起 到了一定作用；纵向裂缝产生在保温护道阳坡坡面，但加筋后的路堤本体抗 拉强度增大，裂缝发育少，规模小，说明加筋后的路堤本体变形协调能力增 强，提高了路堤土体抗纵向裂缝的能力。 谢婉丽【驯在祁临高速公路北张沟加筋路堤试验段，进行了现场试验，试 验结果表明：塑性应变计粘贴在现场土工格栅上，成功地监测到高填方加筋土 路堤在施工过程中的侧向应力变化规律，侧向应变占和填土厚度矗基本上可 以用对数曲线表示：- - l n ( h ) + b ；填土的竖向和侧向土压力与填土厚度可以用 幂次型曲线表示：仃= a h b ，随着填土厚度的增高，加筋作用开始发挥，使土压 力小于理论值；根据施工期和工后期的沉降变形监测结果，加筋可以使路堤内 的差异沉降均匀化；路堤的初始沉降和固结沉降在施工期间基本完成，竣工后 的沉降主要为次固结沉降。 苗英裂2 4 j 等通过试验路的修筑、现场施工损伤试验以及格栅变形的长期 观测，对土工格栅加筋路堤压实特性和路堤中土工格栅的长期变形进行了研 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 究。研究表明，填土虚铺厚度控制在3 5 c m 左右，采用羊脚碾压路机碾压能 有效减小土工格栅的损伤，用支设模板的方法进行格栅的反包施工可以保证 坡面的平整和密实；路堤中土工格栅的变形主要来源于土体的填筑碾压，且 其影响程度有很大的随机性，并随格栅上部土体厚度的增加逐渐消失；扣除 施工对格栅变形的影响，路堤填土带给格栅的变形随格栅上部填土厚度的增 加而增加；雨水的入渗对土工格栅与路堤填土之间的相互作用有很大影响，因 此雨季施工及运营期间的防排水十分重要。 2 3 2 加筋路堤的模型试验研究 t a n i g u c h i 2 5 】用离心模型试验研究了无纺织物加筋路堤。观测到当加筋路 堤破坏时或在垂直荷载下路堤发生大变形时，堤中滑动面近似圆弧形；认为 拉筋的极限拉力不仅减小了滑动面上的剪应力，即减小了滑动力矩，同时也 增大了滑动面上的摩擦力，即增大了稳定力矩。 z h a n g 2 6 】等用离心模型试验研究了软基上高填加筋路堤的加筋机理。 m a n d a l 2 7 】等用离心模型试验探 4 7 不同类型的加筋材料对软土地基上路堤 的稳定性影响。 j o r g egz o m b e r g 硎利用离，r 节型试验对土工织物加筋砂边坡的破坏机 理进行了研究，试验中考虑了小同朋筋密度、不同拉伸强度的筋材以及不同 抗剪强度的土( 通过改变同种砂的密度实现) 。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。 ji z a w a 2 9 等利用离心模型试验对地震荷载作用下加筋路堤的稳定性进 行了模拟研究。试验表明格栅的拉伸刚度较低时，由于起不到限制加筋区内 土体变形的作用，路堤在较低的地震影响系数下就会发生破坏，但格栅抗拉 拔力提高后，在相同拉伸刚度下加筋路堤的抗震能力将得到明显提高。当格 栅拉伸刚度较高时，格栅将能有效限制加筋区土体的变形，加筋路堤的抗震 性能也随之提高。 sm 唧g e s 粗【刈利用室内模型试验，对不同土工格栅加筋红土路堤与不加 筋路堤在荷载作用下的沉降、坡面侧向位移情况进行了研究。试验表明在一 疋的荷载限度内，加筋与不加筋路堤的沉降没有明显差别，但随着荷载的逐 渐增大，不加筋路堤会发生突然破坏，加筋路堤则表现为沉降速度加快，逐 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 渐破坏。加筋路堤的承载力约为不加筋路堤的1 5 倍。试验结果还表明，由 于加筋的锚固作用使得边坡坡面位移减小，并且加筋路堤在坡面发生很大变 形时仍没有破坏的迹象，表明加筋路堤可以承受的变形比不加筋路堤要大。 我国最早进行离心模型路堤试验的是俞仲泉1 3 1 j 等人，其在路堤和软土地 基之间设砂垫层，织物位于堤底和砂垫层中间，通过试验表明，复合加固方 法能够明显地提高地基抵抗变形能力，减少地基沉降和隆起，使沉降趋于均 匀，特别是土工织物的侧限作用，能够减小水平位移；建议在实际应用中， 采取在地基和堤体两处同时铺设土工织物的方案，既减少地基变形亦增加堤 体的稳定性；土工织物的应变是不均匀的，堤中心轴下应变最大，但均不超 过5 。 杨锡武【3 2 】利用离心模型试验，研究了不同布筋方案的加筋高路堤陡边坡 的变形性态、滑动面形状及加筋对边坡沉降的影响，并得出如下结论：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 l 2 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，同时可以使坡度变陡；戥i 度中间处加密布筋是加筋高路堤陡边坡 经济合理的布筋方案；试验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商线，而加筋边坡的滑裂面呈折线，因此对 素土和加筋边坡的稳定性分析验竹屯采用不同的力学模型；加筋能减小坡顶 的沉降，但其效果与布筋方案有关，加筋能改变沉降沿路基横向的分布，使 沉降由里至坡面的分布较为均匀，可以减少不均匀沉降引起的路面破坏。 杨庆【3 3 】通过室内小比尺模型试验，模拟了两种边坡坡度、两种格栅以及 3 种加筋层数共计1 0 种边坡结构在坡顶荷载作用下边坡和土工格栅的变形规 律。试验结果表明：通过加筋可大大提高边坡的稳定性和承载能力；土土格 栅的抗拉张度越高，加筋层数越多，边坡越缓，则土土格栅加筋边坡的沉降、 侧向位移值以及土土格栅的应变也越小；土土格栅埋在土体内部的受力变形 规律不是沿格栅全长均匀分布，而是越靠近路堤边坡的中心，格栅的变形量 越大，而坡角处格栅的应变则非常小。 谢婉丽【矧通过加筋路堤室内模拟试验指出：加筋可以降低土体的竖向应 力，从而相应地减小了土体中的竖向沉降；填方中各点垂直土压力的随着填 ：。厚度的不断增大而增加，施工完后基本趋于稳定；土工格栅的应力扩散作 用明显增大了荷载在土层中的扩散角，在土体破坏时起到阻止土体破坏的作 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 用。 苗英豪通过土工格栅加筋黄土路堤离心模型试验指出，在干燥状态下 加筋与不加筋路堤均能处于一种良好的工作状态；在坡脚浸水的情况下，加 筋模型有绕边坡坡脚倾覆的趋势，倾覆趋势随加筋密度的增大和边坡坡度的 变陡而增大，土工格栅的加入提高了路堤在不利情况下的稳定性和抵抗变形 的能力。 2 3 3 加筋路堤的理论计算 目前，加筋土工程的计算有3 种思路：( 1 ) 将加筋土看成由土与筋材两 种不同性质的材料组成，两者通过界面相互影响、相互作用，这种方法在极 限平衡法和有限元法中是最常用的；( 2 ) 将加筋土看成宏观上均匀咱匀复合材 料( 通常为各向异性的) ，土与筋之间的相互作用表现为内力，只对复合材料 的性质产生影响，其求解可采用极限平衡法、弹性理论及有限元法；( 3 ) 将 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，具体地讲，就p 专青限元计算中只出现土单元，筋的作用仅 当成外力( 等效附加应力) 加在土单元上，不需设置模拟筋材本身的单元。 2 3 3 1 加筋路堤的极限平衡法 如前所述，极限平衡法是差r 王中求解岩土体稳定性的常用方法之一， 此法概念直观而简单，运算方便，且已积累了大量的经验，也是现今土工格 栅加筋结构设计计算中应用最为广泛的实用方法。 在计算中，假定加筋路堤破坏面为圆弧，筋材中的力为土坡提供一个附 加抗滑力矩( 通常不考虑加筋材料的抗剪强度和抗弯强度) ，用瑞典条分法或 毕肖普法计算其安全系数，这是一种较为常用的方法。此方法没有考虑加筋 材料与土之间的应变协调关系。 由于加筋材料所发挥的作用应与其应变有关，为了弥补极限平衡分析的 不足，r o w e 【3 5 】在稳定分析中引入一个“允许相容应变韵概念，考虑了加筋材 料与土之间的应支协调关系。 g o u r c0 6 1 在极限平衡理论的基础上提出了位移法，此法考虑了加筋材料 变形以及土与织物间的相互作用关系，引入了土与筋的应变相容关系