（岩土工程专业论文）土工格栅加固土体的受力变形.pdf

摘要 本文在总结和阐述前人对于格栅加筋试验、计算方法的基础上，采用拉拔模 型试验、有限元模拟、理论推导对格栅的极限拉拔荷载展开了初步的研究。 首先，总结了格栅的工程应用和研究现状，介绍了国内外学者在格栅加筋方 面取得的成果。论证了进行研究工作的必要性。 其次，进行了不同上覆压力不同长度格栅的拉拔模型试验；记录了拉拔过程 中试验箱前壁上的土压力变化，定性分析了“挤压效应”对极限拉拔荷载的影响； 同样的上覆压力下，。挤压效应”对极限拉拔荷载的影响是相等的，通过不同长 度格栅的极限拉拔荷载差值来消除“挤压效应”带来的误差；通过不同横肋数目 格栅的拉拔试验，获得了横肋上的极限阻力。 另外，用平面应变有限元程序模拟单根横肋在土中受水平拉力作用，士体的 弹性模量和泊松比对横肋极限阻力的影响很小，内摩擦角和上覆压力对极限阻力 影响较大。提出了横肋极限阻力的计算公式，并且与试验数据进行了对比验证。 然后，用p r a n d t l 解分析了单根横肋在土中的受力，得出横肋横向极限阻力 的理论公式，与前人的公式进行了对比分析。土体的粘聚力对横肋极限阻力的影 响很小，计算时可以忽略 最后，提出了格栅与土之问摩阻力的计算方法，最终提出了计算格栅极限拉 拔荷载的公式。根据计算的结果，摩阻力占极限拉拔荷载的比例较小。公式的计 算值和试验值相差不大。 格栅的极限拉拔荷载作为一个重要的参数，通常从拉拔试验中获得。拉拔荷 载由格栅表面的摩阻力和横肋上的阻力共同承担。本文通过有限元模拟的结果拟 合了横肋上极限阻力的计算公式，提出格栅与土之间摩阻力的计算方法之后，最 终获得了格栅极限拉拔荷载的公式。 关键词：土工格栅，拉拔试验，平面应交，有限元法，p r a n d t l 解，极限拉拔荷 载 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h er e v i e wo f e x i s t i n gt e s t sa n dc a l c u l a t e dm e t h o d s ，u l t i m a t ep u l l o u tf o r c eo f g e o g r i di ss t u d i e db yp u l l o u t 锨；t f e mm e t h o da n dt h e o r ya n a l y s i s f i r s t l y , a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fg e o g r i da r es u m m a r i z e di nt h i st h e s i s n l e i m p o r t a n c eo f s t u d yo ng e o g r i di se x p o u n d e d s e c o n d l y , p u l l o u tt e s t so fg e o g r i du n d e rd i f f e r e n tn o r m a lp r e s s u r ea r ec a r r i c do u t l a t e r a lp r e s s u r eo nf r o n t a lw a l lo fp u l l o u tb o xi sm e a s u r e dd u r i n gp u l l o u tp r o c e s s q u a l i t a t i v ea n a l y s i si sb r o u g h tf o r w a r dt oi n f l u e n c eo f s q u e e z ee f f e c t o nu l t i m a t e p u l l o u tf o r c e 。i n f l u e n c e so f s q u e e z ee f f e c t o ng e o g r i d si nd i f f e r e n tl e n g t h sa r e i d e n t i c a l ，s oc r r o r si n d u c e db y s q u e e z ee f f e c t a r ec a n c e l l e db yc a l c u l a t e dd i f f e r e n c e s b e t w e e nd i f f e r e n tl o n gg e o g r i d s u l t i m a t e 坤s i s t a n o fi r a n 洲, e r s eb a ri so b t a i n e db y g c o 鲥出w i ms a l n el e n g t ha n dd i f f e r e n tn u m b e ro f t r a n s v e r s eb a r t h i r d l y , s i n g l eb a ri n s o i li n d u c e db yh o r i z o n t a lf o r c ei ss i m u l a t e dw i t l lp l a i n s t r a i nf e m 1 1 抡y a n g sm o d u l u sa n dp o i s s o n sr a t i oh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nu l t i m a t e r e s i s t a n c eo fs i n g l eb a r , b u tn o r m a lp r e s s u r ea n di n t e r n a lf r i c t i o na n g l es i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e do ni t e x p r e s s i o no fu l t i m a t er e s i s t a n c eo fs i n g l eb a ri sp r o p o s e da n d v a l i d a t e db ye x p e r i m e n td a t a f o u r t h l y , p r a n d t l sm e c h a n i s mi sa p p l i e dt oa n a l y z e dt h eu l t i m a t er e s i s t a n c eo f s i n g l em e m b e ri ns o i l ，at h e o r e t i c a le q u a t i o ni sa t t a i n e da n dc o m p a r e dt oe x p r e s s i o n s o ff o r m e rr e s e a r c h e r s i n f l u e n c eo fc o h e s i o no nu l t i m a t er e s i s t a n c ei sn o ts i g n i f i c a n t a n dc o u l db en e g l e c t e d f i n a l l y , t h ec a l c u l a t e dm e t h o do ff r i c t i o nb e t w e e ng e o 西da n ds o i li sp r o p o s e d ， a n du l t i m a t ep u l l o u tl o a dc a p a c i t yo fg e o g r i di sp r o p o s e da tl a s ta n dv a l i d a t e db yt e s t r e s u l t s 1 1 l ep u l l o u tr e s i s t a n c eo fg c o g r i dw h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rn o r m a l l y o b t a i n e df r o ml a b o r a t o r yp u l l o u tt e s t i ti sd i f f u s e d l yb e l i e v e dt h a tt h ep u l l o u t r e s i s t a n c eo fg e o g r i di si n d u c e df r o mt w os o u r c e s o n ei st h ef r i c t i o na n dc o h e s i o n b c _ t w e e nt h es u r f a c eo fg e o g d da n ds u r r o u n d i n gs o i l ，a n dt h eo t h e ri st h et r a n s v e r s e b a rr e s i s t a n c eo ft h eg c o g r i d ，w i t ht h er e s u l t so ff e m ，e x p r e s s i o no fu l t i m a t e r e s i s t a n c eo fs i n g l eb a ri sf i t t e da n de q u a t i o no fp u l l o u tr e s i s t a n c eo fg c o g r i di s p r o p o s e da tl a s t k e y w o r d ：g c o g r i d , p u l l o u tt e s t , p l a i n m e c h a n i s m , u l t i m a t ep u l l o u tr e s i s t a n c e n 学位论文独创性声明； 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任 论文作者。签孙煎：盘鱼纠年6 月；日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 匝鍪堕沙7 年( 月 i2 日 河海大学硕士论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 土工格栅介绍 土工合成材料“1 是以入工合成的聚合物，如纤维、塑料、合成橡胶等为原材 料制成的新型岩土工程材料，将其置于土体内部、表面或士、砂、碎石等之间， 发挥摔水、反滤、隔离、加筋、保护或防渗等作用。所以，现代士工合成材料的 发展是与人工合成聚合物的发展密切相关，随着工程实践需要的提升和合成聚合 物工艺的创新，土工合成材料的应用经历了由少变多，由次要向主要发展的过程。 本文的研究对象是土工合成材料之一的土工格栅。 2 0 世纪7 0 年代末“1 ，首次出现了塑料土工格栅，近凡年又开发出了经编土 工格栅和玻纤土工格栅。这三种土工格栅的出现给土木工程领域注入了新鲜的血 液，它们的性能和应用各不相同。 塑料土工格栅抗拉强度甚至比软刚还大，但延展率却很小。土石料在网格 内互锁力增高，它们之间的摩擦系数也显著增大。这种土工格栅还具有不错的抗 温性能和较好的耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐老化等耐久性能。此外，由于质量轻， 易于剪裁和连接，施工时方变简单，不需要特殊的施工机械和技术人员。经编土 工格栅是以高强度纤维或涤纶为原料，经衬纬双轴向经编机织成双轴向经编网 格，再经p v c 浸渍涂层加工制成的一种土工格栅。双轴向经编网格是经编土工格 栅的骨架，它的性能很大程度上影响着经编格栅的性能。经编土工格栅具有优 良的工程性能：抗拉强度很高( 6 0 k n m ) ；延伸率较小( 1 0 左右) ；抗撕裂强度 大；纵横向强度差异小；变形均匀；与土或碎石咬合力强：抗酸碱；耐腐蚀；耐 老化；具有柔性、质轻和易施工的特性。玻璃纤维土工格栅是以玻璃纤维为原料， 采用纤维长丝双面涂覆而制成的网状结构材料。严格来说，玻纤格栅是经编格栅 的一种，但由于所采用纤维性质的独特性而把它单独归为一类。其工程性能优良， 主要表现为：( 1 ) 抗拉强度极高，延伸率极低；( 2 ) 没有长期蠕变性；( 3 ) 高温稳定 性；( 4 ) 与路面混合物具有很好的相容性；( 5 ) 化学稳定性；( 6 ) 嵌锁和限制作用。 表1 1 清晰地比较了三种不同格栅的性能。 三种格栅不同的性能决定了不同的工程实际应用。目前工程实践中，决定一 种筋材是否能用于加筋的关键性指标为筋材强度( 短期和长期强度) 和延伸率( 短 期延伸率和长期延伸率即蠕变) 。强度为控制筋材能否满足工程所需要求的指标， 第一章绪论 各种格栅的应用范围如下： 塑料格栅分单双向： 1 ) 单向格栅；单向土工格栅适应于公路及铁路路基、 路堤、边坡加筋、各类挡墙加筋、江河海坝的加筋及堆场加筋、桥台加筋、较浅 层基础的加筋，广泛应用于各类加筋挡士墙。( 2 ) 双向格栅：双向格栅适用于公 路及铁路路基、路堤加筋、浅层基础加筋、大型广场，车场、码头货场、堆场等 永久性能承载地基的增强，以及河道路基加筋、沥青路面反射裂缝等，广泛应用 于路基、路堤加筋和浅层基础加筋。 经编土工格栅应用范围为：用于软土地基、堤坝加筋，以均化应力，提高 基底稳定性，调整沉降，减少不均匀沉降，提高承载力；用于路堤边坡加筋，提 高斜坡稳定性；用于加筋桥台，提高桥台的整体性和强度，防止桥头跳车；由于 沥青路面反射裂缝，增强路面基层的强度。因此，以高强纤维为原料的经编土工 格栅成为最具发展前途的产品。 玻纤格栅适用于沥青和混凝土路面的加筋。路面反射裂缝的防治以及新旧 路面的衔接等变形量不是很大的地方，玻纤格栅用于沥青道路时发挥的作用有： 抗疲劳开裂、抗低温收缩、耐高温车辙和延缓反射裂缝。 本文第二章的试验中采用了塑料土工格栅。 塑料土工格栅嘲是一种新型土木工程材料，可用作土木工程的加固、加筋、 防护，广泛应用于水利、公路、铁路、煤矿、建筑等工程领域。2 0 世纪8 0 年代 初，英国耐特龙( n e t o n ) 公司率先开发研制塑料土工格栅及生产线设备获得成功， 广泛应用于土木工程。它被国外土木工程界公认为继水泥之后的第四大建筑材料， 并很快推广到欧洲及美国、加拿大、日本等国家。目前，国外土工格栅知名生产 厂商主要有英国耐特龙公司和意大利泰力斯c r e n a x ) 公司，其产品规格齐全，可满 足不同工程场合的需求 塑料土工格栅啪是一种由聚乙烯、聚丙烯或其它聚合物为基体树脂，加入抗 紫外线剂等助剂，经热熔、挤出、拉伸等工艺生产而成的土工合成材料，主要用 于岩土工程的加固、加筋，分为单向拉伸和双向拉伸两种，其结构见图1 1 ： 2 河海大学硕士论文 趣固 田酗 ( a ) 单向拉伸( b ) 双向拉伸 图1 1 塑料土工格栅结构示意图 单向拉伸塑料土工格栅在拉伸方向具有很高的拉伸强度( 可大于1 0 0 k n m ) 和拉伸弹性模量，是一种较理想的加筋材料由于单向拉伸塑料土工格栅在成型 时只有纵向被拉伸，故只能在纵向受力其工程应用效果有以下几方面：( 1 ) 增强 路基，有效分配载荷，增强土体受力性能，提高路基稳定性和承载力及使用寿 命；( 2 ) 约束路基侧向变形与路基材料流失造成的整体或局部变形，减少不均匀 沉降，有效防止路体的断裂；( 3 ) 用于加筋挡土墙，提高墙体稳定性。单向拉伸 塑料土工格栅适用于各种土质的加固加筋，且省工省时。 双向拉伸塑料土工格栅在纵向和横向都具有较大的拉伸强度( 能达到 3 0 k n m ) ，与单向拉伸塑料土工格栅相比，双向拉伸塑料土工格栅双向都能受力， 用于加固时，能将力均匀分布于各个方向，整体性更好，变形率适当，适应填料 土的变形要求。 塑料土工格栅的加固在于格栅与土的相互作用，这种相互作用可归纳为三 种情况：( 1 ) 格栅表面与土粒的摩擦作用；( 2 ) 土粒对格栅筋肋的被动阻抗作用； ( 3 ) 格栅孔眼对土基的锁定作用。这三种作用均能充分约束土粒的侧向位移，从 而大大增加了土体的自身稳定性这三种作用和格栅隔离作用的同时存在使得格 栅的加固效果明显提高，在土基中铺设塑料土工格栅形成加筋土后，塑料土工格 栅对土基的加固作用主要表现在提高土基承载力，限制土体的侧向位移，扩散应 力三个方面 1 1 2 研究的意义 我国目前正处于经济建设高速发展的时期，各地区均需要修建大量的基础设 施，如土石坝、高速公路、铁路、机场、码头、海堤、路堤等。由于土工格栅能 3 第一章绪论 有效提高土体承载力，具有施工简单方便、经济实用、用途广泛等特性，因此在 工程建设中得到了广泛应用。如用于防止高速公路路面沉降、处理桥梁墩台及软 弱地基、加筋边坡等。研究土工格栅加筋土体性能能够有效地指导工程设计、旆 工和灾害防护。 土工格栅在实际工程中的应用广泛，研究却相对落后。目前还没有一种确切 计算加筋土强度的方法，这与问题本身的复杂性有关首先，土工合成材料种类 繁多；各生产厂家的产品没有标准化。据统计，国家经济贸易委员会先后公布的 土工布( 土工合成材料) 重点生产企业就达到3 9 家，它们各自的产品没有统一的 生产标准和合格标准。其次，土工格栅加筋机理复杂，受土工格栅和土的性质双 重影响，影响因素较多。此外，土工合成材料试验没有统一的标准，通常采用直 剪试验、拉拔试验以研究加筋机理，试验结果的处理方法也不完全相同，这些因 素对研究造成了不小的麻烦 1 2 土工格栅加固土体问题的研究现状 随着工程应用的发展，土工合成材料的研究也逐渐展开。学者们采用试验、 有限元等各种方法进行研究，做出了重要贡献。 1 2 i 试验研究 国内外很多学者采用试验方法来研究土工合成材料的加筋性能，包括直剪试 验、拉拔试验和三轴试验等。 1 2 i i 直剪试验 土工格栅与土的界面摩擦特性“1 是加筋土设计与施工控制的关键技术指标， 可以通过直剪试验来测定土工格栅与填料的摩擦特性。直剪试验测定的是加筋与 土体沿其界面的摩擦特性，里单平面状剪切面。 吴景海4 1 采用直剪试验，研究了玻纤格栅、单向格栅、双向格栅和砂土、石 灰粉煤灰的界面摩擦特性，计算了格栅与填料的直剪系数。试验采用应变控制方 式，剪切速率为0 5 m m m i n ，上下盒均为填料，土工格栅放在上下盒之间。上盒 不动，下盒动。 关秀光和刘文白哪试验了不同垂直荷载不同剪切速度下土工格栅和砂土以 及粘性土的直剪摩擦试验。结果表明：砂土对土工格栅所表现出的剪力峰值随着 直剪速度的增加而明显下降，在较小剪切速度下达到峰值的剪切位移较大；随着 垂直荷载的增加，剪力峰值及剪力峰值对应的位移均增加。 施有志鲫收集整理了国外土工合成材料试验的结果，采用室内拉伸试验和直 4 河海大学硕士论文 剪试验研究了单向土工格栅、经编土工格栅的拉伸特性以及他们在圆砾、粗砂和 残积土中的界面摩擦特性。试验中上盒小、下盒大。采用了1 0 m m m i n 和 0 5 r a m r a i n 两种不同的剪切速度。当剪切速率增大时，筋材的界面剪应力峰值强 度均会增大，对土工格栅与圆砾的峰值强度的影响较大。其原因可能是：当剪切 速率较慢时，颗粒位移能够充分定向排列，致使土颗粒与土工格栅之问的摩擦， 嵌固效应剪弱，剪应力峰值强度较低；而当剪切速率增大时，土颗粒定向排列所 需的时间不充分，相对于较小速率的情况，其摩擦、嵌固效应较强，因此产生较 大的摩擦力但是，剪切速率对其他土与格栅情况下的界面剪应力峰值强度的影 响是较小的。 沈慧萍。1 用直剪试验对土工格栅与细砂、粗砂、细砾石、中砾石进行了研究。 研究表明：土工格栅与各种土的界面摩擦系数比k 都小于1 ，表明格栅与填料之 间的界面是软弱滑动面，所以加筋土工程应验算筋材与土的界面抗滑稳定性。四 种不同粒径的土体之间的内摩擦角和咬合力都随着粒径的增大而增加，粒径越大 的土体之间剪应力的峰值越明显。 马时冬伽采用单向土工格栅、经编土工格栅与砂砾、粗砂、残积土进行直剪 试验，剪切速度为1 0 r a m r a i n 和0 5 m m m i n ，计算了格栅加筋的界面摩擦系数和 摩擦系数比。 周志刚。1 等人根据直剪试验结果，利用两种不同的非线性模型分析土工格栅 与土体直剪界面摩擦特性，阐明了基于d u n c a n - c h a n g 关系模型的局限性。讨论 了正应力和压实度对界面抗剪强度、残余抗剪强度、剪切劲度摸量、破坏比等力 学参数的影响。对两种不同土的直剪试验结果进行了比较，说明了增加土体中粗 颗粒含量能改善界面抗剪强度指标。 r e d am b a k e e r “”等人对单向土工格栅加筋的轻质土进行了直剪试验，采用 了三种不同的上覆压力代表不同的的填土高度。结果显示：轻质土和加筋轻质土 的内摩擦角分别为5 2 。和4 8 。试验中发现在很高的上覆压力下，剪切盒的前端 和中部附近有些土被压碎。 1 2 1 2 拉拔试验 拉拔试验反映了格栅从土中被拔出时与周围土体的摩擦特性，在其周围一定 距离范围那的土体参与受力而产生变形，形成带状剪切区。与直剪试验不同的是， 拉拔试验能够更好的模拟土工格栅从土中被拔出破坏的情况，近几年来，受到众 多研究者的亲睐。 第一章绪论 吴兴征“”认为拉拔试验能够较好地反映筋材在土中的剪切性状，评述了近年 来国内外拉拔试验研究的进展情况。作者总结了国内外采用的多种拉拔试验仪器 和试验方法，认识到格栅加筋问题的复杂性。他认为合理的解决途径是将机理分 析方法、试验模拟方法和数值模拟技术有机结合起来，由机理分析来选择合理的 结构模型；由试验模拟来选定合理的组构；由数值模拟来探索未知的不易实测的 性状。 徐林荣“”等人用正交设计表安捧了测试膨胀土、砂土与土工格栅界面参数的 5 4 次拉拔试验，提出了当量拉拔位移的概念将筋土界面的拉拔试验过程划分 成可获得不同位移状态下筋土界面参数的两大部分和三个阶段，据此，可合理获 得适用于极限平衡和工作应力状态下的筋土界面参数。 施有志“”通过单向土工格栅、经编土工格栅在砂砾石、中粗砂和残积土中的 拉拔试验，测定其界面摩擦系数，评价其界面特征作者还指出了造成拉拔试验 误差的因素有试验盒较小、边界影响大、试验数量少等不良因素。 刘文白和周健o ”等人在典型沙漠地区进行了调研和现场采取土样，对风砂土 样的基本性质进行了拉拔试验，研究了土工格栅与风砂土的摩擦特性，提出了土 工格栅改良加固沙漠地区砂土力学性能的方法。 杨广庆和杨春玲“”从试验加载方式、拉拔箱侧壁边界效应和尺寸效应、填料 厚度和压实度以及筋材夹持情况等几方面分析了影响拉拔试验的主要因素，目 的是指导如何正确进行拉拔试验以分析土工格栅与填料的作用机理。 马存明“6 1 等人通过筋材拉拔试验，进行塑料土工格栅受拉时表面摩擦力分布 特征的研究。提出将塑料土工格栅与土体之问摩擦应力的发展过程分为四个阶段 的观点，即起始阶段、发展阶段、局部屈服和完全屈服阶段。指出在高围压或长 埋深的情况下，筋材会出现拉断破坏，这时的摩擦应力至多经历前三个阶段，而 不具备完整的四阶段应力发展模式。 邹静蓉“”等人采用大尺寸拉拔模型试验研究土工格栅与填料之间的相互作 用，建立了拉拔力与变形材料上覆压力之间的关系，结果表明；在土工格栅与土 的相互作用中，可以用双曲线函数来描述土工格栅受到的拉力与变形的相关关 系；格栅受到的极限抗拔力与上覆压力成线性关系，而初始拉拔模量与上覆压力 成幂函数关系，这些结论为相关理论分析和设计计算提供了依据。 m c a l f a r o “”等人研究拉拔试验中土与格栅相互作用的机理。作者同时提出 了二维作用机理和三维作用机理来解释土与格栅之间的相互作用。试验结果表明 6 河海大学硕士论文 在格栅两边缘附近都发生了三维作用机理。这种机理发生的原因是由高围压下格 栅边缘土的膨胀引起的。格栅宽度大于2 0 c m 时，二维和三维作用机理同时发生； 格栅宽度小于2 0 c m 时，只有三维作用机理发生。作者的研究还包括：( 1 ) 随着竖 直压力的增加，三维作用机理的影响变小。( 2 ) 格栅宽度对拉拔性能尤其是三维 作用机理的影响很大( 3 ) 上覆压力分别为2 0 k p a 和3 0 k p a 时，格栅边缘土体的 剪胀引起了作用于格栅上的上覆压力值分别增加了8 5 和3 3 ，上覆压力高于 5 0 k p a 时，剪胀引起的上覆压力增加值可以忽略 m l l o p e s 和m l a d d r a “”将格栅试样放置在细粒土中进行拉拔试验研究 者讨论了格栅的尺寸、土的高度和引导袖的长度对格栅拉拔力的影响。研究的结 论包括：( 1 ) 拉拔试验具有可重复性；( 2 ) 格栅长度对格栅拉拔力的影响是细粒土 密度的方程；( 3 ) 格栅宽度对格栅拉拔性能的影响是很小的；( 4 ) 格栅上下的土的 厚度对土与格栅界面剪切力的影响也是很小的：( 5 ) 格栅前壁附近布置2 0 c m 长的 引导袖降低了土与格栅界面剪切力的计算值，其原因在于引导袖降低了格栅前壁 上的摩擦力 i m a l o b a i d i 等人提出了一种估算土与格栅之间摩擦系数的新方法。研究 者分析了拉拔试验中荷载传递机理，利用拉拔试验的研究结果提出一种应变软化 模型来模拟土与格栅界面上剪应力和竖向位移之间的关系。 k h a l i df a r r a g o ”等人采用拉拔试验研究土与格栅之间的相互作用，文献【2 l 】 介绍了荷载控制和位移控制的拉拔试验的试验设备、样品制作和试验程序。文中 估算了试验的类型、格栅上的围压、边界条件和格栅本身的性能等对格栅拉拔性 能的影响。 j e w e l l 嘲认为格栅横肋前面的土为剪切破坏和冲切破坏，假设了这两种破坏 型式下的土体滑动面，分别提出了与之相应的格栅横肋上的被动土压力公式。 r a g i l i 嘲等人研究了塑料土工格栅在拉拔试验中的受力行为。他们认为；土 工格栅的孔眼是它区别与其他薄片状加筋材料的不同，格栅的锚固能力来源于摩 擦力和横肋上的阻力。研究者进行了三种不同格栅在三种不同长度下的试验，试 验时测量了荷载和格栅上不同布置点位移的曲线，并且把试验结果和有限元模拟 结果进行了比较，考虑了格栅结构的变形。格栅上的拉力、摩擦力和承载力都跟 格栅长度、拉拔荷载、距离夹具的位移有关。格栅肋条的拉伸性能、垂直方向上 的肋条柔性以及通过结点传递荷载的能力对格栅的拉拔性能有很大的影响。 j c w d l 研究了拉拔试验中筋材上的粘结力。文献 2 4 1 首先介绍了p a l m c i r a 7 第一章绪论 和m i l l i g a n 提出并用试验数据验证过的格栅与土相互作用的理论，然后提出了对 这个理论的两点改进：粗粒+ ( b d s o 1 0 ) 的颗粒大小对格栅横肋上的阻力影响较 大，并且给出了一个线性增加的系数；横肋的截面形状对阻力也有影响，截面为 矩形的横肋上的阻力为圆形横肋阻力的1 2 倍 b e r g a d o 和c h a i m j 提出了一个预测塑科土工隔栅拉拔承载力的模型，在模型 中显式表明了格栅的刚度和横肋距离与厚度之比。研究者的成果包括：( 1 ) 提出 了一种新的横肋阻力的方程用来计算拉拔阻力的极限值：( 2 ) 用提出的模型计算 了沿格栅长度方向的位移，同时考虑了格栅纵肋的伸长计算值和试验值很好的 吻合，验证了研究者提出的模型是合理的；( 3 ) 格栅上的摩擦力和相对位移的关 系可以用线弹性塑性来模拟，单根横肋上的被动阻力可以用双曲线方程来模拟。 n o r b e r tm e y e r 等人例研究了上覆压力、土的重度对格栅与土之间的相互作 用系数和拉拔力的影响。研究者采用了三种不同的方法来计算相互作用系数，其 中两种方法计算的结果跟上覆压力有关并且给出了与剪切应力比较的结果，另外 一种计算方法计算的相互作用系数与上覆压力和摩擦角没有关系。文献【2 6 】中论 述了这三种不同的计算方法对相互作用系数的影响、三种方法的不同点和由此引 起的相互作用系数的不同。此外，研究者还研究了格栅横肋对拉拔性能的影响， 试验了两种不同上覆压力下，有无格栅横肋时格栅的拉拔力与位移的关系曲线。 s u g i m o t o a 等人研究了拉拔试验箱前壁分别为刚性和柔性时格栅的拉拔性 能的差异，试验时使用了先进的x - 射线拍摄了拉拔试验中格栅周围土体的变化。 研究者考虑了格栅前壁的边界条件，上覆压力、土的相对密度和格栅的刚度对试 验的影响。试验中测量了格栅上的位移分布、拉拔荷载、刚性前壁上的水平荷载 和柔性前壁上的位移，数据结果显示：刚性前壁和柔性前壁造成了格栅的拉拔性 能不同。此外，研究者还讨论了拉拔试验中单根格栅的拉拔机理。 a l a g i y a w a n n a m l 等人用不同横肋数目和纵肋数目的土工格栅进行了大量的 拉拔试验，研究了格栅横肋和纵肋对拉拔性能的影响。结果表明：格栅的应变决 定了格栅上的粘结应力；随着格栅纵肋距离的增加，纵肋之阃的相互影响区域逐 渐隔离；横肋上分布的阻力取决于横肋所在点的格栅的位移；对于伸缩性强的士 工格栅，拉拔力中纵肋所起的作用要明显高于横肋起的作用，其原因在于拉拔过 程中发生了格栅的伸长，导致了横肋作用的发挥受到限制。另外，研究者还分别 讨论了格栅纵肋和横肋的作用机理。 h i d e t o s h io c h i a i 汹1 等人采用现场拉拔试验和室内拉拔试验分析土工格栅加 s 河海大学硕士论文 筋土体的机理并用于加筋结构物的设计参数确定和分析。土中格栅受拉拔力作 用，格栅从土中被拔出，同时伴随着格栅本身的伸长。为了估算格栅的拉拔力， 研究者定义了两种方法分别称作“变化的过程方法”和“平均承载力方法”。 并且通过试验的结果得到了验证。研究者还提出了一些试验室拉拔试验的建议。 d t b c f g a d o 等人进行了5 2 次大型实验室拉拔试验和2 4 次大型直剪试验， 研究了金属格栅、竹材格栅和塑料格栅分别与粘性土的相互作用。试验结果包括： ( 1 ) 诸如金属格栅、竹材格栅这种不可伸长的格栅，在拉拔试验中如同刚性体一 样在土中运动，与峰值拉拔力相应的拉拔位移值很小；( 2 ) 对于可伸长的塑料格 栅，格栅上的应力分布是变化的，试验结果中的拉拔力跟格栅的刚度有严密的关 系；( 3 ) 金属格栅的纵肋上的摩擦力只占格栅总拉拔力的1 0 ，无横肋的竹材格 栅和塑料格栅的拉拔力是相应的有横肋格栅的8 0 - 9 0 。 l o p e s 和l a d e i r a 在文献【3 l 】中描述了细粒土中格栅拉拔试验的试验设备、试 样置备和试验步骤。研究者使用了一个长、宽、高分别为1 5 3 m 、1 0 0 m 和0 8 0 m 的拉拔试验箱来研究细粒土和单向塑料格栅的相互作用通过分析试验的结果， 研究者讨论了上覆压力、土的重度和拉拔速度对格栅拉拔力的影响。 k u w a n o 等人在文献 3 2 中讨论了拉拔试验中土工格栅周围的土体行为。作 者制作了新的试验设备：拉拔试验箱的侧壁用透明的材料制成以便直接观测格栅 周围土体的变形。试验中，测量目标在标志在粘贴于侧壁上的柔性薄膜上，通过 测量目标的坐标变化可以观测到土体的变形。作者试验了三种不同颗粒大小的土 样来弄清楚土体变形的具体机理。结果表明：( 1 ) 随着土体颗粒的增大，土体的 变形区域也随之增大因此，土跟格栅之间的摩擦角6 受土体性质的影响而且 t a n 6 t a n q 与l o g d 5 0 成正比；( 2 ) 拉拔性能受土的剪胀性的影响；c 3 ) 土体最大的变 形发生在横肋前面，横肋的宽度对拉拔性能的影响很大；( 4 ) 在拉拔试验中，由 于拉拔试验箱的边界不同，格栅上下土体的交形是不对称的。试验箱上部的边界 是应力固定，而下部的边界为位移固定；( 5 ) 格栅的拉拔力随着颗粒的大小增加 而增加 a b r a m e n t o 和w h i t t l e 在文献【3 3 】中提出了一种新方法用于预测可伸缩性、薄 层平面格栅在拉拔试验中拉应力分布和荷载一伸长曲线。研究者提出的方程以剪 滞为基础并且假设格栅和土的混合材料为弹性本构关系，二者通过摩擦界面连 接。拉拔过程可以分析成四个相连的阶段：( 1 ) 初始阶段，线弹性关系，表现出 的特点是格栅受拉引起的土与格栅界面分离是可恢复；( 2 ) 非线性阶段，伴随着 9 第一章绪论 拉拔端逐渐拉出，荷载一格栅伸长关系为非线性；( 3 ) 拉拔力峰值，界面上的摩 擦力完全分布在格栅表面上；( 4 ) 峰值之后阶段。影响荷载一格栅伸长曲线的主 要参数有：土与格栅混合材料的相对刚度、格栅埋入土中的长度和界面摩擦力。 研究者认为使用极限平衡计算方法来解释拉拔试验中格栅与土界面上的摩擦力 是有很大的局限性的。在文献 3 4 中用试验的结果验证了文献 3 3 1 0 p 提出的分析 方法。研究者测量了埋置在密砂中的金属格栅和尼龙格栅上的拉应力，金属格栅 材料可以看作是不可伸长的，格栅上的应力分布和荷载一格栅伸长曲线都是线性 的。与之不同的尼龙格栅是可伸长的，其拉拔性能却是非线性的，峰值荷载之后 的阶段有明显的荷载下降。 文献【3 5 】中提出了一种简单估算压实细粒土中土工隔栅拉拔承载力的方法 土工隔栅的拉拔性能受众多因素的影响，比如隔栅强度、几何特性和长度、上覆 压力，土的性质等。反映拉拔性能的两个重要指标是最大拉拔力和残余拉拔力 众多学者认为：在隔栅拉拔试验中，拉拔力由两个组成部分：横肋阻力、土与隔 栅之间的摩擦力作者结合试验数据，考虑了加筋的伸长特性，几何特性以及回 填土的非线性破坏包线，提出估算拉拔承载力的简便方法。试验结果和估算结果 相互吻合，验证了估算方法的合理性。本文的作者n i c o l am o r a c i 和d o m e n i c o g i o f f r 在文中详细地介绍了拉拔承载力的组成和前人提出的一些计算方法。此后， 作者进行了大量的拉拔试验，研究了埋置在细粒压实土中的格栅性能受一些因素 的影响，文献 3 6 】的结论表明格栅的刚度和结构、格栅埋入土中的长度、上覆压 力对试验结果有影响。 e n n i om a r q u e sp a l m e i r a ”1 认为土工隔栅与土的相互作用是一个复杂的现象， 拉拔试验中拉拔荷载由格栅表面的摩阻力和横肋上的被动土压力共同承担。对于 横肋间距较小的土工格栅，横肋之闻的相互作用对横肋上的被动土压力也有影 响。在文献 3 7 中提出了一个横肋之间相互作用的理论模型来解释大型拉拔试验 的试验结果。作者认为：需要精确研究土与格栅之间的相互作用时，只有拉拔试 验中荷载一位移曲线是不够的如果需要精确地预测拉拔荷载和格栅的变形，必 须考虑格栅横肋之间的相互影响，引入横肋上被动土压力递减机理。 国内外的学者以拉拔试验为中心进行了多方面的研究，研究的内容大致可以 分为：( 1 ) 测量格栅上的拉拔荷载，用拉拔荷载极限值计算格栅与土之间的拉拔 摩擦系数，国内的学者“”埘在这方面做了大量的工作；但) 测量格栅自由端的拉 拔荷载和位移的关系，将拉拔试验的过程分为几个阶段，国内外的学者o ”瑚在 1 0 河海大学硕士论文 这方面都有研究；( 3 ) 分析一些因素对试验结果的影响，为改进试验和分析试验 做出了贡献，文献【1 5 】【1 9 】【2 3 】【2 6 】【2 7 】【2 8 】【3 l 】【3 5 】【3 6 】都是关于这方面的研究；( 4 ) 分析了拉拔试验种格栅与土的相互作用机理“”4 1 ，提出一些计算方法来估算格 栅的极限拉拔荷载值隗“匍，国外学者在这方面的研究更多一些。总之，拉拔试 验中格栅与土之问的相互作用非常复杂，众多研究者的研究结论并不完全一致， 关于格栅与土相互作用的机理还有待深入的研究。 1 2 1 3 三轴试验 通常的三轴试验是用来测定土体参数的有效方法，有些学者通过改进的三轴 试验来研究土工格栅加筋土体的性能。试验者通常将士工格栅与土的复合材料作 为试样进行三轴试验 陈永辉渊进行了加筋砂土和未加筋砂土的三轴试验，用不同应力路径和固结 方式的三轴试验验证了加筋复合土体的本构模型。 吴景海蚓用三轴试验研究了土工格栅加筋对砂土应力应变特性的影响，比较 了涤纶纤维土工隔栅、玻璃纤维土工隔栅、塑料拉伸双向土工格栅的加筋效果， 用于指导加筋材料的选型。 袁雪琪和谭松林啪1 用常规三轴试验研究了巫山县集仙中路一号加筋土挡墙 填土在不固结、不排水条件下的变形破坏机理和抗剪强度性质。试验结果表明， 该加筋土的抗剪强度性质虽较不加筋土有一定提高，但由于筋带表面网格细微， 与土体之间的咬合摩擦力较弱，易在筋带与土体之间产生人为的滑动面，从而造 成加筋土抵抗小，变形的能力减低；同时试验还表明，筋层数和围压也是决定加 筋土性质的重要因素。 1 2 1 4 其他试验 除了上面介绍的直剪试验、拉拔试验和三轴试验外，有些研究者还采用一些 其他类型的试验对格栅加筋土体的性能进行了研究。目前这方面的研究并不是主 流，在此简单介绍一下。 大连理工大学的张克设计了室内加筋地基的模型试验，研究了模型地基在 加筋和不加筋情况下的性能，分析了试验结果，详细探讨了土与土工格栅的相互 作用和理想筋材的受力机制。 文献【4 l 】中介绍了一种拉拔试验室为圆柱体的拉拔试验，j h i r o n a k a 和 t t h i r a i 在圆柱体的土试样中预先埋入土工格栅，试验开始时在试样上旅加围压， 待压力稳定后在格栅上施加拉力，记录拉力和位移的关系，并且用x 射线观测 第一章绪论 土体的变化。试验结果表明：( 1 ) 随着土中细粒含量的增加，拉拔荷载的极限值 逐渐减小；( 2 ) z t ：o f l 细粒含量高于2 5 时，格栅的加筋效果非常明显；( 3 ) 土中细 粒含量较少时，试样中的剪切区域非常明显；( 4 ) 通过x 射线探测仪器，格栅与 土的相互作用可以从拍摄的图片来研究。 t u m e z a k i 和t k a w a m u r a 用圆柱形状的拉拔试验室进行了拉拔试验，研 究者分别进行了常体积和恒定荷载情况下不同试样高度的格栅加筋密砂的试验 文献【4 3 j 的结论包括：( 1 ) 随着格栅的拔出，竖直向的应力逐渐增大；( 2 ) 通过竖向 应力的增加可以计算出格栅与土之间的摩擦角；( 3 ) 研究者提出了一个确定试样 周围剪切区的方法，并且通过试验结果验证了这种方法。 1 2 2 有限元方法 有限元起初在结构工程中发展起来，而后被广泛应用于岩土工程中。很多学 者采用有限元的方法来研究土工格栅加筋土体。 天津大学的李鹏等人叫对采用土工格栅加筋软基路堤的效果进行了有限元 分析。计算结果表明，土工格栅对减小软基路堤位移和降低土体应力水平以及消 除路堤不均匀沉降都有明显效果。作者还分析了土工格栅的埋设位置对路堤位移 以及应力水平的影响，供工程设计参考。 同济大学的彭芳乐“”等人进行了无加筋和加筋砂土的平面应变压缩试验， 并且采用有限元方法对加筋砂土试验进行模拟。在文献【4 5 】中，研究者用试验结 果比较了有无加筋情况下的强度峰值，讨论了加筋层数与间隔对加筋效果的影 响。结果表明：合理的二维弹塑性有限元解析，不仅可以从宏观上较好地模拟加 筋砂土的平均应力、应变关系，而且还可以从微观上考察加筋土的局部剪切破坏 模式以及加筋加固机理。文中所采用的二维有限元解析，基本上再现了试验中所 观察到的由于加筋层数不同所引起的不同的加筋效果以及剪切破坏。在文献 4 6 】 中，研究者通过对一组实验结果以及解析结果的分析，合理地得出了土工格栅的 配置密度与等价有限元解析中加筋材与砂土接触面摩擦角的定量关系。结果表明， 在土工格栅的配置形状以及刚性已知的情况下，利用提出的= 维等价有限元方法 可以较为精确地模拟加筋土的变形与强度特性。 闫澍旺和b e nb a n - e 4 ”提出了一种土工格栅在拉拔状态下与土相互作用的有 限元分析方法。土对格栅的阻力用非线性弹簧来模拟，弹簧的非线性曲线通过专 门设计的小型拉拔试验槽来测定。文献【4 7 l 简要介绍了威尔士大学按试行的欧洲 标准研制的大型土工格栅拉拔试验设备，有限元分析结果与用该设备进行的试验 河海大学硕士论文 结果有很好的一致性。作者的结论包括：( 1 ) 土对处于拉拔状态格栅的阻力由两 部分组成；土与格栅的表面摩阻力以及土对横肋的阻力，其发挥程度与格栅变形 的大小有关摩阻力在较小的变形时即已达到峰值，此后横肋阻力随格栅变形的 进一步增加而逐渐占主导地位，承担着9 0 左右的荷载；( 2 ) 试验及计算结果都 表明，随着超载压力的增加，拉拔状态下格栅在土中产生变形部分的长度将减小， 格栅在土阻力全部发挥之前即已破坏 栾茂田等人悯针对土工格栅加筋挡土墙发展了有限元数值分析方法，依此 对某一足尺试验墙进行具体的有限元数值计算，将计算结果与试验实测结果进彳亍 了对比分析，验证了加筋挡土墙结构应力与变形有限元分析的可靠性，进而通过 变动填土的强度特性和刚度特性以及加筋的刚度、长度和间距等参数，进行了数 值计算，通过对比分析探讨了填土及加筋对土工格栅加筋挡土墙工作性能的影响 程度，为加筋挡土墙的设计提供了参考依据 九v a 馏d a m 锄删等人用有限元分析了加筋堤基，采用了耦合方程和弹塑性理 论。研究者考虑了堤岸类型、软土类型、地基深度和排水条件对加筋坝基的影响。 研究结果表明：筋材的刚度和软土的剪切强度决定了筋材的加筋效果；地基的深 度对位移、筋材的受力和堤坝的高度有较大的影响；排水条件对加筋效果有很大 的影响 i y o g a r a j a h 和k c y e o 在文献 5 0 】中用有限元模拟了拉拔过程中格栅上的荷 载和应变分布。研究者在拉拔试验中