（道路与铁道工程专业论文）加筋土路基力学行为的研究.pdf

摘要 摘要 土工合成材料已广泛应用于工程中，构筑如加筋垫层、加筋陡坡、加筋墙( 台) 背、加筋填挖结合部等加筋路基，以增强路基稳定性，减少路基不均匀变形。尽 管国内对加筋土进行了十几年的研究，在设计理论和工程应用方面取得了一定的 成果，但仍存在诸多技术问题需要解决，如有关因素对筋土相互作用特性的影响、 不同加筋型式加筋土路基的力学行为和设计方法等等，都值得进一步探讨研究 理论落后实践，相关规范难以满足工程建设需要是目前加筋土路基的基本现状 相关研究工作的落后，制约了加筋技术的正确应用，也制约了加筋土路基的进一 步发展。因此，开展加筋土路基力学行为的研究是非常必要的 本文从加筋土路基的病害特征和破坏形式着手，通过对已建加筋工程的调 研，总结加筋土路基病害特征和破坏形式，分析其成因机理；采用室内试验，研 究了有关因素对筋土界面作用特性的影响，以及筋材的蠕变特性，提出了筋土界 面参数和筋材蠕变折减系数取值建议；采用有限差分数值分析方法，对几种典型 应用型式加筋土路基的变形特征和稳定性进行了分析，得出了加筋土路基的有关 力学行为；在现场试验、室内试验和数值分析的基础上，对加筋土路基设计应该 注意的问题提出了建议，总结了加筋土路基的施工工艺，提出了加筋土路基施工 质量控制指标。 本文从加筋土路基的病害特征和破坏形式、有关因素对筋土界面的影响、典 型加筋土路基的力学行为以及加筋土路基施工工艺和质量控制等方面进行了研 究，所得到的成果和结论对提升加筋土路基的设计和施工质量，促进加筋土路基 的进一步发展具有重要意义 关键词：加筋土，病害特征，界面参数，力学特性，质量控制 摘要 a b s t r a c t g - s y n t h c t i c s ，f c 砒i l i c do f 砒增n | ；廿l 血i n g 鲫岫；国d c 啦a b i l 时觚dr e d u c i n g 跚b g 例i c 吼时匝d c f o 姗a 虹帆，i sw i d e l yu s e di nr e j n f b r c e d 跚b g m d c 辄c h 私r e i n f b m e d 印s h i o n s ，n 衄f o i c c d8 1 0 p e 。r e i n f o e dw a l l 凹w a l lb a c l ( 袖帕缸c 毗柚d 丘 t i a n 础曲咀珈c si nc i v i l 删咖优d n g d a d e s - y 翰礴o fm 辩a m h c so ni e i n f o m o d i l h a v eb e 匝c a r i i c do m 蛐d l t a i na c h i e v 锄1 e n t s h a v cb c 吼m a d ei nd c s i 弘山l y 如d g i n 础ga p p n c a l i h o w e v t h e m ms t i l lm 柚y 枷c a lp r o b l 鼬sw a i t i 】唱t ob e f h r t h 盯蛐i l d i c d 蛐d8 0 l v o d 。重b fe x a m p l e 。l 砒e d 蠡c t o 疆i m p a c to n 砒f o r d i n t e m 砸o np p e m c s m h 鼬i ch i h a 啊o ra n dd e s i g nm “h o df b rl e i n f o 删m b l ；r a d e o fd i 疵棚nr e i n f o l c 删詈n t t y p c hc u 咖tm i n l f o c d 酬b g f a d c 丘e 蛾t h 巧 d e v e l o p m tl a g sb c h i n dp 嫩t i 锄d l a t e dc o d c s 姐d 咖n d a i d sc 眦tm e dn e e d so f 如g i n 硎n go s c r u c t i 髓ep rt h 巧咖d y s t r i c t 8a p p r o p i i a 把a p p n c a t i o f r e i n f b 垃锄c mt e c h n o l o g ) r 锄da l s l o w s 如r t h 盯d c v e l o p m e mo fr e j h f b e d 强b g m d e t h 髓e f o ，i ti sn e s s a r yt oc a r i y tf i l r t h c r 咖d y m 础姐i cb e h 加ro f 砒f o 砧e d 弧b g 忍d c 皿ep a p b 勰e d c h a 臻c t e i i s t i c s 柚dd a m a g i n gf o 肌so fr 咖f 0 e ds o n f o 恤甜a l i o nd e f 跚s ，鲫咖m a r i z e sc h a 髓c k l i s t i c 8 锄dt h e i rd 葺i m a g cf o m so fb a 面c 船i n 两r c e ds o nd e f e c t s 趾da n a l y 黯ss u c hm a s 瞄f o 加枷o nm h a n i s m 丘o m s e a 邛h m a d eo nt h el e i n 细c e d nw o r k s ha d d i t i o n ，t h i 8p a p 盯a 1 8 0c a 山c t s 地g 翻m h m a i n 蕾a c l o 幅a l f e c t i n g 托i n f o i c c d 幻ni n t c r f 扯譬a n dc e e pp p c r t i c 8o fr e i n f o e d m a t e l i a l sa n dp m p o s 铭s e v c f a l 弧跖e s 岫o n 协l d n g 讪e s 重b r 阳i n f b 站c d i l i n l 耐h p 蠲雌c t c l s 蛆d e p 础c 6 缸喧o f 商n f b r c e dm 蜘a l s f 倒呛 d i 丘b 枷i su s c dt o 柚a l y 砧8 眦r a lt y p i c a lp 砒t 咖so f 砖i n f o r c e d8 0 i la p p l i c a n o na n d 幻g df h l d i i l i 盯鼬m h a n i c a l 娜l t i o fi e i n f o 】略c ds o nf 0 1 m d a d 脚e e i i n g t e 啦c 锄b i n o dw i t h 矗e “也啦si 墨p v i d e dt op l d o ft h e 触s i b i l i t yo fv a l u e 锄a l y s i s a t l a 武，越砌i n gt o 丘c l dt e 啦。i n d o 饵t c 啦a n dv a l u cc a l c l l l a t i o n tt h i sp a p 盯m a l 【蛐e s u 差喀e 蛐i o n 8 晚f o c d 跚l i ld e s i g np b l 鼬8 谢h e m 砒把n t i 饥s h o u 埘b cp a i df b r f i l m 砖伽画n d n & 踟m m a r i 臻8 咖蚰船。曲nt e c h n i q l 坞o f 彤m f o i 。e ds o i lf o m l d a t i 锄dp r o p o 螂q u a l j 晦咖n o li n d e xf b r 地i n f b i c c d 越f o 删1 d m t 扯sp a p 盯m a i n l yf o c u 8o nm e c h 姐i c a lp r o p 硎髓蕾o ft y p i c a lp 砒咖8o f r e i n 五b r c c d8 础向i n d a 妇a n di t 8o 帆m u c 曲nt e 城q 船骶na 8q u a l i 哆c t | o l 摘要 眦d c rt h e 鲫d so fm a ：i y s i s c h 蛐疵e r i s t i c 8a n dd a m a g i n gf o m so fr c j n f o 】叮e ds 础 d e f e c 协，a sw e n 嬲蠡l c t o 埔a f f 。c t i n g i n f o r c e d i li n t c 噍1 1 壕c o 1 u s i 衄t h u sm a d e p l a y sa 棚鲫岫既t a 巧r o l c 蕾b f 把m f o i c e ds o i lt h l o 暑w l l i c hi 8o fg 球趾 8 蛳矗c 趾e 叩i a l l yf o rf i l t i l 地d e s i g n 柚dc o n 蛐嫩o no f r c i n f o 砧e d nf o 咖d a i o n w o 砌) s ：i e i n f o r c e d i l m h 觚i c a lp r o p e m c s ，q 哪曲哼c 伽n d l 插图和附表目录 图2 1 1 图2 1 - 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 - 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 - 8 图2 1 - 9 图2 1 1 0 图2 1 1 l 图2 1 1 2 图2 1 1 3 图2 1 1 4 图2 1 1 5 图2 1 1 6 图2 1 1 7 图2 1 1 8 图2 1 1 9 图2 1 2 0 图2 1 - 2 l 图2 2 1 图2 2 - 2 图2 2 3 图2 2 - 4 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 - 5 图3 2 1 插图和附表目录 菜园坝南纪门段、储奇门朝天门段结构断面 挡墙外倾情况7 挡墙鼓肚情况 7 挡墙水平位移7 挡墙护梁被剪断现象 7 重庆巫山县集仙中路5 7 m 超高加筋土挡墙8 太平沟加筋土挡墙外貌 k 2 2 + 0 2 9 陡坡加筋路基断面图 l 1 + 9 8 5 k 2 2 + 0 6 0 段加筋土路基 9 l o 稻4 + 7 陡坡加筋路基断面1 0 路基边缘溜塌范围图示1 0 l 【2 6 + o 陡坡加筋路基断面图1 1 x 2 6 + 6 6 0 陡坡加筋路基断面图 反包处的格栅大量外露1 2 k 1 0 4 + 6 6 2 典型断面图1 2 路面开裂情况 边坡坡面开裂情况1 3 云南楚大路l # 加筋土高大挡墙典型横断面及通车后情况1 3 l c 7 1 + 1 6 0 加筋土路基断面图 大红田段加筋土路堤照片l 大红田段加筋土路堤照片2 。 加筋土挡墙的外部破坏 加筋土挡墙的内部破坏 1 4 1 4 1 4 1 6 加筋土坡外部破坏形式1 7 加筋砂垫层的三种破坏模式 t g d g l 3 0 型单向聚丙烯土工格 c 朋广r 双向聚乙烯土工格栅 单向土工格栅拉伸曲线 土工格栅破坏情况。 颗粒大小分布曲线 2 0 j y 5 0 - 4 g 型大型直剪压缩两用仪2 1 插图和附表目录 图3 2 - 2 图3 2 - 3 图3 2 4 图3 2 - 5 图3 2 6 图3 2 - 7 图3 2 8 图3 2 - 9 图3 2 1 0 图3 2 1 l 图4 1 1 图4 1 - 2 图4 1 - 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 2 1 图4 2 - 2 图4 2 - 3 图4 2 4 图4 3 1 图4 - 3 - 2 图4 3 3 图4 3 - 4 图4 3 - 5 图4 3 - 6 图4 3 7 图4 3 8 图4 3 母 图4 3 1 0 图4 3 1 l 图4 3 1 2 图4 3 1 3 图4 4 1 图4 4 - 2 固定土工格栅一端 剪应力位移曲线( 压实度= 9 0 ) 2 2 剪应力位移曲线( 压实度= 9 3 ) 不同压实度条件下的剪应力与法向应力曲线 2 2 2 3 剪应力与法向应力曲线( 压实度= 9 0 ) 2 3 剪应力与法向应力曲线( 压实度= 9 3 ) ) 。 剪应力位移曲线 垂压剪应力曲线 d 5 0 ，土工格栅孔径与摩擦角的关系 2 3 2 4 2 4 2 5 不同填土含水量下的剪应力与法向应力曲线2 6 加筋砂样的似粘聚力 加筋土与未加筋土的应力应变关系曲线2 9 正= 玛= o 时加筋砂样的莫尔园3 0 土工格栅加筋软基大应交情况3 l 土工格栅在局部大荷载作用下的变形3 l 摩尔一库仑破坏准则3 4 摩尔一库仑模型中用以定义流动准则的区域3 5 剪切强度准则3 8 筋土界面剪切强度力学模型3 9 计算分析采用的典型型式 4 0 计算分析的基本模型4 l 衡重式挡墙背后不同位置加筋示意图 俯斜式挡墙背后不同位置加筋 4 l 4 2 衡重式挡墙不同加筋位置的土压力布一4 2 俯斜式挡墙不同加筋位置的土压分4 2 俯斜式挡墙不同模量筋材加筋的土应力分布 俯斜式挡墙不同加筋间距的土应力分布 4 3 4 4 4 4 4 5 第8 标k 4 3 + 0 5 5 x | 4 3 0 9 5 路基断面图。 压力盒及位移计布置示意图 土压力随测试时间的变化曲线4 6 土压力的实测数据与数值计算结果对比 位移计处格栅的应变大小图 计算分析模型 计算分析工况 4 6 4 7 4 8 插图和附表目录 图4 4 3 图4 4 4 图4 4 - 5 图4 4 - 6 图4 4 7 图4 4 8 图4 4 - 9 图4 乒1 0 图4 4 i l 图4 4 1 2 图4 4 1 3 图4 - 5 1 图4 5 2 图4 5 4 图4 5 5 图4 5 6 图4 5 - 7 图4 5 - 8 图4 5 - 9 图4 5 1 0 图4 5 1 l 图5 2 1 图5 2 - 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 - 5 图5 2 - 6 图 图 图 图 2 - 7 2 1 0 2 1 1 2 1 2 图5 2 1 3 图5 2 1 4 图5 2 1 5 软基孔隙水压力变化曲线 软基沉降变化曲线 孔隙水消散方向4 9 路堤沉降曲线 砂砾垫层底面最大主应力曲线 第l 层、第7 层土工格栅的应变分布 软基处治前后的可能滑动面 k 8 l + 3 8 0 横断面图 沉降曲线 处治前后塑性区变化。 位移计和压力盒处格栅的应变及土压力 计算的典型断面型式。 填挖结合处弱强度带设置示意图 5 l 5 l 5 3 5 4 5 4 筋材长度对路堤变形的影响5 7 布筋位置对路堤顶面沉降和路堤侧向位移的影响曲线5 8 不同位置土工格栅的应变曲线5 8 不同长度土工格栅的应变曲线5 9 k | 4 6 + 3 9 0 横断面 位移计布置和埋设图 土工格栅实测应变曲线。 实测路基侧向位移曲线 t g d g 型格栅长期蠕变试验细部照片 l o 极限抗拉强 2 0 极限抗拉强度 4 0 极限抗拉强度。 5 0 极限抗拉强度。 6 l t ，2 7 l 7 l 6 0 极限抗拉强度。 7 l 7 2 7 2 t g d g l 3 0 型格栅荷载与达到1 0 应变的时间关系曲线7 3 第9 层加筋格栅c l 测点 7 4 。7 4 7 4 第l l 层加筋格栅d l 测点 第1 4 层加筋格栅e l 测点 预估达1 0 6 小时时格栅的应变 2 0 极限抗拉强度 4 0 极限抗拉强度 7 5 插图和附袁目录 图5 2 1 6 图5 2 1 7 图5 2 1 7 图6 1 1 图6 2 1 图6 2 2 图6 2 3 图6 2 4 图6 2 5 图6 2 _ 6 图6 2 - 7 图6 2 - 8 图6 2 9 图6 3 1 图6 3 2 图6 3 - 3 图6 3 4 图6 4 1 图6 4 2 图6 1 4 3 图6 4 4 图6 4 - 5 表2 1 1 表3 1 1 表3 1 _ 2 表3 1 - 3 表3 1 _ 4 表3 1 5 表3 2 1 表3 2 - 2 表3 2 - 3 表3 2 - 4 5 0 极限抗拉强度。 6 0 极限抗拉强度。 7 6 c n 型格栅荷载与达到l o 应变的时阅关系曲线7 7 压实参数确定流程图 路堤边坡、堤身加筋结构形式之一。 路堤边坡、堤身加筋结构形式之二 8 0 8 l 8 l 土工格栅加筋路堤施工工序流程图。8 2 士工格栅材料搭接与固定( 一) 土工格栅材料搭接与固定 二) 包裹式土工格栅施工示意图 8 3 8 3 包裹式土工格栅施工实景照片 土工格栅的反包 包裹式土工格栅加筋路堤外貌 路堤堤底加筋结构形式 8 3 8 3 8 4 路堤堤底加筋施工工序流程图8 7 极软地基上加筋垫层路堤填筑程序8 7 加筋垫层第一层填土填筑程序8 8 横向挖填结合部加筋路基示意图 加长型u 形锚固钉 9 0 。9 0 方形沟填土锚固加筋材料示意图9 0 方形沟填土锚固加筋材料照片。9 0 台阶根部方形沟现浇钢筋砼梁锚围加筋材料示意图。9 l 所调研的加筋土路基破坏情况 t g d g l 3 0 型单向聚丙烯土工格栅基本技术指标 广东第9 标路基填料级配组成 1 9 广东第9 标路基填料的基本物理参数指标 。2 0 重庆a 1 标黯l ”7 0 4 1 0 段路堤填料级配组成2 0 重庆a l 标k 8 1 + 3 7 0 4 l o 段路堤填料的基本物理参数指标2 0 不同压实度条件下填士和筋土界面强度参数 不同孔径土工格栅的界面参数 不同含水量填土与筋土界面强度参数 摩擦系数比k 及内摩擦角降低百分比。 2 2 2 5 2 6 2 6 插图和附表目录 表4 3 1 表4 3 - 2 表4 3 - 3 表4 3 4 表4 3 - 5 表4 3 石 表4 3 - 7 表4 3 8 表4 3 - 9 表4 3 1 0 表4 4 1 表4 4 2 表4 4 3 表4 4 4 表4 4 5 表4 4 _ 6 表4 4 - 7 表4 5 1 表4 5 - 2 表4 5 3 表4 5 _ 4 表4 5 - 5 表4 5 - 6 表5 1 1 表5 1 - 2 表5 1 - 3 表5 1 _ 4 表5 1 5 表5 1 石 表5 1 - 7 表5 1 s 表5 1 - 9 表5 2 i 表5 2 2 土体和挡墙计算参数 土工格栅计算参数 接触面参数一 4 0 4 0 土工格栅不同加筋位置对墙背土压力的影响4 3 不同土工格栅模量对墙背士压力的影响 不同土工格栅铺设间距对墙背土压力的影响4 4 土体、混凝土挡墙计算参数 土工格栅计算参数 接触面参数 土工格栅上位移计处的应变率( ) 土体、碎石桩基本参数 土工格栅计算参数 接触面参数 4 5 4 7 4 8 各工况下路堤的变形大小4 9 土体、碎石桩基本参数5 2 土工格栅计算参数5 2 接触面参数 土体计算参数 5 5 土工格栅计算参数5 5 不同加筋长度对路堤变形的影响 加筋位置对路堤变形的影响5 7 土体计算参数 土工格栅计算参数 f 1 1 w 建议的强度折减系数取值 施工破坏强度折减系数m 。 p e t 强度的老化折减系数i u 巾 既【w 建议的蠕变折减系数( 1 9 9 8 ) 。6 6 美国n l w r a 推荐的格栅蠕变折减系数6 6 r o b e 盯m ，k o e 时呢r 推荐的土工格栅强度折减系数6 7 1 e n s a r 公司产品铺设损伤折减系数推荐值6 7 土工合成材料铺设损伤强度折减系数推荐值6 7 筋土界面摩擦系数( 公路加筋工程路基) 6 8 不同蠕变测试荷载下t g d g 格栅达到1 0 应变的时间 室内试验和现场试验预估达1 0 6 年时格栅的应变。7 5 插图和附表目录 表5 2 - 2 表5 3 1 表6 2 1 表6 2 - 2 表6 3 1 表6 3 - 2 不同蠕变测试荷载下c 朋广r 型格栅达到l o 应变的时间7 6 加筋土路基设计控制指标 7 8 8 4堤身加筋土路基填土层检查项目及标准 土工格栅铺设质量检查项目及标准8 5 砂( 砾石) 垫层质量检查项目及标准 加筋材科铺设质量检查项目及标准。 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。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作品成果对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担 学位论文作者签名= 7 眵崎 日期：乒叼年牛月啦日 重庆交通大学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。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：夕芦易啤 日期：沙0 年年月钲日 指导教师签名：呷七 日期：a 叼年甲月丫日 第一章引言 第一章引言 1 1 问题的提出 近二十年来，我国公路建设发展迅猛，公路建设对国民经济发展的支撑作用 越来越显著。为进一步促进我国经济的发展，尚需进一步加强公路等基础设施的 建设。按国家规划，在未来3 0 年，我国还将建设4 万多公里高速公路，形成8 万公里的高速公路网，同时，还有大量的其他等级公路需要建设然而，我国地 域辽阔，地形和地质条件复杂，迫切需要在公路建设时积极采用新材料、新工艺、 新技术，以提高公路建设的科技含量，确保工程质量和促进公路建设的可持续发 展。 在公路工程领域，现代加筋土技术是发展应用较快的新技术目前，该技术 已广泛应用于公路工程领域，并取得了显著经济、社会和生态环境效益。加筋土 路基是现代加筋土技术在公路工程领域应用中的一个重要分支。从广义上讲，只 要在路基工程中采用了土工加筋材料，无论是隔离、保护、过滤，还是为了加筋、 排水、防渗，都应属于加筋土路基范畴。但更准确地讲，路基加筋技术应该是一 项路基填土加固技术，即在路基中合理地布设土工加筋材料，通过加筋材料与填 料之间的摩擦、嵌锁作用及筋材的应力扩散作用来改善整个路基系统的力学性能， 使路基的稳定性、抗变形能力增强，并限制土体的侧向位移，减小路基的不均匀 沉降以及提高地基承载能力。由于加筋土路基不仅具有较大的变形适应能力，且 稳定性好，能因地制宜、就地取材，对原有地质环境扰动小，因而，在路基工程 中应用加筋土技术，对于提高公路建设的质量、节约工程用地和成本以及保护生 态环境具有重大现实意义。 目前，加筋技术在公路路基中主要应用于：挡墙加筋、墙( 台) 背路基填土 加筋、路基边坡加筋、软土地基加筋、特殊路基填土加筋以及新旧路基结合部加 筋等。归纳起来，大致可分为支挡结构、陡坡和软基地基加筋【i 嗣，也可以分成 四类：支挡结构、加筋土坡、陡坡加筋以及软基加筋。将加筋土坡和陡坡加筋分 开考虑，这样在概念上更加明确加筋土坡是在一个完整路堤边坡里加筋，加筋 所起作用主要为增加边坡稳定性以及收陡边坡减少公路占地；陡坡加筋则是在原 陡坡面上填筑路堤时，采用加筋方法进行填挖结合部处理，增强路堤稳定性，减 少路基不均匀变形；加筋支挡结构是利用加筋形成加筋土挡墙，其结构型式较多， 较之传统的如混凝土等刚性挡墙，加筋土支挡结构能更好地适应地基变形，在地 基强度不高时采用尤显其优越性；软基加筋一般是在堤身底部铺设单层或多层加 筋材料，保持基底完整连续，改善软基浅部的位移场和应力场，约束浅层软基侧 第一章引言 2 向位移，均化应力分布，提高软土地基的承载力。 我国对加筋土技术的研究已有2 0 多年的历史，取得了许多有价值的理论研 究成果和宝贵的工程实用技术，为该项技术在工程领域的推广应用创造了良好的 条件但是，随着材料的不断发展，以及工程所面临的许多新问题，尚存在许多 问题需要进一步研究。就公路加筋土路基而言，这些问题主要体现在以下几个方 面。 ( 1 ) 新型加筋材料不断推出，但对材料的特性尚未全面掌握。用于加筋的 土工合成材料，从最初的土工织物发展到整体式、粘结式单向和双向土工格栅， 以及含有钢丝的钢塑土工格栅，对这些材料的强度特性，长期变形特性，及其试 验测试方法仍没有研究清楚。如对粘结格栅，除抗拉强度外，是否应当考虑节点 粘结强度? 如何测试? 对钢塑土工格栅是否应当考虑剥离强度? 如何测试等。 ( 2 ) 筋土相互作用特性认识还不到位。筋土相互作用特性对加筋土而言是 最重要的性质之一，但目前的相关规范，如 公路加筋土工程设计规范 ( 0 1 5 母1 ) 、公路加筋土工程施工技术规范( m 0 3 5 母1 ) 、公路土工合成材 料应用技术规范( n j 广r o l 9 9 8 ) 等，对此规定十分笼统。加筋土工程设计中， 对加筋材料，仅提出抗拉强度和延伸率两个指标要求；对相互作用仅建议了摩擦 系数一个指标。像土工格栅这类筋材，其网孔大小、蠕变率等因素对筋土相互作 用以及加筋工程的使用寿命都有重要影响。 ( 3 ) 对加筋土路基的力学行为还认识不清。随着加筋土在路基中应用领域 和型式的不断扩展，现有的理论和方法难以有效地指导工程实践，需要进一步对 其力学行为进行深入研究。如墙背( 台) 路基填土加筋、填挖交界结合部加筋等， 都是近年来广泛采用的结构型式，但至今没有建立起相应的设计方法 ( 4 ) 相关的施工工艺及质量检测控制方法和指标不健全尽管已经认识到 施工工艺对加筋土路基的重要性，但由于相关控制指标，如铺设损伤指标、蠕变 指标等研究不充分，以及实际施工工艺的粗糙和施工管理的粗放，使得施工质量 难以得到有效保证 这些技术问题如不得到有效解决，将制约加筋技术在路基工程中的正确应 用，阻碍加筋土技术的进一步发展。因此，拓展和深化路基加筋技术的研究是非 常迫切和必要的。 1 2 国内外研究现状 现代加筋土的概念和设计理论是法国工程师h e i i i d a l 于1 9 6 3 年根据三轴 实验结果提出的。随着现代加筋土技术的迅速发展和推广，这种技术也被逐渐应 用于路基工程加筋土路基作为一种新型的加筋土结构，已广泛受到各国公路研 第一章引言 3 究者的关注，相应的研究工作也在不断深入之中 1 9 7 8 年，美国陆军工程兵部队( t h eu s a m yc o i p 8o f e 呼n 埽) 率先将加筋 土技术应用于美国阿拉巴马州粉质软粘土地基上的路堤工程。自此，加筋土路基 因其良好的路用性能和经济效益而在全美及世界各地得到迅速推广也正因为如 此，国外在加筋土路基力学特性和设计方法方面的研究从2 0 世纪7 0 年代末至今 未曾停止过，e l 、e l v i 盱等权威数据库几乎每年都会收录关于加筋土路基力学特 性和设计方法方面的论文。总体而言，国外关于加筋土路基方面的研究工作是比 较深入细致的。 对于加筋土路基的研究，国外研究者主要是从以下方面着手 ( 1 ) 加筋材料特性研究。加筋材料由最初采用的金属筋带发展到目前被广 泛采用的土工合成材料，对土工合成加筋材料的特性要求也发生了很大改变早 年的工程实践和试验研究工作，一般将筋材的抗拉强度作为主要性能指标，后来 工程实践中发现筋材变形对加筋土性能有较大的影响。同时，筋材还受施工损伤， 生物腐蚀、化学腐蚀以及老化等影响。因此，关于筋材本身的特性引起人们的重 视，尤其是加筋材料的蠕变特性更是受到了研究者们的关注。国外在这方面的研 究进行得较早，也比较深入，并得到了不少有益的成果。目前，加筋工程大量采 用高模量、低延伸率的筋材，取得了明显的加筋效果 ( 2 ) 筋土相互作用机理研究。筋土的相互作用机理是十分复杂的，目前，提 出过三种加筋机理四：被动锚固理论、膜作用理论和约束增强理论关于筋土相 互作用如何处理，即加筋土本构模型，主要有两类方法：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，而土、筋之间的相互作用则采用接触单元进行模拟。 这种方法的思路比较直观，应用也较广泛，但筋土之间界面单元的参数不易确定， 一般也只考虑了筋材的抗拉作用，而不能考虑其在压力和扭转作用下对土体的影 响。另一类是复合模型，即把加筋土看成宏观上均匀的复合土体，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 算中至今为止，已提出的复合模型主要有弹性模型、弹塑性模型、流变模型 这种方法只需对加筋土复合体建立一个模型，不需要较复杂的筋土界面模拟，但 存在如何确定复合体性能参数的技术难题。以不同的加筋材料、不同的土体、不 同的筋材布置方式和间距所构成加筋土复合体，其性质不同，这给实际求解造成 了较大困难。 ( 3 ) 加筋土路基性能试验研究通过对实体工程的现场观测、足尺破坏性试 验以及室内加筋土模型试验，研究加筋土路基的力学性能，分析软土地基上加筋 路堤与不加筋路基的性能区别，孔隙水压力的响应规律和水平、垂直位移的变化 第一章引言 4 规律、加筋材料的变形规律及筋材强度的发挥与路基变形的关系等等。筋土相互 作用主要指筋土的界面摩擦特性，采用直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验，研究各种 因素对界面参数的影响。 ( 4 ) 加筋土路基设计方法研究。主要采用的方法有：基于极限平衡原理的路 基稳定设计方法和基于有限元分析设计方法。极限平衡法概念直观、运算方便， 同时又积累了大量经验，是目前应用最广、最成熟实用的一种设计计算方法。但 这种方法未考虑土体及加筋材料的变形，难以反映实际的加筋效果，仅是一种近 似方法2 0 世纪9 0 年代，一些学者将极限状态思想引入该方法中。按最终极限 状态和使用极限状态进行设计，对材料特性指标、土力学指标、作用力等，采用 分项系数以代替单一的安全系数，较大地改进了这种方法，但目前尚未被普遍使 用。与极限平衡法相比，有限元法能同时提供受荷土体的应力场与位移场，能考 虑土体的非均质和非线性、士性随时间的变化、施工程序和荷载变化，但因其本 构关系和相应参数等不易正确确定，故目前这种方法更多的是作为一种辅助设计 手段。 国内对公路加筋土路基的研究虽然起步较晚，但进展很快，在加筋材料特性、 筋土相互作用特性、加筋理论与设计方法等方面，基本与发达国家同步，在工程 应用方面，针对特殊的场地条件，还开拓了许多新的应用场合。这些进步，为我 国公路加筋土路基的进一步发展和完善奠定了扎实的技术基础，但与工程需求相 比，仍存在一些问题需要研究解决。主要体现在： ( 1 ) 现行相关规范所依据和反映的主要是2 0 世纪8 0 年代我国公路加筋土挡 墙、桥台设计与施工的研究成果和经验，有关加筋土路基其他方面的条文很有限， 已明显暴露出不能满足当前实际工程需要的诸多不足，规范滞后于生产实践的现 象较为突出 ( 2 ) 对加筋土路基的研究深度还不够。无论是理论研究还是试验研究，主要 还是局限于加筋土的一般性分析和路基加筋方式及其效果的评价，远未达到成熟 的高度对加筋土路基在荷载作用下，尤其是在交通动力荷载作用下的工程响应 和力学行为缺乏深入研究 ( 3 ) 缺少科学的加筋土路基分类方法和实用的加筋土路基性能指标评价体 系；在加筋土路基病害及其成因机理方面的研究还很少，加筋土路基病害形成的 控制因素也未能明确，不能形成一个完整成熟的路基加筋理念来有效地指导工程 设计 ( 4 ) 基础理论研究严重滞后于工程应用。如：各种路基加筋土的加筋机理还 没有充分掌握；现有设计理论和设计方法仍以极限平衡原理为基础，基于这种理 论指导之下的设计方法不能充分反映加筋土路基的实际工作状态和力学行为。 第一章引言 5 ( 5 ) 在西部地区特殊的地质环境条件下修筑加筋土路基尚处于起步阶段，实 际工程中也缺少可借鉴的成熟经验。 国内外在工程应用方面也存在差异，国外加筋主要应用在软基处理，而国内 除了应用在软件处治外，还侧重于山区路基加筋，经过多年的工程实践，对山区 路基加筋工程有了一定的认识，同时也积累一些经验。 1 3 本文研究的主要内容 从国内外加筋工程的研究现状来看，还存在很多需要研究解决的问题。本文 不拟对加筋土路基的各方面开展研究，而以山区公路加筋土路基为主要对象，结 合实际工程中面临的一些突出问题，开展以下几方面的研究 1 、加筋土路基的主要工程问题和病害特征。通过调查，归纳出加筋土路基 的主要病害特征、成因机理和破坏模式 2 、加筋土界面特性选取目前常用的加筋材料( 土工格栅) 进行室内的界 面摩擦试验，研究压实度、土工格栅孔径以及含水量等因素对筋土界面特性的影 响，提出相关参数取值的建议 3 、加筋土路基的力学特性。针对目前山区公路建设中几种典型的加筋土路 基( 陡坡加筋路基、软基加筋路基、墙台背加筋路基) ，采用数值分析手段，并结 合试验路段现场试验，对其变形特征和稳定性进行分析，掌握其力学特性。 4 、加筋土路基设计控制指标和参数取值方法通过试验和数值分析所得结 果，以及参考国内外相关文献资料，提出加筋土路基设计控制指标及参数取方法 的建议。 5 、筋材的蠕变特性筋材的蠕变特性对加筋土路基的变形及使用寿命至关 重要。选取工程常用的土工格栅进行室内蠕变试验，获取其蠕变特性指标，并与 现场试验测试结果进行比较，提出筋材蠕变折减系数取值的建议 6 、加筋土路基施工技术针对相关规范不完善之处，提出加筋土路基施工 工艺和质量检测控制指标体系。 第二章加筋土路基的主要工程问题及病害特征 ! 第二章加筋土路基的主要工程问题及病害特征 不同的加筋土路基，其破坏现象和产生病害的原因是不同的。要掌握加筋土 路基的力学行为，提出正确的设计方法和质量控制指标，必须首先了解掌握加筋 土路基的主要工程问题及病害特征本章通过对国内部分已建公路加筋土路基的 调研，并参考相关文献资料，就此进行分析和总结。 2 1 加筋土路基主要破坏现象及原因 加筋土路基的破坏现象及病害特征是多种多样的，其产生的原因也很复杂 本文选择重庆长江滨江路加筋土挡墙工程、重庆巫山县集仙中路超高加筋土挡墙 工程、山西祁临一汾离高速公路加筋土工程、甘肃兰州太平沟加筋土挡墙工程、 云南楚雄一大理高速公路和安宁一楚雄高速公路加筋土工程、广东汕头梅洲高 速公路加筋土工程几个有代表性的加筋路段，就加筋路堤出现的破坏形式、病害 特征以及引起的主要原因进行广泛深入的调查 2 1 1 重庆长江滨江路加筋挡土墙工程 重庆长江滨江路加筋挡土墙工程总长1 0 3 0 0 m ，采用路堤式结构，直立墙最高 接近2 0 m ，路堤结构总高约3 5 m ，典型断面如图2 1 1 所示。 图z 1 1 菜园坝南纪门段、储奇门朝天门段结构断面 h g z 1 l 鼬哪锕( m 蟠- 曩t i o n l b r r o a d 丘m n o 洒憎n h 协n 蛐j i 蛳 a n d ：b u q i m c k 岫瞄a n 岫 该工程采用阡防老化土工带( p p 3 0 1 5 ) ，规格为宽2 5 衄、厚2 皿，每束 筋带为6 股，单股设计拉力为l 0 0 0 n ，相应延伸率净3 。加筋体采用砂砾石，面 板采用l 1 5 b 6 钢筋混凝土矩形板，结点的水平间距s x = o 7 5 m 和竖向间距 s y = 0 3 m 第二章加筋土路基的主要工程问题及病害特征! 自1 9 9 6 年竣工以来，至今己使用了近1 0 年。工程竣工后由于各种原因，特 别是1 9 9 8 年洪水季节过后，挡墙工程出现了不同程度的变形，病窖主要表现为挡 墙鼓肚、外倾、挡墙沉降错台以及墙背后路面或地面开裂。其中以朝天门九码头 段( k o 汁3 5 0 ) 、珊瑚公园段( k 4 + 3 8 0 l 【4 8 1 8 0 3 ) 变形最为典型，也最为 严重。 ( 1 ) 九码头段挡墙倾斜( 垂直度) 及鼓肚变形状况 朝天门九码头段在1 9 9 8 年洪水过后，一级挡墙发现爆肚、开裂和向外倾等现 象，变形情况如图2 1 - 2 和图2 1 - 3 所示。 图z 1 2 挡墙外倾情况图2 l - 3 挡墙鼓肚情况 硒参2 l 2c a m b 仃o f r 吐a i n i n g秭辱z l - 3w h n b l l l d 罢= i n g o f r d a i n i n g w h n ( 2 ) 九码头段挡墙水平位移和竖向变形状况 九码头段墙顶水平位移最大值达1 2 3 衄，导致了路面开裂，如图2 1 - 4 竖 向变形主要表现为地面下沉，砼栏杆被垂直剪断，人行梯道明显下陷，横梁、护 梁被剪断等现象，如图2 1 5 所示。挡墙的水平位移和竖向变形导致墙背后地面 出现裂缝和错台。 图z l - 4 挡墙水平位移图z 1 5 挡墙护梁被剪断现象 矾蓦2 1 4 强l i i ：吼髓ld i s p h “斌o ff 塘2 1 - 5w h u s h f e db m 如f 鼬恤i n i n g 融髓i 蚰略w 蛆 通过对有关资料的分析发现，出现病害的加筋挡墙段存在：基础持力土层强 度不够、墙背填料级配较差、压实质量不达标以及筋材施工下料长度不够等问题。 第二章加筋土路基的主要工程问题及病害特征1 2 1 2 重庆巫山县集仙中路超高加筋土挡墙 重庆巫山县集仙中路超高加筋土挡墙位于巫山新县城中心区的主干道集仙中 路，由西向东跨越二道沟，头道沟。冲沟发育，地形切割严重。全部采用加筋土 挡墙方案进行道路连接，其中高度最大的二道沟加筋土挡墙段填方区面积就达 o 9 4 公顷，长1 3 0 o m 、道路宽2 4 o m ，挡墙高度3 6 5 5 4 4 5 m 。加筋土挡墙的筋 带材料采用单层多股钢丝外包聚丙烯保护层制成的c a t 钢塑复合带，填料为就近 取材的新城道路挖方的灰、灰黄色棱角状灰岩、泥灰岩质块碎石土，含石量在 3 0 4 0 之间挡墙典型断面及建成后的挡墙外貌图如图2 1 - 6 典型断面图建成后的挡墙 圈2 1 石重庆巫山县集仙中路5 7 m 超高加筋土挡墙 f i g 2 1 - 6 5 7 ms u p c r