（岩土工程专业论文）新型砌块及其加筋挡土结构临界高度分析.pdf

摘要 摘要 本文通过试验测试、数值模拟、理论分析等方法对新型仿花岗岩砌块墙体失 稳机理、单层砌块可建成的墙体最大高度等问题进行了深入系统的研究。主要研 究内容如下： ( 1 ) 国内首创一种新型的仿花岗岩空心砌块；通过数值模拟、工程测试等 手段对该砌块的研究，结果表明：砌块与格栅之间的连接强度与竖向压力间呈线 性关系，连接强度能满足实际工程的需要；新型砌块之间独特的后缘结构，改变 结构力的作用方式；在砌体结构的不同部位，均能提供足够的抗剪强度。 ( 2 ) 按照等强度和等间距两种加筋方式，通过数值模拟的研究手段，对比 分析了新型仿花岗岩砌体结构的变形和受力性状。结果表明：水平放置的土工格 栅使填土区工程性质出现分层性，砌体结构存在局部张性破坏：张性裂隙上下扩 容、发展，使加筋砌体结构可能出现拉裂一滑移、鼓出一滑移两种变形失稳力学 模式。 ( 3 ) 根据加筋砌体结构受力性状及失稳机理，利用极限分析的基本原理， 推导出了适用于一般加筋砌体结构的临界高度的表达式。并利用复合形重组方法 对加筋砌体结构的临界高度影响因素进行了深入的分析；通过拟合建立了形式简 洁的加筋砌体结构的临界高度的估算表达式。 ( 4 ) 分析了植被根系对砌体结构的加固机理，并从理论上的推导了根系加 固的数值模型；以此为前提，分析了栽植加固深度对加筋砌体结构临界高度的影 响。结论表明：植被根系提高了浅层填土的稳定性，能在一定程度：减小水平方 向对砌体结构墙背的侧压力，能在一定程度上增大加筋砌体结构的i 临界高度。 关键词；仿花岗岩砌块；加筋砌体结构：土工格栅；极限分析；临界高度； 张性破坏；栽植根系；加固机理； a b s t r a c t ：s o m ei m p o r t a n tp r o b l e m so fg e o s y n t h e t i cr e i n f o r c e ds e g m e n t a l r e t a i n i n gw a l l su s e df o rb e a u t i f y i n gl 卸d s c a p c ，s u c ha st h ei n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo f w a l lc o n s i s t e do fn e w - s t y l eb u i l d i n gb l o c k so fb i o n i cg r a n i t ea n dt h eu t m o s tw a l l h e i g h to fo n el a y e ro fb u i l d i n gb l o c k s ，a r ed i s c u s s e da n dr e s e a r c h e ds y s t e m i c a l l yb y m e a n so ft e s t , n u m e r i c a ls i m n i a t i o na n dt h e o r ya n a l y s i si nt h ed i s s e r t a t i o n m a i n c o n t e n t sa r ef i s t e da sf o l l o w e d ( 1 ) an e wt y p eo fb u i l d i n gb l o c k so fb i o n i cg r a n i t ei sd e v e l o p e di n n o v a t i v e l yi n o u rc o u n t r y , a n dt h i sb l o c ki sr e s e a r c h e db ym e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e n g i n e e r i n gt e s t 1 1 圮r e s u l t ss h o wt h a tc o n n e c t i v es t r e n g t hb e t w e e nb u i l d i n gb l o c k s a n d 鲥d si sl i n e a r l yw i t hv e r t i c a lp r e s s u r ea n ds a t i s f i e st h en e e do fe n g i n e e r i n gi n p r a c t i c e u n i q u eb a c ks t r u c t u r ec h a n g e sa c t i o nm o d eo fc o n f i g u r a b l ef o r c e n es h e a r s t r e n g t hi sp r o v i d e da d e q u a t e l yi na n yp a r t so fb l o c ks t r u c t u r e ( 2 ) a c c o r d i n gt oe q u a ld i s t a n c ea n de q u a ls t r e n g t ho fd i s t r i b u t i o no fg e o g r i d , d i s t o r t i o na n df o r c eo fn e w - s t y l eb l o c k so fb i o n i cg r a n i t es t r u c t u r ea r ec o m p a r e di n v i r t u eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a th o r i z o n t a lg e o g r i dm a k e e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fb a c k f i l lz o n el a y e r e d , a n dt e n s i o nf r a c t u r eo fb l o c ks t r u c t u r e i si ne x i s t e n c e g r a d u a ld e v e l o p m e n ta n de x p a n do ft e n s i o nc r a c ki n d u c et h a tt h e s t r u c t u r eo fb u i l d i n gb l o c k sp o s s i b l yh a st w od e s t r u c t i v em e c h a n i c a lm o d e l s ：r i p - s l i p p a g ea n do u t s h o o t - s l i p p a g e ( 3 ) b a s e do nt h ef o r c ec h a r a c t e ra n dt h ei n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo fg e o s y n t h e t i c r e i n f o r c e ds e g m e n t a lr e t a i n i n gw a l l s ，m a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n so fc a l c u l a t i n gc r i t i c a l h e i g h to fn o r m a lb u i l d i n gb l o c k si s o b t a i n e di nt e r m so fb a s a lp r i n c i p l eo fl i m i t a n a l y s e s i n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h eu t m o s th e i g h to fg e o s y n t h e t i c r e i n f o r c e d s e g m e n t a lr e t a i n i n ga r ca n a l y z e db ys c e u am e t h o d , a n dt e r s ef o r m u l af o rc r i t i c a l h e i g h t o fg c o s y n t h e t i cr e i n f o r c e ds e g m e n t a lr e t a i n i n gw a l l si se s t a b l i s h e db y n u m e r i c a lf i t t i n g ( 4 ) b ya n a l y z i n gs t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fr o o ts y s t e mf o rs e g m e n t a l r e t a i n i n gw a l l s ，n u m e r i c a lm o d e lf o rr o o ts t r e n g t h e n i n gi s d e d u c e dt h e o r e t i c a l l y b a s e do nt h i s ，t h ee f f e c to fr o o ts t r e n g t h e n i n gd e p t ho nc r i t i c a lh e i g h to fs e g m e n t a l r e t a i n i n gw a l l si sa n a l y z e d n er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a b i l i t yo fl o wf i l l i n g i s d e v e l o p e db yt h er o o t ，t h el a t e r a lp r e s s u r ed u et ot h ef i l l e d s o i l i nt h eh o r i z o n t a l l e v e l ，i sd e c r e a s e d ，a n dc r i t i c a lh e i g h to fg e o s y n t h e t i cr e i n f o r c e ds e g m e n t a lr e t a i n i n g w a l l sa r ei n c r e a s e d k e yw o r d s ：b u i l d i n gb l o c k s o fb i o n i cg r a n i t e ；g e o s y n t h e t i cr e i n f o r c e d s e g m e n t a lr e t a i n i n gw a l l s ；g e o g r i d ；l i m i ta n a l y s e ；u t m o s t l i m i th e i g h t ；t e n s i o nf r a c t u r e ； r o o ts y s t e m ；s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m 前言 前言 现代砌体结构是一种先进的符合建筑学原理的混凝土面层系统，由砌块与水 平层铺设在墙后填土中的分层分布的并与砌块联结在一起的土工合成材料组成 一个整体的挡土体系，由砌块挡土墙面层和其后的加筋土层共同抵抗土压力作用 并保持稳定。国内目前没有开展对砌块结构力学性能、砌块加筋挡土系统结构性 能相关的研究；使用的砌块主要是外形较为规则的普通混凝土面板。目前只是笼 统的认为：单层砌块可建成的挡土墙最大高度与块体重量、宽度、竖向倾斜度和 加筋间距有关。资源的浪费、结构的失稳，都是没有认清加筋砌块结构系统破坏 机理，没有明确单层加筋砌体结构最大高度与影响因素的关系，而导致的必然结 果。 为此，本文对新砌块的研制、砌块挡土结构系统变形失稳的力学模式及单层 砌块可建成的墙体最大高度等问题进行了系统的研究，取得了一定的成果，主要 有以下几个创新点： ( 1 ) 研制了一种新型的仿花岗岩空心砌块，该砌块采用独特的后缘结构， 块间具有较强的抗剪能力，在任何工况下都具有最小的作用力，能满足工程的需 要。不同于传统加筋挡土结构面板与拉筋力的作用方式。 ( 2 ) 通过论理分析、数值模拟，结论证明：由于土工格栅与填土工程性质 的差异，加筋砌体挡土结构存在局部张性破坏，张性裂隙的发展、扩容，可使加 筋砌体结构出现拉裂一滑移和鼓出一滑移两种变形失稳力学模式。 ( 3 ) 基于极限分析的有关理论，推导了砌体结构临界高度的数学表达式； 运用复合优化重组的方法，对砌体结构临界高度影响因素的深入分析，并给出了 砌体结构l 晦界高度的估算表达式。 ( 4 ) 深入的分析了栽植根系加固机理，在此基础上，建立了存在栽植加固 区的砌体结构临界高度分析模型；并在此基础上分析了栽植加固区对砌体结构临 界高度的影响。 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( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 0 ；誓兰m 切年月乃日 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 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) ： ( t l ：手写亲笔签名) 砟死o 年6 月f j 日 第一章砌块加筋挡土结构研究综述 第一章砌块加筋挡土结构研究综述 1 1 加筋砌块挡土结构临界高度研究的目的和意义 1 1 1 加筋砌体结构的研究背景 加筋土结构作为一种新颖的完整结构物，最早出现在法国，大约在1 9 7 0 in ，2 ； 从那以后，美国、加拿大及西欧一些国家都开始使用加筋土结构【3 1 ；明确应用砌 块挡土结构系统大约开始于1 9 8 4 年，加筋砌块挡土结构约在1 9 8 6 年开始使用 4 1 。 现代砌体结构是一种先进的符合建筑学原理的混凝土面层系统，砌体采用机械制 造或铸造的无筋混凝士块。由砌块与水平层铺设在墙后填土中的分层分布的并与 砌块联结在起的土工合成材料组成一个整体的挡土体系( 如图1 1 1 所示) ，由砌 块挡土墙面层和其后的加筋土层共同抵抗土压力作用并保持稳赳5 1 。 图1 1 1 加筋砌体挡土结构 1 9 9 6 年，北美已有l o 万个挡土结构采用砌块挡土结构，其中2 5 为加筋土 砌块挡土结构；已经广泛的应用于山地挡土墙、变梯度结构挡墙、桥台、过水涵 洞、水边砌墙( 河堤砌墙) 、隧道侧墙等领域；a l l e n 、h o l t z l 6 1 ( 1 9 9 1 ) 、b e r g ( 1 9 9 8 ) j 对加筋砌块挡土结构的应用历史进行了详细的研究。从上世纪9 0 年代初期，我 国的深圳、广州、大连、上海等地开始使用砌块挡土结构；其后在我国得到了广 泛的应用嘲。近几年，有关的国内、国际学会在加筋砌块挡土技术的研究和推广 应用方面异常活跃。究其原因，相对于其它加筋挡土结构而言，有以下几点1 9 1 ： ( 1 ) 加筋砌块挡土结构为柔性结构，地基适应能力强，可以适应少量的沉 降和变形； ( 2 ) 加筋砌块挡土结构的加筋材料一般为土工格栅，较其它加筋材料而言 河海大学博士学位论文 其耐腐蚀、耐久性较强； ， ( 3 ) 砌块之间连接不用砂浆，便于拆卸，故加筋砌块挡土结构便于做临时 性的支护结构。， 尽管目前对影响加筋砌体结构工程质量和安全运行的因素( 比如砌块的混凝 土配合比【1 0 , 1 1 、填土与加筋的作用机理【1 2 , 1 3 】、填料的压实度1 4 1 、加筋砌体结构内 部土压力 1 5 - 1 7 等) 做了大量的工作和研究，然而由于加筋砌块挡土结构技术的特 殊性，仍然存在不少的技术问题需要解决。存在的问题主要有：一 ( 1 ) 砌块与土工格栅之间的连接强度问题。土工格栅被上层砌块压在两层 砌块之间；格栅与砌块之间的连接强度取决于格栅与砌块之间的摩擦属性，及可 能影响砌块与格栅连接强度的其它构件。砌块混凝土配比不同、外观形态不同、 土工格栅材料不同，格栅与土工格栅闻的连接强度也不同。 ( 2 ) 砌块墙背土压力的问题。一般认为，如果砌块墙面未发生任何位移， 拉筋就不起作用，墙面承受静止土压力l l 研。如果墙面发生位移，而且当加筋土的 侧向伸张应变达到一定程度时，加筋才能发挥作用。随着侧向伸张应变的产生和 发展，土与筋共同作用，与无筋土相比，它对砌体所产生的土压力会显著减少。 当加筋有足够长度且产生足够大的侧向应变时，加筋土体能够在自重及外荷作用 下自立，此时，砌块墙面将可能不承受土压力 1 9 1 。 ( 3 ) 砌体结构加筋填土区内部破坏面形态。通常认为加筋砌体结构内部破 坏面可分为一下三类：破裂面接近直线破裂面 2 0 2 1 】；破裂面的下部接近朗肯破裂 面，上部则与墙面近似平行，与墙顶面交于o 3 h 处( h 为墙高) 2 2 , 2 3 ；破裂面 为对数螺旋线，与墙顶相交于距面板某一距离处f 2 4 筇1 。也有人认为加筋填土区破 坏面为顶部一定深度范围内存在的拉张裂缝和底部古典朗肯破裂面的组合折线。 ( 4 ) 单层加筋砌块墙体极限高度的问题。一般来讲单层加筋砌体结构最大 高度直接与块体重量、宽度和竖向倾斜度成正比【2 6 】。土工合成材料与砌块的连接 强度往往有刚”】，当砌块模数较低时，极易引起砌体结构局部失稳i 这样就决定 了单层砌块墙体的最大高度受到限制；这样只能通过采用两排或者多排结构形式 来增加墙体重量和宽度，以达到增加墙体最大高度的目的1 2 引。这样的设计显然不 经济也不科学。 ( 5 ) 结构的耐久性。主要涉及到砌块和土工格栅的抗老化、抗腐蚀、抗冻 溶性的研究；还涉及到加筋抗辐射、抗蠕变、抗氧化的研究 2 9 - 3 3 1 。而这些研究都 几乎是初步的、肤浅的。 1 1 2 研究的目的和意义 在土地资源较为短缺的今天，土地节约型挡土结构越来越受欢迎重视；自加 筋砌体结构发展以来，一直伴随着土压力、破裂面等认识不清的问题，对加筋砌 体产生威胁阻矧。然而由于砌体结构发展历程很短，人们对于回填土区加筋与士 2 第一章砌块加筋挡土结构研究综述 的作用和破坏机理认识还不够深入，设计断面也各式各样( b a t h u r s t1 9 9 3 啪j 、 s c h l o s s e re ta l1 9 9 3 1 3 鼾、c h r i s t o p h e r1 9 9 4 t 3 9 1 ) 。通过大量的模型试验( b a t h u r s t 2 0 0 0 1 4 0 1 、2 0 0 1 1 4 1 1 ) 和工程实践经验 4 2 , 4 3 1 ，一般认为：加筋砌体结构单层砌块很 难超过8 m 的高度。为了保险起见，当砌体结构超过5 m 以后，总是建议采用多 级设计( 如图1 1 2 左图所示) ，这样浪费了有限的土地资源；有时非要采用单级 结构时，为了使结构不至于破坏，不得不采用双层，甚至多层砌块的设计( 如图 1 1 - 2 右图所示) ，大大的增加了工程造价。 l 垦 i 图1 1 2 加筋砌体临界禹度的惹义 目前，普遍的认为：单层砌块可建成的挡土墙最大高度与块体重量、宽度、 竖向倾斜度和加筋间距有关；资源的浪费、结构的失稳，都是由于没有明确单层 加筋砌体结构最大高度与影响因素的关系，而导致的必然结果。没有明确单层加 筋砌体结构最大高度与影响因素的关系，面对某一设计对象，往往不能正确的选 择砌块、土工格栅和填土材料类型，合理设计加筋砌体结构断面尺寸。 因此，迫切需要建立适合的单层砌块可建成的墙体最大高度分析模型，为砌 体结构科学合理的设计提供理论的依据。所以单层砌块可建成的墙体最大高度分 析的研究是一个难度较大而又迫切需要开展的基础性研究课题。本文所研究的加 筋砌体结构临界高度，也即是单层砌块可建成的墙体最大高度；研究的目的和意 义概括如下： ( 1 ) 理论分析、测试、实践的基础上，研制出了新型的仿花岗岩挡土块； 使砌块由单纯呆板挡土构件转变成为一种生态节能、外观别致、功能性强的挡土 元素；为相关领域砌块的研制提供了思路。 ( 2 ) 深入的分析了砌体结构加筋机理和破坏机制；确定砌体结构内部破坏 面的具体形式，并提出了可能的破坏方式；丰富了加筋砌体结构各元素相互作用 的有关理论，为加筋砌体结构临界高度的分析提供了论理前提。 ( 3 ) 基于极限分析的基本原理分析了，在似粘聚力原理的基础上，推导出 了砌体结构临界高度的数值表达式：并利用进化重组的优化方法，对砌体结构影 响因素进行了深入细致的分析；为加筋砌体结构的合理设计提供了理论基础。 ( 4 ) 从材料力学的角度，分析了栽植根系对砌体结构的加固机理，并分析 河海大学博士学位论文 了栽植根系对砌体结构临界高度的影响。为砌体结构回填土区选择合理的栽植种 类提供依据，为砌体结构栽植设计的深入研究奠定了岩土力学理论基础。 综上所述，本文研究的理论和方法，能为砌体结构科学设计提供依据；因此， 研究单层砌块可建成的墙体最大高度不仅具有重要的理论价值，而且具有广泛的 社会经济价值。 1 2 砌块挡土墙系统的研究现状 1 2 1 砌块与格栅性状研究现状 1 2 1 1 砌块研究现状 砌块的作用是防止土工格栅间填土的侧向挤出、传递土压力以及便于格栅固 定布设，并保证填料、格栅和砌块墙面构成一定形状的整体。另外砌块还有防止 填土侧向散出或侵入、使填土易于压实、美观外表的作用【2 2 2 3 ，4 4 j 。加筋砌体结构 对砌块有如下的要求： ( 1 ) 应具有一定的刚度，以保证拉筋端部土体的稳定； ( 2 ) 应具有一定的强度，以抵抗预期的冲击和震动作用； ( 3 ) 砌块还应满足坚固、美观、运输方便和施工便捷等要求。 砌块在大小和形状方面实际没有限制，但已有的主流砌块尺寸范围为( 据 b a t h u r s ta n ds i m a e1 9 9 7 ) 1 4 ”，如表1 2 1 所示。 表1 2 1 专用砌块主体尺寸范围 砌块参数高度宽度长度 l 主体尺寸( c m ) l 8 6 01 5 7 5 1 1 5 1 8 0 l 目前砌块的材料主要是干硬性水泥混凝土或者预制混凝土块；砌体结构使用 加筋材料通常为高强度的土工格栅和土工织物( 比如聚乙烯、聚丙烯等) 4 6 - 4 5 1 。 挡土砌块就其外观而言，主要可分为平板式和齿坎式，如图1 2 1 所示。平 板式砌块只能通过剪切键，来增加砌块间的抗剪能力，从而控制砌体结构外立面 一致倾角缈( 即墙面倾角) ，对于常用砌块：1 0 6 m 时，k = k o 。 式中：凰为静止土压力系数，k o = l s i n ； 9 耋一 目目钶 螯一 河海大学博士学位论文 k 。为主动土压力系骜，e = 辔2 ( 4 5 。一争。 1 2 2 3 加筋砌体结构失稳机理及失稳方式研究 r o s a 、m k o e m e r ( 2 0 0 1 ) 【明等通过对北美地区加筋砌体结构的调查，认 为结构失稳主要是指加筋砌体结构垮塌和墙面产生过大侧移，具体表现为：墙的 偏移、墙底的鼓出、墙顶的鼓出、没有排水装置、垫层太薄、中间鼓出、砌块错 位等。而引起加筋砌体结构坍塌的绝大部分是由于设计不当( 很多是没有考虑水 压力) 引起；还有少量是由于施工不当造成的，主要表现为土工格栅没有放置或 者放置错位。b a m u s t r j ( 1 9 9 5 【蜊2 0 0 0 唧1 ) 、c h 蛐g s i k ( 2 0 0 5 ) p l 】等则从个例 来分析加筋砌体结构失稳的原因。 b a m u s t 、s i m a ee ta l ( 1 9 9 7 ) 瞰l 将砌体结构归纳为外部失稳、内部失稳、局 部失稳、整体失稳等四种失稳方式，如图1 2 9 所示。加筋砌体结构外部稳定分 析包括主要包括基础滑动、结构倾倒、承载力不足等；内部失稳主要包括格栅拉 出、格栅拉断、层间滑动；局部失稳主要包括面层连接破坏、中间鼓出、不加筋 高度的倾倒。 水平位移 转动转动 ， 亘j 鼙画 基础活动 承平移动 格橱拉出 慑饲 丸井部稳定面 地基承载力不足和产生过大沉降 承平移动 。_ 。一 格暑中应力过大 & 内部失穗 里骂遏 第一章砌块加筋挡土结构研究综述 1 2 3 加筋土极限高度研究现状分析 1 2 3 1 极限分析应用现状分析 对许多岩土结构物来讲，有时并不需要知道应力和应变随外荷载如何变化， 只需要求出最终达到塑性流动状态时所对应的破坏荷载或稳定性程度。在这种思 想的指导下，d r u c k e r 和p r a g e r 把静力场和速度场结合起来并提出极值理论，建 立岩土结构物的极限分析方法 9 3 1 ，c h e n 、l i u ( 1 9 9 0 ) 9 4 , 9 5 为岩土结构物的极限 分析理论奠定基础。极限分析法建立虽然有近五十年的历史，在金属结构分析， 钢结构混凝土结构分析和土力学中得到广泛应用。 由下限定理和静力容许应力场，可以确定简单问题的下限解i 嘲；由上限定理 和机动容许速度场可以确定简单问题的上限解；如条形基础的承载力、二维边坡 的稳定性、竖直边坡的临界高度，圆形基础的承载力等岩土工程问题【9 7 1 。 屠毓敏、王建江( 2 0 0 6 ) 1 9 8 1 利用土坡的极限破坏理论和结构体的塑性极限分 析方法，研究了土钉支护结构旋转滑动破坏的可能性，并依此来分析土钉支护结 构的稳定性。研究表明，对位于软弱地基中的土钉支护结构，土钉结构本身的极 限破坏的可能性很大，在工程设计中宜采用钢管击入土钉，以增强其抗弯能力。 胡卫东、吴海印l 基于塑性极限分析的上限定理，研究了线性m o h r - c o u l o m b 破坏 准则下的边坡稳定性问题。李亮、刘宝琛等根据土体物理指标和现场土工试验可 以建立含水量与强度指标之间的关系：并应用极限分析的下限法可以求得不同降 雨量时边坡的极限承载力大小。 1 2 3 2 加筋结构极限高度应用现状分析 胡小明，雷胜友等【1 6 1 等通过运用离心模拟技术，研究超高加筋土挡墙的性态： 表明填土的压实度直接影响挡墙的高度；当填土的压实度为o 9 0 时，无论挡墙 设置错台与否，皆可达到5 0 m 以上高度；对于压实度为0 8 0 时，当设错台时，挡 墙高度可达3 3 m ；当不设错台时，挡墙高度只为3 0 m 。 章为民、蔡正银( 1 9 9 5 ) 1 0 0 等，在加筋挡土墙内部破坏面为0 3 h 简化形式 的基础上，运用极限分析的基本方法推求出了这种破坏模型的极限高度。认为加 筋结构的极限高度与加筋的拉力成正比、与加筋间距成反比；极限高度具体表达 式如下： ， ，甲 h 。= k p n ，u v 式中：r 为格栅拉力；鼠为加筋间距；k 。、以均为与填土内摩擦角有关的 系数。 “ 景健( 2 0 0 2 ) 1 0 l t 等假定加筋支挡结构破坏时塑性区绕稳定区做刚体旋转， 河海大学博士学位论文 塑性区与稳定区之间被层间分开。在考虑加筋与土体之间变形相容、加筋土内部 破坏面为对数螺旋线的基础上；认为土体中剪切应变不断增大，当墙高达到极限 墙高时，在墙趾处的剪应变达到最大值，同时假定剪切层土体的剪切应变沿墙高 线性分布：运用极限分析的基本原理，来分析加筋结构的极限高度1 眙1 0 3 1 。结论 认为加筋结构的极限高度稳定性由土体和加筋材料两部分影响；与加筋材料的模 量成正比，与加筋间距成反比。 王钊，乔丽平( 2 0 0 5 ) l 1 0 4 - 1 0 5 1 等人在塑性极限分析理论的基础上，假定破裂 面为对数螺旋面，加筋均匀分布的基础上，导出了加筋土坡临界高度的解；该结 论可能偏于保守。 徐俊，王钊( 2 0 0 6 ) 【1 0 6 1 以极限分析理论为基础，将附加粘聚力理论运用于 加筋土挡土墙的极限分析，探讨了当土体处于主动极限状态、顶部一定深度范围 内存在平衡于墙体的张拉裂缝时，加筋土挡土墙破裂面形式及其破坏时的临界高 度日： h = 3 ( 1 一s i n 妒) + 压孬石丽苫 t a n ( 4 5 。一要) ， z 他们认为加筋土华墙破裂面的几何尺寸( 破裂面上段比值鲁，上段破裂面 至墙背的水平距离与墙高的比值刍) 与墙背土内摩擦角矿值的大小有关。 1 2 4 用于景观的栽植根系对砌体结构稳定性研究 栽植对砌体结构的加固作用很大程度取决于根系的形态。d r n o b o m k a r i z m i ( 1 9 7 9 ) t m 7 1 、向师庆( 1 9 9 8 ) 傩j 等都对根系的形态进行过研究，主要可 以分为垂下根型、斜出根型、水平根型。垂下根型分为浅根型、中间型、深根型： 水平根系分为分散型、中间型、集中型根系。 1 2 4 1 关于根系形态和垂直方向根系密度的研究 张国盛( 1 9 9 9 ) 1 0 9 、张宇清( 2 0 0 2 ) 1 l o 等人通过对毛乌素沙地臭柏、刺槐 研究认为根量和直径分布特征立地条件及土层深度而异。n i e o l l 等研究表明根系 的垂直分布受地下水位高低的影响；张宇清等人通过对梯田埂坎红柳根系特征研 究发现，阴坡埂坎红柳根系的水平分布范围远大于阳坡，吸收根所占比重较大， 根系的生长发育状况明显优于阳坡。j a c k s o n 、h o f f m a n n a ( 1 9 9 6 ) 1 1 1 在研究中认 为，林木一般在苗期就可以达到根系垂直分布的最大值，刺槐的根系分布在4 年 时就可以达到3 7 m 的深度。c o i l e ( 1 9 9 6 ) 1 1 2 】研究证实，尽管根系密度随着年龄 的增大而增加但是在一定年龄就可以达到水平分布和垂直分布的极值。翟明普 第一章砌块加筋挡土结构研究综述 ( 1 9 8 2 ) 1 1 3 、刘春江( 1 9 8 5 ) 【1 14 】、方志伟( 2 0 0 1 ) 1 l s l 等认为不同的混交方式 对植被根系也有较大的影响。德国的h i l d e b r a n d ( 1 9 8 6 ) 【1 1 6 】通过研究认为根系 发育明显与土壤的通气条件相关。k o r o t a e v ( 1 9 9 2 ) i l ”7 】指出，树木根系生长速 度与土壤密度成反比。许多学者对土壤结构破坏影响根系的生长和分布进行了评 述。 。 张劲松、孟平( 2 0 0 4 ) 1 l s j 等人研究认为在垂直方向上根系主要集中在0 - 1 m 土层内，密度随土层深度的变化，呈负指数函数分布。万素梅、胡守林( 2 0 0 4 ) n g l 研究认为：不同苜蓿品种根量、根径、侧根数均有较大差异，根系密度土层 深度的变化而减少。漆智平、r a oim ( 1 9 9 9 ) 1 1 2 0 1 等发现，象草和壮丽草两种根 系发达的热带草种的根系主要分布在o 2 0c n l 土层范围内，根量分别占总根量 的6 8 1 和5 7 7 。史敏华等对多种水土保持灌木的研究表明，根系主要分布 在o 4 0c m 土层范围内，主要吸收层在o 2 0c m 。陈洪( 2 0 0 3 ) 【l2 l j 等通过对 公路工程中多种植物的研究表明，香根草根系主要分布在0 8 0 e m ，芭茅主要根 系主要分布在0 3 0 e m 。 1 2 4 2 关于根系强度方面的研究 国内对植物根系受力作用下的变化也有所研究，刘国彬( 1 9 9 6 ) 【l 碉等报道 沙打旺、无芒雀麦应力一应变为对数函数关系，应变递增快，不符合胡克定律长 芒草、狗芽根，胡枝子、茵陈蒿遵从胡克定律。朱清科( 2 0 0 2 ) 【l 捌等研究表明 蛾眉冷杉、冬瓜杨根系受拉过程中为典型弹性断裂，杜鹃根系由于存在生理节理 表现为节理处断裂，这说明不同植物根系材料力学特征是有差异的，因此需要根 系发育的环境状况探求乔灌草根系力学性质。 史敏华等对林木根系抗拉试验满足幂函数关系；程洪( 2 0 0 2 ) 【1 2 4 i 在香根草 等暖性草本植物根系的抗拉试验表明，香根草根系平均抗拉强度达8 5 m p a , 相当 于普通钢抗拉强度的1 6 香根草根径与抗拉强度关系满足幂函数关系。 h c n g c h a o v a n i c h d ，n i l a w e e r a ns ( 1 9 8 8 ) 掣1 2 5 】人认为；香根草的固土护坡效果 除了因为具有发达的根系外，还与根系直径有密切关系。香根草的根系直径几乎 都位于0 2 - 2 m m 之间，在根量相同的情况下，细根( 特别是直径 l m m 根系) 所占的比例越大，则它的抗张力越强。 植物根系增加土体抗剪强度，植物根系具有“加筋作用”。代全厚等通过试 验表明牛毛草地o 1 6 3 k g c m 2 ，天然草地o 1 1 9 k g c m 2 ，比农地o 0 5 8 k g c m 2 高。 杨亚川( 1 9 9 6 ) 通过试验证明节节草直径为0 6 m m 的根抗剪强度达2 2 3 2 m p a 为 l 级钢筋抗拉强度1 1 0 。 林木对土壤固结力大小决定于根系分布特征、根径、根的抗拉性等因素。 李绍才，孙海龙( 2 0 0 6 ) 0 2 6 1 等通过野外原位拉拔试验，结果表明；受根系构型、 受力单根的极限抗拉力及作用根系数量的影响，其单根极限抗拉力随根径的增加 河海大学博士学位论文 而增大，之间有很好的幂函数关系；随植物类型不同，单根的拉力一伸长率关系 不同，且极限伸长率随着根径的不同而变化。封金财( 2 0 0 3 ) 1 1 2 7 1 等认为土壤抗 剪强度的提高值丛完全依赖于根的平均抗拉强度z 和根的面积比( 4 ，a ) 。通 过对茅草根( 三= 4 9 c m ，d = 1 7 5 r a m ) 室内测定应力应变关系曲线，。根纤维2 2 根 的土体是对照( 无根) 土体2 倍，根的存在大大提高了浅土层( 日 l m 时，根的加筋作用逐渐减弱。 w a l d r o m ( 1 9 9 1 ) 1 2 8 提出数学模型，考虑到可变情况。弹塑性及延伸性， 根系对土壤抗剪强度增加值： ： a s ，= c ( 彳，a ) ( c o s o t a n 矿+ s i n 0 ) 式中：r 为植物根系平均抗拉强度；爿，a 为土壤截面中根系面积比；为 内摩擦角；0 为隔离线剪切变形角。 w ue ta l ( 1 9 9 9 ) 1 2 9 对剪应力模型分析，一定单位面积对应的根剪应阻力s ， 表示为： s ，= t ( c o s a + s i n a t a n 们 式中：r 为根系抗拉强度；口为根的倾角；i 为填土内摩擦角。 因此，评价s ，时需要评价r 和口值。最大拉力： t = 6 f a r 。 式中：艿，为抗拉强度；4 ，根的横截面积，该公式模型适用于根土交接面。 t 剪切阻力，用w a l d r o n a n dd a k e s i a n 表达式： 气= ( c j + 艿t a n 谚) a , d l t， 式中：c j ，谚为界面强度参数；万为正常力；d 为直径；丘根长度。拉力 与d 、。成线性的关系。 1 2 4 3 关于根系加固模型的研究 植被根系本身的抗拉、抗剪强度一般都大于土，在根系一土体摩阻力作用下， 可以提高土体的剪强度，具有固土护坡的功效。近年来，随着人们环保意识的增 强，生态护坡在工程边坡，特别是高等级铁路、公路路基边坡的防护方面也得到 了应用。 杨亚川( 1 9 9 6 ) 1 1 3 0 1 、封金财( 2 0 0 3 ) t 1 硼等认为根纤维提高土的抗剪强度主 要是通过根土接触面的摩擦力，把土中的剪应力转换成根的拉应力来实现的。范 兴科，蒋定生认为土壤抗剪强与土壤物理因素有关，土壤抗剪强度的增加归结为 植物根系存在的结果。根系在土壤中穿插能明显增大土壤的剪切强度，其中草本 植物根系密度大，须根多，单位须根，密度的剪切强度增加值是树木根系的2 3 倍。g r e e n w a y ( 1 9 9 9 ) 1 1 3 1 】概述了植被对斜坡的稳定作用，包括水力学机制和机 械力学机制，木本植物根系通过侧根、须根、缠绕加固土壤形成紧密层，垂直根 1 4 第一章砌块加筋挡土结构研究综述 锚固斜坡土壤增加滑动阻力，根系通过网络作用增加土壤受胁变条件下的抗剪阻 力。另一显著作用是增加粗糙度在抵抗变形时而不失去抗拉力。 程洪( 2 0 0 6 ) 1 3 2 等针对生物软措施的力学固土护坡作用进行了力学机制方 面的探讨，提出植物根系网固土力学机制模式的四个层次。程洪、张新全( 2 0 0 2 ) ”刎认为根系最大抗拉强度代表根系材料的受力潜能，可作为评判根系网的固土 刚性的一个有效指标，为利用生物软措施代替或部分代替工程措施的作用，固土 护坡防止土壤侵蚀及滑坡崩岸的灾害治理提供了力学理论依据。姜志强、孙树林 ( 2 0 0 4 ) 【l3 3 】等分析了植物生态固坡的岩土力学效应，即：深粗根系的锚固作用、 浅细根的加筋作用、植物根系对坡体渗流场的影响、植物系统对防止坡面水蚀的 作用。 李绍才、孙海龙( 2 0 0 5 ) i l 州等认为基质一根系复合体与岩体间的抗剪力主 要由摩擦力及生物作用力组成，抗剪强度随含根量增加而增大，表现出对数函数 关系；由于植物根系的存在，复合体具有了抗拉特性，其抗拉强度随含根量增加 而增大，存在较显著的函数关系。肖盛燮( 2 0 0 6 ) 1 3 5 等根据植被护坡作用机制 和应力、应变模式分析，建立加固作用力学模型，导出植物根系的抗滑力一般计 算式，并推导植物根系加固能力的计算式。赵志n 蝈( 2 0 0 6 ) 1j 3 6 1 、李绍才( 2 0 0 6 ) 0 3 7 1 等从植被生长的角度对边坡进行重新分类，研究了植被根系对边坡防护层的加固 机制，然后采用试验和数值模拟的方法，研究了工程初期和植被长成后边坡绿色 防护层的稳定性。 程龙飞，孙树林( - 2 0 0 5 ) 1 3 8 等通过对铰链式混凝土块铺面系统中种植香根 草护坡机理的研究，认为香根草具有较高的锚固力和抗剪力。根系在基土中盘根 错节，使基础土体成为土与草根的复合材料，草根可视为三维加筋材料，使土体 强度提高；更有利于护岸系统的稳定。 1 3 问题的提出 综上所述，砌体加筋挡土技术是一门新的土工技术，虽然发展迅速，但是目 前仍停留在设计、施工、测试有关的规范( 规程) 的建立和健全阶段，理论滞后 于实蹦1 2 4 1 。传统的分析方法建立在加筋土体的极限平衡理论基础上，即假设破 坏面、土工格栅从土中拔出或拉断来分析加筋土体拉力破坏或粘着破坏时的承载 力，无法描述砌体结构变形破坏机理本质。虽然在加筋砌体结构诞生的接近2 0 多年时间，国内外的科学工作者，做了不少有意义的研究工作；但总体上，人们 对其认识尚待深入，还有许多问题需要进一步解决。 ( 1 ) 砌体加筋挡土技术在我国近十年得到长足的发展，但是现有的用普通 混凝土砌块在实际应用存在着抗剪能力比较弱、不能适应各种复杂的地质和填土 条件等不足；迫切需要研制出一种抗剪能力较强、对各种复杂地质条件均普遍适 河海大学博士学位论文 用的、外观新颖的仿自然界岩石的砌块，并用其代替原来常规混凝土砌块构件。 ( 2 ) 墙后分层铺设的土工格栅对砌体结构回填区性状究竟产生什么样的影 响? 产生这些影响背后的力学原因又是什么呢? ( 3 ) 由于没有明确单层加筋砌体结构最大高度与影响因素的关系；面对某 一设计对象，往往不能正确的选择砌块、土工格栅和填土材料类型，优化设计加 筋砌体结构断面尺寸；导致了加筋砌体结构的失稳或者社会资源的浪费。加筋砌 体结构的临界高度与各影响因素具体是一种什么样的关系? 各因素的变化对单 层加筋砌体结构所能砌筑的最大高度究竟会产生多大的影响? ( 4 ) 从材料力学的角度，栽植根系对加筋砌体结构安全性究竟会产生什么 样的影响? 能不能在一定程度上增大加筋砌体结构的临界商度? 1 4 本文的主要研究内容及简要结论 本人在国内外前人理论和试验研究的基础上，通过自己大量的加筋砌体结构 工程设计实践，结合对加筋砌体结构性状的了解；对砌体单层结构所能砌筑的最 大及其影响因素进行了深入系统的研究。具体的研究内容及简要结论如下： ( 1 ) 国内首创一种新型的仿花岗岩空心砌块；该砌块独特的后缘结构使该 砌块构成的墙面自然构成1 2 。的墙面倾角；通过数值模拟、工程测试等研究手 段表明：砌块与格栅之间的连接强度与竖向压力间呈线性关系，连接强度能满足 实际工程的需要；新型砌块之间独特的后缘结构，改变结构力的作用方式；在砌 体结构的不同部位，均能提供足够的抗剪强度。 ( 2 ) 按照等强度和等间距两种加筋方式，数值模拟、对比分析了新型仿花 岗岩砌体结构的变形和受力性状；认为分层放置的土工格栅使填土区工程性质出 现呈层性，使砌体结构存在局部张性破坏；张性裂隙上下扩容、发展，使加筋砌 体结构可能出现拉裂一滑移、鼓出一滑移两种变形失稳力学模式。 ( 3 ) 根据加筋砌体结构受力性状及失稳机理，利用极限分析的基本原理， 推导出了适用于一般加筋砌体结构的临界高度的表达式。并利用复合形进重组方 法对加筋砌体结构的临界高度影响因素进行