（岩土工程专业论文）昔格达土高填方格栅路基沉降研究.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，限制刁i 均匀 沉降。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士，相应的研究成果却很少。本文的目的就是采取 现场试验、离心模型试验与有限元分析等方法研究昔格达土工格棚高路堤 的沉降问题，为设计和施1 j 提供依据。 论文首先分析介绍了加筋路堤沉降的理论和分析方法，总结了国内外 加筋路堤沉降的研究成果。为研究昔格达土工格栅高路堤的沉降，首先进 行了现场试验。通过在路堤中设置土压盒，获取路堤中原始水平和垂直土 压力，对比加筋前后路堤的土压力变化。然后进行了4 组离心模犁试验， 其中无格栅及有格栅的各2 组，通过试验研究了土工格栅对昔格达路堤的 受力及变形的影响。 为进一步研究昔格达土工格栅高路堤的沉降问题，利用有限元方法研 究边坡坡度、格栅间距等因素对昔格达填土路堤沉降的影响。有限元计算 中，土体是符合d u n c a n c h a n g 非线性弹性材料。 研究结果表明：土工格栅可明显改变路堤填土的应力状态，减小路堤 沉降量：路堤坡度越陡，格棚轴力越大，格栅所发挥的作用越明显：此外， 适当减小格栅的铺设间距，可使得路堤的沉降更小。 关键词：昔格达；土工格栅：现场试验；离心模型试验；路堤； d u n c a n c h a n g ：沉降；有限元分析 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s t r a c t x i g e d ai sas 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 l i 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 t i 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 lm 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 si ft h es p o i lc a nb eu t i l i z e 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 e o g r i d i sah i g hs 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 r i dp l a c e d i nf i l l i n gc a nr e d u c et h e u 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 y r e s u l t sh a sb e e na c h i e v e di nh i g h n l lg e o g r i de m b a n k m e n t t h ec o r r e s p o n d i n g s 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 yp o o r t h ea i mo ft h i st h e s i si st o s t u d yt h es t a b i l i t y o fh i g hx i g e d ag e o g r i de m b a n k m e n tw i t hi ns i t ut e s t ， c 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 o s e r v e rt h e d e s i g n a n d c 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 es e t t l e m e n to 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 o s t u d y t h es e t t l e m e n to f h i g hx i g e d ag e o g r i d e m b a n k m e n t ，i ns i t et e s ti n c l u d i n gt w og r o u p sw i t hg e o g r i da n dt h eo t h e rt w o w i t h o u tg e o g r i dw a sm a d e ，v e r t i c a la n dh o r i z o n t a ls t r e s sw e r em e a s u r e dw i t h p r e s s u r es e n s o r s ，w i t ht h er e s u l t s ，t h ei n f l u e n c e so fg e o g r i do nt h es e t t l e m e n t o ft h ee 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 tm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c e so f t 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 eo ft h e e m b a n k m e n to nt h es e t t l e m e n to 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 u n c a n - c h a n gm o d e lw a se m p l o y e df o rt h ef i l l i n gs o i l t h er e s u l t ss h o wt h a tt 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 t i si m p r o v e db yt h eg e o g r i do b s e r v a b l y ，w h i c hw i l ld e c r e a s et h es e t t l e m e n to f e m b a n k m e n t m o r e o v e r , t h ea x i a l f 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 t s l o p e b e c o m e s t e e p e r f u r t h e rm o r e ，t h e s e t t l e m e n to f e m b a n k m e n tw i l ld e c r e a s ew h e nv 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 d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 b e c o m e ss a m l l e r k e y w o r d s ：x i g e d a ：g e o g r i d ：c e n t r i f u g a l m o d e lt e s t ：i ns i t ut e s t ：e m b a n k m e n t ： d u n c a n c h a n g ： s e t t l e m e n t n u m e r i c a ia n a l y s i s 西南交通大学 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d ，使用本授权书。 ( 请存以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期： b 7 1 。乙s 小船棚签名彩、蜘泣 日期：刎。7 2 ， ) l t 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所晕交的学位论文，是存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。 本学位论文的丰要创新点如下： ( 1 ) 存a n s y s 有限元计算分析中，成功修正并实现了d u n c a n c h a n g 模 型。 ( 2 ) 根据有限元计算结果、现场实验结果以及离心模型试验结果系统 的讨论了有无格栅、格栅铺设间距、路堤坡度对路堤沉降的影响。 论文作者c 签名， 1 33 54 1 20 0 93 1 50 0 5 电站 1 2 1 54 64 2 30 1 23l0 0 4 冕宁大 0 8 5 1 1 83 4 5 3 30 0 0 23 20 0 0 7 0 7 5 1 3 52 6 13 l0 0 4 32 50 0 4 桥水库 0 5 1 1 83 2 33 9 90 0 7 73lo 0 2 滩电 o 30 5 2 02 6 30 0 2 9 站 o 30 5172 90 0 2 据第十九冶金建设公司建筑研究所有关资料：存评价昔格达滑坡的稳 定性时，建议采用昔格达边坡产生滑动的临界抗剪强度作为验算依据。其 i 临界抗剪强度值为矽= 3 9 。，c - - 4 9 1 2 9 4 3 k p a ，且c 值绝大部分小于9 8l k p a ，推荐地基容许承载力如表1 2 所列。 表1 - 2 昔格达土地墓承载力及模量建议值 岩土工程状态 容许承载力( 尺) 变形模量( e ) ( k p a )( m p a ) 粘土岩及粉( 细) 砂岩瓦 天然2 4 5 3 9 2l9 6 2 2 9 4 3 层 浸水1 9 6 2 4 51 4 7 1 9 6 2 彭盛恩i8 l 存昔格达土作为筑坝土料特性的研究中，分析论述了昔格达 组粘土岩、昔格达细砂岩、昔格达混合粗粒土的物理力学性质，昔格达组 细粒粘土具有干容重小，强度低的不良工稗性质( 浅黄色、灰白色、肉红 色粘土岩天然含水景国= 2 5 4 0 ，干容重y 。= 1 2 , - - 1 5 k n m 3 ，粘粒含量 4 0 7 0 ，极限抗压强度通常在5 1 0 m p a 。 围绕西攀高速公路，大量研究者对昔格达作了很有成效的研究。 文丽娜1 4 0 j 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 刁i 稳定四种边坡类型；采用有限元法对四种典型代表性边坡进行了变形及 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 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。 向贵府f 4 l 】通过大景的室内及现场试验，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。 向贵府1 4 2 j 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p d m a x 、压实度及c 、c p 值都与含水量存在一致的相关性，即 存在一个最优含水量，这个最优含水辱l = 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。 王毅1 4 3 l 对昔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一变形模量值标准，实行双重摔制标准，而 对于昔格达地层这种混合填料，为获得较大的模晕值，应控制填料中泥岩 的含量。 胡涛1 4 4 l 在大量现场调查、室内外试验资料基础l ，详细研究了昔格达 填料的 ：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”对路基模景值的 影响；研究了回弹模革与路基压实质量指标间的关系，给出了不同压实区 间列应的模量值。 周杨【4 5 j 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 的直剪一拉拔试验仪，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、格栅形式对筋一土界面抗剪强度的影响。 向科【4 6 l 以西攀高速公路k 4 9 + 7 6 0 一- - - k 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_ t 格栅的作用效果进行了分析和研 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 究。 刘惠军【4 7 1 认为昔格达地层的形成和西南季风的产生有关，同时昔格达 填料本质上是一种混合填料，泥岩和砂岩这两种物质含萤不同和含水状态 不同对昔格达填料的压实指标影响很大，同时由于沿线性质的变化，对于 昔格达填料的压实指标应实行动态取值。刘惠军还提出了主压实和次压实 的概念，这两种压实的存在，决定了其压实方式，他通过试验确定了昔格 达填料的主要碾压工艺为先强振后弱振动，这是与规范不相同的。王毅1 5 3 j 通过现场试验以及有限元分析也进行了有效的研究。 1 3 高填方路堤的变形 变形问题一直是公路路基研究解决的重要问题。高路堤自重应力大、 廊力水平高，由填土自身压缩产生的沉降较为可观，过大的沉降会对公路 的路基本身及路面结构产生危害，尤其是对于高速公路，其变形控制的要 求更高，因此世界各国历来十分重视对路堤沉降变形计算的研究。填方路 堤变形问题通常包括路堤的变形监测、变形计算和预测路堤沉降量等主要 问题。 1 变形监测 岩土体的复杂性决定了原位j | f 测试验的重要性，工程知识和经验的积 累存相当程度上来自对嗡测资料系统分析，它也是验证一切理论和计算成 果的重要手段。豁测试验的主要目的是为了获得路基的位移变形等数据并 用以研究路基的窄间状态与时间特性，试验一般由“内观”和“外观”两 部分组成，“外观”主要观测高填方地基的外形和相关部位的水平位移、 垂直位移和倾斜位移等。水平位移观测丰要有监测网法、导线法、交会法、 激光准亩和摄影测量等方法。垂商位移观测丰要有几何水准法、电磁波测 距三角高程法、弦矢导线法、激光交会法和虑用沉降仪、垂直化移计等方 法。倾斜位移采用测斜仪观测。“内观”主要观测高填方地基的土压力和 孔隙水压力等，一般用专门仪器观测。高速公路、一级公路、铁路一般进 行二等或二等以下的水准观测，设备主要为水准仪、经纬仪、分层沉降仪、 电磁式分层沉降仪、垂直变位仪、垂直相对变位仪。 2 变形计算 随着高速公路的逐步发展，国内外工程界对公路沉降变形问题的研 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 究正逐渐增多。目前土力学提供的沉降变形计算方法主要分三类：第一类 是经验系数校正法，采用这种方法是出于对土的复杂性以及理论分析结果 不可能有很高的精度的认识。这种方法用固结沉降乘以沉降系数来计算总 沉降。第二类是仿真计算分析法，这种方法既看到了土的复杂性，同时也 考虑到了现代工程对设计质量要求得提高，存计算模式和计算手段上不断 改进，尽可能减少对各种条件的简化。第三类是反演预测分析法，即通过 测量工程已经发生的沉降变形，采用一定理论进行分析，预测最终的沉降。 ( 1 ) 经验系数校正法 最典型的经验系数校正法是为分层综合法，即将地基土划分成若干 层，用矿p 曲线或压缩模景计算求出每一层地基的固结沉降，然后将各分 层的压缩量加起来求得压缩总量，再乘以沉降系数来计算地基的总沉降。 此法简便易行，计算参数容易确定，其固结沉降计算公式为 j ：聊y 地忽 智l + e l ， 式中：e l j 第l 层分层中点存自重应力作用下稳定时的孔隙比； e ，；第i 层分层中点在自重应力和附加应力作用下稳定时的 孔隙比； 矗第i 层厚度； 耵一经验沉降系数。 沉降系数m 的取值与地摹条件、荷载强度、加荷速率等因素有关，国 内有关规范根据自己的情况给予相应的规定。 我国的现行公路规范将沉降分为主固结沉降& 、瞬时沉降瓯和次固结 沉降，总沉降为三者之和。三种沉降的计算方法以及公式存各种土力学 教材中均有详细介绍，这里不再赘述。 ( 2 ) 仿真计算分析法 仿真计算分析法，考虑了土的复杂性和现代工程设计对设计质量要求 的提高，存尽可能减少简化的基础上，采用不同的本构模型仿真土体的实 际受力状态，如条分法、有限元法、边界元法等。 何兆益、周虎鑫研究了山区高填方土石混填路基的沉降变形，认 为土石混合填筑料的变形主要是自重应力作用下的变形，至于汽车荷载作 用，由于动荷载的瞬时性，对沉降的影响较小可以忽略。邓卫东i 4 9 l 采用非 线件弹忡的d u n c a n c h a n g 模型对山区高路堤存地基或堤身不同层化实施 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 换填或处治、施工数率等因素列路堤稳定和沉降的影响进行了计算分析， 认为当路堤较高或土体强度低，基底较平坦的情况下，通过固结增强路堤 稳定性可获得更为满意的效果，换填中间层位时可有效减少塑性区的产 生。郝传毅1 5 0 l 计算分析了轻型压实标准路堤的自身压缩量，用 d u n c a n c h a n g 模犁对于难以达到重型压实标准要求的湿粘士进行了模拟， 在计算机程序中使用了既节省内存又提高精度的单元形式，并对 d u n c a n c h a n g 模型在实际中的应用提出有益的建议。王志亮i 6 0 1 等采用了 无单元法计算路堤沉降也取得了比较好的效果。 ( 3 ) 反演预测分析法 反演预测分析法是在实测路基沉降变形值的基础上，采用一定的预测 模型实现路基沉降变形的趋势，从而预测出路基可能达到的沉降变形极 值。如张吾渝等【6 2 j 认为考虑软土次固结作用对沉降的准确预测是十分必 要的，次固结沉降约占总沉降量的3 0 。若考虑软土的非线性和结构性等， 则待反演参数较多，很难保证参数解的唯一性和稳定性。实际工程应用中， 随着观测信息量的不断增加，反演预测分析结果的可靠性不断提高。赵俊 明等【5 6 l 根据现阶段实测资料，采用泊松曲线模型和灰色模犁进行预测。杨 涛等1 5 7 1 建立了基于函数干涉神经网络的公路软摹沉降预测模型，并通过工 程实例，表明该模犁外延件好，可以由较短预压期内沉降观测资料预测远 期沉降发展，与现有沉降预测模型相比具有碌著的优越性，工程应用前景 广阔。谭昌明1 5 3 i 认为尽管目前对软土变形的计算理论和试验手段都有了较 系统的研究成果，但由于软土性质极为复杂，预测分析中不可避免地存在 各种不确定因素，因此，其结果仍与实际存在较大的蒡异。该文根据实际 观测值( 沉降、孔乐和侧向变形等) 与相应计算值，应用最小二乘原理建立 目标函数，利用数学规划中的直接优化算法，通过寻优的方式获得待反演 参数的最优估计。利用这些反演所得参数可以进一步对软土地基后期沉 降、孔压等作出更为精确的预测，以指导和摔制施工。为满足反演参数解 的适定性( 存在性、稳定性和唯一性) ，该文相应提出了动态反演预测分析 法和针对多层软土地基的分层迭代反演综合预测法，工程实例分析表明， 这些方法是可行的，具有实际应用价值。钟才根1 5 4 1 构建了运用实测沉降一 时间过程进行沉降预测的神经网络模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 论文的研究内容与技术路线 1 4 1 研究目的 西攀高速公路沿线广泛分布着昔格达极软岩地层，共开挖近百万方的 昔格达岩，如果利用昔格达岩作路基的填料，刁i 仅可为本工程节省投资， 还可为西攀地区乃至其余地区昔格达填十的应用积累经验。成昆铁路建设 及现有低等级公路的工程经验表明，昔格达填料的路基易发生下沉变形， 路面开裂，路基失稳等病害。为充分利用昔格达弃土，尝试以土工格栅作 为加筋材料，保证路基的稳定性，降低其沉降晕。本文研究士工格栅对高 填方路基沉降变形特性的影响，为类似工程的设计和施工提供理论依据。 1 4 2 技术路线 1 在西攀高速公路k 4 9 + 7 6 0k 4 9 + 8 2 0 设立现场试验段。其中， k 4 9 + 7 6 0 - - - - k 4 9 + 7 8 3 段布置土工格栅，布置2 个量测断面：k 4 9 + 7 8 3 k 4 9 + 8 2 0 段不布置土 - ：格栅，亦选2 个量测断面。 布置沉降标、土压盒、测斜仪等量测填土路堤的水平位移、沉降以及 土压力值。 2 通过离心模型试验来研究土工格栅与昔格达路基的变形、受力及稳 定性，对加筋和未加筋两种情况进行变形、受力与稳定性分析。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，分析路堤竖向位移 变化规律，研究加筋对路堤竖向位移的影响。 3 应用a n s y s 大型有限元软件，计算加筋和未加筋模型时路基沉降 的分布规律，研究格栅铺设间距以及坡度变化对沉降的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章土工格棚高填方路基研究现状 2 1 土工格栅及其应用 。 土工格栅是上世纪8 0 年代开发的一种新型十工合成材料，由聚丙烯 或聚乙烯高分子聚合物存一定温度下，经过压延、冲孔、纵向拉伸( 使高 分予聚合物的分子链定向排列，达到提高抗拉强度的目的) 、冷却定型等 工艺过程制作而成的片状网状结构物。根据材料的刁i 同，分为颦料土工格 栅、涤纶纤维绎编土工格栅和玻璃纤维经编土工格栅等类犁。土工格栅具 有加筋、抗变形、压实、排水等作用，被广泛用于各类工程。 2 2 土工格栅的特性 1 结构特性 土工格栅呈网状结构，如图2 1 所示，孔与孔之间有肋条和结点构成， 肋条是经过拉伸取向的高分子材料，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p h 力作用；它的栅肋较粗，强 度高，不易发牛网眼断裂、抗冲击性强，从而能大大提高抗尖石刺破能力； 网孔尺寸稳定性好，对粗粒土有较强嵌锁作用及拱效应，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构的特点， 能与土体颗粒形成非常有效的咬合和互锁作用，形成网兜效应，其加筋整 体效果更加明显。 横肋结点 单向土工格栅 双向土_ 1 ：格栅 图2 i 塑料土工格栅 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 力学特性 土工格栅由于制造过程中经过了定向拉伸，使聚合物具有较大的取向 度，因此大大提高了其拉伸强度( 比未拉伸前可提高5 1 0 倍) ，而伸长率 去| 】仅为原板材的1 0 - - 一1 5 ，图2 2 为几种材料的拉力一伸长率曲线。土工 格栅存土中的抗拔力因格栅与土体之间的摩擦咬合力增大而显著增大( 见 图2 3 ) 。由图2 3 可知，塑料土工格栅的抗拔力远高于钢带和土工织物。 3 耐候性及耐久性 土工格栅的主要原料是聚乙烯或聚丙烯，并存其中加入稳定剂、抗氧 剂、紫外光屏蔽剂等。研究发现，两者对酸、碱、盐等都异常稳定，因此， 塑料土 ：格栅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塑料平面网材，易于现场裁剪、 连接( 可用聚乙烯绳或连接棒连接) 和重番搭接，便于现场施工。 自 委4 0 套3 0 趔 2 0 1 0 oo 延伸率( ) 图2 2 几种材料的强度一延伸特性 2 3 加筋结构沉降计算研究现状 土工合成材料的存在将限制土的侧向变形，改变土体受力状态，从而 影响路堤的沉降。王铁儒i 3 6 l 把油罐地基下的加筋挚层当成以砂石为基质， 土工合成材料为增强体的层合板，采用弹性地基上的薄板理论来计算挚层 的变形。俞仲泉1 6 3 l 从土工织物约束土体水平位移这一点出发，采用分层 总和计算法计算沉降，但这一结果彳i 需要乘以地基中的综合修正系数，就 可以作为加筋堤坝的沉降量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 垂直正压力( k p a ) 图2 - 3 几种材料埋设在土中的抗拔力 采用虎克定律求出应变然后用图解法积分得出沉降，计算中织物上、 下加固范围内的土体指标e 、口由三轴试验确定，此范围以外的土仍用原 来的指标，但是这种算法会引起地基附加应力的变化。 关于土工织物加筋挚层对堤坝的沉降的影响，目前有两种观点：一种 认为加筋对减小地基沉降无效，或不明显；另一种看法认为加筋能够有效 地减少地基的沉降量。两种意见都有实测数据或者有限元计算结果证明 它。徐少曼1 3 8 l 通过多项- 1 ：程的实测数据对比发现，堤底宽度小的工程，加 筋后地基的沉降量都有所减少，而垫层宽度大的 ：程的沉降量没有减少， 可见加筋效果存在着尺寸效应，这是由于实际工程中由于使用要求对沉降 有所控制，不可能出现非常大的沉降，因此当堤底宽度较大时，土工合成 材料的应变较小，同时堤底宽度加大，荷载扩散效果就越来越差，土工合 成材料的加筋效果就不太明显。 加筋对沉降的影响与很多因素有关，如工程的尺寸，筋体本身强度特 性，加筋层数和高度，地基十体的性质，软土层的厚度，填土高度等，所 以对沉降的分析要综合考虑各种因素。 相对而言，加筋路堤的沉降计算方法研究很少，目前没有成熟的方法。 现有的方法基本都集中存有限元方法研究这一块。 2 4 加筋结构有限元计算研究现状 有限单元法是近代计算中用于分析问题的重要于段之一。它最大优点 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 在于计算过程中可以计及土性变化，施 ：进程以及复杂的边界条件等，而 - 日甫邑够给出存施工期间以及运行期间的应力、应变演变的全过程。一般可 将其分为两大类：一类是利用目前有限的计算结果对土工合成材, , - u j t l 筋机 理进行探讨；另一类利用有限元计算结果弓常规结果进行某种比较，由此 来找出供工程使用的合理计算方法。这样可以提高计算精度，全面考虑到 土工合成材料的作用。 目前，在加筋路堤有限元数值模拟中，对于加筋筋材、填料以及筋材 与土体之间界面接触的处理上有许多不同的方法。如对于加筋筋材、填料 的处理归纳起来有以下三种主要思路：将筋材和士分开来考虑，土与筋 材之间设立接触面单元；把加筋土看作一个整体，作为复合材料；等 效附加应力的概念，把筋材的作用等效成附加应力作用在土骨架上，加筋 土整体当成素土来计算。而在加筋筋材与土体之间接触面的处理二e 大致都 归于g o o d m a n 单元一类的接触模型来考虑。 分离式的分析方法概念清楚，但是它的最大困难在于土与筋材之间界 面性质的模拟，目前的这些方法仍然难以正确评价加筋的效果，土与加筋 材料之间的相互作用机理还有待我们进一步的研究。而且当加筋层数很多 时，这种分离式的方法会显得非常复杂，应用起来不太方便，精度也难以 保证。复合土体分析法一般可以通过微观研究和宏观分析来得出加筋复合 体的应力应变关系。然后根据实验室中的应力应变关系直接应用于实际工 程的计算中去，不过由于加筋土体是各向异性的，同时又不是均质的，还 存在着尺寸效应，所以这种方法计算的结果通常情况下并不准确。文献 【3 9 】、【2 0 】认为加筋的作用等于提供一个等效附加应力的作用，文献【3 9 】 用这个等效附加应力a c t ，来修正d u n c a n c h a n g 模型中的切线模量公式， 即原模型公式中的吼用皿+ 叽来代替而其他公式和参数均保持不变。 文献【2 0 】的做法是将等效附加应力作为外力施加于土体，就不考虑土工 合成材料的存在，并用原土体的模型和计算参数计算，这种计算方法显得 较为简便。 但要把有限单元法应用到加筋路堤机理研究中，还要考虑到许多方方 面面的因素，这其中包括选用合理的模拟加筋的作用，合适的本构模型等。 对土工合成材料加固机理方面的研究在有限单元法上仍旧可以做更深入 的研究。尽管前人已经做了许多的尝试，但目前的分析方法仍旧难以真确 评价土丁合成材料的加固效果，分析的结果与在实际丁程仍旧有较大的出 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 入。因此如何将理论与实际联系在一起是目前的关键 第3 章昔格达高填方格栅路基的试验研究 3 1 工程及试验概况 现场试验选择神西昌攀枝花高速公路c 2 合同段k 4 9 + 7 6 0 k 4 9 + 8 2 0 ，地处德昌县乐跃镇沙坝利一组，左临安宁河与1 0 8 国道，右邻 成昆铁路。该段处于r = 5 0 0 m 的曲线段，路基( 中心线) 标高为1 2 8 72 2 一一 1 2 8 6 4 4 。试验段所用昔格达填土来自k 4 9 + 4 0 0 k 4 9 + 6 4 2 的路堑挖方 段，其最大挖方深度约3 0 m 。地质勘察结果表明，该处为一滑坡残留休， 其中的昔格达岩属粉砂质泥岩，深灰色，矿物成分以粘士矿物为主，长石、 石英等次之，钙泥泥质胶结，粉泥质结构，薄层状构造，层中产状平缓， 裂隙不发育。岩质极软，失水易开裂，饱水易软化。图3 1 所1 i 为开挖后 的昔格达土层。 圄3 一i 营格达岩升挖路堑( 试验段填土的取科场】 粒径分析试验结果表明：取自该昔格达土层的填土的砂粒含量多在 2 53 3 5 2 之间，部分填土可至4 7i ：粉粒及粘粒含量在6 1 8 6 8 5 之间，或低至4 33 。 由液塑限联合测定仪测得大部分填土的液限在3 2 8 4 09 之间， 塑限为2 0 6 2 4 9 ，塑性指数1 0 9 1 6 3 ，属含砂低液限粉土( c l s ) 或 低液限粉土( m l ) ，部分填土的液限3 4 ，塑限2 55 ，塑性指数8 5 ，属 含粉土质砂( s m l 。 重型击实试验结果表明，大多填土的最大干密度为1 6 6 1 7 8 9 e r a 3 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 最优含水量1 6 1 1 8 5 。 用于填土的昔格达土层的天然含水量多存2 6 3 0 以上，远高于最 优含水量，故施工时，需先虚铺，然后进行晾晒，至最优含水最后再进行 碾压。 试验段路基所用土工格栅为重庆九地公司牛产的j d 单向颦料土工格 栅，型号为t g d g l 0 0 k n m 。格栅沿路摹高度方向的间距为0 9 m 。 3 2 现场试验 3 2 i 试验方案 试验段为k 4 9 + 7 6 0 - - - k 4 9 + 8 2 0 ，共计6 0 m ；其中，k 4 9 + 7 6 0 k 4 9 + 7 8 3 段布置土工格栅，布置2 个量测断面：k 4 9 + 7 8 3k 4 9 + 8 2 0 段不布置土工 格栅，亦选2 个量测断面。 从理论上讲，与无格栅路基相比，格栅路基应有更高的整体强度，因 此从工稗的角度考虑，其路基应做成坡度更陡的边坡。但从研究的角度看， 将格栅路基与无格栅路基设计为相同的断面形式，更便于分析比较。 各量断面的量测内容见表3 1 及图3 2 ，测点沿半边布置。其中： 水准点：量测路基项部沉降。 沉降标：量测路基底部( 地暴表面) 沉降。 测斜管：量测路基水平变形，研究格栅对横向变形的约束能力。 土压力龠：量测土体中竖向和水平应力分布。 表3 i 各骨= 测断面景测元件布置 有格栅段无格栅段 截面位置 ( k 4 9 + 7 6 0 k 4 9 + 7 8 3 )( k 4 9 + 7 8 3 k 4 9 + 8 2 0 )合计 7 7 2 5 7 7 57 9 7 5 8 0 0 水准点 44441 6 测点类 沉降标44441 6 型 测斜管44441 6 + 压力盒 2 62 65 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 b3 0 0 0o4 0 0 0o4 0 0 0l 11 1 1 。订 可可 童 i 一厂广i 一， 地士幽士婴， 善 一l 一卜 i ， 7 7 0 0 07 0 0 0 。 d 0 0 。 7 0 0 0 ，o o o i 一 一 i i 一 ， - 一 - 一 r 。 量 、i 不一。，1 、 ，、 厂r 、，1、 u 一，jv， 、 l 1 0 0 0 0 ， 9 0 0 0 l 9 0 0 0 ， 测钢管黼黼测瀚 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 ， 1 1 0 0 0 ， 图3 - 2 测点位置示意图 3 2 2 测试元件及其布置 1 沉降标 底座为3 0 0 m m x 3 0 0 m m 厚度l o m m 的钢板，标杆外套p v c 管，以与 填土隔离。埋设时，底座置于地基并使其底面水平，之后，随填土的加高 逐渐接长标杆和套管。 2 测斜管 为中国水利水电科学研究院工程安全监溅中心生产的铝合金测斜管， 直径7 1 h e n 。安装时，先用地质钻机在地基上成4 m 深的钻孔，再放入测斜 管，用水泥砂浆将管与周围土层间的空隙填密实。之后随填土的加高逐渐 接长。 3 压力盒 土压盒为丹东虬龙仪表厂生产的j x y - 4 双膜土压力盒。埋设应在设计 高度之上的一层土已填好并碾压密实后进行。获得准确可靠数据的关键在 于要保证压力盒与周围土体密切接触，而且埋设压力盒后的回填土的密实 程度要与填土原来的密实程度一致。埋设时，先在压密的填土上挖坑至设 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 计埋设高度，坑的大小应保证压力盒边缘与坑壁至少有2 倍的净距。测竖 向压力的压力盒麻放置水平，测水平压力的压力盒的膜面应与线路纵向平 行并朝向路基中心。安放好以后，分层回填七并用手工充分夯实，如图3 3 所示。 3 2 3 量测结果及分析 图3 - 3 水平，峰向埋设的土雎盒 由于种种原因，该段路堤的填筑过程长达近2 年，图3 4 所示为其填 筑过程。存此过程中，所埋设的沉降标及测斜管遭到严重的破坏，无法获 得有效数据。以卜主要给出土压力的量测结果并列其进行分析。 图 3 - 4 路基填方过程 图3 5 所示为土压盒存路基中的布置位置，其中无格栅量测断面的里 程为k 4 9 + 7 9 75 ，有格栅段量测断面的里程为k 4 9 + 7 7 25 ，每个断面共 1 3 个测点，2 6 个土压盒。除1 3 测点外，两断面各测点的位置相同。此外， 6 4 z o 8 6 4 2 0 ) 趟卧刊群 n 卜。巾土h o 竹2 心o1 1 心。蚺o 一o 世，伽，口o，o o啦-口。竹o o心o o心寸o oo o啦n o土o 曲n d 竹。时，1 1 心om ，o h o 僻( 1 幛o噼。吼卜o旧o 心。心吩心。旧呻o 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 在k 4 9 + 7 7 2 5 截面的测点4 损坏，未得到量测数据。 图3 - 5 士压盒布置示意图( - k 度单何：m m ) 图3 7 、3 8 为无格栅截面的土压力一时间曲线；图3 - 9 、3 1 0 为有格栅 截面的七压力一时间曲线。可以看出： 1 从整体上看，竖向、水平土压力随填士的过程而变，填士停止后， 逐渐趋于稳定，具有较好的规律性。 2 由图3 5 可知，自2 0 0 6 年6 月以后，约有半年时间未填土，将士压 力一时间曲线与之对照可以看出，土压力存填土停止后2 3 月左右基本稳 定，这与离心模型试验的结果相符( 见3 3 4 ) 。此外，竖向土压力较水平土 压力更易稳定。 3 图3 - 6 、图3 一1 1 分别给出了无格栅、有格栅断面中第l 层及第2 层 的土压力分布情况( 因最后一次填土后的土压力尚未稳定，故图中给出的 是自2 0 0 6 年6 月填筑后的土压力景测结果) ，可以看出，当填土中布有格 棚时，其水平土压力明显高于无格栅时的土压力，这与项目离心模型试验 的结果相同( 见3 3 4 ) 。 叶l1引引l上斟蚓o、d引q，l引引ji弋 圉3 _ 6 路基中土压力分布的比较( 第l 层) 圈3 71 托力一时间曲线( 无格栅t 灏点l 4 ) 州m扑硝州删叫叫萎萎= 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图3 - 8 十乐力叫问曲线( 无格栅+ 测点5 8 ) 图3 - 9 十压力一叫问曲线( 自格栅测点i 4 ) 图，j 。 一压力一时问曲线( 有格栅，测点5 嚣) 田3 - 1 1 路基中压力分布曲比较( 第2 屡) ( 无格相 徽i 芒彦r幽卅 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 3 离心模型试验 3 3 l 离心试验机 试验采用西南交通大学土工离，f i , 试验中心的离心机，其主要性能参数 如下： 虽大容量：i o o g t 离心机半径：摆动吊斗表面至主轴中心3 m 有效半释：载荷( 模型箱+ 模型) 重心至主轴中心27 m 加速范围：l o 2 0 0 9 最大载荷：( 模型箱+ 模型) 1 0 0 9 时为1 0 0 0 k g ，2 0 0 9 时为5 0 0 k g 模犁箱有效容积：0 8 ( 长) 06 ( 宽) 06 ( 高) m 3 ( 大) 0 6 ( 长) x o4 ( 宽) 04 ( 高) m 3 ( 小) 吊_ 摆甲后，吊斗底面至转臂端部的最大有效高度不小于i 2 m ，模型 箱分台界面采取密封措施，减少试样水分损失。并预留隔热条件。 加速度控制精度：o5 fs 加速度稳定精度：05 fs 4 h ：10 fs 1 2 h 3 3 2 丰要测试元件 试骑采用的位移传感器是北京鸿基点科技发展有限公司生产的 m d a 一2 系列直线位移传感器，如图3 1 2 所示。测杆形式为弹簧复位，量 程4 r a m ，精度0i fs 。 图3 一1 2m d a 一2 系列亩线位移传感器 土压力传感器是丹东市虬龙传感器制造有限公司生产的b y - 4 型+ 胨 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 力传感器，外形尺寸柳1 5 x 3 m m ，其中晕程为0 2 m p a 的6 只，量程为 o 4 m p a 的8 只。 3 3 3 模型设计 1 模犁比率 模犁比率取决于原型的大小、离心机的容量、模犁箱尺寸等因素，本 试验模犁比率n = 1 0 0 。 2 填_ 十材料 填土材料取自现场路基的昔格达填_ 七，经粉碎并由孔径3 m m 的筛子 筛过后，按最优含水量配制，填土路基模型采用9 0 的压实度。 此外，该路基铺设于安宁河岸孥实砂卵石层上，地基的承载力和刚度 较高，同时也为避免因模拟地基而使得路基模型尺寸过小，试验时将路基 直接置于模型箱底板之上。为模拟地基表面与路堤底面之间的摩擦力，在 箱底铺设0 2 m m 厚的双面毛面丙纶防水材料。 3 士工格栅的模拟 现场试验段所使用的士工格栅为重庆九地公司生产的j d 单向塑料土 工格栅，型号为t g d g l 0 0 k n m 。 考虑到本试验的目的，按应变相似来确定替代材料应满足的相似条 件，即 ( 占) 。= ( s ) 。 ( 3 1 ) 式中下标m 和p 分别表示模型和原型。 为选出合适的格栅相似材料，按应变值为2 来测定多种材料的拉力 值，最终选定一种绿色窗纱为替代材料。按竖向间距1 7 4 m m 布置，可满 足式( 3 - 1 ) 的要求。 测试元件的布置如图3 1 3 所示。路堤项部布置4 个位移传感器；路堤 内部布置1 4 个压力盒，其中7 个土压力龠测试水甲土压力，另外7 个测 试竖向土压力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 i z 鱼ql 一土压盒( 平放) l 土压翕( 立放) v 位移传感器