（岩土工程专业论文）土工带加筋碎石垫层的三轴实验与有限元分析.pdf

太原理 i 大学硕士研究生学位论文 合理的，结果是可靠的。有限元计算结果表明，与无筋复 合地基比较，加筋复合地基的承载力有明显提高，相同荷 载下沉降明显减小。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减小，软土地基面的土压力分布 也趋均匀，本文计算结果是两层加筋垫层加筋效果最好。 在原来计算模型的基础上，通过改变加筋垫层的宽度 和厚度等尺寸来预测加筋垫层的受力变形特性以及加筋效 果。通过模拟分析发现，在加筋效果方面，增加加筋垫层 的厚度比增加加筋垫层的直径更有效。为了提高加筋垫层 的刚度，使其对地基沉降的控制效果更为明显，可将加筋 垫层的厚度适当加大。 本文通过比较各相关因素对加筋效果的影响，从而探 讨土工带碎石垫层加固软土地基的机理，得到了一些有益 的结论，可指导工程实践。 关键词：加筋垫层，土工带，邓肯模型，a p d l 语言 太原理1 人学硕士研究生学位论文 m e c h a n l s ml sa n a l y z e d i h ec a l c u l a t l o nr e s u l ts h o w st h a tc h e s i m u l a t er e s u l t sa r ec l o s et ot h er e s u l t so fi n s i t ut e s c t h e p r o g r a mi sf a r e l ya c c u r a t e t h ew i d t ha n dh e i 曲fo ft h er e i n f o r c e dc u s h i o ni sc h a n g e d i no r d e rt of o r e c a s tm e c h a n i cp r o p e n i e sa n dr e i n f o r c e m e n t e f 琵c to ft h er e i n f b r c e dc u s h i o ni nc o n t r a s ct ot h ed i 恐r e n ts i z e s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w nt op r o v i d et h el h e o r i a lb a s i sf o r t h ee n g i n e e r i n g k e yw o r d s ： d u n c a n c h a n gm o d e l ，g e o b e l t ， r e i n f o r c e dc u s h i o n ，a p d l l a n g u a g e i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 土工合成材料及其工程应用 1 1 1 土工合成材料定义 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，是岩土工程应用的合 成材料产品的总称。它以人工合成的高分子聚合物为原料，将它们制 成各种类型产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，起到发挥改 善土体性能或保护士体的作用。大鼍的工程实践证明，土工合成材料 在工程上的应用可以加快施工进程，节约工程投资，取得了明显的经 济效益和社会效益。 1 1 2 土工合成材料分类 土工合成材料的种类繁多，早期主要有透水的土工织物 ( g e o t e x t i l e ) 和不透水的土工膜( g e o m e 曲r a n e ) 硬类。近十年来， 大量其它类型的土工合成料纷纷涌现，如土工格栅、土工网等( 见图 卜1 ) ，已超出了前面两种分类范围了。参照中华人民共和国国家标准 土工合成材料应用技术规范( g b 5 0 2 9 0 一9 8 ) 将其分为如下四类： ( a ) 土工织物：土工织物属于透水的土工合成材料，以前叫土工 布，所用的原材料一般为丙纶、涤纶或其它合成纤维。 ( b ) 土工膜：土工膜属于相对不透水的土工合成材料，所用的原 材料有沥青矛n 合成聚合物，为了提高劲度和降低造价还要有定的填 充料和外加剂，填充料有矿粉和聚合物粉末等。外加剂包括增塑剂、 太原理工大学硕士研究生学位论文 抗老化剂、抗菌荆、各种稳定剂等。 ( c ) 特种土工合成材料：特种土工合成材料指土工织物和土工膜 以外近十几年来研制的新型土工合成材料，能够更好地满足岩土工程 的要求，如土工格栅、土工席挚等。 ( d ) 复合土工合成材料：复合土工合成材料是由土工织物、土工膜 和特种土工合成材料的两种或两种以上材料复合而成的土工合成材 料，如复合土工膜、复合排水材料等，可以发挥各种材料的优点，更 好地满足工程的需要。 ( a ) 土工织物( b ) 土工格栅( c ) 土工网 图卜1 常用的土工合成材料 f i g 1 - 1g e o s y n i h e t i c su s e dw i d e l y 1 1 3 土工合成材料的作用 土工合成材料的广泛应用与其功能多是密不可分的。综合起来， 土工合成材料有六种基本功能。 ( 1 ) 过滤作用 把土工合成材料置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止 土颗粒通过，从而舫止出于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。同 时允许水或气体穿过织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造 成土体的失稳等不利后果。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 采矿和军工等领域，其种类和应用范围还在不断发展充实。土工合成 材料除了以上提到的六大主要功能外还有约束和减载作用等。在实际 工程应用中，往往是一种功能起主导作用，而其它功能也相应地不同 程度地在起作用。其实使用土工合成材料最显著的目的就是两个：一 是使工程更加安全可靠，二是节约工程成本，使其更加经济。 1 2 加筋土技术简介 1 2 1 加筋土的定义 加筋土是一种在土中加入加筋材料而形成的复合土。土体具有一 定的抗压和抗剪强度但其抗拉强度很低。加筋技术就是在体中按 定的方向铺设具有较高拉仲模量和抗拉强度的筋材，从而增强土体 的稳定性，提高土提强度和抵抗不均匀沉降以及限制水平位移的能力 1 2 2 加筋土结构 加筋土技术应用于工程结构中形成加筋土结构。加筋土工程有各 种类型和形式，按其工作性质和设计计箅理论假定，可分为加筋土挡 墙、加筋土边坡、加筋土地基。其中，加筋土地基按使用用途又分为： 加筋路基、加筋堤基和加筋地基。有一些学者认为加筋支挡结构和加 筋陡坡在作用机理及分析方法上是极为相近的，可以归结为一类，即 把加筋支挡结构看作是加筋陡坡坡度角为9 0 ”的特例；而软土地基加 筋则应视加筋机理的不同而区分为：软土地基加筋堤( 包括路堤、海 塘、灰坝等) 、软土地基上面铺砌道路加筋、软土地基加筋挚层、柔 太原理工大学硕士研究生学位论文 性路面加筋防护等。 在加筋土结构中，不管采用哪类加筋材料，有两点必须特别强调 和严格控制：是材料的变形和强度，二是材料的耐久性。 1 2 3 加筋土技术发展概述 在我国，加筋土技术的应用实际上已有悠久的历史，如民用建筑 掺入草筋泥壁，加入发丝等筋料抹墙面，或掺人草筋、发丝等材料筑 土墙：用草绳、柳条填筑路堤：在河滩河岸地段用梢捆( 树木枝条、 竹条等) 逐层填入土中以加固河岸或堤基。在道路工程中也常采用“加 筋土”，据有关资料称，在黄土高原地区修建的土桥，实际上是在填 筑过程中铺人姜石、草绳、乔本枝条的“加筋土”路堤，这种土桥可 历时数百年而不坍塌。据实测，有的土桥竟高达6 1 5 m 。遗憾的是， 祖先发明并使用了加筋技术，但却未加以总结，未形成系统的理论 和技术，故一直无较大的发展。“” 加筋土作为近代建筑技术加以研究和推广应用，则是近4 0 年来 的事。6 0 年代初，法国工程师亨利维达尔( h e n r i v jd a l ) 首先在 试验中发现，当土中掺有纤维材料时，其强度可明显提高到原有强度 的好几倍。1 9 6 0 年他根据三轴试验结果提出了加筋土概念，1 9 6 3 年 发表了他的加筋土研究成果并提出了设计理论。1 9 6 5 年在法国建造 了第一座加筋土挡墙，并获得成功，继而申请了专利( 1 9 6 6 一1 9 7 8 年) 。 1 9 6 7 一1 9 6 8 年在法一意高速公路尼斯一芒通段上将大量的传统结构 改用加筋土结构，墙的最大高度达2 3 m 。因此，有人将加筋土与钢筋 混凝土一样称之为“造福于人类的复合材料”。 日本对加筋土技术的研究和应用也比较早。在维达尔申请专利后 太原理工大学硕士研究生学位论文 的第2 年( 1 9 6 7 年) ，日本将该技术正式公布为“补强土工法”，并在 许多公路、城市道路、边坡等工程中广泛应用。在西班牙，1 9 7 1 年 建造了第一座加筋土挡墙，随后的发展和推广应用也相当快。美国 1 9 7 2 年修建加州3 9 号公路时开始使用，联邦公路局专门有班子从事 有关研究和应用工作，其推广应用和研究开发也相当快。其它许多国 家也先后使用和推广了加筋土技术，掘1 9 8 2 年发表的资料( 不完全统 计) ，世界上有3 7 个国家建成了大约5 0 0 0 多项加筋土工程，加筋土 程已从加筋土挡墙发展应用到桥台、护岸、堤坝、建筑物基础、铁路 路堤、码头、防波堤、水库、尾矿坝、储仓及核设施、军用设旋等多 个领域。在1 9 8 1 年第十届国际土力学及基础工程会议的科技水平发 展报告中认为，6 0 年代以来，岩土工程中重要新进展之一就是加筋 土和锚杆技术的广泛应用。 加筋土技术在我国发展和应用是在? o 年代末才开始的。 1 9 7 8 1 9 7 9 年云南煤矿设计院在田坝矿区建成了3 座仅2 4 m 高的试 验性加筋土挡墙，这也是我国的第一座加筋土挡墙。1 9 8 0 年又在该 矿区建成了一座长5 7 m 、高8 3 m 加筋土挡墙，建成后使用效果良好。 原设计墙顶储煤高度5 f f 【，储煤量2 0o o o t ，后因原煤外运中断，储煤 高度达1 3 m ，储煤量达7 0o o o t ，结果是挡墙完好。这说明加筋土挡 墙具有相当大的稳定性。该工程的成功引起了我国土木建筑行业的工 程技术人员很大的兴趣，随后在公路、铁路、水运、煤炭、林业、水 利、城建等行业和部门迅速发展和推广应用。1 9 8 1 年在山西晋城一 陵川公路线上建成了一座长8 1 7 5 m ，最高达1 2 m 的路肩式加筋土挡 墙。同年在浙江天台县清溪河建成了一座长7 2 m ，高5 2 m 护岸加筋 土工程。其后在湖北大冶发电厂铁路专用线、武汉葛店铁路专用线、 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 陕西口镇公路、广州一丛化铁路改线等也先后使用了加筋土技术。 1 9 8 4 1 9 8 5 年，重庆交通学院在重庆长寿自沙湾长江北岸设计并成 功建造了一座高近2 6 m ，长1 1 0 余米的加筋土码头，这也是当时世界 上最高的加筋土码头工程。到1 9 8 9 年不完全统计，我国已建成加筋 土工程3 1 1 项，其中公路占8 5 ，铁路占6 ，林区、矿区占3 ， 其它行业占6 。迄今，全国已建成数千座加筋土工程，大部分应用 于公路和城市建设、水运和水利工程。重庆长江滨江路工程，长约 6 k m ，护岸挡墙和公路挡墙均采用加筋土结构，墙最高处达3 3 m ，加筋 土挡墙墙面积约1 1 00 0 0 m 2 ，它是目前我国规模最大的加筋土工程， 也是目前世界上规模量大的加筋土工程。仅在重庆地区，近1 0 年建 成的加筋土工程就有数十座，加筋土工程总长度达2 0 余公里，另外 总长约1 0 k f f 【的若干工程项目正在设计与建设之中。在三峡库区建成 了总高度达5 5j t i 的加筋土挡墙，全国在高速公路及一般公路的支挡建 筑，特别是高速公路的软基处理方面越来越侧重于加筋土技术。 在总投资约1 5 5 亿元的长江口深水航道治理工程中，大量采用加 筋、软体捧和垫层、滤层等土工织物应用新技术，仅一期工程就使用 了各类土工布约8 l1 万m 2 ，加筋带约7 8 8 万m ，节约工程投资数亿元， 工效提高约1 0 倍。在太仓中远国际城围堤吹填工程中，使用各种土 工织物1 7 0 万m 2 ，与传统结构相比节约工程造价1 0 0 0 多万元，据 初步估算，节约幅度为1 5 7 2 2 6 。 加筋土结构作为一种新颖的完整结构物，在土工合成材料的应用 领域占有较为重要的地位，有关的国际国内学会在加筋土技术的研究 和推广应用方面也异常活跃，全国各行业部门的许多工程技术人员也 均看好加筋土技术，并在工程实践中不断地研究和探索。 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于加筋土在技术上的优越性、显著的经济性和广泛的适用性， 获得了工程界更多的青睐。为适应加筋土技术的推广应用，世界上许 多国家先后制定并颁发了有关加筋土工程的设计、旖工规范和标准， 或设计施工指南等，如法国、日本、美国、荷兰等。我国交通部早在 1 9 9 1 年就制订并颁发了公路加筋土工程设计规范( j t j0 1 5 9 1 ) 、 公路加筋土工程施工技术规范( j t j0 3 5 9 1 ) 等行业标准，铁道 部在铁路路基支挡结构物设计规范中加入了加筋土工程的有关条 文和内容，水利部已发布了有关应用指南。1 9 9 9 年初，国家正式颁 发了土工合成材料应用技术规范( g b5 0 2 9 0 9 8 ) ，土工合成材 料产品标准即将颁发，交通部制订和颁发了水运工程土工织物应 用技术规程( j t j t 2 3 9 9 8 ) 、水利部制订和颁发了水利水电工 程土工合成材料应用技术规范( s l t 2 2 5 9 8 ) 和土工合成材料测 试规程，铁道部制订和颁发了铁路路基土工合成材料应用技术规 范( t b1 0 1 1 8 9 9 ) 。这对我国的加筋土技术的推广应用将起到强有 力的推动作用。 1 2 4 加筋技术理论研究 目前，对土工合成材料加筋机理的研究包括：加筋材料的性能测 试和界面试验、模型试验和原位观测、土体与加筋材料相互作用的理 论分析”1 、加筋破坏机理的研究。“”等方面。但对加筋材料与土体 相互作用机理及其设计计算理论的研究仍远远落后于工程应用实际， 使工程实用尚缺乏充分的理论依据和指导。 ( 1 ) 材料性能的研究 土工合成材料完全不同于传统的土木工程材料，f 是由于这一 太原理工大学硕士研究生学位论文 材料的特殊性，以及土工合成材料的品种繁多，要揭示土工合成材料 的加筋机理，必须深入研究士工合成材料的材料性能。 目前有关土工合成材料的试验大都参照纺织工业的试验方法，如 抗拉试验、握持试验、梯形撕裂试验、顶破试验、刺破试验及落锥试 验等。目前各国已有土工合成材料试验标准( 如美国标准a s t m 、英 国标准b s i 、德国标准d i n 、比利时标准c e n 、瑞士标准i s o 、法国标 准a f e n o r 、意大利标准u n i 等) ，参照国外相关规范并结合国内实践， 我国于1 9 9 1 年由南京水利科学研究院组织编写了土工合成材料测 试手册，对于一些较为常规的土工合成材料试验和试验方法作了规 定。 ( 2 ) 筋一土作用机理的研究 工程实践和实验研究表明，加筋土强度和稳定性较无筋土有较大 提高，而对其提高的原因贝l j 有各种不同的假说和理论，迄今为止的研 究表明筋土间相互作用的机理大致可归纳为两大类：一是摩擦加筋原 理，二是准粘聚力原理。 摩擦加筋原理 根据加筋土复合体中筋土之问的基本构造，从筋体中取一微段 束分析，如图卜2 所示，微元体长为扎拉筋左截面受力为t 右截 面受力为t 2 ，压拉筋的法向应力为a 。略去微元体土体的重量和筋带 重量。设筋土之间的摩擦系数为f ，b 为筋带宽度。出于土的水平推 力，在该微元段拉筋所起的拉力为d t ，则有：d t = t 一l 。设d f 为土 粒与拉筋在该微元段产生的总摩擦力，则有：d f - 2 盯f b d 。如果d f d t ；则筋土之间就不会产生相互错动，即的水平推力被筋土之 间的摩擦力所克服，微元体保持稳定，反之则不能保持稳定。 太原理工大学硕士研究生学位论文 t ，一一r ， 图l 一2 摩擦加筋原理示意图 f i g 1 - 2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff r i c t i o nr e i n f o r c e m e n tt h e o r y 摩擦加筋原理概念明确，简单，但是它忽略了筋带在力作用下的 变形，也未考虑土是非连续介质、具有各向异性的特点。 筋土之间界面上的相互作用机理是复杂的，人们常将反映筋土界 面相互作用的指标摩擦系数称为似摩擦系数。试验表明，似摩擦 系数受填土密度、拉筋性状、填土高度等因素的影响。填料紧密，似 摩擦系数高，这主要是由于紧砂有剪胀作用。在紧砂中，当拉筋欲被 拔动时。它必牵动起周围的土粒产生剪胀，土的密度越大，土粒间的 咬合力也大，剪胀现象就越严重，严重的剪胀作用迫使土粒挤压加筋， 使加筋被牢牢地加紧，从而提高了似摩擦系数，拉筋表面的粗糙程度 也与似摩擦系数成正比。 士 图1 3 无筋和加筋砂土强度分析 f j g 1 3s t r e n g t ha n a l y s i so f s a n dr e i n f o r c e da n dn o n r e i n f o r c e d 太原理工大学硕士研究生学位论文 准粘聚力原理 这一原理是根据以砂土和水平布置一层或多层筋材的加筋砂土 三轴试验结果分析而提出的。将加筋砂土样和未加筋砂土样进行三 轴对比试验可知，若未加筋砂土在大主应力吼和小主应力作用下 达到极限平衡状态，如图卜3 中的圆1 ，则加筋砂土样在同样大小的 盯作用下就达不到极限平衡，是处于弹性平衡状态。如果在试验中 我们对加筋砂土仍施以盯，并保待不变，则欲使试样达到新的极限平 衡状态势必增大盯，到仃，如图卜3 中的圆3 。许多学者的试验研究 证明：筋材在试验中不被拉断和滑动当其中的砂土被破坏时，加筋砂 上的破坏包线的内摩擦角与未加筋砂极限圆的破坏包线的内摩擦角 近似相等，且加筋砂土的破坏包线不通过坐标原点而与纵坐标轴相 交，其截距为c ，因此可知在砂土中加筋，改善了砂土的性能，使之 增大了砂土的抗剪强度，相当于增加了一个粘聚力c ，且称c 为准粘 聚力。 此时，达到破坏的最大主应力q ，可表示为： q ，= 盯3 女，+ 2 c 足， ( 卜1 ) ，= t a n 2 ( 4 5 。+ 要) ( 1 2 ) 下面我们再来分析加筋砂土试样中的砂土。加筋砂土在大主应力 q 和小主应力吧作用下，土体要产生侧向膨胀变形，出于所铺设的 加筋材料与砂土界面之问产生摩擦力，随着土体的变形，加筋材料被 拉伸而产生一个抗拉力，约束了砂土的侧向变形，这相当于对砂 土体增加了一个侧向压力q ，此时作用于砂土上的小主应力不是 1 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 巳，而是= 吒+ 吒。此时砂土处于弹性平衡状态，要使其达到 极限平衡状态，必须增大q 到吼，如图1 2 中的圆2 。 如果把加筋砂土试样视为未加筋砂土试样，则达到极限平衡状态 时有： 盯lr = ( 盯3 + d 3 ) 七p ( 1 3 ) 由式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 得c ：全望量。此即为加筋砂 土增加的粘聚力。 1 2 5 加筋土数值分析 在二十世纪6 0 年代以前，受计算技木的限制，人们通常只做一些 三轴压缩试验或直剪试验测定土的抗剪强度指标，作为稳定分析和土 压力估算的依据。采用单向固结仪测定土的变形模量，作为软土地基 沉降估算的依据。在计算理论方面，稳定分析和土压力计算采用刚塑 性材料建立的经典塑性理论，分析方法有三种：极限平衡法、极限分 析法和滑移线法。极限平衡法首先假定土体满足mohreoulomb破坏 准则，再假定滑动面的形状，通过对滑动体的静力平衡分析推求极限 入流动准则，计算极限承载力的上限解和下限解(chen，1975)“： 滑移线法是根据边界条件对微分极限平衡方程求解，导出极限平衡区 的滑移线场和应力分布，计算得到基础范围内的边界应力即为极限承 载力(hansen，1961)“”。长期以来，在稳定分析中采用刚塑性模型：变的非线性和塑性的特点，将土的应力应变关系高度简单化，并将强 太原理工大学硕士研究生学位论文 巳，而是= 吒+ 吒。此时砂土处于弹性平衡状态，要使其达到 极限平衡状态，必须增大q 到吼，如图1 2 中的圆2 。 如果把加筋砂土试样视为未加筋砂土试样，则达到极限平衡状态 时有： 盯lr = ( 盯3 + d 3 ) 七p ( 1 3 ) 由式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 得c ：全望量。此即为加筋砂 土增加的粘聚力。 1 2 5 加筋土数值分析 在二十世纪6 0 年代以前，受计算技木的限制，人们通常只做一些 三轴压缩试验或直剪试验测定土的抗剪强度指标，作为稳定分析和土 压力估算的依据。采用单向固结仪测定土的变形模量，作为软土地基 沉降估算的依据。在计算理论方面，稳定分析和土压力计算采用刚塑 性材料建立的经典塑性理论，分析方法有三种：极限平衡法、极限分 析法和滑移线法。极限平衡法首先假定土体满足m o h r e o u l o m b 破坏 准则，再假定滑动面的形状，通过对滑动体的静力平衡分析推求极限 承载力( t e r z a g h i ，1 9 4 3 ：m e y e r h o f ，1 9 5 1 ) “”“：极限分析法是通过引 入流动准则，计算极限承载力的上限解和下限解( c h e n ，1 9 7 5 ) “： 滑移线法是根据边界条件对微分极限平衡方程求解，导出极限平衡区 的滑移线场和应力分布，计算得到基础范围内的边界应力即为极限承 载力( h a n s e n ，1 9 6 1 ) “”。长期以来，在稳定分析中采用刚塑性模型： 在变形计算中采用线弹性模型，即广义h o o k 定律，忽视土的应力应 变的非线性和塑性的特点，将土的应力应变关系高度简单化，并将强 太原理工大学硕士研究生学位论文 度计算与变形计算人为隔离开，这是不得已而为之。将土体的应力和 变形分析一同考虑，将主要涉及到以下几方面的内容：一是土的应力 应变关系；二是计算参数的测定；三是有限元分析方法；四是计算程 序。第一和第二方面属于土的基本特性的问题：而第三和第四方面属 于计算技术的问题，这四个方面的内容是有机联系的，但是第一和第 二方面是最关键的问题。 自从二十世纪6 0 年代大型电于计算机问世之后，第三和第四方 面的问题得到了很好的解决，拖后腿的己不是计算技术，而是对土本 构关系的认识，当然包括接触面单元、筋材单元等的本构关系。有限 元在二十世纪5 0 年代首先应用于飞机制造业，目的是取得精确的计 算结果，达到尽量减少机身的重量。c l o u g h 和w o o d w a r d ( 1 9 6 7 ) “” 将有限元引入岩土工程领域，分析土坝的应力和位移，计算中模拟了 分层填筑的施工工程，使用的是结构分析中的通用程序。1 9 6 9 年 d u n c a n 等人按照非线性弹性模型计算土坝的应力，并编制了第个 土坝应力和变形的专用计算程序，而d u n c a n h a n g 完整的非线性弹 性双曲线模型是在1 9 7 0 年发表的“”“。 土工合成材料加筋土的计算分析是一个十分复杂的问题，涉及到 填料、土工合成材料、土工合成材料与土接触面的相互作用等因素。 土工合成材料加筋土的有限元法主要分为三类： 将土工合成材料单元与土单元分开考虑。 在土工合成材料单元与土单元之间设接触面单元，土单元、土工 合成材料单元、接触面单元采用不同类型的单元和不同的本构关系模 型也构成了有限元法的区别，土单元采用非线性弹性或弹塑性模型， 一般都采用比较成熟的模型进行计算，如非线性弹性的d 。n c a n 太原理工大学硕士研究生学位论文 c h a n g 模型和弹塑性的d r u c k e r p r a g e r 模型等；土工合成材料单元 采用线弹性模型和折线型、双曲线型、多项式型、幂函数型、非线性 弹性模型；土工合成材料与土接触面单元常采用无厚度的g 0 0 d m a n 单元。a n d r a w e s ，k z 等人( 1 9 8 2 ) ”对单元采用d u c n a n c h a n g 的e 、v 双曲线非线性弹性模型，土与土工合成材料的接触面单元 采用双曲线非线性弹性摩擦模型，土工合成材料单元采用多项式表示 的非线性弹性模型。李艳春( 1 9 9 6 ) 1 在土工格栅与士相互作用的分析 中，将土工格栅的纵向肋与横肋分开来考虑，纵向肋起抗拉作用，纵 向肋与土的相互作用采用无厚度g 0 0 d m a n 单元模拟：横向肋起抗挠作 用，横向肋与土的相互作用采用两结点单元来模拟。张道宽( 1 9 8 7 ) “” 构造的土工合成材料与土相互作用单元是把两个无厚度的接触面单 元和模拟土工合成材料加筋的拉杆单元揉和在一起，组成了加筋系统 有限元分析的离散结构，能够很好地适应大转角和大位移，满足了大 变形的要求。 把筋土看成两种不同材料并考虑其相互作用关系的思路比较直 观。但计算时至少需要筋、界面三种本构关系模型并且需要做大 量的试验来确定计算参数，编程复杂、工作量大。 将加筋土体看成宏观是均匀的复合材料。 这种思路是把由筋与土组成的加筋土复合体看成一种均质材料， 土与织物的作用表现为内力而不对其进行具体的应力分析。 h a r r i s o n 等人”将土与土工合成材料当作复合材料对待，假定 土和土工合成材料都是线弹性的，而复合材料为横观各向同性，有四 个参数vn 、vv 、e n 、e 。，属于线弹性模型。 m a h m o u d 等把均质材料的塑性理论与经典的层压板理论结合起 太原理工大学硕士研究生学位论文 来分析土与土工织物所组成的复合材料性质。假定各层间粘结良好， 可以当成一个位移整体，从而推倒出可以进行有限元计算的弹性矩 阵。 施祖元用非线性的横观各向同性模型计算加筋土。乐翠英等人 ( 1 9 8 9 ) o ”用横观各向同性模型计算加筋垫层处理油罐地基。 与将土工合成材料单元与土单元分开考虑的方法相比，该种分析 方法计算参数较少，计算工作量减少，但由于考虑了材料的各向异性， 在确定计算参数和刚度矩阵运算时都有一定难度。 将土工合成材料的作用作为外荷载考虑，直接作用在土单元 上，仅有土单元，即等效附加应力法。 等效附加应力法的基本思路是把加笳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。 介玉新( 1 9 9 8 p ”利用等效附如应力的分析方法进行了分析，把土 工合成材料的加筋作用等效成附加应力，当成外力沿着加筋的方向作 用在土单元上，计算中只出现土单元，不出现土工合成材料单元，同 时也不存在土工合成材料与土的接触面单元。 该方法不需引入新模型，也能反映加筋土各向异性的性质，但其 相关计算参数如应变比例系数如何确定还有待进一步研究。 需要指出，不同学者的有限元分析方法，除了一些相似之外，隐 含在公式中的假设有时差别很大，特别是在模拟非线性、塑性破坏、 大变形以及接触面单元时，采用了不同的处理方法和精度等级从而 导致有限元的计算结果存在差异。 与极限平衡法相比，有限元法能计算出土体中各点的位移、应力、 应变和应力水平，并可以模拟施工过程和考虑复杂的边界条件，弥补 太原理工大学硕士研究生学位论文 了极限平衡法的不足，但是由于有限元法的参数需要进行复杂的试验 来确定、加上难以对破坏进行定量的判断，限制了有限元法在实际工 程中的应用。 1 ，3 加筋地基 1 ，3 1 加筋地基概述 加筋地基是将基础下一定范围内的软弱土层挖去，然后逐层铺设 土工合成材料与砂石等组成加筋垫层来作为地基持力层。这种处理方 法可以改善土体抗拉、抗剪性能，提高地基承载力，减小沉降。它们 已在水利、道路、建筑等工程中得到广泛应用。具体内容包括用于公 路、铁路、岸堤、及多层建筑物下的地基加筋。 土工合成材料在公路、铁路、路堤的加筋已有较为成熟的应用。 但是，在建筑物的地基基础设计中，土工合成材料的应用并没有得到 广泛的接受。原因可能是对建筑物不易做足尺载荷试验，而适用于公 路的尺寸效应可能并不适用于建筑物。近年来国内外的一些研究者已 在此方面做出了可喜的成绩，而且有些研究成果已经成功地应用到了 实际工程中 ，例如： ( 1 ) 士工合成材料加筋有机质粘土地基 美国佛罗里达州圣彼得堡e c k e r d 学院，在靠近t a m p a 湾流域有 一片大水塘。水塘边要建一座单层砖混结构的建筑物，该建筑物与钢 框架车问相连。结构验算得承力墙传来的荷载密度小于4 k n 向。根据 地质勘查资料，在建筑物红线内的地基土中混有厚约6 0 0 m m 的有机 土。这些有机土位于地下1 2 一1 8 m 处，分布广泛而且很不均匀。地 1 6 太原理工大学硕十研究生学位论文 下水位位于地表以下1 2 深处。 最初的设计方案是用粗粒土置换有机土。施工开始后，发现整个 基底下都有腐殖土和泥炭土，而且，有机土大都在地下水位以下，需 要做排水开挖。将基坑开挖至地表以下2 4 m 深处后，一场大雨使原始 的开挖方案受阻。改用土工合成材料加筋的替代方案。首先，回填 6 0 0 哪的粗粒土，振捣压实后，铺一层土工织物在压实后的表面土上。 铺设的土工织物为有纺高密聚乙烯材料，0 7 5 咖厚。宽条抗拉强度 ( a s t md 4 5 9 5 ) 为2 5 4 2 8 k n m ，握持强度1 1 1 0 n ，顶破强度为 3 4 4 5 k p a 。延伸率 5 。土工织物上方再铺一层3 0 0 舢厚的粗粒填土， 填土相对密度为9 8 。基础厚6 0 0 m m 。测得土工织物层的应力为 o 4 k n m 2 下部有机土的应力更小。由于有机土处在地下水位线以下， 预计不会出现明显的体积变化。测算得出建筑物的沉降为1 5 2 0 m m 。 该建筑物于1 9 9 8 年初完成，至今观测效果很好。 ( 2 ) 废墟上的基础 太阳城中心位于ta j i l p a 咀南4 0 k m ，是佛罗里达州h i l l s b o r o u g h 市的一个退休人员聚居区。9 0 年代末期，某开发商在该地区拟建一 个高尔夫球场和栋两层的住宅楼。在住宅楼的基土中发现在2 0 0 m 长 x 太原理丁大学硕士研究生学位论文 中发现，废墟中大块的混凝土、木材等占开挖量的2 0 ，而且粒径 大多在砾石与巨石之间，很少有直径超过5 0 0 唧的石块。用压碎的混 凝土回填压实后，铺设土工织物，然后在织物上锚3 0 0 m m 厚的粗粒填 土，要求最小压实度为9 8 ，压实后的粗粒土其表面允许承载力为 1 5 0 k n m ，满足承载力要求。竣工后的沉降观测表明没有大的沉降变 形。 ( 3 ) 加筋地基在我国的应用 我国最早应用加筋地基的报导是王铁儒等在杭州印染厂气柜地基 中的应用“，气柜的直径为1 5 4 m ，高7 8 5 m ，重1 2 2 1 吨，其下淤 泥和淤泥质土厚1 4 m ，用抗拉强度为1 4 k n m 的土工织物制成长管袋， 内装碎石。分四层铺设，总厚度约l 米，直径2 3 米，并结合砂井进 行地基处理。其后，1 9 8 8 年又将长管碎石袋和有纺织物砂垫层用于 处理南京炼油厂二万立方米的油罐地基。同样取得预期效果“”。林晓 玲”。在杭州和绍兴等地的软土地基上，用长管碎石袋和土工织物加筋 砂垫层修建八栋4 至8 层的楼房，经过4 至6 年的运行观测，楼房沉 降已稳定、运用正常。 加筋地基成功应用的实践也可概括为以下三个主要方面：一是土 堤的地基加筋，例如堤防工程、公路或铁路路堤下的加筋地基；二是 浅基础地基的加筋，如油罐或多层房屋基础加筋，特别是条形基础下 的加筋地基：三是公路面层下基层的加筋，用于提高承载力、减小车 辙深度和延长使用寿命。此外，加筋地基( 垫层) 可与其它各种桩基 础结合形成复合地基。 根据现有的研究成果，在天然软基上锚设加筋碎石热层，其主要 的作用有： 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 提高地基承载力 浅基础的地基承载力与基础下土层的抗剪强度有关，用抗剪强度 较大的砂、碲石或其它建筑材料代替较软弱的土，可以提高地基承载 力。另外，土工合成材料使垫层的刚度增大，其原理为：土工合成材 料在外力的作用下，会形成凹曲面，凹面上压力p 大于凹面下的压 力p s ，这就是网兜效应，即 p i ，= p p s 式中p s 为土工合成材料提供的向上的应力，称托举力。 将加筋砂垫层以及软土看作一个复合体，则筋材的铺设增加了复 合土体的当量模量e 。根据等效变形的原则有 三- = 旦二堡j e = e 曼二旦! e +e p 式中e 为土体的变形模量。 刚度较大的加筋垫层使得构筑物传下来的可能不均匀的基底压 力，通过垫层得到改善，使达到软弱土层的应力最大值减小。 ( 2 ) 减小沉降量 一般地基浅层部分的沉降量占总沉降量的比例是比较大的。采用 土工合成材料加筋垫层代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降 量。铺设土工合成材料还使垫层的应力扩散角增大，文献”“介绍， 结构合理的加筋垫层应力扩散角可达4 0 ”，这就使得传递到垫层下的 垂直应力大大降低，从而相应减小了下卧层土的沉降量。另外，铺设 土工合成材料后，由于土与土工合成材料接触面问的剪应力传递，使 土工合成材料两侧的摩擦作用增强，剪应力增加，约束了土体的侧向 变形，侧向位移的减小也使竖向位移随之减小。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 加速软基囊亨意酐行 鞴辅鹾耩甄嚣犁誊绷，蛩两荫趵蕃罐潦粥缵潞烂墨；早南硅暂* 煳聪m 靼朝，圳潭氆哺囊麓猁嫩著磷甘型r 酎嬲氤良f _ 州裂黎翌。黄 型覃力等分布图形通囊意冷僭翅睡裔：搿嗡嗡觯髓确秭；臻珥衙蠢试 有萎彤髻酴罄；鼹黔鸵望燃鞭玛x “强始薯i 叫巍韩秭潞拍甜 嬲触拱鏊袋甏驺筐兰竿二亭蠹毳甍鹫暑溅酸荔； i i 通过 改变原模型的尺寸， 模拟分析在不同宽度、不同厚度等尺寸条件下加筋垫层的加 艘恍幸娴慕崧邸？芍傅脊淌导 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 加速软基的排水固结 软基在荷载的作用下。若排水不畅使软基不易固结，形成较大的 孔隙水压力，可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。由 于加筋碎石垫层具有良好的排水性能，软弱土层受压后，垫层可以作 为良好的排水面，使软基的孔隙水压力迅速消散，加速加筋垫层下软 基的固结并提高其强度，避免地基土塑性破坏。 ( 4 ) 减小不均匀沉降 加筋垫层和未加筋垫层相比，强度指标和应力应变关系指标 均有所变化，强度提高使加筋垫层的应力扩散效应更加明显：同时加 筋垫层有一定的抗弯刚度，会使垫层下的应力分布均匀化，应力分布 趋向均匀有利于减小地基不均匀沉降。 13 2 加筋地基设计中存在的问题 加筋地基的主要作用包括增加地基承载力、减小沉降和不均匀沉 降，以及提高抗滑稳定性，实践经验证明加筋土结构是成功的。伴随 工程实践的增多、模型试验和设计方法也在发展。到目前为止，对加 筋的机理和效果的评价还不够完善，在筋材提高地基承载力以及减少 沉降方面尚缺乏适用的计算公式，所以在设计和施工方法等方面都存 在许多课题需进一步研究，这是因为土与筋材作用机理的复杂，以及 筋材形式的多样化。 另外，加筋地基设计中还存在选择筋材往往凭经验，选择材料参 数过于保守等问题，而事实上加筋材料的刚度和强度往往比设计取值 耍大得多，导致大量浪费。 因此，如何正确确定出加筋地基的承载力以及它所包括的内容： 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章试验概况 2 1 加筋碎石垫层的原位试验 为研究加筋碎石垫层内不同加筋参数对加筋复合地基承载力和变 形特性的影响，研究各加筋参数对加筋垫层应力扩散效果的影响，并 为与以往许多学者曾做的室内模型试验结果作对比验证。进行了此次 原位试验。 2 1 1 工程概况 整个原位静载试验分两阶段进行，第一阶段从2 0 0 1 年1 1 月1 8 日至1 2 月2 0 日，第二阶段从2 0 0 2 年4 月1 6 日至7 月1 8 同。历时 四个月，共完成1 4 组土工筋带加筋垫层的静载荷试验。试验场地位 于太原市晋源区旧晋祠路以西的南堰地区，中化二公司集团集力大型 机械施工公司院内。 2 1 2 试验场地的地质概况 试验场地地貌属汾河西岸一级阶地，地表较平坦，在本次静载试 验主要受力层范围内分布的主要是河漫滩相沉积的软弱饱和粉土。其 颜色呈黄褐色和褐黄色，含植物根茎及云母和氧化铁，粉土中夹薄层 粉质粘土，软塑状态，中等偏离压缩性土，为第四纪耪近堆积土，其 物理力学性质指标见表2 一l 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 1 饱和粉土物理力学性质指标统计表 t a b i e2 - 1 i n d e xo f s a t u r a t e ds j l t sp h y s i c a lp r o p e r t i e s 天然含水量w ( ) 3 0 9 天然密度p ( g c m ) 1 8 9 干密度pd ( g c 耐1 ) 1 4 5 天然孔隙比e 0 8 8 l 饱和度s r ( )9 6 液限w i ( )3 2 9 塑限w p ( )2 0 9 塑性指数i p 1 2 液性指数1 1 o 8 3 压缩系数a l _ 2 ( m p r l )o 4 8 注：g s = 2 6 9 根掘现场2 组原土的静载荷试验以及静力触探试验确定此场地 土的承载力特征值为f k = 7 0 k p a 。 21 3 试验材料的物理力学陛质 加筋材料的选用 本次试验所采用的加筋筋带由西安宏祥塑料有限公司提供。一种 为t g 塑玻复合加筋带：另一种为c p e 高强钢塑复合筋带。其各项力 学指标如表2 2 所示。 填料的选用 加筋土填料是加筋土结构的主体材料，填料与加筋材料构成加筋 2 d 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ - - - _ - _ _ - _ _ - _ - 一一 土的主体结构。从工程实践来看，填料的选取直接关系到工程结构的 安全与工程造价。因为加筋土要求土能提供较高的剪切阻力，以确定 体和筋带之间的摩捺力，故一般选择无粘性土( 如砂、碎石等) 作为 填料。尤其在处理软土地基时，一般多采用粗颗粒。故本试验中， 加筋垫层所采用的填料为碎石，其粒径范围为l 一3 c m 。 表2 2t g 塑玻复合加筋带及c p e 高强锢塑复合筋带力学指标 t a b l e2 2t h em e c h a n i c si n d e xo f t gc o m d o s i t er e i n f o r c e db e l ta n d c p ec o m p o s j t er e i n f o r c e db e l t 筋带类型 t gc p e 规格( 哪) 2 5 z 52 5 x 2 ，o 抗酸碱度酸碱浓度( 3 0 )无损无损 偏斜率( 舢m ) 1 2 2 2 土工带加筋碎石土大型静力三轴试验 2 21 三轴试验方秦的确定。” 实验在黄委会水利研究院的“1 0 0 0 k n 大型电液伺服拳r 粒土动、 静三轴试验机”上进行，为固结排水剪切试验，试样尺寸为中3 0 7 5 c m 。按照不同加筋方式，静力试验共分成4 组。分别为素碎石一组， 2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 单层加筋一组，双层加筋一组，三层加筋一组。 2 22 轴试验材料 土工带为西安工程塑料有限公司生产的t g 玻塑复合加筋带，尺 寸( 宽厚) 2 5 m 2 5 m m ，极限抗拉强度吒= 9 4 3 m p a ，极限延伸率 民= o 8 7 ，模量e = 1 0 3 7 3 m p a 。碎石为河南辉县的青石，粒径5 3 5 m m ， 干密度= 1 8 9 c m l ，颗粒级配见表2 3 。 表2 3 碎石土颗粒级配 t a b l e2 - 3t h ep a m c i es i z ed i s t r _ b u t i o 八o f c s h e dg r a v e l 2 2 3 试验的仪器 试验仪器采用1 0 0 0 k n 电液伺服粗粒土静、动三轴试验机如图2 1 所示。 图2 1 三轴试验装置 f 嘻2 一ld e v i c eo f t r i a x j a l t e s t 试验机的主要技术指标如下： 试样几何尺寸：巾3 0 7 5 c m ( 直径高) 太原理工人学硕士研究生学位论文 问题。对于一般工程主要以极限平衡原理为基础，考虑到加筋引起的 部分拉应力的影响，同时配合工程实践的经验参数和计算方法进行设 计：对于比较复杂或特殊的工程则应用岩土力学有限元分析原理，考 虑筋材和土的相互作用或复合材料性质进行分析，同时应用原型观测 和试验配合分析检验。 3 2 加筋垫层有限元分析 本文采用有限元法研究土工带加筋碎石垫层，研究重点不在于选 择更复杂的计算模型，也不在于比较各种计算模型对计算结果的影 响，而在于通过比较各相关因素对加筋效果的影响，深入研究土工合 土工带加筋碎石垫层加固软土地基的机理，为指导工程应用服务。 本文将加筋碎石土看成宏观均匀的复合材料，碎石与土工带的作 用表现为内力而不对其进行具体的应力分析，用a n s y s 软件建立加筋 地基的计算模型，根据非线性计算的原理方法，利用a p d l 语言编制 加筋地基非线性分析的二次开发程序。 3 2 1a n s y s 简介 a n s y s 公司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授 j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建和发展起来的。总部设在美国宾西 法尼亚洲的匹兹堡，目前是世界c a e 行业最大的公司。近3 0 年来， a n s y s 公司一直致力于分析设计软件的开发。维护和售后服务，不断 吸取当今世界最新的计算方法和计算机技术，领导着有限元界的发展 趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户