（岩土工程专业论文）hv加筋黏性土的强度与变形特性.pdf

上海人学硕士学位论文 摘要 目前，加筋土已广泛应用于公路挡土墙、堤坝、桥台、护坡等工程。然而 相关加筋土的研究仍以粒状土体为主，筋条也通常沿水平方向布置。本文作者 导师提出了提出了一种新的加筋方式一h v 加筋( 水平一竖向) 加筋，它是在传 统水平筋材上设置竖向或立体筋材，其明显特征是：水平和竖向筋材都是非满 布的，通过黏结它们共同构成了一个整体的三维结构。 本文的研究对象是非满布的水平一竖向加筋黏性土。采用三轴试验方法对两 种不同筋材( 镀锌铁皮、有机玻璃) 的非满布水平一竖向加筋土进行了研究，分 析比较了h v 加筋同传统水平加筋之间应力一应变关系和强度特性指标的差异， 探讨了不同围压和不同竖向加筋高度对非满布水平一竖向加筋土强度的影响，比 较了镀锌铁皮和有机玻璃两种不同变形模量的加筋材料对h v 加筋土强度的影 响。通过对比，得出了非满布水平一竖向加筋土的强度特性和变形规律；最后， 在试验的基础上，初步探讨了h v 加筋黏性土加筋机理，并根据极限平衡理论 推导了非满布h v 加筋的强度公式，并将理论解与试验结果进行了对比，二者 基本接近。 关键词：h - v ( 水平一竖向) 加筋；黏土；三轴试验；强度特性；变形 i v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a ct n o w a d a y s ，r e i n f o r c e ds o i l sh a v eb e e nu s e dw i d e l yi nr e t a i n i n gw a l l s ，d a m s ， b r i d g ew o r k sa n ds l o p e se t c h o w e v e r , t h er e l a t e dr e s e a r c ha b o u tr e i n f o r c e ds o i l si s s t i l lm a i n l yg r a n u l a rs o i l sa n dt h er e i n f o r c e m e n t sa r eo r e nl a i dh o r i z o n t a l l yi nt h e s o i l an e wc o n c e p ta b o u ts o i lr e i n f o r c e d 、7 i r i mh o r i z o n t a l v e r t i c a l ( h - 、，) r e i n f o r c i n g e l e m e n t sw a sp r o p o s e db ym ys u p e r v i s o r , p r o f z h a n g 1 1 1 eh - vr e i n f o r c e m e n t p a t t e r np r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sc o m p o s e do fv e r t i c a lr e i n f o r c i n ge l e m e n t so r 3 - d i m e n s i o n a lr e i n f o r c e m e n t s 1 1 1 em o s t i m p r e s s i v e c h a r a c t e ro ft h i sh - v r e i n f o r c e m e n tp a t t e r ni st h a ta 1 1r e i n o r c e m e n t sa r en o n - f u l la n dh vr e i n f o r c e m e n t s s t r e n g t h e nt h es o i lt oaw h o l es y s t e mb ym e a n so fb o n d i nt h i sp a p e r , al 【i n do fn o n f u l lh o r i z o n t a l - v e r t i c a li n c l u s i o n sw a sp l a c e di nt h e c l a y s o i lr e i n f o r c e dw i t ht w od i f f e r e n tm a t e r i a l s ( g a l v a n i z e di r o ns h e e t ，p e x s p e x s h e e t ) h a sb e e nr e s e a r c h e dt h r o u g hn o r m a lt r i a x i a lt e s t s a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h ec o n v e n t i o n a lr e i n f o r c e ds o i la n dt h eh vr e i n f o r c e ds o i li nt e r m so f s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i pa n df i n d i n go u tt h e i rd i f f e r e n c eo nt h es t r e n g t hi n d e xc 、缈， d i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c eo fv e r t i c a lr e i n f o r c e m e n t sh e i g h ta n dd i f f e r e n tc o n f i n i n g p r e s s i o no nt h es t r e n g t ho ft h es o l i dr e i n f o r c e ds o i l t h e nb yc o m p a r i n gt h e r e i n f o r c i n ge f f e c t so ft h et w od i f f e r e n tr e i n f o r c i n gm a t e r i a l s - - t h eg a l v a n i z e di r o n s h e e ta n dt h ep e x s p e xs h e e t ，s t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o u ro fh vr e i n f o r c e d s o i lw a sf o u n do u tf r o mt h er e s u l t so ft r i a x i a lt e s t s f i n a l l y , b a s e do ne x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h em e c h a n i s mo ft h eh vr e i n f o r c e dc l a yh a sb e e na n a l y z e da n dt h e s t r e n g t hm o d e lo ft h ec l a yr e i n f o r c e dw i t l lm u l t i - l a y e rh - vr e i n f o r c e m e n t sh a sb e e n p r o p o s e db ym e a l l so ft h et h e o r yo fl i m i te q u i l i b r i u m 1 1 h er e s u l t so fa n a l y t i c a l p r e d i c t i o na r ec o m p a r e dw i mt h o s eo b t a i n e df r o mt h et r i a x i a lt e s t s i ti ss h o w nt h a t t h er e s u l t so fa n a l y t i c a ls o l u t i o na r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h o s eo ft h et r i a x i a l t e s t s v 上海大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：h o r i z o n t a l - v e r t i c a l ( h 一i n c l u s i o n s ；c l a y ；t r a x i a lt e s t ；t h es t r e n g t h v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i i 上海大学硕士学位论文 1 1 加筋土简介 1 1 1 概述 第一章绪论 土是散粒矿物、水、空气的聚合物，在适当的密度与含水量情况下土体具 有一定的抗压、抗剪强度，但是其抗拉强度很低甚至没有。加筋土是一种在土 体中加入抗拉材料而形成的复合土，凭借土体和加筋材料之间的互相约束以及 加筋材料本身的抗拉强度的发挥，它可以明显提高土体的强度和稳定性。 加筋土的应用可谓历史悠久，远在新石器时期，我们的祖先就利用茅草作 为土的加筋材料，当然这是最原始的应用。然而作为“加筋土 ( r e i n f o r c e ds o i l ) 这个概念是由法国工程师兼建筑师h e n r iv i d a l i l 】嘲在1 9 6 0 年首先提出的，他提 出，当土体受到垂直方向荷重时，若在土体中加上加筋材料，凭借土体与加筋 材料之间的摩擦力，可以有效限制土体的侧向变形，相当于增加了土体的有效 围压，提高了土体的抗剪强度。h e n r iv i d a l 将金属加筋材料分层埋置于土体中， 并配合混凝土面板来构筑加筋土挡土墙，获得了很好的成效。由于加筋材料的 存在，使得一般被视为各向同性的土体成为各向异性的复合材料。典型的加筋 土体如图1 1 所示： 图1 - 1 典型加筋土示意图 加筋土结构是由填料和拉筋材料组成的复合体，其中填料多为碎石颗粒或 少量的黏性土，而拉筋材料主要有四大类3 】： 上海大学硕士学位论文 第一类是天然植物，如竹、黄麻、柳条等； 第二类是钢材，如不锈钢、镀锌铁等； 第三类是土工合成材料，如聚丙烯、聚乙稀、尼龙、玻璃纤维等； 第四类是钢筋混凝土。 值得注意的是近年来，随着化工行业的发展，土工合成材料的种类日益繁 多，被誉为继砖石、钢铁、水泥、木材之后的第五大工程建筑材料，广泛应用 于工程建设领域。 1 1 2 加筋土的优点 加筋土与其它类型的材料相比，有许多突出的优点： ( 1 ) 具有复合材料特性 加筋材料与土壤间存在互制机制，使其具有复合材料特性，因而改变原始 土壤结构特性，增加土体抗剪强度，使土体趋于稳定。 ( 2 ) 技术简单、施工方便 加筋土结构虽然机理复杂，但结构简单，技术容易掌握，需要的施工机械 较少，再加之加筋体逐层回填压实形成柔性结构，墙体形成的加载作用而引起 的地基变形对加筋土结构本身的影响很小，因而需要的地基处理也比较简单， 施工十分方便。 ( 3 ) 适用性强、应用广泛 加筋土技术的应用经过几十年的发展，已从公路路堤、路肩发展到应用于 桥台、匝道、隧道口防护，目前已用于处理公路边坡，市政建设，港口码头、 防波堤、护岸工程、航道工程、铁道工程路基边坡，工民建配套工程，防洪堤、 水库、水闸，林区工程，工业尾矿坝、渣场、料场、货场等；甚至还用于危险品 ( 如石油、氨等) 或危险建筑( 如核电站) 的围堤、围墙，军事防护工程和设 施等。 ( 4 ) 施工速度快、工期短 加筋土工程结构技术简单、施工容易方便，而且材料用量少，现场土石方 量减少。面板可现场先预制，也可进行工厂化生产，再运至现场安装。施工作 业简单，可组织流水作业，也可进行大面积施工。另一方面，加筋土工程施工 2 上海大学硕上学位论文 组织简单，施工程序少，便于组织和管理。因此，加筋土工程施工速度很快， 工期都较短。 ( 5 ) 造价低廉、效益明显 加筋土挡墙的造价与同高度的重力式挡墙或其它结构相比，造价降低 1 0 5 0 。加筋土挡墙的墙面板可以垂直砌筑，加筋土边坡的坡度一般也比较 大，因此，工程占地较少。另外，施工时对环境的影响小，其综合效益十分显 著。 ( 6 ) 结构新颖、造型美观 加筋土结构新颖，巧妙地利用了面板、填料和筋带。面板可根据环境和需 要构思出各种图案，与景观、环境、相邻建筑物、桥梁等配套协调，一改重力 式挡墙硕大、粗蛮、单调的形象，富于艺术感染力。 ( 7 ) 抗震性 由于加筋土结构物所特有的柔性能很好的吸收地震的能量，故具有刚性结 构物无法与之比拟的耐震性能。正因为加筋土具有这种良好的抗震性能，所以 在地震频繁的国家，比如日本，得到迅速的推广。 通过表1 1 加筋土挡土墙与传统钢筋混凝土挡土墙间各项性能的对比能更 加体现出加筋土结构的优点。 表1 1 传统钢筋混凝士挡土墙与加筋土挡土墙的比较( 周南山f 4 】，1 9 9 3 ) 比较项目传统钢筋混凝土挡土墙加筋土挡士墙 人民币1 2 0 0 2 0 0 0 m 2 ( 5 人民币1 2 0 0 - 1 5 0 0 m 2 ( 5 建造成本8 i n 高) ，随墙高度升高单价8 m 高) ，单价不因墙高而有 上涨幅度大太大变化 现浇混凝土墙板，一般变化很墒面可预制，能就几何形状， 少，而且墙面品质不易掌握颜色，纹理在材料上做灵活的 外观 变化且能与其所在环境相配 合，具观赏性，可美化环境 传统施工方式，需要开挖及设施工简单快速，不需要设立基 施工方式 立基础，施工速度较慢 础，只是精度要求很高 外稳定：需要墙面与基础联结内稳定：加筋材料提供稳定的 设计理念 成一体，提供稳定力矩，并增 来源，墙面仅仅提供额外支撑 加滑动抵抗力力量 3 上海大学硕士学位论文 续表1 - 1 呈三角形分布，当墙高增加柔性结构，土压力较小，且分 土压力时，土压力增加幅度很大 布略成长方形，并未随墙身的 加高而增加太多 除非十壤特别坚硬，否则需要在般土壤情况下，不需要桩 基础 桩基础 基础 地震时因为背填十无抗拉性， 墙面的柔软性提供了高度阻 而墙面较背填土坚硬，应力集尼( d a m p i n g ) ，可吸收地震 抗震性中，容易产生裂缝所释放的大量能源，且加筋材 料抗拉性能强，应力分布均 匀，土体破坏可能性小 排水层紧贴于墙后，并设置排 排水层位于背填土与原状土 排水系统 水管之间，并设置透水性地工织布 以及排水管排水 1 2 加筋土国内外概况 伴随着土工加筋技术的迅速发展，近年来，全世界建成了数以千计的加筋 土工程，这些工程的共同特点都是在土工构筑物或原位土体中埋入了某种受拉 构件( 拉筋) ，从而使土的强度和稳定性得以提高。因此，定义凡在土体中敷设 拉筋而使整个土工系统的力学性能得到改善的土工加固方法均属土工加筋技 术，形成的结构被称之为加筋土结构。 现代土体加固的概念最初是由卡萨葛兰德( c a s a g r a n d e ) 提出的，他在松散的 土体中铺设高强度的薄膜而使土体得到了加固。1 9 6 0 年，法国工程师维达尔在 三轴试验中发现，当土中掺有纤维材料时，其强度可明显提高，并将其称之为 “加筋土( r e i n f o r c e ds o i l ) ，据此提出了现代加筋土的概念，三年后他公布了 其研究成果，提出了土的加筋方法和设计理论，应用此理论，1 9 6 5 年法国在比 利牛斯山的普拉聂尔斯修建了世界上第一座加筋土挡土墙，最大高度达2 3m 。 由于法国在加筋土工程方面的成功应用，引起了世界各国工程界、学术界的重 视，发展速度相当快，应用也日益广泛。日本于1 9 6 7 年引进了该项技术，将其 命名为“补强土工法，并在许多公路、铁路、边坡工程中应用。美国虽然起步 较晚但发展较快，1 9 6 9 年引进加筋土技术后，次年便建造了第一座加筋土工程， 四年后就批准了此项技术可以代替传统的施工方法。随后加拿大等许多国家也 4 上海大学硕士学位论文 都先后引进并推广了此项新技术。可见，加筋土技术逐渐的得到了人们的认可， 前西德地下建设杂志( 1 9 7 9 年 ) 曾誉之为“继钢筋混凝土之后又一造福人类 的复合材料。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，岩土工程中重要的新进展之一就是加筋土和锚杆技术 的应用。 随着加筋土技术在世界各国推广应用，相应的试验、理论研究工作也迅速 开展。7 0 年代，法国桥梁道路中心、美国加州大学、日本国铁和建设省等单位 都对加筋土相关技术进行了卓有成效的研究。法国学者e a c h l o s s c r 、n g l 0 n g 、 i j u r a n 、美国加州大学的k l l e e 以及k e m c k i t t r i c k 等学者在筋带拉力、墙背 土压力的分布和计算，以及破裂面的形态等方面作出了突出贡献。而日本在7 0 年代初期就已经开始进行模型试验研究，特别是抗震性能研究，并将其成果广 泛应用于铁路、公路、边坡等工程中。为了交流研究成果和实践经验，1 9 7 7 年 在法国巴黎举行了“国际加筋土会议。1 9 7 8 年4 月美国土木工程师学会在匹 兹堡市举行了“加筋土摩擦系数研究会 。同年在澳大利亚悉尼召开了“土壤 加筋与稳定技术讨论会。次年又在巴黎召开了“加筋土技术国际研讨会”。随 着国际间交流的日益密切，“加筋土工程协会”和国际间的合作研究结构相继成 立，法、美、英、日、德等国也先后制定了有关加筋土工程的规程、条列和手 册。 2 0 世纪8 0 年代，许多国家学者在拓宽填料、筋材的应用范围方面做了大 量工作。1 9 8 0 年，日本的f u k u o k a 在军事工程中首先应用了一种新型的锚杆材 料来加固土体。与此同时，欧美也开始使用这种新型的土体加固材料。近年来， 各国出于环保目的，有学者提出采用了废弃的汽车轮胎作为加筋材料。美、英 学者r d h o l t z 和r a j e w e l l 等人开展的用土工合成材料稳定路堤、处理软弱地 基方面的研究也取得了重要成果。到了8 0 年代中期，美、法学者合作研究，利 用离心机进行模拟试验，以了解不同的筋材、面板刚度、地基土的压缩性以及 不同的超载和填料对加筋土结构内部稳定性的影响，并利用有限元法对加筋土 结构的设计和实验成果进行数值分析。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，伴随着计算机技术的飞速发展，人们研究的手 5 上海人学硕士学位论文 段也更加多样化，数值分析方法在加筋土的研究中广泛应用就是很好的证明。 同时，由于化工水平的不断提高，加筋材料的种类和质量( 包括耐久性，抗腐 蚀性，强度等) 也获得了极大的提高。这一切为加筋土技术的应用及研究领域 都进一步得到了扩展。 在我国，传统加筋技术应用也有着悠久的历史，但一直以来都没有加以总 结，未形成系统的理论，因此没有得到较大的发展。现代加筋技术在我国发展 和应用是在7 0 年代才起步的。起初修建的加筋土结构大都为加筋土挡墙。 1 9 7 8 1 9 7 9 年，云南省煤矿设计院在田坝矿区建成了3 座仅2 - - 4 米高的试验性 加筋土挡墙，这也是我国第一座加筋土结构。从8 0 年代开始，加筋土技术开始 逐渐在公路、水运、铁路和水利工程中试用。从1 9 8 0 年到1 9 8 9 年1 0 年间，我 国修建了3 1 1 座加筋土工程。9 0 年代以后，加筋土技术的应用规模和范围继续 加大，除了上述领域之外，在市政、林业等部门和行业也开始应用这项技术。 尤其是近年来，在公路建设和水利、水运建设中应用较多，取得了巨大的经济 效益和显著的社会效益。随着加筋土技术在我国的不断应用，其设计理论和施 工技术也日臻成熟。 1 3 加筋材料及布筋方式的发展 1 3 1 加筋材料的发展 对加筋土的研究，除了迸一步探讨加筋土结构的性状、工作机理，完善设 计计算理论之外，许多学者还在加筋材料的应用与发展及加筋方式方面进行了 研究。加筋土材料由最早的金属、混凝土、聚乙烯、聚氯乙烯土工膜、土工格 栅发展到土工合成材料、c a t 钢塑复合筋、预应力c f r p 材料等。这一时期的 研究表明，加筋土中的加筋材料以及加筋方式影响着加筋土的力学性能。早在 1 9 7 8 年，m c g o w n a t 5 】就将就筋材的种类分为了两类：理想的不可拉伸材料和 理想的可拉伸材料。前者为高弹模材料，后者为低弹模材料。此前十年，加筋 土的研究主要针对高弹模加筋材料 6 1 。同一时期，新型加筋材料不断出现 7 - - 9 1 ， 这些材料多为低弹模材料，分为纺织或无纺的土工材料。加筋材料的丰富使加 6 上海大学硕士学位论文 筋土技术的研究内容进一步发展。 伴随着加筋材料的发展，加筋结构的研究也取得了一定的进展，g a r y 和 o h a s h i ( 1 9 8 3 ) 通过一系列包含天然纤维、合成材料及金属纤维的纤维砂土直剪 试验，研究了其不同纤维角度对应力、应变的影响；s m i t h 和b r i g i s s i o n ，熊正 洪和张孟喜研究了在自重和有超载两种条件下加筋土挡土墙中筋条倾斜布置对 承载力的影响【1 1 】【1 2 】；l a w t o n 等( 1 9 9 3 ) 提出了一种“正交哑铃”式多方向的土 工合成材料加筋方式，并进行了相关承载系数( c b r ) 试验【1 3 】：杨果林提出了由 纵横筋组成的平面网格式加筋土，并对其加筋土结构进行了稳定性分析【1 4 】；谢 文东提出了加筋环新型加筋形式，其作用机理是将填料产生的侧向压力转由加 筋环承担【1 5 】；r a j a g o p a l ( 1 9 9 9 ) ，马卓军等( 2 0 0 0 ) 对土工格室加筋土进行t - - 轴 试验【1 6 】【1 刀；陈群和何昌荣对一座平面楔形混凝土拉筋加筋土挡墙进行了施加列 车荷载前后的原位观测【1 8 】；雷胜友分析了钢筋混凝土串联块作为筋带的加筋土 支挡结构的强度特性 1 9 1 。这些研究成果对加筋土技术的发展都起到了巨大的推 动作用。 1 3 2 布筋方式的发展 综合近年来加筋土布筋方式发展来看，加筋的几何方式大致经历了以下四 个阶段： ( 1 ) 单向线性：主要是指条带式加筋，一般金属加筋和受力纤维外包裹土 工合成物加筋多采用条带加筋的方式。 ( 2 ) 单向合成：主要包括格栅和席垫。 ( 3 ) 平面双向：土工合成材料，钢筋网，编织网的连续层。 ( 4 ) 立体三维：不仅水平方向布筋，垂直方向也有筋条且和水平筋材黏结 为一个整体。 从加筋几何方式的变迁过程可见，土体内筋材的布置方式经历了从线性到 平面再到三维空间的发展思路，不仅筋材材料种类丰富，筋材的布置方式也不 再单一。本文导m ) $ ( 2 0 0 6 ) 首先提出了立体加筋土的概念，通过三轴试验研究了 不同立体布筋方式的强度、变形及破坏形态，并在试验的基础上分析了立体加 7 f 海太学删i 片协沧文 筋砂_ 十的工作机理，建立了单、烈层以及多层立体加筋土的强度模型【”出】，取 得了相当丰富的成果。 立体加筋土是指在上中布置传统水平加筋的基础上设置竖向或立体筋材， 或者直接在上中前，置不同几何形状的立体加筋，其明显特征是：水平和竖向筋 材通过黏结它们共同构成了一个整体的三维结构。传统的加筋材料主要靠筋土 2 问的摩擦力限制土体变形，而立体加筋除了传统的水甲加筋功能外主要通 过竖向筋条的侧向抵抗作用限制土体的侧向变形，从而提高土体的强度。根据 对立体加筋的前期研究，提出了两种加筋方案： ( 1 、方案i 一等宽条带式带齿加筋 等宽条带式带齿加筋的典型方案一如图1 2 所示。齿筋形状可采用变厚度 的矩形、多面体板或半球体等，其宽度与水平筋相同，睹组合形成立体加筋。 其中，水平筋主要发挥其水平方向筋土摩擦作用；受齿筋的侧阻约束作用，齿 筋问的上体将形成“挤密区域”。为了保证土伴能被碾压密宴，使水平筋摩擦作 用与齿筋侧阻作用均能充分发挥，齿筋宜只布置在水平筋上侧二者可币交靠 置或呈一定角度，形成“倒楔形”齿筋。 夕勿 ( 曲单侧正交水平牾向窒f 【台u 筋o ) 正交水平一竖向组台加筋土结构 图i - 2 典刊立体加筋方案 ( 2 ) 方案i i 一不等宽条带式带齿加筋 小等宽条带式带齿加筋的典型方案二如图i - 3 所示。当条带式水平筋宽度 较小时，竖向或空间齿筋通过单根或双根条带式水平筋连接形成齿筋为主的组 合体。由于较窄的条带式水平筋主要起连接作用，组合筋周围孔洞容易保证土 1 海大学碰学位论立 体在施工过程中被压密齿筋可在水平筋上、下两侧对称布置或单侧布置，也 可在水平筋上单侧布置半球形齿筋。该加筋形式，主要通过齿筋侧阻约束作用， 在齿筋间形成土体“挤密区域”。 a ) 职侧正交水平竖向组合加筋m ) 单侧水平一半球形组台加筋 图1 - 3 不等宽条带式带齿加筋典型方案二 从立体加筋土概念提出至今，通过三轴试验前几届学长和作者导师已经对 单、双层立体加筋以及多层h v 加筋砂土性状的进行了系统的研究，并取得了 许多宝贵的成果： ( 1 ) 同围压下立体加筋对土体强度的增加效果随立体加筋土中竖筋高度的 增大而增大。 ( 2 ) 立体加筋同水平加筋一样，都是在低围压下才能更有效地工作。 ( 3 ) 立体加筋不仅能提高土体的黏聚力c 也能提高土体内摩擦角p 。 ( 4 ) 立体加筋土对土体强度增强效果和加筋材料的变形模量有很大关系， 变形模量越大的加筋材料对土体强度的增强效果也越大。 ( 5 ) 立体加筋比传统的水平加筋强度进一步提高的机理，除了水平加筋的 作用外，关键在于所加竖向筋的作用。土体在荷载作用下沿侧向发生膨胀，使 竖向筋条发生变形，反过来对士体产生侧向力，约束了土体的变形，提高了土 体的强度。 1 4 论文的主要研究内容 本论文依托国家自然科学基金项e l “条带式带齿加筋砂性土作用机理的细 观模拟学试验研究”( 项目编号：5 0 6 7 8 1 0 0 ) ，是以作者攻读硕士学位期间承担 上海大学硕士学位论文 课题的工作为基础，在第一章中主要介绍研究对象概况以及国内外研究的现状。 第二章阐述研究加筋土理论研究及其常规试验方法。第三章为论文的核心内容， 系统地介绍h - v 加筋黏性土的试验研究成果。第四章是在试验的基础上，阐述 h v 加筋土的加筋机理并推导了理论公式。最后第五章总结全文。 论文开篇在提出非满布的h v ( 水平一竖向) 加筋的基础上，设计了非满 布多层h v 加筋黏土的试验方案，以镀锌铁皮和有机玻璃为材料进行了大量的 固结不排水三轴剪切试验，并在此基础上探讨了h v 加筋黏性土的强度、变形 特性及其加筋机理。本次h v 加筋试验技术路线如图l - 4 所示。 图1 - 4h - v 加筋试验技术路线 本文所做的主要工作是研究这种h v 加筋的加筋机理和力学性质。研究的 内容主要由两个方面组成： ( 1 ) 本文试验应用的h v 加筋是三维立体加筋中一种具体形式，其中满布 l o 上海丈学颈十学位论文 的h v 加筋形式如图l - 5 ( a ) 所示，奉试验应用的是一种非满布的h - v 加筋( 见 1 - 5 ( b ) ) ，通过轴对称条件下非满布h v 加筋三轴试验可模拟条带式带齿加筋的 力学特性。 为了探讨h - v 加筋黏性士的强度与变形特性，验证黏性土中h - v 加筋的有 效性，通过三轴试验对两种材料( 镀锌铁皮和有机玻璃) 的h - v 加筋转性土进 行研究，分析比较非满布h - v 加筋在不同围压和不同竖向加筋率情况下的应力 一应变关系、强度特性及破坏形态，并螭述不同加筋方式及不同竖向加筋率对加 筋土体强度的影响，| 三【及镀锌铁皮和有机玻璃两种不同模量加筋材料对h v 加 筋强度的影响。 翰 ( 满布0 ) 非满布 幽l 一5 三轴试验中h - v ( 水平一蛏向) 加筋单元 ( 2 ) 在三轴试验的基础上，分析h - v 加筋黏性土的工作机理和破坏特性， 通过楔体极限平衡条件推导非满布h - v 加筋的强度公式得到破坏时大小主应 力之间的关系。并将理论强度公式与三轴试验结果对比，检验其合理性及准确 性。 上海大学硕士学位论文 第二章加筋土的理论分析和试验研究 加筋土的基本研究理论包括强度理论和结构设计理论，本文主要着重阐述 加筋土的强度理论。 2 1 加筋土的强度理论 土体强度问题一直是国际土工界研究的热点问题，加筋土的强度研究也不 例外。国内外学者通过大量的研究工作，对土工加筋原理、加筋土破坏模式、 加筋土内部稳定分析、加筋土的强度特性分析、加筋土本构模型研究等加筋土 的基本理论都有了较为深入的认识。 我们知道松散的土体在自重作用或外荷载作用下易产生严重的变形或坍 塌，若在土中沿应变方向埋设有挠性的拉筋材料，则土与拉筋材料产生摩擦， 使加筋土犹如具有某种程度的黏聚力，从而改变了土体的力学特性。根据迄今 为止的研究成果，筋土间相互作用的基本原理大致可以归纳为两大类：( 1 ) 摩 擦加筋原理：( f r i c t i o n a lr e i n f o r c e m e n tt h e o r y ) ( 2 ) 准黏聚力原理。( p s e u d o c o h e s i o nt h e o r y ) 2 1 1 摩擦加筋理论 主动区 稳动区 =1l j = 一_ f f 一 f 一 八4 5 ，2 ，t 图2 1 加筋土结构及受力分析 1 2 上海大学硕士学位论文 加筋土结构的典型特征是：加筋材料成层水平方向埋置于土体中，并且与 垂直的墙面板形成牢固的联结。其受力情况是：墙体破坏时产生主动区和稳定 区，如图2 1 所示，破坏棱体( 主动区土体) 的自重产生的水平推力通过与加 筋的相互作用与面板一起在加筋中形成拉力，企图将筋材从土体中拔出，而稳 定区的加筋又被其自重压住，即稳定区的土与加筋之间的摩阻力阻止加筋被拔 出。如果主动区的水平推力被稳定区筋一土之间的摩擦力所平衡，则整个加筋 结构的内部稳定就得到保证。 根据加筋土复合体中筋土之间的基本构造，我们在加筋体中取出一微段 来分析。如图2 2 所示，微元体长为刃，拉筋左截面受力为乃，右截面受力为 乃，压住拉筋的法向应力为盯，略去筋带重量和微元体土体重量。设拉筋与土 粒之间的摩擦系数为f ，b 为筋带宽度。由于土的水平推力在该微元段拉筋中 所引起的拉力为d t ，d t = j r i 一乃。设卵为土粒与拉筋在该微元段上产生的总 摩擦力，则有 d f = 2 0 f d l( 2 1 ) l iiliii 图2 - 2 摩擦加筋原理 根据对该微元体的受力分析可知，如果d f d t ，则筋土之间不会产生相互 错动，换句话说，土的水平推力被筋土之间的摩擦力所克服，则微元体保持稳 定，反之则不能保持稳定。 由上面的分析可知，根据摩擦加筋原理，若要取得很好的加筋效果，拉筋 1 3 上海大学硕士学位论文 材料要满足两点：一是表面要粗糙，能使筋一土之间产生足够的摩擦力；二是 要有足够的强度和弹性模量，前者保证在筋一土之间产生错动前拉筋不被拉出， 后者保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。 依据以上分析可见，摩擦加筋原理概念明确、简单，因此在高模量加筋土 工程中得到广泛的应用。但是我们应该看到摩擦加筋原理忽略了筋材在力作用 下的变形，同时它也未考虑非连续介质、具有各向异性的特点。所以，摩擦加 筋原理对于高强度的加筋材料( 如金属条带) 比较适用，而对低模量、变形较 大的材料其结果是近似的。 2 1 2 准黏聚力理论 加筋土结构可以看作是各向异性的复合材料，通常采用的拉筋，其弹性模 量远远大于填土。在这种情况下，拉筋与填土的共同作用，包括填土的抗剪力、 填土与拉筋的摩擦阻力及拉筋的抗拉力，使得加筋土的强度明显提高，这可从 三轴试验中得到验证。 将加筋砂圆柱试样与未加筋砂圆柱试样进行三轴对比试验就可发现，如果 未加筋砂土样加筋结构在q 及作用下达到极限平衡，那么加筋砂土样在同 样大小的矾作用下就达不到极限平衡，而是处于弹性平衡状态如图2 3 所示， 这说明加筋砂土样的强度得到提高。 图2 - 3 摩尔圆表示的土的加筋作用 未加筋土的极限平衡条件为 1 4 上海大学硕士学位论文 仃l = 仃3t a n 2 ( 4 5 。+ 争 ( 2 2 ) 如果在试验中对加筋砂土样仍旖以盯，并保持不变，则欲使试样达到新的极 限平衡状态势必增大q 至吼，_ 。根据库仑一摩尔破坏准则，同时假定加筋前后土 样的9 值不变，于是由图可得试样处于新的极限平衡状态下的数学表达式： = 吒t a n 2 ( 4 5 。+ 争+ 2 c - t a n ( 4 56 + 争 ( 2 3 ) 式中o r i ，加筋土样破坏时的最大主应力； 以作用于土样侧面的最小主应力； 未加筋砂的内摩擦角； c 加筋砂土样的“准黏聚力 。 将式( 2 - 2 ) 与( 2 3 ) 相比较，加筋砂土样多了一项由c 引起的承载力。而三轴 试验的结果表明，加筋砂和未加筋砂的强度曲线几乎完全平行，如图2 4 所示， 这说明假定矽值不变是可行的：但加筋砂土的强度曲线不通过坐标原点而与纵 坐标相截，其截距就是式( 2 3 ) 中的c 。为此，我们可以说，加筋砂土力学性能 的改善是由于新的复合土体( 即加筋砂) 具有某种黏聚力的缘故。这种黏聚力 不是砂土原有的，而是加筋的结果。同时在试验中我们对土样施加的侧限应力 也只是盯3 而不是盯3 + a o 3 ，a o 3 是加筋产生的，但在试验结果中却被“c ”( 黏 聚力) 代替了，为此，我们也称这个“黏聚力”为“准黏聚力，它反映了加筋 砂这个复合体本身的材料特性。 o 图2 _ 4 砂的加筋效果 1 5 上海大学硕士学位论文 准黏聚力可根据莫尔一库仑定律求得，见图2 3 。 o 1 厂= ( 仃3 + a t r 3 ) t a n 2 ( 4 5 。+ 争 z 加筋后土体处于新的平衡状态，即 = o 3t a n 2 ( 4 5 + 詈) + 衄t a n2 ( 4 5 0 + 争( 2 哪 式中a o ，因加筋产生的侧限应力增量。 比较式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 可得： 2 c 。t a n ( 4 5 。+ 争= a t r ，t a n 2 ( 4 5 。+ 争 令k 芦= t a n 2 ( 4 5 。+ 争 由此得准黏聚力的表达式： c ：继2 ( 2 5 ) 上式是建立在拉筋不出现断裂或滑动的情况下得出的，同时也不考虑拉筋 受力作用后产生拉伸变形。显然这只适用于高抗拉强度和高模量的拉筋材料， 如钢带、钢片和高强度、高模量的加筋塑料带等。对于低模量、大延伸率的土 工合成材料的加筋作用机理，不考虑其变形的影响是不符合实际的。为了考虑 加筋的变形性质，取三轴试验的楔体来做进一步的分析，如图2 - 5 所示。 t a o 3 t a n a 图2 - 5 加筋土楔体力学平衡图 1 6 a t r l 上海大学硕士学位论文 图2 5 中，彳为试样的截面积；口为破裂角，；口= 4 5 。+ 矽2 为土的内摩擦 角；辱为与破裂面相交的各拉筋层的水平合力，【观为拉筋的极限抗拉强度。 极限静力平衡条件： 辟+ q 么t a n ( 4 5 。+ 争= q 么t 觚( 4 5 。+ 善) ( 2 - 6 ) 而拉筋所能承受的水平合力为： r ：竺掣 ， 龋s 。j 、1 式中：解一力1 1 筋土体中拉筋层垂直间距( m ) s ，一加筋土体中拉筋水平间距( m ) o l ，一拉筋的极限抗拉强度( k p a ) 4 一拉筋的截面积( m 2 ) 将式( 2 2 ) 和式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) 中，可得： 勺；一 ， 2 1 3 其它理论 1 匀质等代材料理论 加筋土是由填料土与加筋材料层层交替铺设而成的复合体，每一加筋材料 和每一层填土形成一个单元层，每层相互平行且间距相等，因此，可将加筋体 看成为交替正交层系。加筋体由很多的单元层组成，加筋体的厚度( 即正交层 系) 与单元层相比要厚得多。假定各单元层的分层界面上无相对位移，每一层 中三个匀质材料的平面垂直于一个直角坐标轴，而且层面必须平行于一个弹性 对称面，那么这种交替正交层系可以用等代匀质材料的理论来分析，以研究加 筋土在工作荷载作用下的性状。 1 7 上海大学硕士学位论文 为计算加筋体中的应力分布，需要确定“等代于 土与加筋层系统的匀质 正交材料的性质、有关荷载条件和所给结构的几何条件。如果要确定等代材料 中一点的应力，则可用正交层理论求得土与加筋中同一点的应力。将未加筋土 体中的临界应力区与加筋数量不同、加筋方向不同、加筋材料布置不同的加筋 体中的临界应力区进行比较，就可获得加筋土的最佳设计。 匀质等代材料分析要求加筋体是弹性体，土与加筋材料间不产生相对滑动。 实际上，只要土中应力状态低于土的强度包络线，加筋材料中的主应力小于加 筋材料的破坏应力，且土与加筋材料的界面剪应力低于界面土的最大抗剪强度， 都可以用匀质等代分析法进行计算。也就是说，要用匀质等代分析法，加筋体 应在工作荷载条件下而不能在极限荷载条件下。 匀质等代材料分析计算可采用有限元、有限差分法、边界积分法或积分变 幻法来求解。从工程实用的角度上讲，未加筋土体和加筋体的应力区比较判断 还有一个判定标准问题要解决。匀质等代材料分析的关键实确定等代的正交材 料的有关参数。 2 弹塑性层板理论 加筋土是填土与加筋材料层层铺设而成，把每一层加筋材料和填土看成为 一个“层板单元 ，整个加筋土就是由黏结在一起的层板单元的有限层组成。假 定每一层单元具有唯一确定的材料性质，则可用增量分析法计算层板单元在弹 塑性状态下的位移和应力，从而对加筋体的应力变形特性进行分析。弹性层板 理论计算一般采用有限单元法进行计算，其关键是要选择并确定层板单元的弹 塑性本构模型和相应的屈服准则。 3 弹性薄膜理论 在土工织物加固的使用计算中，现有的许多方法无法考虑土工织物与土体 相互作用的特性，有些可以求解此类问题的弹性理论法由于方程的非线形而使 求解非常困难。有人提出用弹性薄膜来模拟土工织物，从弹性薄膜的普遍理论 出发，导出了地基变形和土工织物受力耦合的微分方程。由于薄膜不能受纵横 向的剪力，切厚度很小，认为薄膜中的应力在厚度方向是均匀的，使得方程的 推导大为简化。假定土工织物是线弹性材料，地基反力满足文克尔( w e n l d e r ) 假 1 8 上海大学硕士学位论文 设，则在平面应变的条件下可以对土工织物与土之间的相互作用进行研究，从 而探讨土工织物对地基的加固特性。 以上综述的内容是关于加筋土的基本强度理论。然而在实际工程应用中关 于加筋土结构分析理论又大体可以分为极限平衡法、有限单元法和边界元法等。 在以上结构分析的诸多方法中，极限平衡法由于其简单、易理解而应用最为广 泛，但是它对结构做了很多简化，因而并不能准确反映结构的实际情况。有限 元法是最能适用于各种复杂因素的方法之一，它弥补了极限平衡法的不足，因 而深受工程技术人员的喜爱。边界元法对求解要求满足的条件复杂且解答过程 冗繁，在加筋土结构中应用不多。 2 2 加筋土的试验研究 随着科学技术的进步，加筋土研究的手段不断丰富，人们对加筋土的认识 也不断深入，特别是一些精密仪器的应用，使得加筋土研究硕果累累。下面主 要从加筋土研究的各类试验方法方面介绍加筋土的试验研究及研究进展。研究 加筋土和加筋土结构的强度与变形，可采用的试验包括三轴试验、平面应变试 验等。对加筋土整体结构的研究，主要是通过模型试验和离心模型试验等。而 筋土相互作用的界面特性研究可进行直剪试验或拉拔试验。应用射电照相技术 则可以观察加筋土的内部位移与变形情况。 2 2 1 三轴试验 三轴试验是迄今为止岩土工程测试技术中应用最广泛的一种测试手段。它 通过三轴试验仪对原状的或重塑的三轴试件进行轴对称压缩或挤长试验，以期 得到非常重要的反映土的强度性质和力学指标黏聚力和内摩擦角( 即c ，缈值) ， 以及饱和三轴试件中孔隙压力对土的强度性质的影响规律，击实密度( 即孔隙 比) 对于强度性质和沉降的影响等。这些都应用于岩土工程的设计之中，并给 工程的质量标准提供可靠的保证。 三轴试验一直被广泛应用于研究加筋土加筋机理。加筋土的概念本身就是 1 9 上海人学硕士学位论文 h e n r iv i d a l 根据三轴试验结果提出的。s c h l o s s e r 和l o n g ( 1 9 7 4 ) 首先用三轴试验 研究金属条加筋砂土 6 1 。后来，国内外许多学者利用三轴压缩试验研究了加筋 对砂土强度和变形的影响 2 4 。2 9 1 。张孟喜( 2 0 0 6 ) 提出了立体加筋的概念，并采用 镀锌铁皮、有机玻璃和橡胶板等作为筋材，进行了单层、双层立体加筋和多层 非满布h v 加筋砂土的三轴试验，验证了立体加筋的效梨2 0 之1 1 2 6 1 。一些学者也 对黏性加筋土的强度特性做了研究，i n g o l d 通过对多孔塑料做加筋的饱和黏性 土进行不排水试验，发现当d a h 4 时，( d 试样直径，日一筋层间距) 加 筋效益将大于1 ，即黏性加筋土的抗剪强度大于无筋土的抗剪强度【3 0 弓1 1 。l e e 对最优含水量时的压实黏土，用聚脂薄膜作为加筋材料进行三轴试验，结果发 现筋材仅增大韧性，不增加强度，并推断加筋黏土在完全固结后再承受剪荷时， 加筋效果与加筋砂类似【3 2 1 。赵爱根( 1 9 8 8 ) 用针刺无纺织物做加筋，进行了饱和 黏上的固结不排水剪试验，结果表明加筋土的强度有所降低【3 3 1 。梁波等用饱和 黏性土中