（岩土工程专业论文）包裹式加筋土挡墙关键参数研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 包裹式加筋土挡墙主要靠柔性筋带来保持土体稳定，不开挖，造价低，施 工简便，还可以和坡面绿化灵活结合，这些优势决定了包裹式加筋土挡墙有着 很高的推广价值和广阔的市场前景。目前包裹式加筋土挡墙的设计理论及计算 方法还很不完善，另一方面塑性变形问题现阶段也没有得到有效地解决，这大 大限制了包裹式加筋土挡墙的发展，迫切需要对其展开全面的研究。 本论文首先在广泛搜集国内外相关资料的基础上对这种新形式挡墙的设计 理论和设计方法进行了总结；然后以玉蒙铁路蒙自段包裹式加筋土挡墙为对象， 结合室内蠕变和张拉试验重点对包裹层厚度、反包段长度、最大填土高度、坡 率四个关键参数及挡墙变形问题展开了研究，并取得了相应成果；最后通过蒙 自工点对研究成果进行了验证。本论文取得的主要成果如下： ( 1 ) 包裹式加筋土挡墙可以根据我国现行规范采用折线形破裂面模型并依 据摩擦加筋原理进行分析计算。 ( 2 ) 建立了包裹式加筋土挡墙的计算分析模型并对限制条件进行了一系列 简化。 ( 3 ) 给出了包裹式加筋土挡墙的包裹层厚度和反包段长度计算公式，同时 对目前工程中的经验取值进行了说明。 ( 4 ) 给出了包裹式加筋土挡墙最大填土高度跟筋带拉伸强度及反包段长度 之间需满足关系式。 ( 5 ) 包裹式加筋土挡墙主动区格栅的摩擦力也参与维持包裹段的局部稳定， 这与普通加筋土挡墙有着巨大的差别，本文给出了包裹式加筋土挡墙摩阻力的 计算方法和公式。 ( 6 ) 建议包裹式加筋土挡墙坡率不宜缓于1 ：1 。 ( 7 ) 对张拉及蠕变试验数据进行了整理分析，在此基础上对包裹式加筋土 挡墙的变形、墙顶沉降、墙高三者之间的关系进行了研究，并给出了它们之间 关系式。 关键词：包裹式加筋土挡墙破裂面关键参数张拉蠕变变形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h ew r a p - r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l li sm a i n l yb ym e a n so ff l e x i b l et e n d o n s t om a i n t a i ns o i ls t a b i l i t y , w h i c hi sw i t ha d v a n t a g e so fn o te x c a v a t i o n ，l o wc o s ta n d s i m p l e i n c o n s t r u c t i o n ，a n ds oo n t h eg r e a ta d v a n t a g e sd e t e r m i n et h e w r a p r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l lo ft h ep r o m o t i o no fh i 曲v a l u eh a v ew i d e m a r k e tp r o s p e c t a tp r e s e n t ，a n a l y s i st h e o r ya n dm e t h o do fc a l c u l a t i o no ft h e w r a p - r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l li ss t i l li m p e r f e c t , i t sp l a s t i cd e f o r m a t i o na tt h i s s t a g eh a v en o tb e e ne f f e c t i v e l yr e s o l v e d , w h i c hi s am a j o rc o n s t r a i n to nt h e w r a p - r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l lo ft h ed e v e l o p m e n ta n dp r o m o t i o no ft h e a p p l i c a t i o n i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n ，t h e r ei sa nu r g e n tn e e df o raw r a p r e i n f o r e e d e a r t hr e t a i n i n gw a l lt oc a r r yo u tc o m p r e h e n s i v er e s e a r c h b a s e do ng a t h e r i n gt h er e l e v a n ti n f o r m a t i o n ，d e t a i l e da n a l y s i so ft h e w r a p r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r e ，r e f e r e n c et ot h er e s e a r c hr e s u l t sa t h o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rt a k ew r a p e ds o i lt h i c k n e s s ，r e v e r s ed i r e c t i o nl e n g t h ， m a x i m u mh e i g h to ft h ef i l la n dr a t i oo ft h es l o p ea st h ek e yp a r a m e t e r s ，c a r r yo u ta l l a s p e c t st e s tr e s e a r c ho nw r a p r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l li nt h em e n g z il o c a t i o n , a n do b t a i n e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： a b a s e do nt h ee x i s t i n gn o r m s ，t h ec a l c u l a t i o no ft h ew r a p r e i n f o r e e de a r t h r e t a i n i n gw a l lc a nb ei nt e r m o ft h ep r i n c i p l eo ft h ef r i c t i o n ； b n i sp a p e re s t a b l i s haw r a p r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l la n a l y s i sm o d e lf o r c a l c u l a t i n g , a n ds i m p l i f ye l e m e n t so ft h ec o n d i t i o n sa n dr e s t r i c t i o n s ； c d e s c r i b i n gt h ec u r r e n tv a l u eo fe n g i n e e r i n gp a r a m e t e r , t h i sp a p e rg i v e sa c a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ew r a p e ds o i lt h i c k n e s sa n dr e v e r s ed i r e c t i o nl e n g t h ； d n i sp a p e rg i v e st h er e l a t i o n sb e t w e e nm a x i m u mh e i g h to ft h ef i i ia n dt e n s i l e s t r e n g t h ，r e v e r s ed i r e c t i o nl e n g t h ； e t h ef r i c t i o no ft h e 鲥di na c t i v ea r e aa r ea l s oi n v o l v e di i lt h em a i n t e n a n c eo f t h ew r a p e ds o i l , w h i c hi sd i f f e r e n tt ot h eo r d i n a r yw a l l ，t h i sp a p e r g i v e sac a l c u l a t e d f r i c t i o nm e t h o d sa n df o r m u l a so ft h ew r a p r e i n f o r e e de a r t hr e t a i n i n gw a l l ； et h er a t i oo ft h es l o p es h o u l dn o tl e s st h a n1 ：1 ： ga f t e rd r a w i n go nt h ea n a l y s i so ft h et e n s i o na n dc l e e pt e s td a t a s ，t h i sp a p e r h a sa l s oa n a l y s i s e dt h er e l a t i o n sa m o n gt h ed e f o r m a t i o no ft h ew a l l t h es e t t l e m e n to f t h ew a l lt o p ，t h eh e i g h to ft h ew a l l ，a n dg i v e dt h ef o r m u l a k e yw o r d s ：w a p r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l l ；f r a c t u r ep l a n e ；k e y p a r a m e t e r s ；t e n s i o n ；c r e e p ；d e f o r m a t i o n 西南交通大学四甯父遗大罕 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 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：期绂 指导老师签名：周 日期：如汐形如日期：形咋6 ，罗d 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在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。 本学位论文的主要创新点如下： l 、在理论分析的基础上建立了包裹式加筋土挡墙计算分析模型并对一些相 关条件进行了简化。 2 、包裹式加筋土挡墙主动区格栅的摩擦力也参与维持包裹段的局部稳定， 这与普通加筋土挡墙有着巨大的差别。 3 、给出了包裹式加筋土挡墙包裹层厚度x 、反包段长度l i 、最大填土高度 h 的计算方法和公式，对边坡坡率取值范围给予了建议。 4 、建立了筋带侧向伸长量a 、墙顶沉降h 、墙高h 三者之间的关系式。 学位论文作者签名：期金夜 日期：乃口弓、莎、弘 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景与依据 第1 章绪论 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。通常置于土体内部、表面或各 层介质之间，发挥加强或保护土体等工程作用。近代化学工业迅速发展，品种 繁多的人工合成材料陆续问世，它们具有质量轻、施工简易、运输方便、价格 低廉、料源丰富等优点，为建筑工程提供了一种崭新的理想的材料。伴随着土 工合成材料使用范围的不断扩大，土工合成材料的生产和应用技术迅速提高， 使其逐渐形成一门新的边缘性的学科。它以岩石力学为基础，与石油化学工程 和纺织工程有密切的联系，并产生了许多工程建筑领域的新观点、新概念、新 方法。 加筋土挡墙就是在这种大背景下发展起来的土体一种支护方式，并由于其 价格低廉、施工方便而得到了广泛的应用。包裹式加筋土挡墙是近年来在普通 加筋土挡墙基础上进行的一种大胆改进与尝试，其比普通加筋土挡墙成本更低， 施工更简便，并且还可以很方便的进行坡面绿化。由于有这些优点，包裹式加 筋土挡墙目前正不断应用于铁路、公路等工程建设中。实际应用结果表明，包 裹式加筋土挡墙由于在结构上和加筋土挡墙存在一些差别，采用现有的加筋土 设计理论还存在较多的问题需要加以研究。例如由于取消了墙面板用包裹段来 稳定土体，因而包裹段的长度、包裹层的厚度、包裹层内土压力的计算等，都 是需要重新考虑的新问题。另外，包裹式加筋土挡墙的稳定性与墙高、坡率、 筋带的变形等因素的关系，也是设计中应考虑的关键因素。上述的问题目前还 没有成熟的研究成果可借鉴，理论研究严重滞后于工程应用。本文结合铁道部 一项科研项目，以玉蒙铁路蒙自段d i k l 3 8 + 0 4 0 d i k l 3 8 + 9 9 0 工点为依托工程， 开展包裹式加筋土挡墙设计中的一些关键参数研究，在讨论包裹式加筋土挡墙 的设计理论和计算方法的同时，重点研究包裹层厚度、反包段长度、包裹层内 土压力的计算方法、最大墙高、坡率、筋带变形等关键参数。提出设计中需要 考虑的问题，以及各参数的相关计算方法和公式，力争为今后包裹式加筋土挡 墙的设计计算提供一些有益的参考资料。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 包裹式加筋土挡墙研究现状 1 2 1 包裹式加筋土挡墙的结构形式及优点 加筋土挡培是由面板、填料、筋材，基础等组成的复合结构，其原理是依 靠分层铺筑的筋材和填料之间的摩擦力来平衡培面板所承受的水平土压力，从 而保证加筋土体的稳定。加筋土挡墙结构有4 种典型型式的护面单元，即全高 度面板、分层预制面板、预制标准组件面板和包裹式墙面。本论文所研究的包 裹式加筋土挡培就属于包裹式墙面护面单元，目前这种结构的理论研究及工程 应用均滞后于其它三种形式。 包裹式加筋土挡培是以土工布、土工格栅等柔软土工合成材料为加筋材料， 在需加筋的土层内满铺，每铺一层在其上填土压实，并将外端部土工材料卷回 一定长度，利用加筋材料的侧向约束作用使土体自身保持稳定，然后在其上再 铺放一层加筋材料，每层填土厚0 3 o 5m ，按前法填土压实，逐层增高，直 至达到要求的高度“。，图1 - 1 就是分别以土工布和土工格栅为加筋材料的两组包 裹式挡墙现场照片。填筑后挡墙外侧可以设置壁面。但其不再作为主要受力构 件，仅起防护和装饰作用，如图1 - 2 所示；多数情况下是不设置墙面板的，而 采用绿化等方式对裸露筋材进行保护和装饰，如图1 - 3 所示。 囵黔= | ： 圈l l 不设置面板包裹式加筋土挡墙圈 蓉一 圈1 2 设置面板的包裹式挡墙圈l 一3 绿化护面的包裹式挡墙 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 从结构形式上看包裹式加筋土挡墙可以分为单坡面包裹式挡墙和双坡面包 裹式挡墙两大类，图1 - 4 为不设面板的两种包裹式挡墙示意图。本论文主要以 双坡面包裹式加筋土挡墙为对象展开研究，蒙自试验工点加筋土挡墙也是双坡 面包裹式加筋土挡墙。 图1 - 4 单坡面、双坡面包裹式加筋土挡墙 目前工程上大量使用的重力式挡墙、轻型挡墙，桩板墙等结构不仅造价高， 施工复杂，并且还普遍存在不美观，不能和周边景观协调的问题。 相对于其它形式挡墙包裹式加筋土挡墙有两方面突出的优势：一是其主要 靠少量柔性反包筋带来保持土体稳定，不开挖，也不需要工程设备，因此造价 相当低，施工也非常简便，工期短；二是包裹式加筋土挡墙的坡面可以很方便 地进行湿法喷播、挂网喷播、穴播、移栽灌木苗等绿化操作，很容易形成绿色 景观，也能很好地和周边自然环境协调一致。 对于加筋土挡墙，不论是理论研究还是无数的工程实例都说明其相对于以 往的重力式挡墙具有良好的抗变形能力和抗震动能力。另外在经济上，以土体 作为主要建筑材料的挡墙相对于以往的笨重的混凝土重力挡墙也具有相当的优 势。对于我国这样一个地震多发而又经济不发达的国家来说，加筋土挡墙具有 巨大的应用前景。然而目前对该技术的理论研究( 土工合成材料科学) 却明显地 滞后于工程应用，因此加筋土挡墙的理论研究具有巨大的理论和工程应用价值。 尽管该土工合成材料科学己经引起国内外岩土工程领域的广泛关注，而且相应 的科学研究也早已广泛展开，但人们对加筋土的研究很多仍旧处于对原始资料 的积累和现象的描述上，对加筋土本质的理论研究相对浅显。 1 2 2 包裹式加筋土挡墙设计理论 加筋土挡墙属加筋土技术的一个很重要的应用领域，从目前研究现状和工 程应用的角度来看，可以认为加筋土作为一种复合材料，对其机理和结构设计 的研究仍不够成熟，表现出工程实践超前于理论研究的特点，需要对其作进一 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 步的研究【厶3 4 6j 。目前工程中常用的朗肯( r a n g l d n e ，1 8 5 7 ) 和库仑( c o u l o m b ，1 7 7 3 ) 理论都是在不同的假设条件下应用不同的分析方法得到的，故仅在一定条件下 近似适用。包裹式加筋土挡墙作为加筋土挡墙的一种特殊形式是近些年才发展 起来的，国内外针对这种挡墙展开的研究更是少之又少，其关键参数反包段长 度k 、分层厚度x 、最大填土高度h 及边坡坡率i 目前国内外还没有比较统一 的结论。 铁三院的崔俊杰、韩会勋1 1 】基于直线型破裂面的基础上对包裹式加筋土挡 墙的稳定性进行了分析，给出了一套包裹式加筋土挡土墙的稳定性分析和设计 方法，并用该设计方法对京九铁路包裹式加筋土挡土墙的设计进行了校核。 张师德和杜鸿梁1 5 j 在包裹式挡墙的离心模型试验中发现包裹面内的实测土 压力值大于主动土压力，土压力最大值位于墙高中部；当墙项有均布超载时， 侧压力系数接近1 。如墙顶无超载，则墙面土压力分布为上小下大，沿墙高近似 线形分布或抛物线分布。 高江平1 6 j 等人通过大型模型试验对加筋土挡墙的破裂面形式进行了研究， 认为具有上覆荷载的加筋土结构应存在两组潜在的滑动破裂面，它们都属折线 形复合式滑裂面，其下部倾斜部分均为朗金破裂面，而上部分别为过均布荷载中 心及过承载板之后加筋体拉裂区后部界面的竖直平面。宋雅坤、郑颖人1 7 1 等通 过有限元分析研究后得到的加筋土挡墙破裂面和0 3 h 破裂面基本接近，但0 3 h 破裂面偏于保守。 邓长平、周立新1 8 j 等人对包裹式加筋土挡墙的筋带长度，包裹层厚度进行 了一定程度探讨，但他们的研究是以拉伸强度为控制指标的，没有考虑近代的 蠕变影响。 饶家强p j 选择重庆塑料1 5 厂的p p 3 0 1 5 及p p l 9 1 2 和孟县中州塑料厂的 p p 3 0 1 5 三种聚丙烯塑料土工加筋带为试样，对加筋土挡墙的蠕变规律进行了研 究。研究结果表明：聚丙烯加筋带当蠕变控制在3 4 时，容许应力约为筋带 极限拉伸强度的1 3 左右，我国设计规范规定的1 5 偏于保守。王钊1 1 0 _ 1 1 2 1 ( 1 9 9 2 ，1 9 9 4 ) 比较不同种类土工合成材料在加筋后同一时刻的应力一应变关系， 将蠕变过程曲线整理得到等时曲线，并从加荷后的不同时刻的等时曲线整理出 一定应变条件下，土工合成材料的拉伸模量与时间的关系曲线。杨果林【1 3 l ( 2 0 0 1 ) 在前人蠕变试验基础上对4 种典型筋材一土工带、土工格栅、土工网、土工布 进行历时1 0 0 0 0 h 的长期加载蠕变试验，得出4 种筋材在不同拉伸荷载水平作用 下的蠕变特性和蠕变方程。 吕鹏、杨广庆【1 4 l 等采用有限元数值分析方法对包裹式加筋土挡墙的水平位 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 移情况进行了研究，并认为包裹式土工格栅加筋土挡墙的侧面水平位移呈由下 向上的增大趋势，筋带长度、间距、刚度对水平位移有较大影响。 周继海、王荣娣1 1 5 j 依据具体工点对包裹式加筋土挡墙在铁路上的应用设计 进行了研究，但没有考虑格栅材料的蠕变影响。 1 2 3 包裹式加筋土挡墙的破坏模式 加筋土挡墙的破坏模式可以分为稳定性破坏、倾覆破坏及筋材破坏。稳定 性破坏分为整体稳定性破坏和局部稳定性破坏，筋材破坏分为筋材被拉断发生 的破坏和筋材被拔出而发生的破坏；此外还有因过大的侧向变形而引起的破 坏及筋材长度不够引起的破坏。包裹式加筋土挡墙作为加筋土挡墙的形式之一， 只不过是用外端部筋带代替面板承受包裹层厚度范围内的侧向土压力而已，其 在破坏模式方面与其它形式加筋土挡墙没有本质上的区别，也主要存在稳定性 破坏、倾覆破坏、筋材破坏以及过大的侧向变形和筋材长度不够引起的破坏。 杨果林瞌 对加筋土挡墙( 包括包裹式加筋土挡墙) 的破坏模式做过详细的 研究，总结了加筋土挡墙的六种破坏形式： 1 ) 整体稳定性破坏；这种破坏一般发生在加筋层下面。 2 ) 局部稳定性破坏；这种破坏一般发生在两层加筋层之间。 3 ) 倾覆破坏； 4 ) 筋带拔出及拉断破坏； 5 ) 筋材长度不足引起的破坏；这种破坏主要是指包裹式加筋土挡墙包裹段 长度不足而引起的破坏。 6 ) 过大变形引起的破坏。变形包括：主要受筋带长度影响的剪切变形，主 要受筋带刚度影响的拉伸变形以及蠕变变形。 杨果林认为只要按规范设计与施工，前五种破坏模式都是可以控制的，这 些破坏方式发生的可能性很小；但随着时间推移，筋材蠕变变形不断增大，发 生第六种破坏的可能性是比较大的。 目前，对于加筋土挡墙的变形分析一般通过数值分析来实现，实际工程中 对变形的控制也一般是参照数值分析的结果，靠工程经验来确定。 1 2 4 包裹式加筋土挡墙的设计参数 普通加筋土挡墙设计的内容主要包括确定加筋材料的长度、种类、横截面 形状和间距等方面，以保证加筋土挡墙的外部及内部稳定性。加筋土挡墙外部 稳定性分析由于工况简单，因此比较容易计算和控制；内部稳定性分析比较复 杂，与其相关的参数确定是加筋土挡墙设计的主要内容。包裹式加筋土挡墙作 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 为一种特殊的加筋土挡墙，设计中除了以上几方面的内容外，还包括反包段长 度长度及反包层厚度的确定等方面。 铁四院地路处的赵子俊、陈德平蚴以焦柳线k 9 6 6 + 1 4 5 k 9 6 6 + 5 9 5 段包裹式 加筋土挡墙为例对这种形式挡墙的设计进行了探讨。他们首先按照普通加筋土 挡墙的设计计算方法对土压力、筋带拉力、筋带有效长度、填料、截面形式等 内容进行了设计和选定；然后选取包裹体单元对反包段长度及包裹层厚度进行 了计算，并指出虽然理论计算的反包段长度很短、包裹层很厚，但工程实际中 反包段长度不得小于2 米，包裹层厚度一般在0 3 0 5 米范围内选取。他们在 设计中没有涉及挡墙变形的问题，只是针对工点进行研究，没有进一步展开分 析，也没有归纳总结得出相应结论。因此在包裹式挡墙的设计参数方面，特别 是涉及局部稳定性的参数方面还需要进一步的展开针对性的研究。 1 3 本论文研究的主要内容 目前国内外针对包裹式加筋土挡墙的研究很少，它的反包段长度、包裹层 厚度、最大填土高度、坡率等关键参数还没有一个统一的结论，这大大限制了 包裹式加筋土挡墙的发展。本论文以玉蒙铁路蒙自段双坡面包裹式加筋土挡墙 为依托工程，采用现场调研，理论分析和试验研究等手段，开展这类加筋土挡 墙设计的关键参数研究。主要内容包括： 。 ( 1 ) 双坡面包裹式加筋土挡墙设计计算方法。在论述现有加筋土挡墙设计 方法的基础上，提出包裹式加筋土挡墙的设计计算内容，包括包裹层土压力的 计算方法。 ( 2 ) 包裹式加筋土挡墙关键参数研究。重点研究包裹层厚度、反包段长度、 最大墙高、坡率等关键参数。提出设计中需要考虑的问题，以及各参数的相关 计算方法和公式。 ( 3 ) 包裹式加筋土挡墙筋带变形对坡体稳定性的影响。重点研究筋带蠕变 变形的影响。 ( 4 ) 利用研究成果对蒙自包裹式加筋土挡墙工点进行计算分析，以验证研 究结论的合理性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章包裹式加筋土挡墙的设计计算方法 2 1 包裹式加筋土挡墙的理论体系及加筋机理 2 1 1 理论分析体系 对加筋土挡墙进行分析计算的目的就是保证其稳定不发生破坏，加筋土挡 墙的破坏模式参见本论文第1 章1 2 3 节。由于挡墙外部稳定性以及倾覆稳定 性分析简单且容易控制，因此加筋土挡墙的设计的重点主要集中在内部稳定性、 筋带破坏、变形破坏的计算和分析三方面。变形的分析计算目前国内外都没有 比较成熟的理论和方法，主要还是依靠经验和试验成果，需要进一步展开研究。 现阶段加筋土挡墙的设计计算理论主要是把加筋土看成由土与筋材两种不 同性质的材料组成，设计时把筋、土分开加以计算。设计计算内容有：确定加 筋土的破裂面、土压力计算、墙面板设计、拉筋设计、填料的选择、加筋土挡 墙稳定性检算等方面。包裹式加筋土挡墙也是加筋土挡墙，它与普通加筋土挡 墙的区别只是用外端部筋材代替了面板承受土压力而已，如果将该部分筋材视 为变形较大的面板，那么包裹式加筋土挡墙与普通挡墙就没有区别。由此分析 用以分析计算普通加筋土挡墙的理论及方法也可以用来对包裹式加筋土挡墙进 行分析。包裹式加筋土挡墙由于取消了墙面板用包裹段来稳定土体，因此其设 计计算内容与普通加筋土挡墙有所不同，以图2 - 1 的双坡面加筋土挡墙为例， 设计计算内容有：确定加筋土的破裂面、土压力计算、拉筋设计、反包段长度 计算、包裹层厚度计算、填料的选择、加筋土挡墙稳定性检算等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 钐 摩擦力t - - 0 t e 中 忒 图2 - 1 双坡面包裹式挡墙及底层筋带受力力示意图 现阶段对加筋土挡墙的设计理论研究主要集中于设计计算方法和校核计算 两方面，比较有影响的分析计算研究方法主要有极限平衡法、有限单元法和边 界元法三种。 1 、极限平衡法 极限平衡法的主要思路为：假定土为理想刚塑性体，沿假定的破坏面滑动， 考虑加筋的拉力对土体稳定的贡献，然后用静力平衡的方法计算潜在滑楔体的 稳定性。对于加筋土挡墙，用极限平衡法设计需进行内部稳定计算和外部( 整体) 稳定验算。 内部稳定计算首先要假设潜在的破坏面来进行计算，包括侧向土压力计算、 筋材拉力计算、筋材拉伸强度和锚固强度验算。可能的破裂面有多种，实际工 程中一般采用传统的朗肯型和o 3 h 简化型。 外部稳定计算即整体稳定验算，包括地基承载力验算和滑动稳定验算。加 筋土挡墙的滑动有两种可能性：一种是水平推力克服了加筋体基底与地基土之 间的摩阻力而沿着地面滑动；一种是修筑在斜坡上的加筋挡土墙可能自身或与 土坡一道产生滑动。 2 、有限单元法 影响加筋挡土墙性状的因素众多，利用解析方法求解相当困难。目前数值 方法，尤其是有限单元法是解决这一问题的最重要的途径。这种方法的优点是 不仅可以同时提高受荷土体的应力场与位移场，而且能在计算中考虑土体的非 均质和非线性特征以及土体随时间和荷载的变化，因而计算成果可反应从施工 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 开始到运行时期土体性状的全过程。有限元法可分为两大类：一类是利用有限 元法的计算结果对土工织物的加固机理进行探讨；另一类是利用有限元法计算， 并与常规计算之间进行某种联系。加筋土的有限元分析主要有两种方法：一种 是将筋材与土分开考虑；另一种是将筋土合为一体，作为一种复合材料整体考 。虑。此外，介玉新、李广信( 1 9 9 9 ) n 钔还提出了等效附加应力的分析方法。 3 、边界单元法 边界单元法是把所研究问题的微分方程变为边界积分方程，然后将区域的 边界划分为有限个单元，也就是将边界积分离散化，得到只含有边界上节点未 知量的方程组，最后进行数值求解。与有限元法类似，边界元法也要有一个试 探解函数来实现对求解区域的离散，但在选择这些区域时采用了不同的准则。 有限元法采用的试探解函数满足边值问题的主要边界条件，而在域内和边界上 不满足控制微分方程，要在整个求解域上采用变分原理来寻求控制微分方程的 近似满足。边界元法则要求试探解函数满足控制微分方程，而不必满足边界条 件，然后通过伽辽金法、配点法或最小二乘法把问题定义在求解区域的边界上， 在某种平均意义上来寻求边界条件的近似满足。目前该法在加筋土工程的应用 不多，黄广军n 刀( 1 9 9 9 ) 在这方面做了一些探讨性的工作。 综合以上三中理论，极限平衡法忽略了一些细节，从整体上对加筋土挡墙 进行控制，计算相对简单具体，目前国内外工程实际中也主要采用该理论进行 设计计算。其他两种理论考虑了诸多环节，其分析结果更贴近实际，但计算相 当复杂，并以有限元分析为主。包裹式加筋土挡墙只不过是普通加筋土挡墙的 一些改进，没有本质上的变化，从工程应用推崇的简单快捷观点出发，并结合 我国现阶段的设计规范，本作者建议采用极限平衡理论对包裹式加筋土挡墙进 行分析。 2 1 2 加筋机理 包裹式加筋土挡墙与传统加筋土挡墙的加固机理是一样的，也是沿土体应 变方向埋置加筋材料，依靠土与筋材之间的摩擦来改变土体的力学性能，类似 于增强了加筋土体的粘着性，从而使土体保持稳定。现阶段工程设计中主要以 极限平衡理论为依据对加筋土的加筋机理进行计算和分析，在这个理论体系内 有的两种原理得到了广泛的应用，一是摩擦加筋原理，二是准粘聚力原理。 1 、摩擦加筋原理u 6 摩擦加筋原理是将加筋土视为筋材和土体的复合结构，然后利用摩擦原理 对其加筋机理进行解释和分析。这种分析计算原理由于具有公式简单、便于理 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 解、系数容易确定等诸多优点，因此在工程设计中被较多使用。 根据包裹式加筋土挡墙筋带回折反包示意图( 图2 - 2 ) 可以分析：在包裹式 加筋土结构中由填土自重和外力产生的土压力首先作用于挡墙外侧面包裹土体 的筋材，企图将其从土中拉出，而层底通长铺设的筋材拉力和层顶回折反包筋 材与填土之间的摩擦阻力又阻止了筋材被拔出。因此，只要拉筋材料具有足够 的强度，并与土体产生足够的摩阻力，则加筋土体就可以保持稳定。 图2 2 包裹式加筋土挡墙筋带回折反包示意图 图2 - 3 表示两个与筋带相接触的土颗粒，在摩擦力和垂直于筋带平面的法 向应力作用下，其合力与筋带的法向平面成q 角。当q 比土体与筋带间的摩擦 角6 小或t a nq 小于土颗粒与筋带间的摩擦系数f 时，筋带与土颗粒之间不产生 滑移。 图2 3 土颗粒与筋带之间的摩擦示意图 筋带是按一定的间距顺水平方向排列的，筋带中的拉力由与其接触的土颗 粒传给没有接触的土颗粒。这种力的传递结构目前还在探索和研究之中，一般 可近似的考虑为土拱作用，如图2 - 4 所示。这样筋带之间的土层相当于在两层 筋带之间填满袋状的土，此时袋中与筋带不接触的颗粒也可以认为与直接与筋 带接触的土颗粒受力是一样的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 4 筋带之间的土拱作用示意图 在对筋带摩擦力进行计算时，由于筋带上下两面均有摩擦力，根据牛顿力 学理论，其计算公式为式( 2 1 ) ： ，2 6mal(2-1) 式中：1 1 - 筋带与土体问的摩擦力； 6 - 、法向应力： f _ 为筋带与土体间摩擦系数； b _ 拉筋筋带宽度； l 2 _ 筋带在破裂面以外的有效长度。 2 、准粘聚力原理n 印 准粘聚原理将加筋土结构可以看作是均质的各向异性的复合材料，可以用 莫尔库仑理论对其加筋机理进行解释与分析。 由三轴试验分析可知，加筋土试件由于土中重埋置了水平方向的筋带，当 在外力和自重作用下土体沿筋带方向发生膨胀变形时，筋带犹如一个“约束应 力a 6 ，力，阻止了土体的延伸变形，从而保持了加筋土体的稳定。a 6 ，的值相当 于土体与筋带之间的静摩阻力，其最大值取决于筋带材料的拉伸强度。 2 2 包裹式加筋土挡墙破裂面形式的确定 加筋土挡墙目前主要根据极限平衡理论中的摩擦加筋原理进行计算，对于 包裹式加筋土挡墙来说运用这种理论体系进行分析计算在目前也是最便捷的。 根据摩擦加筋原理进行计算的关键是确定加筋土的破裂面，目前对加筋土破裂 面的形状及位置的假定主要有四种，即直线型、折线型、对数螺旋线型、复合 型。 ( 1 ) 直线型破裂面假定直接借用了古典的朗金理论，认为破裂面为一通过 墙趾且与水平面成( 4 5 。一咖2 ) 角的平面，此平面将加筋土体分为主动土压 区和抵抗区( 筋条锚固区) 两部分，具体见图2 - 5 。由于加筋土挡墙不能满足郎 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 金主动状态的变形条件和边界条件要求，所以加筋土的实测破裂面位置往往远 离郎金理论滑面。只有在极少数地形和边界条件都十分接近郎金理论主动状态 的条件下才可测得近视郎金滑面的曲线画面l 1 6 j 。 ( 2 ) 根据加筋土挡墙的加载破坏实验获得的滑面可以分为上下两段，上段 竖直( 高h 1 ) ，下段弯曲( 高h 2 ) ，因下段滑面曲线接近郎金理论滑面，故简化 为直线。在简化计算中一般定为h l = h 2 = o 5 h ，b = o 3h ，具体见图2 - 6 。实际 工程验证发现折线滑面的下段与实测值吻合的较好，上段竖直曲面与试验值常 常不太吻合u ”。 ( 3 ) 对数螺旋型破裂面的假定倾向于把加筋土当作“粘结重力式挡土墙， 即土与筋条结合而成的复合体。当结构发生滑动破坏时，由于土与筋条的“粘 结破坏时不仅仅是土体的滑动，还有筋条的断裂，其破裂面为一对数螺旋曲 线，具体见图2 7 。试验资料证明加筋土挡墙的深部存在着对数螺旋面，而在墙 的上部常常与这条曲线不吻合l 1 6 j 。 ( 4 ) 复合型破裂面假定加筋土的内部条件( 墙高、填料性质、筋条材质、 筋条长度、加筋密度等) 只影响筋条内力的大小而不改变填土中塑性区的形状， 同时假定在塑性区内还出现第二破裂面。复合型破裂面也把破裂面分为两段， 下部c d 段为螺旋线，上部b d 段为为直线，认为a b c 为塑性区，在该塑性区内 a b d 段为压密区，a c d 段为剪胀区，剪胀区的土体受剪切破坏将向临空面膨胀挤 出，这种破裂面的下部与实际吻合较好u 引，具体见图2 - 8 。 c 图2 - - 5 直线型破裂面示意图 图2 7 对数螺旋线型破裂面示意图 ci 抓一= o 图2 - - 6 折线型破裂面示意图 4 s + 婚2 t j 鼍f l j - - f 坍“- 图2 - - 8 复合型破裂面示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 包裹式加筋土挡墙破裂面的具体形式目前学术界还没有一个定论，工程中 为了计算简便国内外实际应用时主要采用直线型和折线型两种破裂面形式进行 计算分析。直线型破裂面直接借用了古典的朗金理论，由于包裹式加筋土挡墙 不能满足郎金主动状态的变形条件和边界条件要求，所以实测破裂面位置往往 和理论的郎金理论滑面差距很大，不能合理地反映包裹式加筋土挡墙的破坏情 况。我国现行规范一般采用折线形破裂面模型对加筋土挡墙进行分析计算，实 际工程验证也发现折线滑面的下段与实测值吻合的较好，上段竖直曲面与试验 值常常不太吻合，但能够满足工程需要。 由于包裹式加筋土挡墙本质上和普通加筋土挡墙没有大的区别，只不过用 外端部的筋材代替挡板承受土压力，同时通过包裹的方式对底层筋带进行了固 定而已。为了计算方便别且与我国加筋土挡墙相关规范一致，本作者认为采用 折线型破裂面对包裹式挡墙进行计算与分析是合理可行的。 2 3 包裹式加筋土挡墙计算模型的简化 为了使包裹式加筋土挡墙的计算更加简便快捷，根据极限平衡理论中的摩 擦加筋原理，本文在充分对比普通加筋土挡墙和包裹式加筋土挡墙的基础上做 了如下简化，并由此建立了双坡面包裹式挡墙的力学计算模型，如图2 - 9 。 1 ) 每块侧面包裹土体的筋材承受的填料产生的水平主动土压力将由与其连 续的上下两段平铺筋材所提供的摩擦力和拉力来平衡。 2 ) 筋材厚度及侧面摩擦力不计。 3 ) 计算分析采用折线型破裂面( 见图2 - 9 ) 。 与普通加筋土挡墙不同的是，当包裹式挡墙发生失稳破坏时，是反包段长 度l 。和主动区内的筋带l z 来提供摩擦阻力阻止主动区土体的破坏，而普通加筋 土挡墙是依靠稳定区内的筋带提供摩擦阻力阻止土体破坏的。 4 ) 拉筋与填料之间的摩擦系数在筋带全长范围内相同，且不考虑埋深对摩 擦系数的影响。 5 ) 在拉筋有效长度范围内自重及外荷载均对筋材产生有效摩阻力。 6 ) 双向反包挡墙层底平铺筋材的有效长度计算到中心线止。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 一p 盟 图2 9 折线型破裂面计算示意图 2 4 包裹式加筋土挡墙的应力计算方法 ( 1 ) 挡墙填土水平土压力6 。；计算 铁路路基支挡结构设计规范( t b l 0 0 2 5 - 2 0 0 1 ) 建议选取下式进行计算： 6 川= k iyh 。 ( 2 2 ) 当h ；6 m 时，= k o ( 1 - - h 。1 6 ) + l ( 8 ( h 。1 6 ) 当h i 6 m 时，k i 1 ( 8 式中：k o 一静止土压力系数， l ( o = 1 - - s i n 由。； k 广主动土压力系数，i ( a = t 9 2 ( 4 5 。一巾。2 ) i 6 。，。填土产生的水平应力( k p a ) ； h 。墙顶填土距第i 层包裹层中心的高度( m ) ； k ；加筋土挡墙内h 。深度的土压力系数； 巾厂填料综合内摩擦角；y 填料容重( 1 【n m 3 ) ； 根据上式对双坡面包裹式加筋土挡墙包裹层水平土压力进行计算分析，结 果如图2 - 1 0 。根据图示可以看出，外侧反包段筋带承受的水平土压力主要来自 于a 、b 两部分：a 部分水平土压力全部作用在坡面反包筋带上；b 部分经过应 力传递会有部分作用在坡面反包筋带上，至于这一部分到底是多少以及受那些 条件控制现阶段国内外都没有一个确切的结论，还需要进一步展开研究。设计 中偏于保守一般直接以b 部分水平力作为作用在坡面反包筋带上的荷载。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 1 0双坡面包裹式挡墙包裹层水平土压力分布图 ( 2 ) 墙顶面外荷载产生的水平应力6 。：；计算 墙顶面外荷载产生的水平应力目前我国主要采用如下两种计算方法。 铁路规范建议按弹性理论的条形荷载作用下土中压力的计算公式计算： 6 复。型坠卜c o s ( 0 2 + o i ) s i n ( o ：一岛) + 0 2 一q 】( 2 - - 3 ) 嚣 图2 - - 1 1 荷载产生的侧向土压力计算简图 蜩2 所示可知s 岛2 赤铷s 吼2 南 s i n q 2 了丽bs i n 吼2 丽丽b + l o 丽 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 由上四式解之得：8 l = a r c t a n ( b 以) 将上述计算结果代入式( 2 - 2 ) 可得： p 2 2 a r c t a n ( t b + l o ) 。粤t 南一踹+ a m t a n ( 挚一a r d a n ( b 以) ( 2 - - 4 ) 按应力扩展线计算： 由大量实测数据可知，墙顶面外荷载产生的侧向土压力由顶面向下愈深其 影响愈小。为简化计算，其值由荷载引起的竖向土压力6 ，。与土压力系数k ；的 乘积而得。 万删铺万嘣 ( 2 5 ) 万嘣= ，阮，。上，； ( 2 6 ) 式中： z 广荷载换算土柱宽度； y 土体容重； 缸一前载换算土柱高度； 缸_ 荷载产生的在加筋土深度6 。处的侧向土压力系数，该系数与填料土 压力6 。计算公式中的k 。计算方法一致； 工；第i 层拉筋深度荷载在土层中的扩散宽度，见图2 - 1 2 所示。若应力 扩散线与包裹式挡墙侧面包裹筋材相交，只计算侧面与另一侧分布线间的水平 距离；若应力扩散线与筋材的交点不在破裂区，此时外荷载产生的侧向压力不 会对挡墙产生影响，则取6 。i ：0 。 图2 1 2 应力扩展线计算图式( b = 3 0 。) ( 3 ) 作用于筋带上的竖向压力6 ，；计算 作用于包裹式加筋土挡墙筋带上的竖向压力6 ，；等于填料自重应力6 川 ( 2 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 与荷载引起的压应力6 嘣之和，即： 6 订。6 v u + 6 ，五 式中： 6 ，h 一t ( 2 8 ) 根据式( 2 8 ) 对双坡面包裹式加筋土挡墙反包段及层底满铺筋材受到的自 重引起的竖向土压力6 ，分布规律及大小如图2 1 3 所示。 图2 一1 3双坡面包裹式加筋土挡墙筋带上自重竖向土压力分布图 外荷载产生的竖向力计算式为： x 计算点m 到荷载中线的距离。 图2 一1 3 荷载产生的竖向土压力计算简 由式2 - 8 计算出来的竖向土压力6 倒沿拉筋长度分布是不均匀的，在实际计 乇一 ) ：一，一 9 b 一 锄 型现 一 l 弘 1 0 邑 下；堕生啊型巩 了。 x 玉“ 凯j百沩 卜， 式 2 邑 博a 由了 咖 抽 踟 x 一 ，7 。 及 x ，q 们 z 砌 m 矾 知鸟石和 - 所 瓯 图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 算时可取线路中心线下、拉筋末端和墙背三点三点的应力平均值作为计算值。 ( 4 ) 筋带拉力及摩擦力计算 任层筋带所受的摩擦力由筋带上下两面与填料之间的摩擦产生。作用于 筋带上的竖向压力等于填料自重应力与墙顶外荷载引起的压应力之和，在计算 摩擦力时，为了计算简便且偏于保守