（道路与铁道工程专业论文）土工格栅加筋土路堤力学行为与设计方法研究.pdf

摘要 摘要 在公路工程领域，路堤加筋是一项重要的技术革新，加筋土路堤不仅具有 良好的抗变形能力，稳定性好，而且可以因地制宜，就地取材，对环境扰动小， 因而，路堤加筋技术的应用，对于提高公路工程质量，节约工程用地，保护生 态环境意义重大。目前主要存在力学行为认识不够、设计方法不尽合理以及设 计规范滞后等问题。 本文依托交通部西部交通建设科技项目“加筋土路基力学行为与设计方法 的研究 ( 编号：2 0 0 4 3 1 8 8 2 2 0 6 ) ，通过现场调查、理论分析、室内试验、数值 模拟和现场测试，对加筋土路堤的主要工程问题、静力荷载和行车荷载作用下 的力学行为，以及设计计算理论、方法和参数进行了深入系统的研究。 通过对云南、重庆等六省( 市) 1 1 条公路既有加筋土路基工程和国内外相 关文献的调研，明确了加筋土路堤的常见病害主要是路堤损坏和路面损坏等两 大类；揭示了病害的成因机理，包括稳定性不足和( 或) 变形过大。 采用连续介质快速拉格朗日差分法软件f l a c ，分析了静力荷载与行车荷载 作用下加筋土路堤的力学行为。表明，高强度筋材不仅可以提高加筋土体的粘 聚力，而且能增大加筋土体的内摩擦角；加筋后路堤抗弯刚度得到提高，有效 扩散了路堤的竖向正应力，同时由于土体与土工格栅之间的咬合摩擦作用，使 路堤土体的抗剪能力得到明显提高；行车荷载作用所引起的加筋土路堤累积塑 性变形相对于土体固结变形而言可以忽略不计。 针对加筋土路堤的失效模式，提出了相应的设计状态，并进一步建立了基 于稳定控制和基于变形控制的加筋土路堤设计计算理论、方法和标准。根据塑 性极限上限定理，考虑土体内部的应力一应变关系和库仑材料相关联流动法则， 推导了加筋土路堤稳定极限分析条分法：根据大量工程实测资料的统计分析， 并按照抗力最小二乘原理，优化出了加筋土路堤在4 种失效模式下的设计分项 系数；采用筋土分离模型、流固耦合技术，建立了能考虑土体非线性特性、固 结以及施工过程的加筋土路堤工后沉降和不协调变形的数值计算方法，以及不 协调变形的容许变坡率控制标准。 以室内试验结果为基础，参照国外相关标准及文献资料，重点推荐了加筋 土路堤设计中无试验资料时的土工格栅蠕变折减系数和施工损伤强度折减系数 的取值范围，以及筋土界面参数取值范围。 在重庆、广东两地2 个试验路进行了现场试验，并对实施效果进行了系统 的跟踪观测。结果表明，本文所提出的基于稳定控制和基于变形控制的加筋土 摘要 路堤设计计算理论和方法是科学和可靠的。 关键词：加筋土路堤，力学行为，极限分析条分法，设计分项系数，工后沉降， 不协调变形，强度折减系数，筋土界面参数 a b s t r a c t a b s t r a c t a san e w t y p eo ft e c h n o l o g y , e m b a n k m e n tr e i n f o r c e db yg e o s y n t h e t i c sh a sb e e n w i d e l yu s e di nh i g h w a ye n g i n e e r i n gi nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo fi t ss t a b i l i t ya n d a n t i d e f o r m a t i o n a l t h o u g ht h em e c h a n i c a lb e h a v i o ra n dd e s i g nm e t h o do fr e i n f o r c e d e m b a n k m e n ti nh i g h w a y sh a v e b e e ns t u d i e dt h o r o u g h l y , t h e r ea r em a n yc h a l l e n g e si n t h ef i e l dw h i c hp u z z l eh i g h w a ye n g i n e e r sf o ral o n gt i m ei nc h i n a f o ri n s t a n c e m e c h a n i c a lb e h a v i o ro fr e i n f o r c e de m b a n k m e n ti sn o tg r a s p e dt h o r o u g h l y , d e s i g n m e t h o di sc o n s e r v a t i v ea n dd e s i g ns p e c i f i c a t i o ni sh y s t e r e t i c t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h es c i e n c e & t e c h n o l o g yp r o j e c to fc o m m u n i c a t i o n c o n s t r u c t i o ni nw e s tc h i n a , m o c ：i n n o v a t i v er e s e a r c ho nm e c h a n i c a lb e h a v i o r a n d d e s i g nm e t h o do f r e i n f o r c e ds u b g r a d e si nh i g h w a y s ”( g r a n tn o 2 0 0 4 318 8 2 2 0 6 ) m e c h a n i c a lb e h a v i o ra n dd e s i g nm e t h o do fr e i n f o r c e de m b a n k m e n t i nh i g h w a y sh a v e b e e ns t u d i e dt h o r o u g h l yb a s e do ni n v e s t i g a t i o n , n u m e r i c a la n a l y s i s ， e x p e r i m e n ta n di n s i t um e a s u r e m a i nc o n c l u s i o n si n c l u d e ： ( 1 ) t h r o u g hi n v e s t i g a t i o no fd o c u m e n ta n ds o l i de m b a n k m e n tr e i n f o r c e db y g e o s y n t h e t i c s ，t h ed i s e a s e so fr e i n f o r c e de m b a n k m e n th a v eb e e ng r a s p e dw h i c ha r e e m b a n k m e n td a m a g ea n dp a v e m e n td a m a g e a n dt h em e c h a n i s mo fd i s e a s e so f r e i n f o r c e de m b a n k m e n ti si n c l u d i n gp o o rs t a b i l i t ya n dl a r g ed e f o r m a t i o n ( 2 ) 3 - d e m e n s i o n a lf a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ( f l a o d ) s o f t w a r e w a su s e dt oa n a l y z et h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fr e i n f o r c e de m b a n k m e n t t h e c o h e s i o na n di n t e r n a lf r i c t i o na n g l eo fr e i n f o r c e ds o i lw i l lb ei m p r o v e db yh i g h s 臼e n g t hg e o s y n t h e t i c s t h es t a b i l i t ya n da n t i d e f o r m a t i o no fe m b a n k m e n tw i l lb e e n h a n c e db yu s i n gg e o s y n t h e t i c s a c c u m u l a t e dp l a s t i cd e f o r m a t i o no fr e i n f o r c e d e m b a n k m e n tc a l lb ei g n o r e d ( 3 ) s t a b i l i t y c o n t r o ld e s i g nm e t h o da n dd e f o r m a t i o n - c o n t r o ld e s i g nm e t h o d w e r ee s t a b l i s h e d b a s e do nl i m i ta n a l y s i sp l a s t i c i t yt h e o r y , a p p l y i n gt r a d i t i o n a ls l i c e m e t h o dt ot h el i m i ta n a l y s i so fr e i n f o r c e de m b a n k m e n t ，af o r m u l at oc a l c u l a t et h e s a f e t yf a c t o ri ns t a b i l i t yo ft h er e i n f o r c e de m b a n k m e n tw a sb u i l t a n dp a r t i a lf a c t o r s o fs t a b i l i t yw e r eo p t i m i z e db a s e do nr e l i a b i l i t yt h e o r y t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f p o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n ta n du n c o o r d i n a t e dd e f o r m a t i o nw e r ea l s oe s t a b l i s h e d b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m a b s t r a e t ( 4 ) s t r e n g t hr e d u c t i o nc o e f f i c i e n t so fc r e e pa n dc o n s t r u c t i o nd a m a g eo f g e o g r i da n di n t e r f a c ep a r a m e t e rb e t w e e ng e o g r i da n ds o i lw e r er e c o m m e n d e db a s e d o ne x p e r i m e n t , s t a n d a r da n dd o c u m e n t ( 5 ) t w ot e s tr o a ds e c t i o n sw h i c ha l es i t u a t e di ng u a n g d o n gp r o v i n c ea n d c h o n g q i n gc i t ya r eo b s e r v e dt h o r o u g h l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a ts t a b i l i t y c o n t r o l d e s i g nm e t h o da n dd e f o r m a t i o n - c o n t r o ld e s i g nm e t h o da l er e l i a b l ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：r e i n f o r c e de m b a n k m e n t ，m e c h a n i c a lb e h a v i o r , s l i c em e t h o do fl i m i t a n a l y s i s ，p a r t i a lf a c t o r s ，p o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t , u n c o o r d i n a t e d d e f o r m a t i o n , s t r e n g t h r e d u c t i o nc o e f f i c i e n t , i n t e r f a c e p a r a m e t e r b e t w e e ng e o s y n t h e t i c sa n ds o i l i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 嗣王 v d ；年g 月弦日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 0 t 年譬月加日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 近二十年来，我国公路建设发展迅猛，至2 0 0 6 年底，全国公路总里程超过2 0 4 2 3 万 k m ，其中高速公路4 5 3 万k m ，公路对国民经济发展的作用日益突显。另一方面，我国地 域辽阔，大部分为高原、山地、丘陵及沙漠，地质气候条件复杂，自然灾害频繁，这些都 对公路建设，尤其是对公路路基建设提出了更高的技术要求。为了解决公路建设中普遍存 在的取土不便、符合标准的土石料来源不足等问题，客观上要求公路建设中应积极采用新 材料、新工艺、新技术，以提高公路建设的科技含量。在公路工程领域，路基加筋技术是 一项重要的技术革新。目前，该技术已广泛应用于公路工程领域，并取得了显著的经济、 社会和生态环境效益。加筋土路堤不仅具有良好的抗变形能力，稳定性好，而且可以因地 制宜、就地取材，对环境扰动小，因而，路基加筋技术的应用，对于提高公路质量、节约 工程用地、保护生态环境意义重大。 加筋土路堤作为一种新型的加筋土结构，已受到各国公路研究者的广泛关注，相应的 研究工作也在不断深入。尽管国内外对加筋土路堤的力学机理和设计方法进行了不少研究， 但仍然存在着以下突出问题： ( 1 ) 对加筋土路堤的力学行为认识不够，不能形成一个完整成熟的路堤加筋理念以有 效指导工程设计。无论是理论研究还是试验研究，主要还是局限于加筋土路堤的加筋方式 及其效果的评价，远未达到成熟的高度。对加筋土路堤在荷载作用下，尤其是在动载作用 下的工程响应和力学行为缺乏深入研究。 ( 2 ) 由于各种加筋土路堤的加筋机理把握不够充分，导致现有设计方法过于保守，也 出现了不同程度的病害。如：加筋土路堤的加筋机理还没有充分掌握；现有设计理论和设 计方法仍以极限平衡原理为基础，基于这种原理指导之下的设计方法不能充分反映加筋土 路堤的实际工作状态。 ( 3 ) 现行相关规范所依据的主要是2 0 世纪8 0 年代我国公路加筋土挡墙、桥台设计与 施工的研究成果和经验，有关加筋土路堤其它方面的条文很有限。因此，现行相关规范本 身已明显暴露出不能满足当前实际工程需要的诸多不足，规范滞后于生产实践的现象较为 突出。 为了解决这一系列难题，本论文依托交通部西部交通建设科技项目“加筋土路基力学 行为与设计方法的研究( 2 0 0 4 3 1 8 8 2 2 0 6 ) 一，旨在针对加筋土路堤建设中存在的上述问题， 在借鉴国内外相关研究成果，充分考虑加筋土路堤存在的主要工程问题，从力学机理、设 计等角度，对加筋土路堤技术进行深入的研究，为加筋土路堤的设计与相关规范的修订提 1 第1 章绪论 供系统、可靠的技术依据。 1 2 国外研究现状 1 2 1 加筋土路堤力学行为研究现状 l 、静力荷载作用下加筋土路堤力学行为 ( 1 ) 加筋土路堤计算模型 加筋土路堤的计算模型主要有三类：一类是分离模型，即把筋、土分开考虑。一般将 加筋体用一维线性单元或薄层矩形单元进行模拟，土体本构模型采用非线性弹性或弹塑性 模型、土体破坏准则常采用m o h r - c o u l o m b 准则；筋土间接触一般采用g o o d m a n 、d e s a i 等 接触单元【l 】【2 】来模拟，如： c l o u g h 等t 3 】通过试验提出了剪应力与相对错动位移之间的双曲线关系模型，既适用于 有厚度的接触单元也可应用于无厚度接触单元。 a n d r a w e s 等【4 】对土体采用d u n c a n z h a n g 的双曲线非线性模型，筋土界面采用双曲线非 线性弹性摩擦模型，筋材采用多项式表示的非线性弹性模型。 b o u l o n 等【5 】提出了接触面弹塑性模型，在一定程度上克服了g o o d m a n 单元的缺点，但 由于模型较复杂而未能得到推广应用。 筋土分离模型比较直观，因而应用也较广泛，但筋土之间界面单元的参数不易确定， 一般只考虑筋材的抗拉作用，而不能考虑其在压力和扭转作用下对土体的影响。 另一类是复合模型，即把加筋土看成宏观上均匀的复合土体，土与筋材的相互作用表 现为内力，只对复合材料的性质产生影响，而不直接出现在应力应变计算中。至今为止， 已提出的复合模型主要有弹性模型、弹塑性模型和流变模型，如： h a r r i s o n 等【6 】提出把正交各向异型材料的弹性理论用于加筋土分析中，假定加筋土为无 限薄、刚度无限大的紧密布设平行材料加筋的软土层。 r o m s t a dk m 和s h e nc k 等 7 】【8 】考虑加筋土体内的摩擦特性，把加筋土体看成一种 正交复合材料，并提出了“单位单元”和“代表单元的概念，认为加筋土体由完全能够 代表材料的复合特性的“单位单元 组成，“单位单元”面上的应力和应变分布的平均值就 等于等效复合材料的应力和应变。因此，通过简单复合体的应力应变状态和“单位单元” 的近似应力应变关系，就可确定整个加筋土体的应力应变关系。这种关系考虑了复合材料 的非线性弹性性质，但没有考虑到土的塑性性质，是一个非线性弹性模型。 s h u l ( 1 a 等【9 】将加筋土各个部分简化成一般的力学单元，例如可延伸的和粗糙的弹性膜、 剪切层、弹簧和阻尼器等，提出了软土地基上土工合成材料加筋土的沉降计算普遍力学模 型。此模型考虑了多个控制因素，例如粒状填料的压缩性、压实特性，软土的时间相关特 性以及土工合成材料加筋体的预应力，还有材料和筋土界面特性。此外，该模型是一维模 2 第1 章绪论 型，只能考虑沉降方向的变形，对二维或三维问题不能求解。 复合模型只需对加筋土复合体建立一个模型，不需要较复杂的筋土界面模拟，但复合 材料往往是各向异性的，其纵、横向模量不等，拉、压模量也可能不同，这就给实际求解 造成了较大困难。 第三类是等效附加应力法，其基本思路是把加筋土路堤中筋材的作用等效成沿筋材方 向加在土骨架上的附加应力，取加筋土中的土体进行计算，如： p r i s c o 等f l o 】将纤维当成一种只能承受拉力、各向同性的虚拟介质，与土骨架占有同样的 空间，两者应变处处相等，从而推导出纤维加筋土的柔度矩阵。 ( 2 ) 加筋土路堤试验 s c h l o s s e 等【1 1 】首先用三轴压缩试验研究金属加筋砂土，后来国外许多学者( l e e ，1 9 7 4 ： b r o m s ，1 9 7 7 ；m c g o w n ，1 9 7 7 ；m c g o w n ，1 9 7 8 ；g r a y ，1 9 7 8 ：g r a y ，1 9 8 2 ：g r a y ，1 9 8 3 ： m o r o t o ，1 9 9 2 ：a t m a t z i d i s ，1 9 9 4 ) 利用三轴压缩试验研究了土工合成材料加筋砂土和加筋 碎石土，加筋材料主要是土工织物，其次是土工格栅，同时提出了“等效围压原理”和“准 粘聚力原理”。 m c g o w n 掣1 2 】采用不同类型筋材( 铝带、铝网格、无纺织物、金属丝织物) 的加筋砂进 行平面应变直剪试验，发现模量低的聚合织物与模量高的铝带等相比，加筋体有许多不同 的特点，并将筋材划分为典型的延展性材料和典型的非延展性材料两类。加筋土屈服时， 典型的非延展性材料的应变比土体的最大应变小；而典型的延展性材料的应变大于土的最 大应变。 m u r u g e s a n 掣”】利用直剪试验对不同格栅与不同土之间的剪切性能进行了研究，指出格 栅网孔的大小对格栅与土之间的剪切性能有很大影响，同种格栅与不同土之间的剪切强度 由大到小排序为砂、红土、粘性土。 r a g u i 等 1 4 】利用拉拔试验对拉拔力作用下砂中土工格栅的行为进行了研究，并将试验结 果与有限元计算结果进行了对比分析。试验中土工格栅在拉拔力作用下表现出三类破坏， 土工格栅的拔出、拉断以及土工格栅纵肋与横肋之间联结的破坏。研究指出土工格栅受拉 方向的拉伸性能、横向筋肋的柔韧度以及纵横筋肋之间联结传递荷载的能力等对土中土工 格栅的拉拔性能有显著影响。 s h i g e n o r i 等t 1 5 】利用格栅在密实砂砾中的室内拉拔试验，对拉拔中格栅与土界面上的应 力变化进行了研究。研究表明在低水平正应力下，土体会发生膨胀，导致土与格栅界面上 的正应力增加，从而使得抗拔力有所增大。 s h e w b r i d g e 等【1 6 】采用直剪试验研究了延展性土工合成材料与土的界面特性和不同筋材 的加筋效果。结果表明，延展性筋材与土的相对弹性模量对其界面特性影响较大；结构特 性也呈现不同特点，延展性筋材的合理加筋与同样加筋密度的高模量金属条带相比，可以 使加筋土达到相同或更高的抗剪能力，典型的延展性材料延展性较大，与高模量的金属带 第1 章绪论 加筋砂土相比，其屈服后的强度较峰值强度降低的幅度较小，同时，延展性织物加筋砂具 有较好的延性，不易出现高模量筋材被拉断，土体突然破坏及塌滑的脆性破坏。 p a m u k 等【1 7 】利用室内拉拔试验，对土工格栅在粘土中的拉拔性能进行了研究，试验中考 虑了恒定拉力和不同频率、振幅的重复拉力。试验表明随着拉力的增大格栅蠕变增大；格 栅蠕变应变速率是荷载振幅的函数；荷载频率对格栅的蠕变应变影响不明显；格栅的蠕变 在恒定荷载作用下比在重复荷载作用下大。 l e e 等【1 8 】通过电子显微镜对试验前后筋材进行扫描后得出，界面强度( 峰值强度、残余 强度) 的减少主要是由于筋土间的摩擦导致筋材结构的退化和纤丝的物理损害造成的。 r o w e 等 1 9 】于1 9 8 9 年在加拿大的n e wb r u n s w i c k 修建了一个试验堤，研究了软弱高压 缩性土体上土工织物加筋路堤的力学行为，对试验堤的孔隙水压力、位移及筋材应变的变 化进行了描述。 j o r g e 等 2 0 】利用离心模型试验对土工织物加筋砂边坡的破坏机理进行了研究，试验中考 虑了不同加筋密度、不同拉伸强度的筋材以及不同抗剪强度的土( 通过改变同种砂的密度 实现) 。试验表明边坡破裂面为一通过坡脚的光滑弧线，且模型边坡的破坏均始于边坡中部， 路堤项面的沉降依赖于填土的性质，而加筋情况对其影响不大；加筋的最大拉力并不是出 现在路堤的最底层，其出现的位置与边坡的坡度有关；加筋边坡的稳定性取决于填土的峰 值强度，而不是临界状态剪切强度。 b e r g a d o 等【2 1 】在泰国曼谷软土地基上进行了原型试验研究。该原型试验分三段，一段不 加筋、两段加筋，筋材分别采用2 种不同强度的无纺土工织物，3 段堤快速施工，直至破坏。 a d a m s 等【2 2 】对土工格栅加固地基进行试验，加载装置采用方形加载板加压，加载板宽 0 3 - - - 0 9 m 不等。试验结果表明，加筋后的最大地基承载力是相同条件下未不加筋时的2 5 倍。 2 、行车荷载作用下加筋土路堤力学行为 相对于静力荷载而言，当前关于行车荷载作用下加筋土路堤的力学行为研究无论在试验 方面还是理论方面都研究得较少，这是由于行车荷载作用下筋材作用机理的复杂性及试验 手段不成熟等方面的原因所致。国外关于行车荷载作用下加筋土路堤的力学行为研究主要 有： h a n n a 等【2 3 】对埋设在土中的土工合成材料进行了循环荷载作用下的拉拔试验等，以反 映在循环荷载作用下加筋材料的最大抗拔力和荷载在接触面的传递机理。 d m r a j u 等【2 4 1 研究了在单一和循环荷载作用下，埋设在土中的不同类型的土工格栅的 荷载一应变一位移特性。 z i m m i e 等【2 5 】对土工合成材料作了振动台试验和循环直剪试验，获得了接触面的动摩擦 系数随着荷载作用次数的增加而增大的结论。 a s h m a w y 等【2 6 】通过数值研究表明循环荷载作用下加筋体的应力应变主要由土体与筋材 4 第1 章绪论 之间接触面的应力一应变特性所控制。 c l a u s 等【2 7 】在室内用长1 4 m 、宽l m 、高l m 的模型箱，在高度范围内分别模拟基床上 层、道渣层，中间加入土工格栅层，为了模拟时速为1 6 0 k m h 的列车，采用振动频率为7 1 2 h z ，加载5 0 0 万次，最大荷载值为7 6 k n 来模拟1 年的交通量，用来测试土工格栅的合理 加筋位置，比较加筋和不加筋时承载力的增加及沉降的减小量。 m o h a m a n 等 2 8 】利用共振柱试验测量加筋砂的动力反应，即剪切模量和阻尼率，得出了 加筋砂在动力荷载作用下纤维含量对剪应变值、侧向应力、剪切模量和阻尼率的影响。 r i c h a r d s o n 等【2 9 】利用爆炸作为振动源( 爆炸延时分别为0 0 1 2 5 s 、0 0 2 5 s 、o 0 5 s 、0 0 7 5 s ) ， 通过对一座6 1 m 高的加筋土挡墙进行的遭受随机激励荷载现场试验，筋材采用钢条带，筋 带长4 8 8 m ，垂直间距0 7 6 m ，得出了加速度时间历程与动应力时间历程。 1 2 2 加筋土路堤设计方法研究现状 1 、极限平衡法 极限平衡法以瑞典法( 式1 - 1 ) 和荷兰法( 式1 - 2 ) 为代表，两种计算方法的差别在于 筋材作用力方向的假定不同，前者假定筋材作用力为水平方向，将筋材当作刚性平板；后 者假定与筋材作用力方向与滑弧相切，将筋材当作柔性板。极限平衡法由于概念直观、运 算方便，同时又积累了大量可靠的经验，所以是目前应用最广、最成熟的一种设计计算方 法。但这种方法在分析计算中未考虑土体及筋材的变形，不能反映实际的加筋效果，仅是 一种近似方法。 ( 形s q t a n 仍+ c ，) r + 弓y ，+ 弓_ t a n 伤 f = 上l 一一一生! 三l 一一 ( 1 - 1 ) ( w , s i n 9 j ) r j - i 式中：形为第i 土条土重；q 为第i 条土条底土体粘聚力；仍为第i 条土条底土体内摩擦 角；只为第i 土条底部滑裂面的切线与水平面的夹角；矿，为第j 条筋材与滑裂面交界处土 体内摩擦角；r 为滑面半径；越为第i 土条底部滑弧长；为第j 层筋材设计抗拉强度； x ，、y j 分别为第j 层筋材在滑面处位置与滑面圆心的水平距离和竖向距离。 ( 形，c o s 9t a l l 伊+ c 弛) + 弓 ，= ! l 一一上：l ( 1 - 2 ) s i n 8 , i - i 式中：符号意义同式( 卜1 ) 。 为了弥补极限平衡分析的不足，r o w e 捌在稳定分析中引入一个“允许相容应变的概 念，考虑了筋材与土之间的应变协调关系。 第1 章绪论 g o u r c 等【3 1 】在极限平衡理论的基础上提出了位移法，此方法考虑了织物变形以及土与织 物间的相互作用关系，引入了土与筋材的应变相容关系。 j u r a n 3 2 】认为主动滑动区和稳定区之间实际上存在着一个受剪土层，而不是一个简单的 平面，从而提出了一种应变相容分析的方法，该方法考虑筋材的变形和土的剪胀，能够计 算出加筋挡墙或土坡中筋材的最大拉力及潜在滑裂面的位置。 l e m o n n i e r e 3 3 】【3 4 1 将变分法引入极限平衡分析中，提出了“变分位移法( v a r i a t i o n a l d i s p l a c e m e n tm e t h o d ) 。由于实际工程的变形比较复杂，简单地考虑变形位移，难以获 得接近实际的结果，因而，位移法距离实际应用还相当远。 2 、极限分析理论 j e v e l l 3 5 】采用极限上限定理对加筋土陡坡进行极限分析，得到了加筋土陡坡的极限高 度计算方法，并给出加筋土坡的设计图表。 r a d o s l a w 掣3 6 1 1 3 7 】考虑孔隙水压力的作用，对均匀布筋、上密下疏线性布筋和下密上疏 线性布筋3 种布筋形式下加筋土边坡的筋材断裂、筋材拔出和边坡水平滑动3 种破坏模式 的极限高度进行分析，得到相应的计算方法，并给出相应的设计图表。 虽然以上成果在加筋土边坡极限分析中取得了一定进展，但距在设计中直接运用还有 一定距离。 3 、可靠度理论 2 0 世纪9 0 年代，一些国外学者将极限状态思想引入加筋土工程设计中，设计时分为最 终极限状态和使用极限状态两大类，对材料特性指标、土力学指标、作用力等，采用分项 系数以代替单一的安全系数，较大地改进了极限平衡法。例如：英国标准b s 8 0 0 6 ( 1 9 9 5 ) 和欧洲标准e u r o d ee n v - 1 9 9 7 - 1 采用极限状态法。在上述标准中，采用了三类分项系数， 分别为：材料分项系数、荷载分项系数、破坏模式分项系数( i n g o l d ，1 9 9 8 ；m c g o w n ，1 9 9 8 ； b s i ，1 9 9 5 ：c e n ，1 9 9 4 ) 。 4 、有限元法 a l l e nl u n z h ul i 3 8 】采用有限元法对一个采用加筋及塑料排水板措施的路堤进行分析得 出：加筋能显著提高路堤的稳定性，垂直排水与加筋联合作用能减小路堤的侧向变形、路 堤边坡坡脚的隆起和沉降，并给出了采用加筋与塑料排水联合处治措施的路堤设计方法。 j i eh a n 等【3 9 1 采用强度折减法与有限元结合的技术，对坡度分别为7 0 。和9 0 。的加筋 土挡墙稳定性进行分析，并和传统极限平衡法进行比较。分析表明，由强度折减有限法和 极限平衡法确定的滑面位置有一定的差异，并且随坡度的增大差异性减小。尽管两种方法 确定的滑面有差异，但所得的安全系数非常接近。 与极限平衡法相比，有限元法能同时提供受荷土体的应力场与位移场，能考虑土体的 非均质和非线性、土性随时间的变化、施工程序和荷载变化。虽然有限元法具有上述优点， 但因其本构关系和相应参数等不易确定，加之缺乏破坏准则，故目前这种方法更多的是作 为一种辅助研究手段。 6 第1 章绪论 综上所述，国外对加筋土路堤力学行为主要处于室内外试验阶段，对实体工程特别是 行车荷载作用下实体工程永久变形的计算模型方面还比较欠缺；设计方法方面正在从极限 平衡法的整体安全系数向极限状态法的分项系数转变，但仍然是从加筋土路堤的稳定来考 虑，对于加筋土路堤的变形则涉及较少。 1 3 国内研究现状 1 3 1 加筋土路堤力学行为研究现状 1 、静力荷载作用下加筋土路堤力学行为 ( 1 ) 加筋土路堤计算模型 张道宽m 把两个无厚度的接触面单元和模拟筋材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化结构，从而解决了接触面单元法向刚度取值带来数值求解麻烦的 问题，能够很好地适应大转角合大位移，满足加筋土路堤上大变形分析的需要。 张孟喜【4 1 】在土工合成材料加筋土应变软化试验研究的基础上，提出了适合加筋砂特性 的三段式弹塑性计算模型，并对加筋土挡墙进行了弹塑性有限元分析。此模型是建立在砂 土基础上，对于其它类型的土是否适用，还有待于进一步验证。 介玉新等【4 2 】把筋材的作用当成外力( 等效附加应力) 加在土骨架上，从而可用素土的 本构模型计算加筋土体的应力应变关系，单元网格划分中只出现土单元，取消了模拟筋材 的单元和筋土之间的界面单元。该方法可以直接利用素土的本构模型，不必针对加筋土复 合体建立复合材料的本构模型。这种处理方法既大大减少了单元划分的数目，又避免了复 合材料各向异性对试验和计算所造成的种种障碍。通过引入筋材的作用当成外力加在土骨 架上，不但能使计算简便，还可反映筋材、土变形不协调等更加一般的情况。 钱劲松等【4 3 1 运用a n s y s 有限元程序，对软弱地基上路堤加筋的作用和效果进行了三 维有限元分析。通过对相关参数的敏感性分析，证明了土工格栅模量对加筋效果有显著影 响，并且加筋位置靠近路堤底部时更能发挥加筋性能；同时发现在土体发生显著侧向变形 时土工格栅能够发挥抗拉效果，从而限制土体侧向变形和路堤外侧土体的隆起，达到减小 沉降和不均匀沉降的效果。 喻泽红等】应用有限元分析方法模拟筋材与土的相互作用，分析了加筋土中筋材拉伸 模量与土体弹性模量对边坡稳定的影响。分析表明，通过合理选择筋材拉伸模量与土体弹 性模量的搭配，可以提高加筋效果，增强加筋边坡的稳定性；对于同一均质边坡，加筋层 数一定时，随着筋材拉伸模量增大，加筋边坡会呈现浅层滑动破坏、复合滑动破坏和深层 滑动破坏3 种典型的破坏模式。 ( 2 ) 加筋土路堤试验 陈存礼等【4 5 】通过无纺型土工织物加筋黄土在3 种不同应力路径条件下的常规三轴试 7 第1 章绪论 验，研究了应力路径对加筋土应力一应变关系及抗剪强度特性的影响规律。结果表明：应力 路径对加筋土的应力一应变关系、加筋土的轴应变和体应变发展、加筋土粘聚力值有较大 影响，但对内摩擦角值影响不大。 舒子亨等m 】利用s j n 应变式三轴剪切仪，对布置不同强度、层数筋材的织造型土工 织物加筋砂土试样进行三轴试验，探讨了加筋土应力、应变和抗剪强度特性。试验结果分 析表明，加筋材料对土体的横向变形有约束作用；加筋土的抗剪强度和纯土比明显增大， 其值随筋材强度、层数增加而增大；筋材效果在较大应变时才能表现出来，在较小应变时 几乎没有作用。 雷胜友【4 7 】通过对涤纶布加筋黄土静三轴试验结果的规格化处理，得出一系列加筋土的 规格化应力与对应轴向应变的关系曲线，分析结果表明：加筋土的强度提高是一个动态过 程，且存在一个临界轴向应变，其大小与围压、加筋层数、土性等因素有关，在工程实践 中可通过减小临界应变值来提高加筋效果。 施有志【4 8 】选择单向土工格栅、经编土工格栅作为加筋材料，以砂砾石、粗砂和残积土 作为填料，通过直剪摩擦试验和拉拔试验研究格栅的界面摩擦特性，与有纺土工布的试验 结果加以比较。试验结果发现，由拉拔试验得到的界面摩擦系数比直剪摩擦试验测得的要 大的原因是拉拔试验综合反映了筋材与填料间的摩擦力、咬合力及嵌固力的共同作用。 徐林荣等【4 9 】设计了四影响因素与土工格栅与膨胀土或砂土界面相互作用参数的拉拔试 验，探讨了影响因素与摩擦阻力系数或抗拉拔力载拉拔试验过程的相关关系及其变化规律。 吴景海等【5 0 】对五种不同的土工合成材料加筋砂土进行了三轴试验研究。试验结果表明 土工合成材料加筋砂土具有准粘聚力，加筋砂土仍符合m o h r - c o u l o m b 抗剪强度理论。无纺 土工织物、双向土工格栅和土工网加筋砂土的摩擦角与纯砂的摩擦角基本相同；经编土工 格栅和玻璃纤维土工格栅加筋砂土的摩擦角与纯砂的摩擦角不同。无纺土工织物、双向土 工格栅和土工网加筋砂土的破坏由砂土破坏控制；经编土工格栅和玻璃纤维土工格栅加筋 砂土破坏由加筋的纵、横向筋条结点的抗剪强度控制。 周志刚等【5 1 】利用直剪试验对土工格栅与土之间的界面性能进行了研究，指出基于 d u n c a n c h a n g 岩土本构关系而提出的双曲线模型不能完整地描述土与土工格栅间界面剪切 状态，而根据南京水利科学研究院所建立的岩土非线性本构关系而提出的推广双曲线模型， 则能很好的体现界面剪切时的剪胀现象。并提出界面残余抗剪强度与抗剪强度之比的参数 同正应力之间的指数函数关系式。同时通过红砂岩风化土和砂卵石黄土与土工格栅之间直 剪试验结果的对比发现，增大土体中粗颗粒含量，对改善界面抗剪强度指标和界面残余抗 剪强度指标有利。 赵九斋等【5 2 】于1 9 8 7 年在江苏连云港进行了一次软土地基填筑路堤的试验，用土工织物 加固地基和天然地基进行了对比试验。试验结果表明：在对称荷载、均质地基条件下，天 然地基和土工织物加筋地基发生了对称滑弧破坏形态，土工织物加筋提高了路堤的稳定性。 朱湘等【5 3 】通过修筑模拟软土地基上路堤的结构物的对比试验，分别量测加筋与未加筋 8 第1 章绪论 路堤的的压应力和沉降等，探求了加筋的作用机理。试验结果表明，土工格栅的加入能降 低地基中的附加竖向应力和消减部分沉降。 谢婉丽等【剐在对祁县临汾高速公路北张沟一处6 2 m 高的高填方加筋土路堤进行研究 时，以1 ：1 0 的比例进行了模型试验，结果表明土工格栅能起到良好的加固作用。 杨锡武等【5 5 】以渝长公路上的一段加筋高路堤为依托，利用离心模型试验，对不同布筋 方案的加筋高路堤陡边坡的变形性态进行了研究。通过试验得出：加筋路堤边坡与不加筋 路堤边坡的坡面最大侧向位移均出现在路堤高度的1 3 - - - 1 2 之间，在此范围内增加布筋数 量能有效减少坡面侧向变形，增加边坡稳定性，且试验也证明堤高中部布筋较密的模型坡 面侧向位移较小；加筋边坡与不加筋边坡的破坏模式不同，不加筋边坡的滑裂面呈较光滑 的曲线，而加筋边坡的滑裂面呈折线；同时还指出加筋能改变沉降沿路基横向的分布，使 沉降分布较为均匀，从而减少不均匀沉降引起的路面破坏。 王祥等【5 6 】对铁路路堤式加筋土挡墙的墙面板水平土压力、墙后土体垂直土压力及筋材 变形进行了现场原位试验，分析了加筋土挡墙面板水平土压力沿墙高的变化及分布规律， 墙后土体垂直土压力变化及筋材变形随填高及时间的变化规律。结果表明，路堤式加筋土 挡墙的面板水平土压力沿墙高呈曲线型分布，同一水平面的不同位置垂直土压力不一致， 实测垂直土压力和理论土压力的比值随距面板的距离增大而线性增大，且路堤式加筋土挡 墙的破裂面与规范法计算有一定的差异，更接近库仑法。 2 、行车荷载作用下加筋土路堤力学行为 目前国内对行车荷载作用下加筋土路堤力学行为的研究成果主要有： 梁波等【5 7 】利用窗纱和硬塑料板作为模拟材料，通过振动三轴试验侧得动粘聚力和动内 摩擦角两个强度指标，建立了加筋土强度的等效侧向约束力模型，分析了加筋粉煤灰静、 动强度的拉力破坏和粘着破坏两种情况下的强度指标。 张兴强等【5 8 】用有限元法研究了在行车荷载作用下路基位移和加速度响应特性以及土工 格栅与土的相互作用对加速度的影响，研究表明行车荷载作用下土工格栅加筋的机理在于： 限制加速度沿接触面向路基中的传递，降低了路基受加速度的影响范围；提高了路面承受 行车荷载的能力；一定程度上降低了路基中竖向应力和水平应力，提高了路基的承载能力； 有效地降低了路基中的剪应力，减小了土体中的塑性变形，从而降低了路基的沉降等。 杨果林等【5 9 1 对目前常应用于加筋土工程的4 种典型材料土工带、土工布、土工格 栅、土工网在其断裂荷载除以安全系数1 5 、2 0 、3 0 、6 0 四个水平进行了分5 级加卸荷多 循环应力应变试验，得出了土工合成材料在自由变形条件下的应力应变规律，并推导了在 约束条件下的变形方程。 1 3 2 加筋土路堤设计方法 l 、极限平衡法 刘祖德等唧】应用弹性理论预测陡坡极限平衡所需的加筋力和滑动面的位置，对极限平 9 第1 章绪论 衡法进行了改进( 式1 - 3 ) 。该法不计孔隙水压力影响， 的设计。 ，：旦 k z h d 适用于硬地基上无粘性加筋土陡坡 ( 1 - 3 ) 式中：f 为安全系数；7 为土体的容重；暖】为加筋材料的容许抗力强度；h 为边坡高度； k 为坡面上的侧压力系数，k = ( 1 + t a n 缈c o t 2 一2 t a n t p c o t f l ) k o ；兄= t a n 2 ( 4 5 0 一罢) ； z 为陡坡的坡角；缈为土体内摩擦角；d 为筋层间距。 陈昌富等【6 1 】针对传统分析方法对筋材的加筋作用估计不足，导致计算结果过于保守的 问题，对软弱土( 9 0 ) 地基上加筋土路堤稳定性进