（道路与铁道工程专业论文）土工格栅加筋土挡墙有限元分析方法及其应用.pdf

摘要 摘要 加筋土挡墙施工工艺简单、快捷，施工中不需要特殊施工机械，面板可提 前预制，拉筋带与面板乩连接简单。土工格栅作为筋带的先进产品代表，在日 益成熟的加筋土挡墙施工发挥着越来越大的作用。 本文在前人研究的基础上，对土工格栅加筋土挡墙的加筋土机理及计算应 用进行了较为系统的总结与探讨。通过建立非线性的数值计算模型和运用a d i n a 有限元分析软件进行数值模拟计算，并与实例的对比分析柬验证计算模型的合 理性和有效性，从而进一步地对土工格栅加筋土挡墙进行了力学变形的研究以 及强度参数分析。 通过石环公路石黄互通立交b 匝路基的土工格栅加筋土挡墙建立起有限元 模型，对土工格栅加筋土的力学特性，特别是通过有筋和无筋的有限元比较分 析，以及实测和模拟的比较分析，明确出此类土工格栅加筋土挡墙在有限元分 析的基本观点：从比对结果来看，相同部位的应力、应变实测值l l - - 维模型计 算值离散，但是在趋势上二者相同。对以后此类土工格栅挡墙施工和具体设计 有一定的参考价值。 关键词：土工格栅，加筋土，数值模拟，有限元法 a b s t r a c t a b s t r a c t r e i n f o r c e d r e t a i n i n gw a l l c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y i s s i m p l e ，q u i c k a n d c o n s t r u c t i o nd o e sn o tr e q u i r es p e c i a lc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ，a d v a n c e dp r e f a b r i c a t e d p a n e l s ，r e i n f o r c e m e n ta n dt h ep a n e lw i t hs i m p l ec o n n e c t i o n s g e o g r i dr e i n f o r c e m e n t s a st h er e p r e s e n t a t i v eo ft h t ? a d v a n c e dp r o d u c t si na l li n c r e a s i n g l ym a t u r er e i n f o r c e d r e t a i n i n gw a l lc o n s t r u c t i o ni sp l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t r o l e t h i sp a p e ri np r e v i o u sr e s e a r c ho nt h eb a s i so fg e o g r i dr e i n f o r c e dr e t a i n i n gw a l l o fr e i n f o r c e de a r t hm e c h a n i s ma n dc o m p u t i n ga p p l i c a t i o n sf o ram o r es y s t e m a t i c s u m m a r ya n dd i s c u s s i o n a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fan o n 1 i n e a rn u m e r i c a lm o d e la n d t h eu s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea d i n an u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w i t h e x a m p l e so fc o m p a r a t i v ee n a l y s i st ov e r i f yt h em o d e lr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e t h u s f u r t h e ro nt h eg e o g r i dr e i n f o r c e d b ys h ih u a n go fs h i ji a z h u a n g ，c e n t r a lr o a di n t e r c h a n g eb t u r no ft h er o a d b e d g e o g r i dr e i n f o r c e dr e t a i n i n gw a l lb u i l tf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h eg e o g r i dr e i n f o r c e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 。i np a r t i c u l a rt h r o u g ht h et e n d o n sa n dh a v en og l u t e n c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ：f i n i t ee l e m e n t ，a n dm e a s u r e dt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n ，t oc l e a rs u c hg e o g r i dr e i n f o r c e dr e t a i n i n gw a l li n f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so ft h eb a s i cv i e w p o i n t s ：f r o mt h a no nt h er e s u l t so ft h es a m ep a r t so fs t r e s s a n ds t r a i nt h a nt h em e a s u r e dv a l u eo ft w o d i m e n s i o n a lm o d e ld i s c r e t e ，b u tt h et r e n d o nb o t ht h es a m e i nt h ef u t u r es u c hg e o g r i dc o n c r e t er e t a i n i n gw a l lc o n s t r u c t i c na n d d e s i g no fs o m er e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：g e o g r i d ，r e i n f o r c e de a r t h ，s i m u l a t i o n ，f e m i i 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：j 安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：扣襄民 山a 猡年t ，月掰曰 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 学位论文作者签名：朱砂丸 沥。子年l ，月 昌日 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、己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，均已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。 签名：本摹气 沙8 年fr 月粥日 第一章引言 第一章引言 1 1加筋土技术的应用概述 加筋土技术是在填中加入筋带、纤维材料或网状材料，不同程度地改善土 体的强度与变形特征，藉摩擦力将自身的抗拉强度与土体的抗压强度结合起来， 加强土体的稳定性，使土体的整体强度得以提高。 关于加筋土技术的应用己有千年的历史，然而将其视为近代的建筑技术加以 研究和推广，并上升为理论，也就是现代加筋土技术的兴起，则是近四十年来的 事”。 1 1 1 国内加筋土技术的发展研究 我国是加筋土的故乡，自古以来，民i 、日j 用掺入草筋，发丝等材料的土体筑墙， 用草绳，柳条填筑路堤，用柴排处理软弱地基，用土袋或树枝压条加固堤岸等等， 都是应用加筋土的例子。 现代加筋土技术引入我国是在七十年代后期，1 9 7 8 1 9 7 9 年云南煤矿计算 院在田坝矿区建成了3 座仅2 , - - 4 m 高的试验性的加筋土挡墙1 ，这是我国第一座 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 的加筋土挡墙，建 成后使用效果良好，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。 为适应加筋土技术的推广应用，我国交通部早在1 9 9 1 年就制定并颁发了公 路加筋土工程计算规范( j t j 0 1 5 9 1 ) 、公路加筋土工程施工技术规范 ( j t j 0 3 5 9 1 ) 等行业标准，以及制定和颁发的水运工程土工织物应用技术规 程( j t j 2 3 9 9 8 ) 1 2 1 9 9 9 年初，国家正式颁发了土工合成材料应用技术觇范 ( g b 5 0 2 9 0 9 8 ) ，土工合成材料产品标准( g b 5 2 1 4 8 9 9 ) 。 1 1 2 国外加筋土技术的研究 法国工程师h e n r i v i d a l 嘲于2 0 世纪于6 0 年代初提出现代加筋土技术，他在 模型试验中发现，当土中掺入有机纤维材料后，其强度可明显提高，掘此提出了 加筋土的概念，并于1 9 6 3 年首先公布了其研究成果，提出了土的加筋土方法和 计算理论1 5 1 。 2 0 世纪7 0 年代是加筋土技术在世界范围传播、发展的阶段。随着加筋土工 第一章引言 程协会 和国际问的合作研究机构相继成立，法、美、英、同、德等国也先后制 定了有关加筋土工程的规程、条例和手册。 2 0 世纪8 0 年代，除了进一步探讨加筋土结构的基本结构、完善计算计算理 论之外，许多国家还在拓宽填料、筋材的应用范围方面做了大量工作。1 9 8 1 年， 一种合成的土工格栅材料在英格兰的m l 和m 4 号高速公路种开始使用1 ，这种 土体加固材料的出现为土工结构的发展开辟了新的领域。8 0 年代中期，美、法 合作，利用离心机进行模拟试验，以了解土工格栅在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计算和试验成果进行数 值分析i l l 。 2 0 世纪9 0 年代加筋土的研究工作主要集中在完善计算计算理论，数值分析 方法在加筋土的分析研究中得到更多的应用，用有限元法和弹塑性理论进行分析 加筋土体变形的因素和计算方法，进行筋带使用寿命的研究，包括荷载在加筋土 体内的扩散及其对加筋土体内部稳定性的影响和加筋土地基承载力计算等t 9 1 。 1 1 3 土工材料加筋土在挡墙工程的应用 多年以来，支挡结构几乎全部是计算成重力式或悬臂式的混凝土挡墙或石砌 挡墙一类刚性结构。这类结构浪费材料、墙面不美观而且沉降不均匀。自从法国 工程师h e n r i v i d a l 最早将加筋土原理上升到理论高度以来，大量不同性质材料的 加筋土结构出现在生产实践中：较早的一类材料的加筋土思想来源于钢筋混凝 土，加筋土材料为钢筋混凝土预制件，即在受拉钢筋外表面卷起一层混凝土，这 种加筋土类似于深基坑支护中经常用的土钉，目前在加筋土挡墙工程中还经常被 使用：与第一类加筋土挡墙结构相比，土工合成材料加筋土挡墙以其施工简单、 经济有效的特点越来越受到广大岩土工作者的青睐，特别是土工格栅这种具有孔 眼结构的新型土工合成材料依靠其特有的孔眼对土的镶嵌与咬合作用，加筋土效 果更加明显，在挡墙中的使用比例也日益增加。 土工合成材料加筋土挡墙( g e o s y n t h e t i ee i n f o r e e d e a r t h r e t a i n i n g w a l l s ) 川1 这种 结构的面层系统经过了不断的发展与更新，按照面板的材料和结构形式的不同可 以分为以下几种类型： ( 1 ) 石笼面层。石笼中包入土工合成材料一起作为面层结构。 ( 2 ) 卷裹式加筋土挡墙。土工格栅或土工织物其端部回折将填土分层卷裹， 直至墙顶。 ( 3 ) 预制的全高混凝土面板。 ( 4 ) 现场浇筑的全高混凝土面板。 ( 5 ) 制成标准尺寸e ，】模块式混凝土面板。 卷裹式加筋土挡墙现常采用柔性的机织土工织物在土体内满铺，每铺一层在 2 第一章引言 其上填土压实，将外端部织物卷回一定长度，然后再在其上铺放一层织物。每层 填土压实后为1 5 - - 一2 0c m ，直至墙顶。国外采用的筋材多为土工格栅。两种方法 一般在外侧设置面板。和一般挡土墙一样，排水设备应予重视，排水能减小挡墙 后水压力，从而保证挡墙稳定。 1 2加筋土性状机理的研究 加筋土的性能主要取决于填料( 如物理力学性质、水力学性质) ，加筋土材 料( 如筋材受力变形特性、布置方案、筋一土界面特性) ，面板( 如面板刚度、 面板与筋材的连接方式) ，地基( 如刚度) ，外加荷载。自2 0 世纪6 0 年代法国学 者提出加筋土的概念以来，许多人致力于加筋土性状的研究，目前对加筋土性能 的研究主要集中在加筋土的破坏形式、变形，筋材内的拉力分布，土压力分布， 以及筋材、填料、面板、地基、施工碾压对加筋土稳定性的影响。 1 2 1 加筋土结构破坏形式 加筋土的破坏形式可归纳为三大类，即内部稳定性破坏、面板破坏、外部稳 定性破坏( b a t h u r s t ，1 9 9 4 ) 1 9 1 。 1 2 1 1内部稳定性破坏 内部稳定性破坏一般表现为筋材拉断、拔出( 筋一土相对滑动) ，或者变形 过大。加筋土内筋材的作用是通过筋一土界面摩擦约束土的侧向变形，同时在筋 材内引起拉伸变形。筋材拉断或变形过大一般发生在加筋土材料强度低、刚度小 的情况下( j u r a n ，1 9 8 9 ) 6 1 ；筋材拔出则表明筋一土界面摩擦小，或筋材锚固长 度不够。筋材拔出破坏形式主要发生在条带筋材的情况下，而对于幅状筋材，如 土工织物、土工格栅，当筋材长度较小时，加筋土整体滑动破坏的可能性一般大 于筋材拔出破坏的可能性( w o n g ) 四1 。 加筋土体内的破裂面可通过破坏试验直接观测得到，对于未达破坏状态的 试验，则假设各层筋材上最大拉力点的连线为潜在破裂面。破裂面的发展与配筋 情况、面板形式、试验条件密切相关。大致有以下三种情况： ( 1 ) 破裂面( 或潜在破裂面) 从墙底开始，贯穿整个加筋土体。破裂面形 状与筋材刚度、配筋率：亍关。对于筋材刚度和配筋率较小的情况，筋材对填土 的约束作用小，破裂面有可能得到充分发展，其形状接近于经典的朗金或库仑理 论破裂面( j u r a n ，1 9 8 9 ) ；反之，加筋土则表现为粘聚重力式结构，破裂面呈对 第一章引言 数螺旋线，顶端与墙面的距离约为墙高的0 3 倍( 张师德、吴邦颖，1 9 8 6 ) 。p o r b a h a ( 1 9 9 6 ) 在离心模拟实验中发现的筋材长度与墙高之比越小，则破裂面顶端到墙 面的距离越小。 ( 2 ) 滑楔体破坏，即破裂面从墙顶开始，只贯穿墙身上部几层加筋土，使 楔体塌落产生下滑( p o r b a h a ，1 9 9 6 ；m a t i c h a r d ，1 9 9 4 ) | 1 2 1 。 ( 3 ) 双楔体破坏，破裂面为折线型，然后延伸到加筋土体外，形成两个破 坏楔体( j e w e1 9 8 4 ；k u t a r a ，1 9 9 0 ；t h a m m ，1 9 9 0 ) 1 2 1 0 如果筋材有较高的强度 和刚度，不容易被切断，那么，在加筋土体内，滑动面有可能沿着加筋土层之间 发展，这种破坏形式曾多次在试验中被观察到( h o l t z ，1 9 7 7 ；n i c h o l l s ，1 9 8 1 ) 1 1 0 1 。 1 2 1 2面板破坏 面板破坏包括：面板塌落、面板凸鼓、面板错位引起漏砂现象、面板与筋材 连接破坏。面板与筋材的连接破坏主要是由面板与填料的不均匀沉降引起的。对 于粘性填土，有时虽然部分面板脱落了，但加筋土体仍能保持整体稳定。 1 2 1 3外部稳定性破坏 外部稳定性破坏包括：加筋土体水平滑动、倾覆，地基承载破坏、地基深层 破坏。加筋土体的水平滑动、倾覆是在j l , d l l 荷载以及墙背土压力的作用下发生的。 一般情况下，加长筋材可防止这两种破坏。由于地基土的约束作用，加筋土体有 时不是沿着其基底滑动，而是沿着某一层筋一土薄弱面滑动( w o n g ，1 9 9 4 ) 。 w o n g ( 1 9 9 4 ) 认为，对于砂性填料，加筋土体实际上不是刚体，倾覆破坏的可 能性很小。地基承载破坏、地基深层滑动破坏一般在地基较弱的情况下发生。 1 2 2 加筋土结构变形 影w i 4 i d i l 筋土变形的主要因素包括：填土刚度、地基刚度、筋一土之白j 的剪切 刚度，筋材抗拉刚度，筋材的长度。加筋土体的剪切变形主要是由作用于其背 面上的土压力引起的，筋材越长，则加筋土体越厚，该剪切变形也就越小( i o n g ， 1 9 9 4 ) 。p a l m e i r a 在模型试验中观测到，对于各层筋材不等长的情况下，在较短 的地方，面板的水平位移较大：但在加筋土体内部，对于同一水平面，各点的水 平位移几乎相等。 建于坚固地基上加筋土结构，由于地基的约束作用，当面板为刚性时，其位 移模式为绕墙趾转动；当面板为柔性时，常出现凸鼓现象，或者下部分绕墙趾转 动，而上部分刚体平移( w a n g ，1 9 9 4 1c h r i s t o p h e r1 9 9 4 ：m i y a t a ，1 9 9 4 ) 。建于 4 第一章引言 软土地基上的加筋土结构，由于地基变形的影响，其墙面位移一般为绕墙顶转动 ( 、，1 9 9 4 ) 。 1 2 3 加筋土筋带的拉力 筋土之问通过界面摩擦传递剪应力，并在筋材内产生拉力。拉力的大小及分 布与筋材刚度、加筋土体内的位移场有关。 k o n a m i ( 1 9 9 4 ) 7 1 在原型试验中发现，越往下靠近底层，筋材的最夕( 拉力 值越大，而且筋材上的莲j 大拉力点越靠近，各层筋材上最大拉力点的连线接近 0 3 h 型潜在破裂面。w o n g ( 1 9 9 4 ) 2 1 在模型试验中，以聚丙烯带加固细砂、粉 土观测到各层筋带拉力在与面板相接处最大，距面板越远，拉力越小。t a t s u o k a ( 1 9 9 4 ) 珀1 在分析面板刚度对加筋土稳定性影响时，认为在加筋土的下部如果面 板有足够的刚度使面板上承担一定的土压力，那么筋材与面板连接处的拉力就很 小，筋材上最大拉力力点与面板的距离较大。 综上所述，筋材内的拉力大小及分布受诸多因素的影响，不同试验者的观测 结果有一定的差异，尤其是关于筋材上最大拉力点的位置。此外，即使对于同一 加筋土结构，在工作应力状态下与极限状态下的筋材拉力分布规律也会有所不 同。 e h r i c h ( 1 9 9 4 ) 在计算筋材最大拉力值时，考虑了施工中碾压的影响。他们 认为，筋材刚度越大，筋材相应的拉应力也越大，对于浅层筋层，碾压可能足产 生筋材拉力的主要因素。 1 2 4 加筋土受土压力的影响 ( 1 ) 面板上的侧向土压力 面板上的侧向土压力常用于计算面板的受力以及检算面板与筋材之间的连 接强度( 连接强度的检算还应考虑到面板与填土不均匀沉降产生的连接处应力集 中) 。由于筋材的侧向约束作用，面板上的侧向土压力大大减小了。 ( 2 ) 加筋土体内的侧向土压力状态处于极限状态的加筋土体以潜在破裂面 为分界线，可划分为主动区和被动区，这时破裂面处的侧向土压力状态是计算筋 材内最大拉力值的依据。加筋土体内的侧向土压力状态与其内部变形有关，一般 情况下处于主动土压力状态和静止土压力状态之间。侧向土压力状态的主要影响 因素包括：筋材刚度、配筋率、面板刚度和施工中的填土碾压。 ( 3 ) 加筋土体背部的土压力加筋土体背部的土压力一般用于检算加筋土的 外部稳定性。可按主动土压力计算，墙背上的摩擦角有的假设为0 ，有的假设为 第一章引言 等于墙背填料的内摩擦角， ( 4 ) 基底竖向应力从加筋土的整体受力平衡来分析，若不考虑地基变形的 影响，由加筋土自重引起1 1 勺基底竖向反力应当是均匀分御的；而墙背上的土压力 以及墙顶超载将会引起一定程度的基底应力偏心。此外，对于刚性面板，面板与 填土的不均匀沉降会影响到基底竖向应力的分布( c h r i s t o p h e r ， 1 9 9 4 ) 。 1 2 5 其他方面对加筋土结构性能的影响 除了筋材、填料之外，加筋土结构的因素还有地基、墙面、施工碾压等等。 ( 1 ) 地基刚度的影响 g o o d i n g s ( 1 9 8 9 ) 川1 通过离心试验，对铝、砂和粘土三种不同刚度的地基进 行了比较，发现较软的粘七地基有利于提高加筋土结构的稳定性，可能是地基的 适当变形使加筋土体内发生应力重分布的缘故。p o r b a h a ( 1 9 9 6 ) 在离心模拟试 验中也观察到了相似的现象，同时他们还发现，对于t b - d h 筋土，在刚性地基与允 许产生一定变形的稳定地基这两种情况下，其稳定性能差不多。w u ( 1 9 9 4 ) 在 有限元分析中比较了四种不同性质的地基土，发现对于刚性地基，由于地基的约 束作用，加筋土的变形为绕墙趾转动，最大侧向位移为墙高的o 7 ；而对于软 土地基，由于地基变形过大，导致加筋土绕墙顶转动，最大侧向位移为墙高的 3 。 ( 2 ) 面板刚度的影响 根据v i d a l ( 1 9 6 9 ) 的加筋土理论，作用于面板上的土压力很小，面板的作 用只是装饰和阻止加筋土外缘土粒的散落；整个加筋土结构具有良好的柔韧性， 能适应较大地基变形。而t a t s u o k a ( 1 9 9 2 ) 提出作用于拼装式面板上的土压力接 近于主动土压力；其次，对于重要的永久性结构，应该有足够的刚度，而不能一 味地追求柔性以适应地基变形，太软的地基应事先予以处理。 在同本，为克服传统的柔性面板加筋土过柔的缺点，有人提出了一种“短筋 刚面”式加筋土结构，并作了一系列研究。这种加筋土结构的特点是：筋材短， 在同本的有关计算规范中取0 3 5 h 与1 5m 中的较大值，其中h 为墙高；面板 刚度较大；施工分两阶段，先建好加筋土体部分( 卷起式墙面) ，待加筋土及 地基的主要变形完成后，再现场整体浇注混凝土面板。这种加筋土结构的主要优 点可归纳为以下几点： 对于拼装式面板，为维系平衡，每层筋材部必须有足够的锚团长度；而对 于整体刚性面板，由于面板可以将部分侧向土压力从高层传递到较低层，较高层 的筋材可以不必延伸出石! i c 裂面之外，也能保持结构的稳定性( t a t s u k a ，1 9 9 2 ) 。 当面板顶或靠近面板处的墙顶上作用有集中荷载时( 包括水平集中荷载) ， 6 第一章引言 对于刚性面板，该集中荷载可分布到整个墙高上。 通常，面板与填土的不均匀沉降会导致筋材与墙面连接处应力集中。对于 “短筋刚面”墙，由于面板是在加筋土及地基变形基本稳定后才现场浇注的，因 此不存在这种问题。 刚性面板有利于靠近面板处填土的压实，而对于拼装式面板则比较困难， 因此加筋土的工后变形较为严重。 ( 3 ) 施工碾压的影响 碾压引起土体内侧向土压力的增加。当施加碾压力时，土体内的竖向压力和 侧向压力都增大了；撤除碾压力后，竖向压力减小到原来的状态，而侧压力虽然 也有所减小，但仍高于碾压前的状态。对于刚性结构，碾压引起的残余土压力有 可能比静止土压力大好几倍，甚至达到被动土压力状态( t e r z a g h i ，1 9 3 4 ；b r o m s ， 1 9 7 1 ) 。对于加筋土结构，许多学者也注意到了碾压对侧向压力状态的影响 ( f i n l a y e t a l ，1 9 9 7 ：s e e d ，1 9 8 6 ) 。 a d i b e t a t ( 1 9 9 1 ) 在提出的侧压力分析方法中，考虑了筋材刚度、筋一土之间 相对位移以及碾压引起的应力。e h r l i c he ta l ( 1 9 9 4 ) 加以改进后，用于加筋土 工作应力状态的计算方法中。一般来说，筋材刚度越大，则碾压引起的应力也越 大，相应的筋材内拉力也越大；对于浅层的加筋土层，碾压可能有是产生筋材拉 力的主要因素。 1 3 土工格栅工程性能研究总结 土工格栅相比其它土工合成材料出现的较晚，因为技术含量较高，价格较贵， 国外在8 0 年代开始应用。国内9 0 年代开始在道路上首先应用，材料为从国外进 口( 意，英) ，9 0 年代后期国内丌始自行生产，目前己有十多家厂家，少数产品 质量已达到国际水平。当前土工格栅应用发展的速度非常快。 1 3 1 土工格栅的分类 土工格栅有单向网格的，也有双向网格的，按照其生产材料和加工工艺的不 同，主要分以下几种类型： l 、塑料格栅：先在挤压制成的聚合物板材上冲孔，再经单向或双向的定向 拉伸形成；塑料格栅( 单向拉伸) ：主要采用聚乙烯( p e ) 为原料，拉伸强度高 ( 1 0 0 k n m 。1 以上) ，延伸率低( 1 0 左右) ； 2 、塑料格栅( 双向拉伸) ：主要采用聚丙烯( p p ) 为原料，拉伸强度 ( 2 0 4 0 k n m1 ) ，寿命5 0 7 0 年； 3 、玻璃纤维格栅：拉伸强度高，但是其断裂延伸率很小，一般都小于4 ， 7 第一章引言 无蠕变，稳定性好，但较脆； 4 、经编格栅：主要采用高强纤维在经编机上织造并经涂层处理而成，强度 高且模量大，蠕变小，抗撕裂性能好，但制造要求较高； 5 、土工网( 未经拉伸) 一般由未经拉伸的金属形成网格，强度较低，延伸 率高，用于排水和植草或要求不高的工程。 当前，相对于其它类恂土工格栅，塑料土工格栅以其无可比拟的各项特性在 实际工程中有着最广泛的应用，因此本文所研究的土工格栅均指塑料土工格栅。 1 3 2 土工格栅的物理特性 土工格栅是经过拉伸形成的具有方形或矩形格栅的聚合物板材，常用作加筋 土结构的筋材或土工复合材料的筋材等。格栅的生产工艺以开发结构对称、节点 不是熔接、粘接或编制而成的平面产品为导向，在此思路的引导下发展格栅生产 工艺。首先在高温加热的情况下将高分子聚合物挤塑成板材，在其上进行冲孔， 然后在受控的加热设备下根据肋条的强度进行拉伸，使产品一开始就具有整体的 节点构造，而且此工艺的本质特点是将高分子的聚合物的分子连接方式变为链状 的连接方式，增加格栅肋条的抗拉强度。 土工格栅是由横肋( l a n s v e r ，e b a r s ) 、纵肋( 1 0 n g i t u d i n a l d b s ) 及网孔( a p e r t u r e s ) 组成。其不同部分对土工格栅的作用贡献也不尽相同。从格栅的外观上看：格栅 的外形均一，表面平整光泽，明显有碳黑光泽；土工格栅呈网状结构，网孔尺寸 大，网节点处厚度要大于网筋厚度，表面粗糙。相比土工织物易被填料刺破而损 坏织物结构、降低隔离及加固效果的缺点来说，土工格栅的网筋较粗、强度高， 不易发生网眼断裂、抗冲击性强，从而大大提高了抗尖石刺破能力；网孔尺寸稳 定性好，对粗粒土有较强的嵌锁作用及拱效应，增大了土工网格与填料之间的剪 切阻力；便于现场裁剪、连接和重叠搭接。 双向土工格栅具有独一无二的结构特点。它的结构与台球框非常相似，如图 1 2 所示。双向土工格栅具有刚硬的肋条、高强度的节点、高强的平面抗扭刚度 及呈正方形的厚边肋条，因此双向土工格栅能与土颗粒形成非常有效的咬合或互 锁作用，约束土颗粒的俱向位移。用双向土工格栅加筋土粒料层能有效地保证： 1 、垂直荷载作用下，很小应变的双向土工格栅能承受相当大的抗拉力与对 土颗粒的约束力； 2 、在受载区内获得理想的加筋土效果； 3 、优化应力场，有效的控制差异沉降； 4 、提高土体的强度、整体性与连续性。 第一章引言 l 等 l 图1 1 单向十l 格橱 j 高 j 图1 2舣向十t 格栅 双向土工格栅的网孔成规则的i f 方形，而单向土工格栅的网格根据格栅的强 度按1 ：7 或1 ：8 进行拉伸，如图1 1 所示。肋条作为力的承载体，节点作为力 的传递点，两者构成一个有效的整体，产品生产工艺的整体性增加了格栅的平面 抗扭模量。此外，格栅各节点具有几何结构对称和分子结构对称的特点。这种产 品生产的一致性决定了格姗的荷载传递的有效性，格栅具有优化的几何肋条，其 肋条具有近似9 0 度的肋条截面，为格栅与填料提供了有效的承载面，使肋条有 效地嵌固填料，更好的传递荷载。 1 3 3 土工格栅的力学特性 土工格栅的力学特性主要反应在它的加筋土机理上，土工格栅是通过独特的 工艺过程使聚合物的长链碳氢分子沿拉伸方向重新排列成一直线的，因而具有较 高的抗拉强度( 一般较拉伸前提高5 1 0 倍) 并具有较低的延伸率( 只有拉伸前 的0 1 0 0 1 5 倍) ，土工格栅对土的加固机理存在于格栅与土的相互作用之中，这 种相互作用较为复杂，可以归纳为三种作用： 1 格栅表面与土粒的摩擦作用； 2 土粒对格栅肋的皮动阻抗作用： 3 格栅孔眼对土的镶嵌与咬合作用。 这三种作用均能充分约束土颗粒的侧向位移，从而大大地增加了土体的自立 稳定性，由于三种作用的同时存在，使得土工格栅在土中的抗拔能力或格栅对土 的加固效果也明显提高。当前对土工格栅加筋土机理的研究主要形成两种理论： 摩擦加筋土理论和准粘聚力理论。摩擦加筋土理论认为：在加筋土结构中，由填 土自重和外力产生的土压力传递给拉筋，存在着将拉筋从土中拉出的可能，而拉 筋又被填土压住，于是填上和拉筋之问的摩擦力阻止拉筋被拔出。准粘聚力理论 认为：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 远大于填土。在这种情况下，拉筋与填土共同作用，包括填土的抗剪力、填土与 拉筋的摩擦阻力及拉筋的抗拔力，使得带有拉筋的填土强度明显提高。 9 第一章引言 1 3 3 1摩擦加筋土原理 在加筋土结构中，由填土和外力产 生的土压力作用于墙面板，通过墙面板 上的拉筋连接体将此土压力传递给拉 筋，试图将拉筋从土体中拉出。而拉筋 “ 材料与土体之问的摩擦力阻止拉筋被 拔出。故而，只要拉筋材料具有足够的 强度，并与土体之间产生足够的摩阻 力，则加筋土体就可保持稳定而不会产 生破坏。 根据加筋土复合体中筋一土之间的基本构造，从加筋土体中取出一微段如图 1 3 所示，微元体长为d l ，拉筋左截面受力为夏，有截面受力为正，压住拉筋 的法向应力为仃，略去筋带重量和微元体土体重量。设拉筋与土粒之i 、日j 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 丁，d t = 互一正。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 l , d l 根据对该微元体的受力分析，可知： 如果df-df ( 1 1 ) ( 1 2 ) 则筋一土之间就小会盘生相互错动，换句话说，土的水平推力被筋一土之间 的摩擦力所克服，微元体保持稳定，反之则 不能保持稳定。 从式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 可知，拉筋材 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 生带动前拉筋不被拉出，后者保证拉筋的变 形与土体的变形大致相同。 在加筋土挡墙中，墙体由于受土体的推 力产生破坏时( 暂将加筋土体看成无筋土 体) ，依据朗金理论，沿三! 动破裂面b c 将 ；| ； | ， | ， ， | t ；1 0 _ 圭圭 土o 主! q 一 = 一一一一一一一f ， ， ， b 图1 4 加筋士挡墙的受力分析 墙休分为主动区和稳定区，见图1 4 。下滑土棱体a b c 自重产生的水平推力对每 一层拉筋形成拉力，欲将拉筋从土中拔出，而稳定区土体与筋带的摩擦阻力阻止 拉筋被拔出。如果每一层拉筋与土体的摩擦阻力均能抵抗相应的土推力，则整个 l o 仃 ，理 -i 聂 i _ 麓 一d 叫 t ，r h ff ： i i _ l _ j 第一章引言 墙体就不会出现b c 滑动面，加筋土体的内部稳定就有保证。 设每层筋带所受的土体的水平推力为丁，那么 r - d t ，则格栅与土之间就不会产生相互滑动，如图1 4 所示。如果每一 层格栅拉筋都能满足上式的要求，则整个加筋土结构的内部抗拔稳定性就能得到 保证。 旃橱l j 土之伺的 袭面摩擦力 栩对位移 呻山一帅- - 方向- - 削_ - - 叫_ p - - 格栅孔内的十与孔井土 主颗粒与格鞠攒肋 土问的袭面摩擦力 之阿的承螭力 相对位移 方向 _ - 色勇璺三* - 薹翔睁 图1 - 5 格栅与土之间的表面摩擦力相对位移 r 图1 6 摩擦加筋十理论 上面用摩擦加筋土理论对土工格栅加筋土机理进行的解释是将土工格栅与 土的相互作用通称为土与土工格栅之f b j 的摩擦力，摩擦性质简化为用格栅与土体 之间的似摩擦系数厂来表示。台湾学者r h c h e n ( 1 9 9 4 ) 列通过埋置于砂和砂 砾石中的三种土工格栅进行4 0 x 2 5 c m 拉拔试验后，指出土工格栅与土之问的拉 拔阻力主要由两部分组成，即土与土工格栅之间摩擦和土体反作用于土工格栅横 1 2 第一章引言 肋上的被动阻力。 大型拉拔试验同时可以得到两点结论：一是格栅横肋处被动土压力面积的增 加对提高抗拔力的作用是重要的；二是填土内部本身的抗剪强度比填土与格栅接 触面积处土的抗剪强度大。 土工格栅足尺加筋土试验墙的测试表明摩擦加筋土理论用来解释筋土相互 作用是合理的，并可得到如下一些结论： 1 、每一层筋材所受拉力沿长度并非均匀分布，最大拉力不在筋材与面板的 连接处，而是在墙后一定距离处。 2 、所有加筋土层最大拉力点的连线可视为加筋土体潜在的破裂面，破裂面 将加筋土体分为主动区和被动区。主动区靠近墙面板，加筋土层的摩擦剪应力指 向面板，具有将筋材拔出l j 趋势；被动区加筋土层的摩擦剪应力指向加筋土尾端。 摩擦加筋土机理由于概念简单、明确，因此在加筋土的实际工程中应用较广。 此外，这种加筋土机理的建立为分离式的有限元分析奠定了基础。 1 3 3 3准粘聚力原理 加筋土结构可看作是各向异性的复合材料，一般情况下拉筋的弹性模量远远 大于填土的弹性模量，拉筋与填土共同工作，包括了填土的抗剪力、填上与拉筋 的摩阻力和拉筋的抗拉力的共同作用，使得加筋土的强度明显提高。这一点在加 筋土砂圆柱土样与未加筋土砂圆柱土样三轴对比试验中得到验证。 砂土试样在单轴压力下受到压密，土样侧向在侧压力作用下发生侧向应变。 如在土中布置了拉筋，由于拉筋对土体的摩擦阻力当土体受到垂直应力作用 时，在拉筋中将产生一个轴向力，起着限制土体侧向变形的作用，相当于在土中 增加了一个对侧压力的反力，使土的强度提高了。根据v i d a l ( 1 9 6 9 ) 等人的 试验，加筋土的强度与土的抗剪强度、土和拉筋问的摩擦系数、拉筋的抗拉强度、 拉筋数量等有关。加筋土在受力变形过程中可能出现拉筋抗拉极限状态、拉筋与 填土间摩擦一粘着极限状念以及填土抗剪极限状态。加筋土的强度分析主要针对 前两种，第三种只有当拉筋与填土的弹性模量相近时才会出现。 加筋土砂样比无筋砂样强度提高，可根据库仑理论和摩尔破坏准则来加以阐 明。 根据库仑理论，土的极限强度为 t f2 0 t a n p4 - c 式中：o 土的极限抗剪强度； 矿土体上受到的j 下应力； ( 1 4 ) 第一章引言 c 上的粘聚力； 够土的内摩擦角。 当c = 0 时为砂土，? o 时为粘性土。 设仃，为土样破坏时的最大主应力，吧为土样侧面的最小主应力，根据土样 破坏时摩尔圆与土样的库仑强度线相切的条件，可得 听= o 3t a n 2 ( 4 5 。+ 詈) + 2 c o t 2 ( 4 5 。+ 詈) 5 ， 在三轴对比试验中，如果未加筋土砂土样在q 、吒作用下达到极限平衡( 见 图1 5 ，( 1 ) 为未破坏时的应力状态，( 2 ) 为未加筋土砂极限破坏状态) ，保持氓 不变，则加筋土砂在相同应力状态下未破坏，而是c r 3 增至仃，时才达到极限破坏 状态，如摩尔圆( 3 ) 所示。砂样在加筋土前后的汐值不变，加筋土后土的强度 提高了，它应有一条新的强度线来反映这些关系。 5 0 4 0 墨3 0 c2 0 l o o 24 68i o 嘶以 。i 丛晋。i _ 垒堕-一 0 3 k p a 图1 7 无筋及加筋士砂l _ i 度分析图1 8 无加筋士砂及加筋十砂强度曲线 比较未加筋土砂和加筋土砂试验的极限平衡条件，加筋土砂多了一项由c 引起的强度增加，或者说承载力增加。从三轴对比试验的结果来看( 见图1 7 ) ， 加筋土砂与未加筋土砂的强度线几乎完全平行，说明加筋土前后砂样够值基本不 变，但加筋土砂的强度曲线不通过盯一f 坐标原点，而与纵坐标f 相截，其截距c 7 相当于式( 1 5 ) 中的c ，或者说，式( 1 5 ) 或式( 1 4 ) 对加筋土砂土是成立的。 因此，有人认为，加筋土砂土力学性能的改善是出于新的复合土体具有某种“粘 聚力的缘故。砂土本身是没有这个“粘聚力”的，而是砂土加筋土后的结果。 在试验中对加筋土砂样施加的侧向力为叽，而实际上砂样受到的侧压力是 以+ 吒，而a c t 3 正是出于砂与拉筋问的摩阻而产生的，但在最后结果的表述中 却被“c ”所代替。事实上它不是粘聚力，而应是加筋土的强度增量。为表述 1 4 第一章引言 方便，我们将这个“粘聚力”称为“准粘聚力”或“似粘聚力”，它反映了加筋 土这个复合体本身的材料特性。 1 3 3 4土工格栅的准粘聚力原理 土工格栅是一种具有孔眼的网格式加筋土材料，由于网格在填土中的存在， 组成的网格条带不仅可以承受拉力，而且可以承受剪力，并且条带可以视为具有 一定刚性的杆件，因此加筋土不仅使土体增加了粘聚力，而且增加了土体的内 摩擦角必。由于加筋土体相对于无筋土体增加了。和必，使加筋土体增加 了一个附加周围力，从而增加了加筋土体的强度。杨国林对此进行了分析，并提 出了加筋土新的强度准则。 首先，分析因加筋土体增大了c 。所增加的附加周围压力a 0 3 ，。图1 9 表 示了加筋土与无筋土三轴试验破坏时的莫尔圆及其强度包络线。圆1 表示在仃3 作用下无筋土破坏时的摩尔圆，线口为其强度包络线；圆2 表示在同样几作用下 加筋土破坏的莫尔圆，线b 为其强度包络线。仅考虑c 。所增加的附加周围压 力a 0 3 ，暂不考虑加筋i 内摩擦角增量的影响。视a 、b 相互平行，内摩擦角为 矽。把土体骨架从加筋土中拿出来作为隔离体，则加筋土的作用可视为与其布置 方向相同的外力。加筋土中土体骨架受到外荷载产生的应力q 和吒及加筋土所 施加的附加压力a 0 3 ，。由于加筋土破坏时，其中土也达到了破坏，并且服从强 度包络线a ，这时土体骨架的应力状态用莫尔圆3 表示，它的实际小主应力为 吧r ，围压为吒。则a 0 3 ，= 0 - 3 ，一0 - 3 为加筋土对土体骨架的附加应力。由几何关 系可得： 石 矾，= 2 a c t a n ( 4 5 d 一兰) ( 1 6 ) 叫 2 7 式中x e 为加筋土与无筋土的粘聚力之差。 f 。 ， 一一 彳。 图1 9 a e 与附加应力a o - 3 ，的关系图1 1 0 妒与附加应力巳的关系 第一章引言 其次，分析加筋土体因增大了a c p 所增加的附加周围压力a c t 3 ，。图1 1 0 表 示加筋土与不加筋土在三轴试验破坏时的莫尔圆及强度包络线。圆l 表示在正作 用下无筋土破坏时的摩尔圆，线a 为其强度包络线；圆2 表示在同样几作用下加 筋土破坏的莫尔圆，线b 为其强度包络线。因仅考虑a c p 所增加的附加周围压力 a o - 3 ，暂不考虑加筋土粘聚力增量c 的影响。视a 和b 具有相同的粘聚力c ， 即过竖轴同一点。把土体骨架从加筋土中拿出来作为隔离体，则加筋土的作用可 视为与其布置方向相同的外力。加筋土中土体骨架受到外荷载产生的应力。和几 及加筋土所施加的附加压力a a i ；由于加筋土破坏时，其中土也达到了破坏，并 且服从强度包络线a ，这时土体骨架的应力状态用莫尔圆3 表示，它的实际小主 应力为正 围压为吸。则a o - 3 ，= 0 - 3 ，一o - 3 为加筋土对土体骨架的附加应力。由 几何关系可得：a c p 为加筋土与无筋土的内摩擦角增量之差。 1 4论文主要研究工作 在土体中加入拉筋的成功，已被大量的加筋土挡墙的成功经验所证实。无论 从混凝土面板到柔性土工合成材料墙面反包墙，从钢带、网丝、串式混凝土拉筋 到柔性的土工合成材料做拉筋。计算方法主要是采用忽略拉筋变形及不同部位相 互作用的极限平衡法。 当今的计算方法是挡墙在工作状态允许有小变形的情况下，分析土的特性、 安全系数。但对土工合成材料加筋土挡墙而言，存在以下问题： ( 1 ) 拉筋拉力的影响； ( 2 ) 不同面板的影口匈以及不同施工