（道路与铁道工程专业论文）土工合成材料的加筋应用研究.pdf

摘要 土工合成材料觚簸土技术是一门额懿工技术，但足发展很快。幽于结构 台理、受力荟侔好、魄r 简陵、效荠蜀著，广泛适用j 嚣类填 工裕。当瀚， 我因岛速发展的交顾公路建故中有大量地路基填上1 程，已经j r 始较曾遍地应 愆了熬菸主技术，皴然工程实栽发曩速度抉，毽壤论远滞磊予实黢。嚣蓊，仍 停留在设计、施工、测试的规范、规程的建立、健全和完藩阶段。 本课题以交通郝强部交通建设科技项只土工合成材料在黄t 地区公路工 程中的应拜 技术研究为依托，对上工合成材 在商填方鼹驻中的船筋f 一埘进 行研究。运用极限平衡法理论，对加筋搿填方路堤的强度、变形以及稳定性等 方瑟遘孬了疆究。本文蓄先逶遗理谂谤舞结采与交际熬试验路蔽鼹溅残栗豹怼 比分析，验证了理论模型，得出了试验方案的结论。在此熬础上应用理论手段 送行加筋嵩壤方的扩展研究，分析了影响烟荔效皋的各耪裁索，褥出了土工合 成材料在商填方路璇中的加筋应用中的些有菔结论，以供在工程中的应用猴 广加筋高填方路堤提供参考和后续研究积累资料。 关键词士工合成材料；加筋；高填方路堤；极限平衡法 a b s t r a c t a 鼯嚣c 鑫| 摊西g e 咧椭畦l c s 濠。f n 魄唾拍e n ti s8 辩wg e o 蹴酶i c 努馘b 攘轻d e v e l o 芦v c | y f a s t r e 魏f o i 戳翱e 瞰印掣i c 越i 勰o f 渺蚋龋l c s 融e m b 秘蜘饿婚豫9 e a 确蝴趣虫i s 辨舻r 辩l y 纽g o 他o fw 龇mc o m m i c 砒i o n n s m t i o i l 协c h n o i o g yp r o j e c t sm o n t i v a t e d b ym i n i 嘶o f c o m m u n 主c 鲥胡：r 豁e 啪h 棚她g e o s y n t h 两e sa p p l i 嘲i o n 钕h n o l o 秽mh 曲w a yo fl o e s s 谢 a r c a b a s c d 彻t c s ta l l d 岫v e s t i g a t i o ni nf l i e d ，t h el i m “e q u i l 魏讪帆a r eu s e d 船s t u d yt 岫 d e f b f | l ，a l i o n ，脚j u 埠锄ds t a b i l 姆o fh i d hr e i n 6 眦e d 栅b a n k m e n l t h ep a p e rv e r i 雠s 也e o r e n c a l m o 出l 嘛甜。珏c o n 妇s ta f l a l y s 翘静呐e e n 心e o f e t i c a lm 。d 。l sw 硅觚np 科e m e n | s e c t 8 n d c o n c l u d e st h ec o n s c c u t i 螂o fm a ls e c 怕n 1 1 1 ep 印e ra l s od os o m ee x l e n dr c s e a r c h 彻h 啦 f c 拜如f c e m 。瓣e m b 褥k m e 臧晒e 矗。拄a b o 谨m e 睡酣，鑫n a l y s 。ss o 附l 融。搀妯 穗馥f l u 鞠c e f e i n f o r c e m c t ne 矗b c t ，n c l u d e ss o m ef 打o m b l ec o l l s e c u t i o n g so fr c i n f o r e n ta p p l i c a t i o no f g e 潞y n 她蛀铺囊h i 曲e 搬嘶虹疆翦童+ 托能lk 建巍啪c 豁垂dc 艄s 粕娟鞠印p l i c 硝翻黼dk n e 磊e i 氇l t os u c c e e d i n gr e s e a r c h e s 论文独创性声骥 本人声鹗：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中己经l 主明引用的内容外，对论文的 研究徽壅重要爨献的个入和集体，殇已嶷文孛戳蹉确方式标臻。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责经由本人承担。 论文知识产权权属声明 2 年s 舞l 鏊。 本人在导赡指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专零l 等毂载。零入离校后发表绞使弱学位论文或与该论文直接榻关酶 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) f 论文作者煞名： ( 习答( 。霉2 年箩月 i 目 导师妊鄙两枷唯钾乡日 罄廿馨 国固 名签者作文 沦 1 1 研究课题的提出 第l 耄绪论 1 9 的年，国务院决定实撩疆帮大开发战疆，藏瑟广大疆部逢区懿公路建浚 得到了空阿的发展。由于特殊的环境地貌，在云、贵、川、陕、甘、宁等西部各 省进巧交通建设中经窘会逐韵露辇裹填深挖的闷题，慰此翔栗处理蚤好，将巍拨 影响公路建设的使用品质。与此同时，以塑料恪栅为代表的土工合成加筋材料由 予其爨越豹热蘩效黎秘抗震饿戆褥到了主本工程赛约一致好谬。正是巍于土工擞 筋结构凝有其它土工构筑物结构无法比拟的优越性，利用土工合成材料来对高填 方路堤进行如筋处理也裁成为一个新的有待于大力研究和实践的课题。国内外的 实践表明：利用士工合成材料加筋技术可以节约资金，提高工程质量和档次，缩 短施工时间。因此，土工合成材料加筋技术在我国有着极为广泛的成用前景。 加裁篱填方路缝作为一门新技术，它不碡子软基照理、加筋疆臻等其毽酌潮 筋技术，有其自身的特点，例如填方高度的增加，必然造成路堤中过火的局部、沉 降，霜辩会增大麓耪承受豹疯力，易逡成荔耱鹁必效等。骄菝，该皴零应矮瑗在 在国内尚处于探索阶段，和对规范的健全、完善阶段。公路加筋土工程设计规 范( 露j9 1 5 鸯1 ) 霹手熬蘩接麓数及秀h 麓捺螽等毒致鞍多熬论述每援定，继 是对于域方路堤特别是高填方路堤的加筋应用较少涉及。静人对加筋土的机理有 了一些蠢麓魏探索，褥出了一些残暴，但是对予荔填方热簸路堤还缺乏有效懿设 计和施工方法的指南。本课题的开展希攫对此方筒的工程赢用提供一套理论与安 际相结余的方法，捉进土工合成材料农高填方鼹堤工程中靛加筋应用。 1 2 研究内容 土王合成材料的加筋技术迅速发展，已广泛应用于工程实践，识我国出现了 理论研究落居于王程实际应斓的状况，特别是商填方路堤巾的加筋艨用理论。零 课题的研究就是谯广泛查阅和收集资料的基础上，依托银蠢高速公路的加筋路缝 试验段，结合现场试验观测取褥的有关沉降、侧移、分层沉降、土臌力等数攒进 蠡研究；结合工程成用豹实鼯情嚣，进步扩展主工会成材辩在高填方黢堤串的 加筋应用研究。研究的主要内容包括； 1 ) 土工合成材料在离填方路堤中加筋强度、变形研究。本部分主要通过 试验路段的现场试验以及蕊灏。对土工台成材辩棚筋路鬓迸彳亍数值模叛。茸先针 对试验路堤，进行理论与现场试验结论对比分析，从而论诞模型的难确性，同时 氇褥出试验路段褒强度菇及变形方面瀚一些结论。在琵基舔上，遥行了裹填方蠹瑟 筋路堤的扩展研究，研究包括陡坡和变坡两种加筋高填方路堤形式，主要针对土 工格褥黪镶设霞嚣、镶设方式( 镶竣鼷鼗、半镰、逶键) 叛及格褥熬缝戆( 魏攘 伸模量、抗拉强度、与土之删的接触强度等) 等影响加筋效果的因索进行逐一研 究，簌露缮出主工会戚毒季料缀寒填方鼹疆孛黪撩簿位置、翱簸方式、篾耪选型等 方面的结论。 ( 2 ) 工合成捞料加筋嵩填方路堤的稳定 建研究，该部分的研究也是在试 验路段的基础上开展的。研究采用了霞内设计与计算普遍采用的极限平衡法瑷论 进行研究，重点在传统的理沧方法上进行相应加筋推导，并得出理论上最佳加筋 位置确定方法良及船筋方式。以诧为熬础，避符试验路段的稳定性分轿，并簿窭 试验在稳定性方磷的结论。同样，对加筋高填方路堤进行了相应的扩展研究，验 证攉导鑫冬公式井，瞧得篷离壤方露堤攘证稳定毪豹麓麓应瓣办法及冀纛律。磷袋 仍然采用了陡坡和变坡两种形式。 逶j 妻数主嚣令方覆兹磷寒已经蒸零壤摇了程离填方路堤实际浚诗及瘦溺审 关心的沉降变形以及稳定蚀等问题，得出的结论有利于土工合成材料在高填方路 堤戆热筋应用摭广，芳可为簸续戆理论磅究积累经验。 1 3 研究意义 本文以宁夏锻古高速公路辅路试验段为实例，开展对棚筋路堤的强度、土工 合戏耪耱热麓技寒是一门瑟豹土王技术，毽怒发震缀侠。由于结稔合理、受力 条件好、施工简便、效益显箸，广泛髓用于各类填土工程。当前，我国商速发展 的交通公路建设巾有大量嫩路基壤土五翟，已经开始较鼹遍地应用了如麓技 术，虽然工程实践发展速度快，但理论远滞后予实践。目前，仍停留在设计、施 工、测试的规范、规程的建崴、健全釉完善阶段。传统的分析方法魑建立在加筋 2 体豹极限乎簿理论基础上数分析方法，即假设破裂蘧，筋材扶中拨出或拉断， 束分析加筋土体拽力破坏或翦切破坏时的承载力，从中分变形及稳定性研究，黼 时进行相应高填方抛筋的扩展研究，得出的结论有利于土t 合成材料存高填方路 斑鲍加筋应躅手译广，月“f 力厝续l 辱竞w j ：祝幕验。 4 磺究骛景 l - 4 - l 土芏材料发震历史釉工程应用摄况 土工材料是一种新型岩士工程材料，它以人置合成的聚合物，如坦料、化纤、 合成橡黢等兔霖餐，翻或鑫耱类鍪豹产麓，萋予主俸内部、袭疆或各簇主俸之翊， 发挥加强域保护士体的作用。士工合成材料可分为土工织物、土工臌、特种土工 会残奉| 秘帮复合蘩主_ 工会或耪辩等类型。嚣嚣已广泛应用予拳弱、魄力、公路、 铁路、建筑、海港、采矿、耀工等工程领域。 遥找工会成转辩鳃发簇是建立褒合成材糕塑料的基础之上。磁化纾维 是第一个商品化的合成材料。随着各种塑料产品的研蒂成功，不同炎型的合成纤 维也投入了生产。邋代合成材辩开始成用于土工建筑上的确切年代，融难以考 捱， 根据c e s t a f f 的推测，约2 0 世纪3 0 年代来或4 0 年代襁，聚乙烯薄膜首先应 用于游泳池的防渗，大量塑料防渗薄膜的应用开始于灌溉工程，以厝又发展到水 闸、主猫域秘箕德建筑糍。会成纤维夜土工孛鹣应用歼始予5 0 年彼未联，1 9 溺 年r j b 8 r r e t 在美国佛罗照选州利用聚氯乙稀织物作为海岸块石护坡的垫屡， 觳诀为是应蘑袋我合成稀辩豹牙端。1 9 5 譬年意大稠麓c o n t r a d as 曲e t a 撬石 坝使用聚乙烯合成橡胶薄膜。1 9 6 0 年捷克的d 0 8 i n a 堆石坝使用聚氯乙稀薄膜。 奁零代，会成终维缓携旋美藿、黢溅稳嚣零逐渐捷广。艨嗣熬主工织物煮簧 是机织溅的( 俗称有纺织物) ，大部分用于护岸防冲等工程。由于机织土工织物 熬强度凝有缀大豹方翔瞧，疆且徐据较褰，限裁了它的发展。菲织逡型织物( 俗 称无纺布) 的应用给土工织物带来了新的生命。其特点题把纤维做成多方向的或 任意的摊列，放强度没有显罄的方囱性。厚的织物不但可以作为滤艨，还可以用 作导承体，因此爨适用于各种土建工程。随着纯纤工业的发展，楣继出现了多种 土工合成材料产懿，土工合成材料逐渐被应用予加筋土工程，部分代替了金属材 料。 # 织逑墅主工织物在冬伐木嬲开始应雳予敢溯，1 1 年1 9 7 0 年提继髑 子法国和英国的无路面道路、德国的护岸工程、法国的v a l c r o s 土坝的下游排水 反滤和上游护坡挚层和德国的一座隧濒。在7 0 年代，这种土工织物很快从欧洲 传播到美洲、西美洲和澳洲，最后传播到亚i f | 。 从二十世纪7 0 年代后期，美国等国家采用土工网或土工织物作为加筋材料， 进行了包裹式热筋籀主墙的试验研究，赫i c h e l l 移v i l l e t 善先试骏镪裹式藤筋 挡土墙，荧国林业部( u s f o r e s ts e r v i c e ) 分别在s i s k i y o u ( 1 9 7 4 年) j 日 寞林匿壳鏊家公霾( o i y m 西e 辩a t i o 瓣l 融r e s t s ，1 9 7 5 冬) 修建了镪裹式鸯器筋 挡土墙，然后制定了设计和施工指南。在美国联邦公路局( f e d e r a lh i g h w a y a 蕊i n i s t 粉t i o n ，雕融) 熬爨警下，嚣e # ￥o 呔、i o r 8 幻等溯熬公路帮门予二 十世纪8 0 年代修建了包裹式加筋挡土墙，从1 9 8 4 年开始将t e n s a r 瑚塑料拉伸 工揍栅警 入搬筋主，露材辩为聚乙烯( 孙l y e t h y l e n e ，熙) 。扶1 9 8 6 年，土玉 合成材料加筋土( m e c h a n i c a l l ys t a b i l i z e de a r t h ，m s e ) 在美国迅速普及，用 于加簸搂墙( m e c h a n i c a n ys t 曲娃i z e de 射t hw a l l s ，m s e w ) 、加筋陡坡 ( r e i n f o r c e ds o i ls l o p e s ，r s s ) 、软基上加筋路堤( r e i n f o r c e de 胁a n k m e n t s o v e rs o f tf o u n d a t i o n s ，r e s f ) 。目前土工合成材料加筋土工程在欧美国家应用 眈较广泛。 近年来，新型材料和复合型材料的问世进一步推动了土工合成材料的发展和 应震。嚣终瑷美嚣，茏浚l 荚发震较祆，酸瓣粥毅德国、法蓬、麓兰、意大羁等 西欧国家发展较快，亚洲主鼹是日本、马来西亚，韩国发展较快，国外产品类烈、 菇秘较多，殛穆齐念，班 # 缎造型、会成型、复念型繇占魄蛾较大，蠢 织造鏊 以纺粘法涤纶长丝产品为主，其中薄擞非织造前i 燕要用作复合产品。厚型非织造 带主要用器滤层材辩，合或勰釉复会型产品主要耀痒趣筋糖籽、防渗材料。 士工合成材料的应厢，在我阗的起步较晚，但发展很快。1 9 7 6 年江苏 省长江嘶玛护岸工程中，首兜使用由聚丙烯扁丝织成的编织袋，结会聚氯乙烯绳 随和混凝士块压熏，组成软体排，防炽河岸的冲蒯。9 0 年代，特剐怒1 9 9 8 年我 国遭受特大洪水灾害以后，由于国家领导及各有关部门的麓视，使土正合成材料 的生产、应焉、磷究等各个方嚣都发黧了巨大静变亿，工耩痖奔l 范黼不舔扩丈， 测试技术、施工水平、理论研究、技术创新等方面的发展熙为显著。 4 在建工程应爝方嚣，簸8 0 年l 弋旗拜始稳王会藏耪凝应蜀手擞簇工程， 起初主要采用无纺针刺土工织物和塑料排水带，如京津塘离速公路的应用。二十 彗 纪鲷年代中期玎始，爨产的土工会成材辩种类迅速增多，援辩锺 现了晕向和 投向塑料董正伸上上搭栅、涤纶；f 维纾稍+ ：工格锄、玻璃! t 维野编j 二1 侪栅和l 工 网等，在辑料种类增多的同时，产品也逐渐系列化，再加上国家基础波施的投资 力度加大，土工合成材料加麓土工程有了大发展，取得了w 喜的成采，但主要麓 予铁路、公路的软纂处理，士工合成材十 加筋士捎土墙、j j f j 筋土桥台、加筋路堤 特尉是船筋商填与潞堤l 尉澍兴起。 借鉴圈内外的先进经验，利用士工合成材料处治公路瘸害足目前有效的途经 之一。1 9 髑年交逶罄酱缀缀袋舍公关璞蠢，对主互舍成静瓣应焉予公爨籍蘩、 路面、防护、排水簿项目进行了研究，并编制了七工合成材料应用技术规范。目 蓠，在毅建、改扩建公路孛，工会残糖瓣摄裂了广泛应潮，毽绞芝系统磅突， 尤其是程西部黄土地区的应用。 壹予溜羚熬理论砑究、测试按本、设计准则、慈工方法等都比较完善，嚣疆 土工合成材料在工程中应用较为普及。我国土工含成材料的生产和应用较晚，但 发展较快，目前，躅内外对土工合成材糕的功能进彳亍了归纳和总结，其一致看法 是，将士工合成本| 料的功能归纳为戬下六大类： ， ( 1 ) 过滤作闱：土工合成材料( 土工织物臀于土体寝筒或相邻土层之间) 可以有效鲍阻止颗粒通过，扶两防正由于黻粒的过邈漉失露遥成主体的缓 坏。同时允许土中的水或气体通过织物自由排出，以免由于孔隙水聪力的升高而 造成主体鼢失稳等苓翻螽莱。 ( 2 ) 排水作用：无纺织物是良好的透水材料，无论怒织物的法向或水平向， 缘其枣较好夔攘零麓力，裁涛髂蠹麴零积聚爨织爨蠹郝，影袋舞 承逮道，撼爨 土体( 土工合成材料现已广泛应用于士坝、路撼、挡土爝、以及软土地基的排水 国结等方嚣) 。 ( 3 ) 隔离作用：有些土工合成材料能够把两种不同粒径的士、砂、石料， 或把、砂、石料与地基或篡它建筑物隔离开采，以免榴厦混杂，失去各种材料 和结构的完整性，或发生土粒流失现象。工缓物和土置膜都可躐起隔离作用。 它们可用于道路熬层与路基之间或路基与地基之间的隔离层，在土葫混合坝巾隔 蹇不曩熬筑壤劈褥，恁传竣俸与邋基之越兹骗枣事誊，雄场冀戆基趣嬲疆离层等。 ( 4 ) 加筋作用：土工合成材料可作为软弱地基的加阉补强材料。由于土麓 合成材料舆骞较鸯黪抗拉强度，将其壤霉在体之中，可增强地基豹承载力，捌 时可改善主体的整体受力条件，提高整体强度和建筑结构的稳定性，较多建应糟 子软弱地基处理、陡坡，挡墙等边坡稳定方丽。 ( 5 ) 防护作嗣：土工会成材辩w 戳将篦较集中豹应力扩散开，也可鞋将威 力出一种物体传递到另一物体，使应力分解，防虎土体受外力作用磁坏，起到防 护幸誊臻，皇要应焉予河道整涤、护痒、护堤工覆，滚及海搿防潮、j 羲籍缓_ 瑟藏护 等工程方面。防护分两种情况：一是表面防护，即是将士正合成材料放置于土体 表覆，摄护主锌不受羚力影桶嚣瑗坏；二是蠹黎接戆覆绦妒，静是将工会成耪 料置于两种材料之间，当一种材料受熊中应力作用时，丽不使另一种材料破坏。 6 ) 转渗传髑；将士工会成材糕表嚣涂一嫉辩膳或橡胶等防水李孝辩，或将 土工合成材料与塑料薄膜复合在一起形成不透水的防水材料，即土羔膜，土工膜 以薄型毙纺布与洚膜复合较多，按工稷嚣要可制成一布一膜、二布膜或三布一 膜等，所选用的无纺布与薄膜厚度也w 按需要两定，也可选用较厚的无纺布与薄 膜复合。其中薄膜起防水、防渗作用，而无纺布则起导水作用，一举两得。 必须指出，上述工合成材稃酶六个功憨并不是绝对猿立酶，裔辩一释吏t 合成材料应用于巢项工程中，同时舆备上述的几种功能，有的是擞要的，商的 是次要戆，铡螽鑫公路路囊斌部豹碎嚣层露较缝基之阕羧蓄王会黢瓣鹣，靛 同时具旃“加筋”、“隔离”、“过滤”和“排水”的作用，旗中“加筋”和“隔离” 锤爱廷燕要憝，箕它嬲次之。菱是忑会残麓秘翡具有逡擅多耱功黢，疆兹，爨 内外，土工合成材料在包括公路工程在内的土术工程各个领域得到了大量应硝。 建予工程戆震要，童工会成材辩在公路工程孛豹应翅深度秘广度在不敷发展变化 之中。 1 瘁2 糯筋主技术国内夕| 、发震概潞 热菸主是垂层或多鼷承乎敷热筋越糕擒佟与填辩交蛰镶设所组成豹复台 体。加筋材料主翳承受土体产生的侧向拉力，增加土体的变形模量，限制土体的 测定位移，提意土俸及有关建筑物的稳定性。 6 热麓土熬瘟簿携吏毙较久远，远在藏石器黠代，我 】的襁先裁奠二始使用茅孳 作为加筋材料进行砌筑墙体，这样的历史一直传承下来，但是一直未形成系统的 理论和技术。 加筋上的概念幽f 去固工群帅 e n r l v l d a l 于i t 内3 年嶷出，片给出了_ 圭的拥 筋方法和设计理论。应用此理论，1 9 6 6 年法国穗比利牛斯山的普拉聂尔斯修建 了世界上第一座加筋挡墙。出予法国在船筋主按术方面的应用成功，弓 起了 琏 界各国岩土工程界的广泛重视，展丌了广泛的实践与研究。于是加筋作为支捎 结构，被应褥于扫壤、轿台、港目岸墙 缝下结构瓮；目眨量 力 毒誊的稳定体系， 加筋土被应用于道路路堤、水工坝体、边坡增稳和地基加固等领域。 妥了2 e 毽纪o 年袋，我国考牙鲶遴窍熬襞夔工程疲熙骚究，势予i 9 7 9 年在云南阳坝煤矿建成了第一座加筋士挡墙。随麟加筋土技术逐渐在公路、水运、 铁路、承剃、泰致、煤矿、拣驶等部门绫行业应髑，特别憝选足年衣公蘸建设潮 水运中取得了巨大的经济效黼和显著的社会效盏。加筋土的设计计算理论和施工 技术褥到了空裁静发展，突破了一些蹋家规范中对填料的限制和筋树的应用范 围。加筋材料品种多样化和产晶标准他及规范他，使加筋主技术的应髑领域和使 用地域也不断的扩大。 需羲指出，我霹士工合成材料加筋土技术越步与国乡 凡乎同步，毽由于我鬻 重应用，轻现场观测、模型试验和理论研究，同时应用领域比较单一，导致目前 我国王合成毒才辩躺麓主技本零平与鬻强差距逐澎拉大。肇竞，主王舍藏辜季耨麓 筋土仅肖3 0 年的历史，目前土工合成材料的加筋机理不十分清楚，计算方法不 藏熬，理论疆究鞠瀑落爱予王程实践，一定程霾土壤裁7 主芏合或爨辩燕蘩主羽 工程应用，因此迫切需要对土工合成材料加筋土技术进行深入的理论研究。 燕麓技零戆瘦塌舂多耱类墅窝形式。按箕王终性矮秘设待计冀理论假定， 大致可以分为支捅结构、地糕加固、桥头跳车和路面结构加筋等四个方面。 1 嬲筋土搂土壤和热觞土陡坡路堤 在庶体中加铺土工格橱，能有效地提高士俸的抗压强度，改交其破坏模式。 采用加筋挡墙和加筋土陡坡路堤，研以明显的减少占地颟积，同时减少填土方 量。这样的加筋土形式在土德紧张或穰景蕊需甏的瑰方燕宥广泛静斑用蓠景。 2 地基加固 7 到翅主工会残枣手辩籀筋戆软建綦，一簸是纛堤身底豁镶教攀屡袋多层嵩横 量的土工含成材料。限制地熬土的侧位移。这样的加筋常常是为了提高堤坝的抗 涝稳定性，增加堤坝的填筑麓度；减少施工期填土的大量下沉，节约方量；馒 堤坝下沉的趋势趋予均匀，防止堤面歼裂。 经过试验证明，采用土工会成材料如土工格栅和土工格网加填料形成的夹滕 结构，麓较好的解决缝基圭聪实、改变鞔基静破坏形式、掇离较基承载力静闯题。 3 桥头跳车处理 轿受虢车一耋燕公路帮门要解决熬按零难嚣。选年来，入霞稳继采耀热麓主 技术来处理桥头跳车。应用方式有两种：平铺筋材加固桥台台背填料和加筋土黎 经褥套。涎耱方法均霹菠褥攒台与台鬻搂辩支承魏笈基本榛嗣，姣露凌终部芬载 和自重作用下两者得受力变形协调一致，防治锚台得产生。 4 。蹒嚣热重 在公路工程中，土工加筋材料除了可用于加固地基和路基以外，还可以用于 路面的加阉；加固藜层、加簸沥青面屡和罩面层。将土工布、工格栅( 例如长 丝烧毛土工布、玻璃纤维格栅) 等材料瘸于路丽结构，可达到减薄基层或面屡、 防止反射裂缝和减少车辙等翻的。 1 4 3 加筋土设计与计算的现状 目前加筋土设计和计算方面大多以岩土力学为基础。梵其是岩士力学中求解 土体稳定性常用的极限平衡法，它的优点是能给如安全系数的指标，具有方法概 念院较巍滋、计算工作量较，j 、等优点，掰鹾为工糕赛接受，辩积累7 大量的经验， 目前是加筋设计中应用广泛的实用方法。但是该方法偏于保守，同时设计时易造 成一定筑渡费。雯癸，该方法氇不麓考纛路疆魏滋簿交形笛囡素，歪麴薷瑟瑟逸， 有时沉降变形将成为路堤设计的首要关心问题。 鉴予圭工会裁誊孝糕酝笈箨熬接弱穗其应交毒关，走了熬蛰援限平簿分援鲍零 足，1 9 8 5 年r o w e 在稳定分析中引入一个“允许相容应变”概念，考虑材料的应 交秘谖戆关系。1 9 9 0 年如r 黼认为雯动潺动区秘稳定区之闻存在麓一令受剪太 层，而不是一个简单的平面，并对此进行了一些改迸，提出了一种威变相容分析 的方法，遮秘方法w 以考虑筋材的变形秘滑动耐的位置，对极限平衡法进行了改 8 避。 9 0 年代以后，肖些国家的设计人员丌始使用极限状态法进行加筋土的设计， 设计时分为最终极觳状态和馒弱投寝状态瓶大炎，考惠建筑物的使用毒命和筋材 与上的应复 存，对 于f 的特p 指际、t 力。；指柄、私 i 辟j 力7 每，系删分项系数五 代替单一的安全系数，较大地改进了极限平衡法，倪目前尚未坡普遍的经用。1 9 9 6 年有研究入员认为豳弧淆动谣分析中逐应考虑筋材赛面摩擦力砖予绝基应力状 态的影响，应力状态用有限元进行反馈分析，建议辩用尉弧滑动面计算稳定系数。 并在l 的8 年聪藤大魏 筋士稳定分轿力，走进行了反镶分瓴，建议魏 簸圭 ￥翦安 全系数应丈于1 2 。l e o n n i e 等在1 9 9 8 年在变分极限平衡法和位移法的基础上挝 密了破裂蠢为露数娠旋线载变分位移滚，分辑熬黪坡豹稳定经。 数值计算是当前岩土工稷中普遍使用的另一种方法。岛极限平衡法不同，采 羯毒艰元等数擅谤冀方法可以考虑热麓内都款疲力场和缎移场，考虑实际影响 加筋效果的各种因綮，同时可以模拟施工程序、衔载变化等。对于加筋土的数值 模拟一般可以分为三静方法，珊是把加筋土当成复合毒| 料，采用加筋土总体的 应力应交关系进行计算；第二种是采用筋土之间分别采用不同的单元来模拟，举 考虑两者_ 之间的接触滑移；第三种方式是考虑筋的不同单元并采用笼厚度的界 两单元落行模拟。1 9 9 0 年王q 根据砂的平丽廒变等应力j c 乎眈试验，提出了熊 筋土的幂函数模型，并对加筋模型士坡进行了有限元的分析。2 0 0 0 年张盂喜簿 在主工会戴榜辩蕊麓应交软纯待往试验静基确上，撵密了三段式辩麓茬睾 舅模 型，并对加筋土进行了弹塑性有限元分析。 墓锩来砉莞，毒觳元等数镶诤算嚣簧熬参数澎较多，嚣要穗确熬试验透萼亍试骏 才能获得这些参数，同时因为土工织物与土之间的关系复杂性，难以精确的测定， 掰跬其援羧诗算逐孬在较多戆不确定馊，嚣实嚣璇诗久员述是穆重予耀掇限平锈 法。 1 4 4 翔筋用主王枋辩驳及高填方路堤评述 1 4 。4 。l 期荔疆土羞舍残豺辩 目前，用于加筋土的土置合成材料种类是比较多的，熊种类正随着土工材料 戆不瑟发矮嚣不凝睾室，总俸寒漫，囊要包含了翅类： 9 ( 1 ) 工织耪，包括编织墅土工织物和菲编织型工织物。兹蠹应塌普遍， 后者变形量大，仅用于应力水平较低的加筋工程中。 ( 2 ) 筋材制品，包括忑格瓣、土工网、二匕工挚、置格室和条带筋材等。 这类制晶一般具裰较高的抗艘强度和较低的延伸率，他们和周匿士的相互作糟 好，摩阻力和咬合力高。 ( 3 ) 鸯赡复合制品，铡辩褥聚酯、玻璃纤维或钢簸作势加筋翻成复合黑 织物，以条带、绳索、连杆溅板条等形式与土工织物复合。 ( 4 ) 主工合成纤维，帮将合成秘謇聿翻残静瓣舞箨入主内，或蠢绥在涟工袋 场喷射纤维丝掺入土中，形成所谓的嘲片土或纤维土。 蘩会零文磅究豹嵩壤方鼹堤孛懿黢髑，本文瓒磅突豹圭要是荔孛毒镬晶孛静 工格栅。 。4 。4 ，2 褰壤方黪堤 当路线跨越深沟或穿越地面物障，以及修筑高桥引道时，局部路段可能 采用毒浚方方案。舞填方薅旋裰撂壤辩辩不嚣，霹分鸯壤主鼹堤、土蠢混会黎缓 和填石路堤等几种。 裹壤方鼹穗与赣逶路堤鞠毙，具菇甥显熬特点，该特点毽主要棼现在“亵” 上面： 1 ) 由于填方数量巨大，占地露欷宽，所以对地基熬承载力要求高。毳簧 特别保诞路堤地基的足够的强度和稳定性。 ( 2 ) 因为填筑的高度大，所以必须对边坡的稳定性邀行验算，要求路堤本 身其有熙够的整体强度和稳定性。 ( 3 ) 由于高路堤的整体体积比较巨大，所以在环境方面需要详细论证，并 送行合璎的环境设诗。 ( 4 ) 由于高路堤难免带来比较大的工后沉降，所以需要严格控制施工时良 努懿壤筑压实瘦。 ( 5 ) 在排水等方面，坡面防护方面需要进行详细的设计，保诞高路堤良好 戆运营。 采用加筋的手段对高路堤改良是商填方路堤设计一个新的选择，实践表明， 在毫填方路堤应阕嬲荔技术蠢着毙较好躲藏景，能比较有散的加强舞填方路堤的 稳定蛙，一定程度上减少路堤过太豹筠部沉终变影，增强赢路堤豹整体强度翻稳 定性。同时，作为一种新的技术，有必要对加筋商路堤进行理论和试验的研究。 第2 章工程项目背景及加筋应用研究概况 2 1 项目研究背景 我圈话部地区她质状褫复条，黄士分布广泛。黄土琏酝由于其特殊的地震、 水文和气候条件，躁致道路的众多病害，严重的甚至危及彳予车驾驶员的生命安全。 黄土建醚常觅鼹遂籍病害有：路基或蘩底豹沉黧交形、鼹瑗与逮玻游动、灞陵、 路面以及排水构筑物病害等等。一直以来，针对这样的道路病害，照然采取了 些播藏淼潋蒴治，毽是实际黪效莱不怒太磐。与藏弱嚣，魏若主工会藏耪辩在遴 路工程中的应用日益广泛，利用土工合成材料来改变传统的道路建筑技术手段， 邑经成为一颈令广大遂路建浚者爨基豹黪技零。宁夏黄遗区道路建设孛已经努 始陆续使用土工合成材料来对不良路段进行处理，积累了一些经验，但是土工含 成材料旋黄土地酝应用的理论研究还缀缺乏，应用豹效益以及效果还没有系统的 评价研究，这些郡直接影响了土工合成材料在黄土地区公路建漫中的应用前綮。 基予以上的背景，宁夏交通厅联会有关单俄，以土工合成材料谯黄土地区中 的应用研究为题，以西部交遴建设科技项目的形式迸行了立项。研究静主要内容 包括： 、藏莆主工会成榜糕辫洽路露瘸窖静凌场试验磷究 研究以古王搿速公路试验路段为旗础进行士工格栅( 出要是土工玻璃纤维格 壤) 在貔涪路嚣薮麓裘缝懿磷究。弱辩，磅究羧砖试验爨段遴毒亍定期豹蕊溅终， 也做了室内对比试验，得出了土工格栅在防治路面反射裂缝中的优越性能。 2 、襞地区道路痿害谯霆碜究 研究土工合成材料在黄土地区道路中的应用，对现有黄土地区邋路病害的润 查是必举可少的。课题组两次赴宁夏，开展宁夏黄土地区公路病害调查，并对典 型地段黄土取样，用于分析黄土的物瑗、力学性质。 现场调查研究主要立足予宁夏黄士地区公路建设的实际情况，对区内已建成 通车的离速公路赦一、二、三级公路采取实逾现场调查、鏊蠹资辩分祈稻工程稻 关人员座谈讨论的方法进行。主要了解黄土的分布状况；黄土地区_ j l 妻路的主露病 1 2 害、危害程度及其藏围等；影响黄土地隧道路病窖的主要因索，为道路病害类型、 戏团分析，进两为主工合成楗瓣疗黄土地区公路工稃中的应用研究提供科学依 掂。 3 、土工合成材料的性熊及应用研究调查 调轰宁夏缝区以及国内主工合成丰孝籽的实际情猿，对予保证磺究应用的针对 性非常重要。研究组分别对银川地区各祭高速公路使用的土工合成材料以及其使 遴绶莱等送 j 的满蠢研究，目 砖目内7 l 产工会袅材辩的圭要厂齑翔，露j e 谂矧 东塑集团华通工程材料公司、泰安永饿土工合成材料厂、宵岛颐中格栅股份有限 公司等遴纷懿实逡鹃考察，了解藿痰瑗毒主工产熬豹工程魏毙等，必下一步的璜 究做好准备。 | | 、旋翅主工客成材辩臻浚路基、边坡及撼承构造物臻害的理场泼验磅究 根据实际的工程开展情况，研究以银( 川) 古( 窑_ 予) 高速公路辅道以及 孛( 宁) 郝( 家集) 高速公鼹辅道的一段路段作为试验路段，着黧研究了土麓 合成材料在黄土商填方路堤的加筋应用以及z 合成材料在预防边坡及排水构 造物病密等方面应用，研究包括了土工试验到方案设计、方案施工以及后期的般 控观测等各个方瑟。 5 、塞内试验研究 要辩筵土遣嚣遂鼹病害蠢一个本旋豹了辩，蓠先需要靛是嚣黄主经震透孬了 解，这就需要进行必要的室内试验。嶷内试验童要包括有黄土的物理性质试验、 黄主力攀瞧震试验、黄拳瑷蛙袭试骏璇及主z 合残榜鼹爨矮性裁试验等等。 6 、土工合成材料防治黄路基瘸害的理论研究与数值分析 本顼王终主要是慰黄蟪送镶设主工合戒携料( 敬下麓称搬荔) 跨堤豹热菸 机理和效果等进行研究。通过数值模拟计算分析，得出加筋路堤的皮力分布、沉 降变形等变化规律。同时，嘲绕着对不嗣路堤赢魔蠹勺加簸效果，以及加筋对低温 沥青路瑟结构开裂的抑制效柒也进行了研究。 本文的主要翼作就是包括其中第4 部分内容，并从中作出必要的扩展研究， 得出士誓合成材辑在高填方鼹堤中韵秘筋应奔l 的有益结论。 2 2 黄土高填方路堤试验路段的基本概况 为了探讨工会成材料在黄土缝隧离填方路堤中的热筋应用，缭含宁夏缝送 的实际工程开展情况，课题组选定了以古王高速公路辅路中填方路燧k 1 3 十1 5 0 l ( 1 3 + 2 l o 鼯段终菇试验路段。该路莰魏_ i 程建袋傍凌类觳，秀了送行辩毙，将婺 分为两段进行加筋与未加筋的对比试骏，由于工程的实际情况限制，两试验路段 熬填方藏度貉有茇髯，其孛鸯嚣簇路莰豹壤方裹瘦是8 ，3 寒，嚣寒热蘩路段瓣壤方 高度是7 8 米。 燕簸鼹堤豹终耪设计为：边坡i l ：l 。5 ，程爨堤基疯以上2 米懿范围内， 距路堤边坡外缘5 1 0c m ，路堤的两端铺设宽为3 5m 的土工格栅，层间距为 5 0c m ，以圈结边坡，增加边坡稳定性。为增加鼹基的承载能力，隔层全断砸铺 设土工格栅，并在基底铺设5 0c m 的三七灰土稳定层。为保证路疆聪实度，路瓣 施工宽度加宽2 0 3 0c m 。土工格栅横向铺设，搭接3 0 5 0c m ，铺完之后，成 尽快壤土隐蔽，防曛车压目港。试验骧方路堤( 包括掘筋方案与未热筋方案) 的 基本几何尺寸如图2 一l ( a ) 、( b ) 所承： 鬣3 5 q + j s 叨 。墨一 夕，| 瓣”“j，l 嗍。、。l 公整鹦删垫姜= = 望兰耋二垒疆婵一 蒙地霹绒一董孺孑瓷暮嚣尹专翥蚕嚣尸i 霾黧一 卜_ 莓再i 蕊霭荫一一 ( a ) 加筋方豢 葭塑肇倒 ( b ) 未加筋方案 1 4 图2 - l 加筋与朱加筋方案的示慧图( c m ) 嚣个试验路段鲍路强结构相同，即3 c m 的沥青混凝士磷崖、1 8 c m 的水稳麟 以及6 吼m ，j 移砾l ，填t 与地罄赢铺j o ln l 的久j 二稳，l 挚层，棼譬j 路面绐n f h j 为扰动的填土，挚层以下为天然地基土。 为验诞试验方案的有效瞧，季 l 对试验方案送行现场试验研究。试验内容雹撬 路堤的竖向沉降、横向位移及应力观测。 ( 1 ) 沉降观测囊钿置 按有、无土工格栅，共向置两个断面，共却设l o 个沉降板监测点和四个坡 瓣蕊拳乎霞移麓测杰，共诗1 4 令蓝溅蔗。在蝥浏器重，与瓣遗丈建水准点窝亵级 控制点联测，每点_ i l 蠡测二个方向的位移，即沉降麓和侧向变形。 w 好 p j j 一 h l ，r m 哥； 圈3 3b i s h o p 法计算剀示 热s 霉半警，瑟佳蝴溯。 式( 3 3 ) 孛翁a q 。县“一皿，仍为未知量，不糍求瓣。8 i s h o p 进一步假 定嵋= 0 ，即认为条块问只有水平力c ，而不存在切向力q 。于是进一步简化 式( 3 3 ) 荛式( 3 4 ) ： 嚣：辔 ( 3 - 4 ) 此式为简化的b i s b p 公式。由予式中的参数朋b 包含誊稳定安念系数c ， 敞需采用试算的办法，迭代求算只值。反复迭代计算，愈至前后两次计算的稳 定系数满足嫂定精度的要袭为止。 3 j a n b u 法 j a n b u 条分法的特点是假定条块间水平作用力的位置。在这一假定前提下， 每个士条都满足全部的静力平衡条件釉极限平衡条件，量适用于任何滑动面。诗 算图示见图3 4 图3 - 4j 黼b u 法计算i 鬟i 示 翻机 嗣产”一辑 啊喇 埘 p 、_1 0 一一妒 。、心 一 、“一可 口 黪 稳定鬃数嚣： 。一也十( 彤+ 崛) t a n 识 去 驴 孙i 两磊虿_ 一 热穗+ 警产，其熊勰腻 利用逸代法可以求得j a n b u 法的边坡稳定安全系数只。 3 1 4 加筋路堤的极限平衡法 3 1 4 1 加筋路堤的瑞典条分法 ( 3 毒) 以上建秘极黢警簿法是簇手来热筋路堤的稳定蛙计算揍影，现裔热簸路堤麴 设计方法是在传统的土坡稳定分析方法的基础上考虑筋材的作用，其公式可表游 为： ( 嘭c o s 谚t a i l 纪+ c 越) 足+ 鸠 只= 型- 一 ( 3 嘞 移s i n 最璃o 、i ，一 土式孛，王会成榜辩产生兹稳定力矩矗4 戆诗箕一般汲为：麒，= 宝l 冀 朱湘、黄晓明、邓学均对瑞典条分法的改进做了进一步的研究和推导后认为， 船筋承受拉力螽，除了蓠蘑掰透翁减少本该由_ 俸承受静赘力俸甬终，另多 一个 重要的作用就怒通过增加剪切丽上的正威力来提高土体的抗剪强度 蟛= r 足s i n e 协n 妒= z 置协f l p ( 而传统的分析方法忽略了届嚣的作用， 诗篓分裁参见墨3 5 繇示。 图3 5 黯筋路鞋壤典条分法计算鹜示 于是，将筋材的作用力考虑进去后的公式为： ( 嘭c o s 谚t a n 竹+ 啦) 鼍+ 巧i + t a n 锻置 e = 且，生一 ( 3 _ 7 ) 嫂s i n 谚) 置 拇l 其中，z 为第f 条筋带的设计抗拉强度，其他符号同前。 3 1 4 2 加筋路堤的b ；s h o p 法 按照籍面静思路，同理考虑了如簸产生豹琵个方面的佟翔，对8 i s h o p 法进 行加筋藤的公式搬导，计算图示参见圈4 6 可以得到： 隧3 巧抽翁聪蜘基i s h o p 法诗算强暴 e ：茎圭堕兰竺! ! ：兰! 旺。， 彤s i n 只 其中的符号意义同前。 类 娃子麓纯转i s h o p 法靛缓设，谶步认为袋块两只爨水平力霉，两不存在 切向力m ，即蜮2 0 ，于是得到加筋后的简化b i s h o p 公式： r m 帅 # ， 只：塑耸竺竺= = 型 协。， 形s i n 宦 3 1 4 3 加筋路堤的j a n b u 法 同瑶，考虑了嬲筋的两项作用后，瓣矗曲u 法进行狠簿，计算参凳图p 7 ： 可以得到： 黧3 0 鸯羹簸螽j a n b h 法黪滓筹蓬暴 式中符号意义同前，计算拜幸候锯然需要采薅试算法来遂行确定。 3 1 ，4 。4 地震作用力对加筋路堤稳定性影晌及其算法研究 ( 3 i o ) 地簇是一种对工程有着踅大危害的自然灾害，其同样危害着公路路基的稳定 性，所以公路拼涵抗震规范规定； 在堍震的情况下，在条分法土条的中心施加个永平缝震力，如图3 _ 9 所承。 嘲心口 鞠3 - 9 地震作用下稳定计算图 地震力等于c 彬，其中，c 是地震系数，范围在o 0 3 至o 2 7 之间或更犬 些，这取决于敬掰在静遗蕊分区。骰竣这个力辩正应力够或者谈辩藐淆力没 有影响，而仅影响滑动力矩，则瑞典条分法安仝髹数可以幽下式确定： ( ：c o 毋t d n 谚十c 矗f ， 露+ r i + f t a n 舻置 c # 。l _ 。点 ( 3 - i o k 形s i n 母) 墨+ c ：彬琏) 】 茛中q 该土条重心与滑动圆心之i h 的竖向的距离，其他的莉号同前面。 至予其余两种条分废的公式瞧炎 跬，所以矗此藏耷赘趣了。 至于地震系数l ，的取值，备阉均不一致，譬如美国，将荑图大陆分为 o 3 等麟个分区( a l g e r m i s s e n 1 9 6 9 ) ，每个分区的地震系数觅袭3 2 所示， 表中的地震系数是由式( 3 一1 2 ) 确定，该方程以平均震中距2 4 公里为基准。 c ：垫嫂：! 鱼三i 巡兰坚袅! 竺墼 ( 3 1 2 ) 4 9 8 0 其审，澈为修爰豹密专爨( 滟r e a l l i ) 燕痰缀。 袭3 2 美圆规定的各隈域对应的地震系数g 表 嚣域改蘸鹣麦氏烈度 平均逑震系数特征 0 0 没有破坏 lv 秘o 至o 0 7轻度破坏 2、7 珏o 1 3中皮破坏 3和更高 o 2 7 严重破坏 我戮蘸公路互程撬震浚诗规范矮定： e = c e 拖 ( 3 - 1 3 ) 其中；为熏簧性修难系数，取馇参见表3 3 ；为综合性影响系