（安全技术及工程专业论文）旧路拓宽加筋路堤稳定安全研究及沉降计算.pdf

中南大学硕士学位论文 a b s t r a ( 了r i nr e c e n t y e a r s , w i t h t h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a l e c o n o m y ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h eh i g hg r a d eh i g h w a yi sp u s h i n gf o r w a r d f o r w a r dw i t hf a s ts p e e d ，a tt h es a m et i m et h et r a f f i cv o l u m eo ft h eh i g h g r a d eh i g h w a yi nt h ew h o l ec o u n t r yo f9 0 si nt w e n t yc e n t u r i e s a t t a i n st h e s a t u r a t e da p p e a r a n c e ，s ow es h o u l dw i d e nt h er e f o r m a t i o n t h e g e o g r i d u s e di nt h es l o p eo ft h eh i g hg r a d eh i g h w a yi sg e a i n gm o r ea n dm o r e , s o t h er e s e a r c ho f s l o p es t a b i l i t y a n dt h e s y s t e m o fs t r u c t u r eo f g e o s y n t h e t i c - r e i n f o r c e d s o i lh a s v e r y 。i m p o r t a n tm e a n i n g b e c a u s et h e s p e c i a l o ft h em a t e r i a la n di tw i t hc o m p l e x i t yo ft h es o i li n t e r a c t i o n m e c h a n i s m ，m a n yf u n c t i o nm e c h a n i s mn e e d st og e tt ok n o w ，t h ea n a l y z i n g c a l c u l a t i o nm e t h o dn e e d st oi m p r o v e t h i st h e s i sw i l lm a k eu s eo ft h es o i lm e c h a n i c sa n dt h e o r i e so f e l a s t o - p l a s t i c i t y , a i m i n g a tt h es o f ts o i lf o u n d a t i o nu pa f t e ro l dr o a d w i d e n ，t h ea s y m m e t r ya p p e a rs i n k st od e c l i n eb e t w e e nt h en e wr o a d b e da n d t h eo l d w l o s es t r e n g t hi s n o te n o u g hb u tc a u s et of a c et ot r a n s f o r m , c r a c k a n a l y z i n gt h e r e i n f o r c em e c h a n i s mt h a tt h em a t e r i a li no l dr o a dw i d e n s t r u c t u r ef r o ms l o p es t a b i l i t ya n dd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t m o r e o v e r , t h i sp a p e r i sb a c k g r o u n dw i t he n g i n e e r i n ge x a m p l e ，a n d m a k eu s eo ft h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o da n dl a r g e g e n e r a lp u r p o s ef m i t e p m g r a m e a 1 4 s y s t oc a r r yo nt h es t a b i l i t ya n a l y s i sa n di t sv e f i y t ya n a l y s i s n ed e e p u n d e r s t a n d i n g o ft h e g e o g r i d s r e i n f o r c ef u n c t i o nt ot h e s i d e s l o p ei nt h er o a d w i l lg e tt o b yt h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to f c a l c u l a t i o no ft h e g e o g r i dr e i n f o r c e st h es i d e s l o p e k e yw o r d s ：g e o s y n t h e t i c s ，w i d e n i n go fo l dr o a d ，l i m i te q u i l i b r i u m , a n s y s ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s e t t l e m e n tc a l c u l a t e i i 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 公路路堤的稳定性分析和加固技术研究意义与目的 公路路堤的稳定性分析和加固、治理研究是公路工程中一个普遍的技术问 题。由于以往公路等级低、车速慢，这个问题在工程中未得到充分的认识和注意。 随着我国经济的飞速发展，公路建设步伐的加快，公路等级的不断提高，高填深 挖已经不可避免，在复杂地形软弱地基修建高等级公路的情况日益增多，一些低 等级公路有待或急需改建、扩建。因此，公路路堤的稳定性分析和加固、治理研 究显得非常必要。 在软土地基上修筑高速公路路堤，最突出的问题是稳定和沉降。将土工材料 作用于软土地基，使上部填土的抗剪能力得以充分发挥，从而提高了承载力、增强 了稳定性。同时能防止填料的局部下陷，最大程度的减小地基的不均匀沉降。，土 工合成材料是一种新型优质高性能的工程材料，土工合成材料这一新技术的引进 已有多年，特别是近年来土工格栅在我国发展很快，广泛应用于公路建设中边坡 坡面防护和加筋土挡墙，在路堤边坡中的应用也越来越多，并取得了十分显著的 效果m “”对加筋体系的结构研究具有相当重要的意义。土工合成材料在工程 界已引起了众多的关注但要进一步推广，有许多基础工作要做土工加筋技术 毕竟还很年轻，许多作用机理有待揭示，分析计算方法尚待改进这导致对土工 格栅加筋设计计算理论的研究仍远远落后于工程实际应用工程使用尚缺乏必要 的理论依据和指导，理论研究与实践应用严重脱节，这一现象已经严重阻碍了土 工格栅加筋土的发展鉴于此，本文的选题具有较大的理论和实际意义 1 2 国内外相关研究和应用概况 1 2 1 旧路加宽结构概述 在我国公路交通事业发展中存在着一个将大量已有的低等级公路改建成高级 公路的艰巨任务，这种改建中的一项基本内容就是旧路的加宽如国内典型的有 沈大高速公路改建、广佛高速公路加宽工程等这些旧路加宽改造对提高既有 道路等级和改善路网结构具有较高的技术经济价值。在旧路加宽改造工程的方案 设计时需进行多方案的比选，同时必须综合分析各方案的地基沉降，路基稳定性、 路基静载压缩变形、以及路基土行车荷载作用塑性累计变形等造成的路基表面的 中南大学硕士学位论文第一章绪论 不均匀变形，以便采取可靠而有效的综合处治方案。在旧路改建中，拓宽后路基 质量问题，很大程度上决定着改建后公路的使用寿命在加宽道路开放交通后的 一段时间内，新旧路基及其下的软土地基由于固结程度不同，会造成新旧路基问 产生不均匀沉降，新加宽部分的路基就会因下沉或滑移，在新旧路面结合处形成 裂缝，甚至造成道路的破坏，影响改建后道路的正常使用。 路基加宽可采用双边对称加宽、单边加宽或不规则加宽，采用双边加宽时新 老路基的中心线相重合，这种方法的唯一优点就是道路加宽后路面仍然保持在经 车辆压实的基层上，但有个最大的缺点是很难保证新老路基土之间的整体性和紧 密结合，特别是对于高路堤，而且加宽值又不大，很容易引起路堤的滑坡。采用 单边加宽时新老路基的中心线不重合，这种方法的缺点是一部分新路基落在新填 士上，它的强度难以保证与旧路基相同。但这种方法拓宽路基的施工比较容易， 而且能保证质量。但无论采用何种路基加宽方法，都要保证新旧路基能很好的结 合，使新旧路基沉降均匀如结合不好，路基的新填部分就有可能产生下沉或滑 移，导致路面变形或开裂。就工程实践而言，在沈大高速公路改建的路基加宽 工程中，由于大部分路段位于软土地基上，在路堤设计与施工中，发现旧路基下 的软土地基己发生了一定的沉降，部分路段的工后沉降甚至己经完成，而新建路 堤的工后沉降尚未发生，两者的沉降速率明显不同，这就意味着通车后短期内新 老路基要产生不均匀沉降，因此，在工程中重点根据软土地基上路基加宽所出现 的不均匀沉降和路面裂缝等问题，从控制软土地基沉降入手，重点进行了软士地 基和新旧路基结合部位的处理，提出比较合理的路基加宽方案 又如广佛高速公路扩建，是国内首条进行加宽扩建的高速公路，在加宽时， 针对加宽工程碰到的首要难关之一，即新旧路基的不均匀沉降和路基稳定性问题 进行探讨，提出了合理的路基加宽结构方案，如采用粉喷桩处理新加宽部分的地 基以减小地基的沉降和不均匀沉降，同时还提出了新老路基衔接措施，如在结合 部位采用挖台阶的形式加强新旧路基的整体结合性和稳定性等总的说来，随着 道路加宽改建工程的逐步实施，很多专家和学者对其进行了研究，得到的成果主 要有以下几个方面： ( 1 ) 软土地基上路基加宽必须减小新旧路基的不均匀沉降差，可采用改变 路基下软土性质的方法，即进行软土地基处理o ； ( 2 ) 如进行软土地基处理，要尽可能的布置在新修路基下方，以减小新修 路基下软土地基的沉降和不均匀沉降： ( 3 ) 软土地基上旧路加宽改造中使用土工合成材料，可以有效降低路基中 的土压力，减小新老路基之间的不协调变形，明显降低软土地基的沉降和新旧路 基的不均匀沉降。差异沉降越大，加筋效果越明显。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 新旧路基结合部位的处理，以加强新旧路基间的结构联系，使两者结 合为一个整体，保证新1 日路基的同步沉降。 但是，目前关于这方面的研究还比较少，没有形成完善的理论，实用措施也 不够丰富，有必要加强相关的理论研究。 1 2 2 路堤稳定性相关研究概况 一 路堤稳定性研究属于边坡稳定性研究的范畴。边坡稳定性问题是岩士工程 研究的重要内容之一，其出现和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科的迅 速发展紧密相关。边坡的稳定性研究大致经历了三个阶段“： ( 1 ) 上世纪初至5 0 年代，边坡稳定性评价几乎完全属于土力学范畴在研 究初期，基本上采用了以材料力学和简单的均质弹性理论为基础的土力学的原理 和方法在这个时期，边坡稳定性的计算分析方法，其半经验半理论性质及假定 滑动面具有某一固定位置和形状为其显著特点。 。 ( 2 ) 6 0 年代至7 0 年代，边坡稳定性研究理论和方法有了较大的发展。6 0 年 代初期意大利瓦依昂岸坡失事，在工程地质和岩土工程学界引起很大震动，人佩，二4 开始意识到边坡失稳破坏是累进性变形破坏过程，有着明显的时间效应，对边坡 研究必须将地质分析和力学机制紧密结合起来边坡稳定性研究进入力学机制和 内部作用研究阶段 ；爹t ( 3 ) 8 0 年代以来，边坡稳定性研究的理论和方法更加成熟，可以利用计算 机或半定量地模拟边坡开挖至破坏的全过程。一些新理论、新方法土工合成材 料用在旧路加宽工程中，主要是利用其加筋功能，可分散荷载，增大土体的刚度 模量，从而达到改善土体的目的。2 0 世纪3 0 年代，美国首次利用棉织品加固路 基土世界上一些国家将土工合成材料真正用于岩土工程中是从2 0 世纪5 0 年代 开始的。5 0 年代后期至6 0 年代期间，有纺土工布和无纺土工布得到了广泛应用。 土工织物在中国岩土工程中的应用始于2 0 世纪7 0 年代末期。开始主要用 聚丙烯编织布，用于水利工程中。8 0 年代开始从国外引进了许多生产设备和技 术资料，推动了我国土工织物的生产和应用。进入9 0 年代，土工合成材料所具 有的功能以及在工程中的实际应用效果，引起全国各行各业的极大兴趣近年来 土工合成材料开始在一些大型工程、重点工程中得以应用，并取得较好的经济效 益和社会效益 1 2 3 土工合成材料在公路工程中的应用概况 近些年来，土工合成材料在公路工程的应用越来越广泛，随着旧路加宽工程 的增多，土工合成材料在这方面的应用也越来越多 i 1 1 土工合成材料用在旧路 加宽工程当中，主要是利用其加筋功能，利用土工合成材料的高强度、韧性等力 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 学性能，可分散荷载，增大土体的刚度模量，改善土体或作为加筋土以及各种复 合土工结构 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，它以人工合成的聚合物，如塑料、 化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层士 体之间，以发挥加强或保护土体的作用。土工合成材料( g e o s y n t h e t i c s ) 可分 为土工织物( g e o t e x t i l e ) 、土工膜( g e o m e m b r a n e ) 、特种土工合成材料和复 合型土工合成材料等类型，目前已广泛应用于水利、水电、公路、铁路、建筑、 海港、采矿、军工等各个工程领域 t 土工合成材料加固软基的应用原理可以追溯到久远年代，芦苇、木材、稻草、 竹子等天然纤维自古以来就在土工中得到应用，在许多古建筑中发挥了加固和稳 定土的作用。 到2 0 世纪3 0 年代，美国首次利用棉织品加固路基土。在第二次世界大战中， 英国曾在路基上铺放梢辊和帆布，以便装甲车通过在水利工程上，荷兰曾与海 洋进行了长期的斗争，大量利用柳枝、梢料加固堤坝，防止冲刷。随着高分子 化学工业的迅速发展，不断开发生产合成纤维新型材料，并将其逐渐应用于岩土 工程中。世界上一些国家将合成纤维材料真正应用于岩土工程中是从2 0 世纪5 0 年代末开始的。美国佛罗里达州大西洋海岸防护工程中，利用聚氯乙烯有纺织物 置于土与石块之问，作为海岸防冲刷措施。经过2 7 年后观察，其状态仍然良好 1 9 5 8 年前联邦德国采用合成纤维制成有纺织物砂袋，修筑防波堤。1 9 6 0 年荷兰 采用尼龙有纺织物充砂垫层，防止海岸冲刷。1 9 6 2 年美国杜邦公司开发纺粘法 长纤维无纺布，以取代短纤维无纺布，从此欧洲各国都已纺粘法生产长纤维无纺 布，并应用于道路、护岸等工程中。1 9 6 3 年土工织物正式应用于日本国营铁道 的土建工程中1 9 6 8 年法国将针刺无纺布应用于道路工程，英国将热粘无纺布 应用于道路工程前联邦德国将短纤维制成的针刺无纺布用于渠道岸边防护工 程 总之，从5 0 年代后期开始至6 0 年代期间，有纺士工织物和无纺士工织物在 岩土工程中得到了广泛的应用。6 0 年代中期，英国的i c i 公司，法国的罗纳朗 克公司生产的无纺布成功地在土木工程中应用，推动了土工织物的发展7 0 年 代由于纺粘法无纺布的大量生产，使土工织物的应用有了新的发展。土工材料在 中国岩土工程中的应用始子2 0 世纪7 0 年代末期，与世界先进国家相比落后十几 年。开始主要是采用聚丙烯编织布，主要应用于水利工程中8 0 年代开始从国 外引进了许多生产设备和技术资料，推动了我国土工织物的生产与应用。1 9 8 1 年铁路部门采用美国、英国的无纺织物，首先用于路基垫层，解决路基翻浆冒泥 问题。8 0 年代中后期是我国土工织物生产、应用发展最为迅速的阶段，产品的 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 品种，数量、质量方面有很大的发展，其应用的数量、范围、技术水平等方面发 展也很快。进入9 0 年代以来，由于土工织物所具有的功能和特性以及在工程中 的实际应用效果，引起全国各行各业的极大兴趣水电、铁路、交通、海港、建 筑、冶金、公路等部门、科研单位、大专院校都投入了开发和研究，并在多项工 程中以不同的目的应用了土工织物，取得了显著的经济效益。随着理论研究的深 入，测试技木、设计水平、施工方法的不断提高，土工织物开始在一些大型工程、 重点工程中得以应用，并获得较好的经济效益和社会效益。尽管如此，土工合成 材料应用的理论发展却远远落后于其工程实践，在工程运用中大都是参照类似的 工程经验加以仿效，严谨的科学依据尚不多见而实际工程中，又不可能两项工 程的实际情况是完全相同的，因而工程设计不是浪费就是过于保守，对工程的安 全程度根本无法进行较客观的预测交通行业现行的公路加筋土工程设计和施 工规范在指导实际的设计和施工方面还有很大的局限性，必然大大限制了土 工合成材料在土木工程中的应用因土工合成材料与土之间的相互作用较为复 杂，己有文献对它的研究主要源于土工合成材料与土相互作用的研究。 近年来，国内进行了应用研究工作，在士建工程中己经显示了广阔的工程应： 用前景采用土工合成材料处理软土地基的路堤修筑技术问题己经得到许多科技 工作者的重视，但为了土工合成材料的正确应用，迫切需要提出合理的设计、计， 算方法以解诀应用中出现的问题利用合成材料加固铁路和公路的路基或路面，j 在理论和实践方面都进展很快，尤其在动荷载情况下，利用土工织物防止泵吸现 象( p u m p i n g ) 的研究，引起很多专家的重视通过分析和实践，证明较厚的针 刺型无纺织物对于防止或减轻泵吸现象，效果是明显的驽 加筋土的分析研究工作近期正在逐步深入，在某些书刊上，也曾发表了一些 其它的分析方法总之，加筋土的机理的研究有待进一步提高，设计方法有待进 一步完善和统一 1 3 边坡稳定与沉降计算经典理论 1 3 1 边坡稳定性计算经典极限平衡法理论 目前判别边坡的稳定性时，广泛应用的是极限平衡法 采用极限平衡法分析边坡的稳定性，要首先确定潜在的滑动模式，然后利用 力学平衡原理分析边坡各种破坏模式的受力状态，采用抗滑力与下滑力之间的关 系来评价边坡的稳定性 1 3 1 1 一般条分法柳 一般条分法适用于圆弧形滑裂面，它假定不考虑土条两侧的作用力，安全系 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 数定义为每一土条在滑裂面上所能提供的抗滑力矩之际和与外荷载及滑动土体 在滑裂面上所产生的滑动力矩和之比 其计算原理见图1 一l ，i 为一均质土坡中任一土条，土条高为h i ，宽为b i ， 、i 为其本身的自重；p i 及p l + 1 为作用于土条两侧的条间力合力，其方向和土条底 部平行；n i 及面分别为作用于土条底部的总法向反力和切向阻力；土条底部的 坡角为a i ，长为l i ，则r 为滑裂面圆弧的半径根据摩尔一库仑准则，滑裂面 a b 上的平均抗剪强度为：； ， f ，一c + ( 盯一) 喀妒 ( 1 一1 ) 式中：盯一法向总应力 一。 u 一孔隙水压力 c 。、一有效抗剪强度指标 如果整个滑裂面a b 上的平均安全系数为k ，土条底部的切向阻力t i 为： 互譬+ 0 v , 卅) 譬。( 1 - 2 ) 图卜1一般条分法 选取土条底部法线方向力的平衡，可得 m 一联c o s a l 同时，各土条对圆心的力矩和应当为零，即 瞩一驰- 0 而x i = rs i na ，并将式( 卜2 ) 、式( i - 3 ) 代入式( 卜4 ) ，得 ( 1 - 3 ) ( 卜4 ) 中南大学硕士学位论文第一章结论 1 3 1 2 毕肖普法 n 盟迷掣 s ， 毕肖普法适用于圆弧滑面，它考虑了条间力的作用，并将安全系数定义为沿 整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比盯。 如图1 2 所示，e i 及】【i 分别表示法向及切向条间力，晰为土条自重，q i 为水平作用力，n i 、t i 分别为土条底部的总法向力( 包括有效法向力及孔隙应力) 和切向力，其余符号见图。 揄啪。 图1 - 2毕肖普法 一根据每一土条垂直方向力的平衡条件有： l s q - 联+ 互一五“一互s i n a i( 1 6 ) 按照安全系数的定义及摩尔一库仑准则，豇可用式( 1 - 2 ) 表示，代入式( 1 - 6 ) 中，求得土条底部总法向力为。 | - 暇+ 伐氐卜号等+ 半老 在极限平衡时，备土条对圆心的力矩之和应当为零， 互抵消。因此，得 瞩一耻+ q 吩一0 ( 1 - 7 ) 此时条间力的作用将相 将式( 1 2 ) 、式( i - 7 ) 代入式( 1 8 ) ，且x i 一- - r s i n a ；， 公式为 x 兰亟11 o ! ：竖：垒：竺：兰= ：竺! ! 形s 缸q + 芝q 嘉 ( 1 - 8 ) 最后得到安全系数 ( 1 - 9 ) 式中，x 。及x 。是未知的，为使问题得解，可假定各土条之问的切向条间力 中南大学硕士学位论文第一章绪论 均略去不计，也就是假定条间力的合力是水平的，上式可简化成 彬s i l l q j + q 鲁 1 3 2 路堤沉降计算经典理论 c l - t 0 1 软土地基在荷载作用下沉降变形的主要部分为主固结沉降，此外还包括瞬 时沉降和次固结沉降。即：， ， s = s d + s e + s s( 1 - 1 1 ) 式中：s d - - - 瞬时沉降 “ s o 一主固结沉降 s 扣歇固结沉降 “ 在实际工程的沉降计算中，主固结沉降一般采用分层总和法计算，压缩试 验资料可用e - - p 曲线、压缩摸量巳或e l 印曲线。 用e - - p 曲线计算固结沉降 。 采用e p 曲线时，固结沉降应按下式计算： s 。嗲鱼当。 ( 1 1 2 ) 钉l + 】、1 r ： n _ 地基沉降计算分层数； ah i 她基沉降计算分层第i 层计算分层厚度； p 。地基中第i 层分层中点，在自重应力作用下稳定时的孔隙比； e ，。她基中第i 层分层中点，在自重应力与附加应力共同作用下 稳定时的孔隙比。 采用压缩摸量时，固结沉降应按下式计算： & - 芝争 式中： 以压缩摸量；， a 只地基中各分层中点的附加应力增量； 矾分层厚度 8 ( 1 - 1 3 ) 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题的来源与论文研究的技术路线 本文研究的课题来自湖南省交通厅竹城公路科研项目“湖南省竹城公路旧路 拓宽结合面沉降协调控制技术研究” 本文研究技术路线：利用学校图书馆进行大量资料收集、整理。充分利用网 络资源，对前人研究成果进行吸收、消化结合施工现场，将进行具体边坡的计 算，并以此对路堤进行加固、治理。同时进行室内力学试验确定士体的物理力学 参数，对研究范围内的路堤的稳定性进行整体分析研究，并利用相关软件得以 实现。对于土工合成材料加固路堤利用利用学院新购买的a n s y s 进行数值模拟并 对计算结果进行分析。通过对土工合成材料加固路堤对路基沉降值的影响计算 以及用实测数据进行对比验证，提高对土工材料对路堤作用的认识。 1 5 本文主要研究内容 1 ) 利用极限平衡法可视化编程软件、b 编制了路堤稳定性分析程序并进行应 用 2 ) 以工程实例为背景，用土力学相关理论，计算新旧路基的沉降，并进行加 筋与不加筋总沉降及工后沉降的比较分析 3 ) 利用大型通用有限元计算软件 n s y s 对加筋拓宽路堤进行模拟研究 4 ) 通过模拟计算与手算结果进行沉降稳定对比研究，为同类工程提供参考。 9 中南大学硕士学位论文第二章工程概况、土工材料的工作特性与室内试验 第二章工程概况、土工材料的工作特性与室内试验 2 1 工程概况 本课题以湖南省竹城公路旧路拓宽结合面沉降协调控制技术研究项目为背 景。竹市经武冈至城步公路是我国邵阳市西南部公路路网的主干道，被列为湖南 省。十五”期间公路建设重点工程。其中k 0 + 0 ( d - k 4 0 + 8 0 0 为第2 7 合同段，路 线全长4 0 8 3 2 k m 。原为山岭重丘四级公路，现设计为微丘二级公路。竹市至武 冈段地形平坦，高差起伏较小，公路沿线海拔2 8 0 - 3 8 0 米，属资水支流河漫滩或 阶地及丘陵缓坡，侵蚀堆积作用强烈，山体多呈浑圆状，自然坡度在1 5 3 0 度之 间，水网密集，上升泉下降泉发育，沿线植被发育，农作物茂盛，原生植被以草 本为主拓宽路面开放交通后一段时间内新路基固结沉降而老路基基本上不产 生沉降，这将导致路基的工后不均匀沉降。为了减小不均匀沉降，设计采用土工 材料加固路堤方案。 2 ，2 土工材料的工作特性 2 2 1 土工合成材料定义及分类 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。它以人工合成的聚合物，即塑料、 化学纤维、合成橡胶为原料，制造成各种类型的产品，置于土体内部、表面或备 层土体之间，发挥过滤、排水、隔离、加筋、防渗、防护等作用 有关土工合成材料的定义比较多，按照公路土工合成材料应用技术规范 ( j t j t 0 1 9 - - 9 8 ) ，土工合成材料是指以人工合成的聚合物为原料制成的各种类 型产品，是岩土工程中应用的合成材料的总称。由于加筋土结构在技术上的优越 性，显著的经济性和广泛的适应性，加筋土技术获得了国内外更多的青睐根据 材质情况，加筋材料可分为四大类m ： 第一类属于天然植物，如竹筋、柳条等。 第二类为金属材料，如扁钢带、带肋钢带、镀锌钢带、不锈钢钢带等。 第三类为合成材料，其主要形式为聚丙烯条带、工格栅、土工网、土工布、 土工格室等。 - 第四类为复合材料，如钢筋混凝土带、钢一塑复合加筋带等目前，一般将 土工合成材料分成以下四类：土工织物、土工膜、特种土工合成材料和复合型土 工合成材料。特种土工合成材料包括；土工格栅、土工网、土工垫、土工格室、 土工膜袋和士工泡沫塑料等，其中土工格栅，土工网、土工垫、土工格室等具有 l o 中南大学硕士学位论文第二章工程概况、土工材料的工作特性与室内试验 较高的抗拉强度和较低的延伸率，它们与周围土体的相互作用好，摩阻力、咬合 力高，己广泛应用于公路、铁路、水利等工程。 土工格栅是在聚合物板材上冲孔然后拉伸形成的带空格的板状材料。由于经 过拉伸，使聚合物的分子沿拉伸方向定向排列，加强了分予链间的联结力，大大 提高了土工格栅的抗拉强度。土工格栅埋在土中因土嵌入格栅孔洞内，除摩擦力 之外，还存在显著的咬合力，使得土与土工格栅间可产生很大的抗剪强度。 土工合成材料的广泛应用与其功能多是密不可分的综合起来，土工合成材 料有六种基本功能m ( 1 ) 过滤作用 把土工合成材料置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通 过，从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏同时允许水或气体穿过 织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果 ( 2 ) 排水作用 有些土工合成材料可以在土体中形成排水通道，把土中的水分汇集起来，沿 着材料的平面排出体外，。 ( 3 ) 隔离功能 有些土工合成材料能够把两种不同粒径的土、砂石料，或把土、砂石料与地 基或其它建筑物隔离起来。以免相互混杂，失去各种材料和结构的完整性，或发 生土粒流失现象 。 ( 4 ) 加筋作用 、 很多土工合成材料埋在土体中，可以分布土中的应力，增加土体的模量，传 递拉应力，限制土体的侧向位移，还增加土体和其它材料之间的摩擦力，提高土 体以及有关建筑物的稳定性 ( 5 ) 防渗作用 土工膜或复合型土工合成材料可以防止液体的渗漏、气体的挥发，保护环境 或建筑物的安全。 一一 ( 6 ) 防护作用 土工合成材料对土体或水面可以起到防护作用例如可防止河岸或海岸被仰 刷，防止土体的冻害、地面水渗入地下路面反射裂缝、水面的蒸发、水土流失 有时一种土工合成材料用于某一项工程中，同时具有几种功能，有的是主要 的，有的是次要的，有的则不甚重要 2 2 2 筋一土之间相互作用机理 筋一土之间相互作用的机理大致可归纳为两大类：一是摩擦加筋原理，二是 准粘聚力原理 i i 中南大学硕士学位论文第二章工程概况、士工材料的工作特性与室内试验 2 2 2 1 摩擦加筋原理 界面摩擦特性是土工合成材料的主要特性之一 1 1 ) 0 目前的测试方法主要有 两种，即直剪摩擦试验和拉拔试验。由于筋土界面摩擦特性将直接影响加筋土工 程的稳定性，所以筋土界面强度指标是加筋土结构设计的重要参数。根据加筋土 复合体中筋一土之间的基本构造，我们在筋体中取一微段来分析，如图2 - - 1 所 示，微元体长为d l ，拉筋左截面受力为t l ，右截面受力为t 2 ，压拉筋的法向力 为盯。，略去微元体土体的筋带重量。设筋土之间的摩擦系数为f ，b 为筋带宽 度。由于土的水平推力，在该微元段拉筋所起的拉力为d t ，则有：d t = t 1 - t 2 设 d f 为土粒与拉筋在该微元段产生的总摩擦力，则有d f - 幻弘珊。 h 一一? i i 越 l 图2 1 摩擦加筋原理示意图 如果d f d t ；则筋土之间就不会产生相互错动，即土的水平推力被筋土 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。 摩擦加筋原理概念明确，简单；但是它忽略了筋带在力作用下的变形，也 未考虑土是非连续介质、具有各向异性的特点。 筋土之间界面上的相互作用机理是复杂的，人们常将反映筋土界面相互作 用的指标一摩擦系数称为似摩擦系数。试验表明，似摩擦系数受填土密度、拉筋 性状、填土高度等因素的影响。填料紧密，似摩擦系数高，这主要是由于紧砂有 剪胀作用。在紧砂中，当拉筋欲被拔动时，它必牵动起周围的土粒产生剪胀，土 的密度越大，土粒间的咬合力也大，剪胀现象就越严重，严重的剪胀作用迫使土 粒挤压加筋，使加筋被牢牢地夹紧，从而提高了似摩擦系数；拉筋表面的粗糙程 度也与似摩擦系数成正比 2 2 2 2 准粘聚力原理 这一原理是根据以砂土和水平布置一层或多层筋材的加筋砂土三轴试验结 果分析而提出的”“” 燃 中南大学硕士学位论文第= 章工程概况、土工材料的工作特性与室内试验 将加筋砂圆柱土样和未加筋土样进行三轴对比试验可知，若未加筋砂土在大 主应力q 和小主应力吒作用下达到极限平衡状态，如图2 2 中的圆1 ，而加筋 砂土样在同样大小的仉作用下就达不到极限平衡，是处于弹性平衡状态。从图 2 2 可知加筋砂土与未加筋砂土的强度线几乎完全平行，说明砂土在加筋后妒值 不变。如果在试验中我们对加筋砂土仍施以氓并保持不变，则欲使试样达到新 的极限平衡状态势必增大q 到吼，。如图2 - - 2 中的圆3 。许多学者的试验研究证 明：筋材在试验中不被拉断和滑动，仅其中的砂土被破坏，加筋砂土的破坏包线 的内摩擦角与未加筋砂土的破坏包线的内摩擦角近似相等，且加筋砂土的破坏包 线不通过坐标原点而与纵坐标轴相交，其截距为c 因此可知在砂土中加筋，改 善了砂土的性能，使之增大了砂土的抗剪强度，相当于增大了一个粘聚力c ，且 称c 为准粘聚力 图2 2 加筋砂土的极限应力圆 此时，达到破坏时的最大主应力q ，可表示为： q ，- 码k p + 2 x c x 丐 印- t a n 2 ( 4 5 。+ 争 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 下面我们再来分析加筋砂土试样中的砂土加筋砂土在大主应力q 和小主 应力码作f f l - f ，土体要产生侧向膨胀变形，由于所铺设的加筋材料与砂土界面 之间产生摩擦力，随着土体的变形，加筋材料被拉伸而产生一个抗拉力a 吒， 约束了砂土的侧向变形，这相当于对砂土体增加了一个侧向压力a 码，此时作用 中南大学硕士学位论文第二章工程概况、工材料的i = 作特性与室内试验 于砂土上的小主应力不是，而是码一巳+ a a 3 此时砂土处于弹性平衡状 态，要使其达到极限平衡状态，必须增大q 到q ，如图2 - - 2 中的圆2 如果把加筋砂土试样视为未加筋砂土试样，则达到极限平衡状态时有： 一缸+ ) 印 ( 2 3 ) 由式( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 得 c 生正 2 此即为加筋砂土表现的所增加的粘聚力 2 3 主要试验 试验目的：主要测定：1 路基的力学参数：土体容重、内摩擦角和粘聚力c 。 2 合理测定或选去回填土或土工材料的弹性模量和泊松比3 测定软土的物理力 学系数。 t 主要试验方法见表2 一l 表2 - 1土质参数与试验方法 性质土质参数试验方法 土粒密度土粒密度试验 物 液限液限试验 理 固有 塑限塑限试验 塑性指数液限、塑限试验 特 特性 孔隙比土粒密度、含水量、密度试验 性 湿容重密度试验 固结屈服应力压实试验 团结 压密指数 力特性 体积压缩指数压实试验 压实系数 学 破坏变形 单轴压力、三轴压力试验 变形系数 特变形 单轴压缩强度单轴压力试验 性 特性 粘聚力 直剪试验三轴压力试验 内摩擦角 2 3 1 土体固结试验 仪器设备：固结仪、环刀、透水石、百分表、天平，秒表、烘箱、钢丝 锯、刮土刀、铝盒等。 1 4 中南大学硕士学位论文第二章工程概况、土工材料的工作特性与室内试验 试验数据处理方法 1 ) 按下式计算试验开始时的孔隙比： p ，( 1 + o o l o o ) 一1 h 2 ) 按下式计算单位沉降量： 墨单舢咖m 用 n o 3 ) 按下式计算各级载荷下变形稳定后的孔隙比岛： 岛气一0 + e 0 ) 志 上列各式中： 试验开始时试样的孔隙比 见一士粒密度( 数值上等于土粒比重) ，g c m 吼试验开始时试样的含水量，g c d 风试验开始时试样的密度，g c m s 某一级荷载下的沉降量 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 罗鬼某一级荷载下的总变形量，等于该荷载下的百分表读数( 即试样和 一 仪器的变形量减去该荷载下的仪器变形量，m m ) ； 该试样的起始时的高度，咖 弓某一荷载下的压缩稳定后的孔隙比； n 某一荷载值，k p a 实验结果见下表： 中南大学硕士学位论文第二章工程概况、土工材料韵工作特性与室内试验 表2 - 2 - i 实验结果表 取样取样客重y比重含水量 孔隙 土名 地点深度( k n m ， c 。 比e d 新路 k 7 + 8 2 0 种植土 2 l2 7 31 2 o0 5 5 基 新路淤泥质 1 6 52 7 16o 41 6 6 软基 粘土 k 7 + 8 2 0 旧路淤泥质 1 6 72 6 85 5 31 5 6 软基 粘土 表2 - 2 - 2实验结果表 取样取样 土名 不同压力下的孔隙比p ( k p a ) 地点深度1 2 52 55 0 1 0 02 0 0 新路种植 k 7 + 8 2 0o 5 3o 5 20 5 2o 5 10 4 9 基 土 新路 淤泥 软基 质粘 1 2 51 1 31 0 2o 9 80 9 3 土 k 7 + 8 2 0 旧路 淤泥 质粘 1 3 61 3 31 2 91 1 41 0 8 软基 土 2 3 2 土的抗剪强度试验 土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之 一在计算承载力、评价地基稳定性以及计算挡士墙的土的压力时，都要用到土 的抗剪强度指标。因此，正确地测定土的抗剪强度在工程上具有重要意义。抗剪 强度的试验方法有多种，在试验室常见的有直接剪切试验、三轴压缩试验和无测 限抗压试验。在现场原位测试的有十字板剪切试验、大型直接剪切试验等 1 ) 十字板剪切试验 十字板剪切试验在现场进行，是借助于旋转插入土中的十字片剪断柱形土体， 由施加的扭力算出士的抗剪扭力，确定土的抗剪强度，由于旋转的速度很快，土 中南大学硕士学位论文第二章工程概况、土工材料的工作特性与室内试验 体的含水量不会发生变化，所以所测的抗剪强度为不固结不排水强度，即天然强 度。 2 ) 三轴压缩试验 三轴压缩试验是根据莫尔库伦强度理论，用3 一- 4 个试样，分别在不同的恒 定周围压力( 即小主应力氓) 下施加轴向压力( 即主应力差) ，进行剪切直至破 坏，从而确定土的抗剪强度参数。它事先规定作用于试样上的最大主应力( 仉) 和最小主应力( 仉) 的方向，但不能予定剪切面的方向和位置绘制包络线( 公切 线) 即剪切曲线，是利用各试样破坏时最大主应力( c y l ) 和最小主应力( 吒) 即破 坏面和最大主应力面夹角a t 绘制破坏圆及包络线故三轴压缩试验所测得的参数 精度较高 选择不同的试验方法所测抗剪强度各不相同。本文针对室内土的剪切试验测 得抗剪强度指标参照设计资料进行分析 十 魄 2 4 本文的计算参数来源 路堤填土的物理力学参数部分利用设计部门的资料，土体的容重以室内试验 t r 成果以及类似工程确定土体和土工合成材料的弹性模量通过室内试验取得，泊7 一 松比参考有关手册取得，模型最终选取的物理力学参数见表2 - 2 表2 - 3材料物理力学参数表 路堤填土计算参数 容重弹性模量 泊松比 粘聚力内摩擦角 膨胀角( o ) ( k n i m )e 0 4 p a )僵p a ) 妒( o ) 一 2 l6 5o 2 82 01 i 9o 路堤下软土地基计算参数 弹性模量 泊松比粘聚力( k p a ) 内摩擦角 膨胀角 e ( m p a ) ( l 1 3 5 8o 3 56 25 80 1 7 中南大学颀上学位论文 第三章路堤稳定性可视化程序设计及参数敏感性分析 第三章路堤稳定性可视化程序设计及参数敏感性分析 3 1 用v i i 进行边坡稳定可视化程序设计及其计算 3 1 1 概述 v b 6 0 ( v s u a lb a s i c & o ) 是微软公司推出的一种可视化编程工具，由于它具有的 程序设计语言简单易用，又在其编程系统中引入了面向对象的机制，一种巧妙的方 法把w n d o w s 编程的复杂性封装起来，提供了一种可视界面的设计方法。用户直 接使用窗体和控件设计应用程序界面极大地提高了应用程序开发的效率。v b 提供 的集成开发环境，使编程更加灵活，并巳它还提供了与各种应用程序的接口，可以 方便的与其它程序进行接口l ”“2 0 j 本文采用v b 6 0 编制了相应的边坡稳定分 析实用计算程序，计算程序中采用逐步逼近搜索法确定最危险滑动面的位置考虑了 土坡分层、土坡坡顶或坡面上的超载作用的影响。利用v b 6 0 进行了界面的设计 和程序代码的编写。 。 ， 3 1 2 计算原理 3 1 2 1 改进的瑞典圆弧法 。 在极限平衡法中，条分法是计算粘土地区边坡稳定的最有效最为广泛应用的技 术其中提出的若干假定主要涉及以下两个方面： 一是士条间作用力的方向位置的假定：二是滑移面上的反力分布的假定文献 ”对土坡瑞典圆弧法作了部分改进：对土条间作用力作了如下假定认为土条侧面作 用力平行于条底但并不相等由于考虑了条问作用力的影响因此要比瑞典圆弧法合 理。现应用于路堤分析中 ， 故可得安全系数 f s - k + ( 3 - 1 ) 3 1 2 2 对简化b i s h o p 法的改进 改进b i s h o p 法在简化b i s h o p 法基础上考虑条块间的竖向剪力，于是可建立整体 力矩平衡方程并由静力平衡条件求解安全系数。 1 8 中南大学硕士学位论文第三章路堤稳定性可视化程序设计及参数敏感性分析 f 二& 塑塑牛 ( 。之) 孵+ q ) s m 啦+ 善埘 3 1 3 计算程序简介 本文利用v b 6 0 编制了相应的边坡稳定分析软件，计算框图如图3 - l 所示 图3 - 1 程序计算框图 1 ) 新建数据库 新建数据库包括土性指标数据库和图形坐标数据库 2 ) 计算界面图 计算总界面如图3 - 2 所示，它包括输入基本数据和选择计算方法两部分： 输入的基本数据包括： 坡度 坡高； 分条步距它是一个大于零的数值，分条步距越小计算越精确，但计算时间越长 上部荷载 中南大学硕士学位论文 第三章路堤稳定性可视化程序设计及参数敏感性分析 选择计算方法： 稳定系数计算方法复选框中包括两种计算方法：改进瑞典条分法和改进毕肖普法 图3 - 2程序界面图 3 1 4 安全稳定系数程序 包括改进瑞典条分法和改进毕肖普法。两个子程序的思路基本相同以毕肖普法为例 说明：提取士的物理力学指标数据库中的记录数，赋值给变量n 定义n 维数组粘聚力c ( 1t o n ) ，土的天然重度y ( 1 t o n ) 内摩擦角妒( 1 t o n ) 并将数据库中的数据赋给各数组 定义d c ( 1t o n + 1 ) 数组，该数组用于存放土层分界线的坐标值( 包括坡顶的坐标值) 最下面一层的底面将赋值为1 0 0 0 具体内容如图3 - 3 所示： 吮l 7l h 1 ， ： c 2 v 2 ， h 2 c 3 v 3 1 0 0 0 田卜3 边坡分层界限图 求出土层分界线与滑弧的交点，将交点的横坐标放于数组f t ( ) 中( 包括坡