（岩土工程专业论文）软土地基路堤加筋效果的非线性有限元分析.pdf

摘要 自上个世纪七十年代后期，土工合成材料逐渐应用于各类加筋土工程中，如 挡土墙、陡坡、软基上路堤工程等。在土工合成材料加筋土工程中，利用筋材的 拉拔特性，通过加筋材料与周围土体间的摩擦和嵌固作用，改善了加筋土内部应 力及位移场分布，从而使土的强度及稳定性得到提高。因此，土工合成材料与填 料的界面作用特性直接决定了加筋土工程的内部稳定性，筋土间的摩擦和嵌固作 用成为影响加筋效果的一个关键因素。 通过对加筋土体加筋机理分析，找出影响筋土界面特性的关键影响因素，应 用自行研制的大型拉拔试验机及大型界面摩擦试验机，研究加筋土填料为不同土 质的情况下，各种规格的土工合成材料的界面特性，分析不同土质在不同初始条 件下对加筋效果的影响。 此外，为了进一步研究土工合成材料的加筋效果，本文采用非线性有限元方 法分析了软土地基上加筋路堤的应力场和位移场。非线性有限元程序中，土体的 本构关系采用d u n c a n - c h a n g 模型，土工合成材料看作是一种不能受压只能受拉 且抗弯刚度为零的柔性材料，筋土之间设置接触面，接触面单元采用g o o d m a n 单 元。 本文对比分析了不同情况下加筋对路堤应力场、位移场的影响，得出在路堤 的不同位置加筋、不同加筋层数等情况的加筋效果，同时进行了土性参数对加筋 效果的敏感性分析，提出影响加筋效果的主要土性指标，以便在实际工程中针对 某一特性的土体进行恰当的加筋设计。 关键词：非线性有限元法、土工合成材料、界面特性、加筋土、加筋效果 a b s t r a c t s i n c et h el a t eo f19 7 0 s ，g e o s y n t h e t i c sh a v eb e e na p p l i e dt oa l lk i n d so fp r o j e c t so fr e i n f o r c e d s o i lg r a d u a l l y ，f o ri n s t a n c er e t a i n i n gw a l l ，a b r u p ts l o p e ，e m b a n k m e n tp r o j e c t ，e r e i nr e i n f o r c e d s o i lp r o j e c t so ft h eg e o s y n t h e t i c s ，u t i l i z er e s i s t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fp u l l i n go fg e o s y n t h e t i c s ，b y t h ee f f e c to ff r i c t i o na n do b s t r u c t i o nb e t w e e ng e o s y n t h e t i e sa n dt h es o i lb o d y c h a n g i n gt h e d i s t r i b u t i o no ft h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tf i e l dw i t h i nt h er e i n f o r c e ds o i l ，a n dm a k i n gt h e i n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yo ft h es o i li m p r o v e s ot h ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e o s y n t h e t i c s a n ds o i ld e t e r m i n e st h ei n t e r i o rs t a b i l i t yo ft h er e i n f o r c e ds o i lp r o j e c td i r e c t l y , a n dt h ee f f e c to f f r i c t i o na n do b s t r u c t i o nb e t w e e ng e o s y n t h e t i c sa n dt h es o i lb o d yb e c o m e sak e yf a c t o ro f i n f l u e n c e e f f e c to fr e i n f o r c e m e n t f i n d i n go u tt h ek e yi n f l u e n c ef a c t o ro ft h ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i co f t h eg e o s y n t h e t i c sa n d s o i lb ya n a l y z i n gt h e i rr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ，w ec a nu s et h ep u l l o u tt e s tm a c h i n el a r g e s c a l y a n di n t e r f a c ef r i c t i o nm a c h i n el a r g e s c a l y , w h i c hh a v eb e e nd e v e l o p e db yo u r s e l v e s ，t os t u d yt h e i n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i co ft h eg e o s y n t h e t i c so fd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n su n d e rt h ed i f f e r e n t s i t u a t i o n so fs o i lp r o p e r t y a n a l y z i n gt h ee f f e c to fr e i n f o r c e m e n to fd i f f e r e n ts o i l ，w h i c hh a v e d i f f e r e n to r i g i n a lc o n d i t i o n s b e s i d e s ，f o rs t u d yt h ee f f e c to fr e i n f o r c e m e n tu l t e r i o r l y , t h i sp a p e ru s et h en o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n tm e t h o dt o a n a l y s e s t h es t r e s s e sf i e l da n dd i s p l a c e m e n t sf i e l do fg e o s y m h e t i c s r e i n f o r c e m e n te m b a n k m e n t ，w h i c hi sb u i l d e do nt h es o f tg r o u n d s o i l d u n c a n - c h a n gn o n l i n e a r n u m e r i c a lm o d e la n dg o o d m a ni n t e r f a c ee l e m e n t sa r eu s e di nt h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t p r o g r a m - t h ep a p e ra n a l y s e st h ee f f e c to ft h es t r e s s e sf i e l da n dd i s p l a c e m e n t sf i e l db e c a u s eo f r e i n f o r c e m e n to nd i f f e r e n ti n s t a n c e s ，w ec a nf i n dt h ee f f e c to fr e i n f o r c e m e n tw h e nw er e i n f o r c e t h ee m b a n k m e n ti nd i f f e r e n tp l a c eo rd i f f e r e n tl a y e r sg e o s y n t h e t i c s a tt h es a m et i m e ，w ea n a l y s e s t h es e n s i t i v i t yo fe f f e c to fr e i n f o r c e m e n tf o rd i f f e r e n ts o i lp a r a m e t e r , a n dp u tf o r w a r dt h em o s t l y s o i li n d e x s o ，i nap r o j e c t ，w ec a l lm a k er i g h td e s i g nf o rs o m eg i v e ns o i l k e y w o r d s ：n o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，g e o s y n t h e t i c s ，i n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s ， r e i n f o r c e ds o i l ，e f f e c to fr e i n f o r c e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究： 作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁生盘鲎或其他教育机构的学位或证 二舄而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学f 莎论文作者签名：承书0 鼓 签字f i 期： 7 年 ，月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂 有关保留、使j j 学位论文的舰定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供金阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：；饫椤、盘 签钏调：叩年阴。_ 7 同 刷磁辄弘 签字嗍：秒年月罗同 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 滑坡是土木、水利、交通、矿山等基础建设工程常见的事故和灾害。我国疆 域辽阔，各种地质条件又极其复杂，随着我国国民经济的蓬勃发展，基础设施建 设也得以飞速发展，然而在这些基础设施的建设中，常会遇到在某一地基上修筑 路堤或边坡的情况。如何保证这样的路堤或边坡的稳定性，成为目前急需解决的 问题。 1 9 6 5 年，法国工程师h v i d a l 提出“加筋土”概念和设计理论。在软弱土体 中加入抗拉筋材，通过筋土界面间的应变协调约束土体的侧向变形，使土的抗压 强度和筋材的抗拉性能结合起来，从而改变了原软弱土体性状，力学性能得到改 善，提高了土体的整体强度【l j 。 起初的加筋材料主要是金属材料，由于金属材料抵御化学腐蚀的能力较弱， 而且成本高，其使用范围受到较大限制。随着化纤工业的发展，众多土工合成材 料产品相继问世，由于土工合成材料具有很多优越性，如造价低廉、重量轻、易 于运输和操作等，所以在岩土工程中得到广泛应用。从七十年代后期，土工合成 材料产品也越来越多的应用于各类加筋土工程中，如挡土墙、陡坡、软基上路堤 工程等。七十年代初期，开始利用土工合成纤维织物来加固道路的软弱路基， 1 9 6 8 - - 1 9 7 0 年间加筋土相继用于法国和英国的无路面道路。进入八十年代，随 着许多新型的土工合成材料如土工网、土工格栅等的相继问世，进一步加快了土 工合成材料加筋土的发展。将抗拉强度较高的土工合成材料与垫层一道，铺设于 路堤中或边坡底面的地基上形成加筋垫层，在国内外工程实践中已得到了较为广 泛的应用。1 9 8 4 年，我国云南的军用道路以及江苏和吉林省的一些公路利用无 纺织物提高路基强度，解决路基沉陷及不均匀沉降，取得了良好的效果。实践表 明，加筋垫层对于提高地基承载力、增加地基稳定性的效果是比较明显的。 在土工合成材料加筋土工程中，利用筋材的抗拉特性，通过加筋材料与周围 土体间的摩擦和嵌固作用，改变了加筋土内部应力及位移场的分布，使土的强度 及稳定性得到提高。因此，土工合成材料与填料的界面作用特性直接决定加筋土 工程的内部稳定性，所以土工合成材料与填料之间的相互作用成为揭示加筋材料 对土体加筋加固机理的最关键的技术课题。国外许多学者( h o l t z ，1 9 7 7 ： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 m y l e s ，19 8 2 ；m i y a m o r i ，19 8 6 ； w i l l i a m s ，l9 8 6 ；d e g o u t l e ，19 8 6 ；o e h i a i ，19 9 2 ； b e r g a d o ，1 9 9 2 ；h a u s m a n n ，1 9 9 4 ；k o u t s o u r a i s ，1 9 9 8 ) ，利用直剪试验和拉拔试验研 究了土工合成材料与填料的界面作用特性。其中，h a u s m a n n 和c l a r k e ( 1 9 9 4 ) 是通 过直剪试验和拉拔试验对塑料拉伸土工格栅与粉煤灰的界面作用特性进行初步 研究0 1 。国内学者( 赵爱根等，1 9 8 7 ；李海芳等，王吉力等，1 9 9 2 ；吴景海， 陈环等，2 0 0 1 ；施有志，2 0 0 3 ) 也通过直剪试验和拉拔试验研究了国产土工合成 材料与填料的界面作用特性。8 l 。 、 鉴于当前国内外的土工合成材料与填料的界面作用特性研究现状，国内外很 多学者都对现有的界面特性成果存在争议，观点难统一，这可以从多次国内、国 际土工合成材料会议上可以看出，存在着很多不足之处。急需要通过科学试验更 深层次的对土工合成材料与填料作用的界面作用特性进行研究。 本文通过拉拔试验分别研究了不同填料、相同填料不同容重、相同填料不同 筋材等各种情况下筋土界面的特性：并根据软土路基上路堤的常用加筋形式，应 用已有的非线性有限元分析程序，从不同角度对加筋路堤的稳定性进行了细致的 分析，对土工合成材料加筋路堤的加筋效果进行了深入的探讨。 1 2 土工合成材料的种类、特性及功能 土工合成材料是以煤、石油和天然气等作为原料，经过化学加工而成为高分 子聚合物，再经过机械加工制成纤维或条带、网格、薄膜等产品。土工合成材料 根据其加工制造方法的不同，大致可分为土工织物、土工膜、土工复合材料、土 工特种材料等4 大类。 土工合成材料的主要特点是：质地柔软而重量轻、整体连续性好、抗拉强度 高、耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性好、反滤性( 土工织物) 和防渗性( 土工膜) 好、 施工简便。 土工合成材料具有6 大功能，+ 主要表现为： 1 ) 加筋功能：将土工合成材料置于土体中，通过土与加筋材料在其界面之 间的相互作用提高土体的抗剪强度和整体稳定性，改善土体的变形特性。 2 ) 防渗功能：利用土工膜等低渗透性材料，限制液体的渗透和气体的扩散。 3 ) 排水功能：将土工合成材料置于土体中，以土工合成材料本身形成排水 通道。 4 ) 过滤功能：将土工合成材料置于土体中或土体表面，在允许液体通过的 同时，有效地限制土颗粒的流失。 5 ) 隔离功能：用土工合成材料将两种不同粒径的土、砂、或石料隔离，避 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 免相耍侵入混杂，保护建筑材料各自的整体性和工程性能的发挥；另外，在路面 工程中使用高强度合成材料限制反射裂缝的扩展，同样起到了隔离作用。 6 ) 防护功能：将土工合成材料置于土体表面或与其它材料一起形成一层保 护层，阻止土体受流水或风的侵蚀而破坏。 从上面的6 个功能来看：加筋功能、防护功能、隔离功能都很明显的与外界 荷载作用有直接密切的关系。同时，当土工合成材料在土体中发挥其它几种功能 时，也不可避免地要受到外界荷载的作用，由于土工合成材料和土之间存在力的 传递，因而有必要针对土工合成材料和土之间的受力以及其界面反应特性进行研 究。 1 3 土工合成材料加筋边坡的研究现状 土工合成材料技术是岩土工程中新发展起来的一个分支，它涉及的对象和需 要解决的问题基本上属于岩土力学的范畴。很自然，至今土工合成材料加筋工程 的设计原理和计算方法大多也以岩土力学为基础。 1 3 1 加筋土的基本概念 在土体中加筋，以筋材作为抗拉构件，与土产生相互摩擦作用，限制其上下 土体的侧向变形，增强土体的整体性，从而提高土体的抗剪强度。把筋材沿主应 力的方向铺设以弥补土体的抗拉性，在这方面，其作用机理有点与钢筋混凝土类 似。抗拉强度增加的原因来自筋材和土体的相互作用。因此加筋复合体应具有下 列性质：a 、应力沿着筋材和土体接触面连续传递；b 、筋材应按一定角度铺设在 整个土体中，而不是局部加筋。 应力传递机制：根据筋材的形状，应力可以通过土与筋材之间摩擦力或( 和) 被动阻力传递。 1 、摩擦力：当某一土体与筋材界面存在相对剪切变形时，就会产生摩擦。 对于摩擦起决定作用的加筋情况，筋材应沿着土中最大拉力方向铺设。 2 、被动阻力：随法向应力( 方向垂直于筋材一土相对滑动方向) 的发展而 出现。被动阻力常常被认为是土工格栅等筋材应力传递的主要方式。 任何的应力传递机制其应力分布都依赖于筋材表面摩擦系数、法向有效应 力、格栅的开口尺寸、横断面厚度及筋材的变形。同样重要的是，相互作用力依 赖土的性质包括粒径大小、粒径分布、颗粒形状、密度、含水量、粘聚力及土的 模量等。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 试验研究 1 。 从目前国内外发表的文献看，土与土工合成材料界面特性室内试验方法有四 种：直剪试验( d i r e c ts h e a rt e s t 或d i r e c ts h e a rb o xt e s t ) 、拉拔试验( p u l l o u tt e s t 或p u l l o u tt e s t ) 、扭剪试验( t o r s i o n a lr i n gs h e a rt e s t ) 和斜板试验( i n c l i n e db o a r d t e s t 或t i l t i n gt a b l et e s t ) m 9 1 。其中直剪试验和拉拔试验是常规试验，使用最为普 遍。下面分别论述直剪试验和拉拔试验的方法与成果。 1 ) 试验仪器及材料 直剪试验：一般是由有机玻璃或铁板做成的剪切盒，尺寸一般在1 0 0 m m 1 0 0 m m - - 3 0 0 m m 3 0 0 m m 左右，垂直加荷和水平加荷方式各有不同，法向压力 有利用杠杆系统的，也有用螺旋千斤顶施加的；水平剪切力，有利用蜗杆加手轮 的，也有利用变速电动机控制的螺旋千斤顶施加的。在直剪试验中，随着剪切位 移的产生，上下盒相互错动，当上下盒尺寸相同时，随着剪切变形的逐渐增加将 导致试验过程中筋材与填料接触面积逐渐减小，由于接触面积的变化，对试验结 果产生影响，为消除接触面积变化对试验结果的影响，所以有些试验，采取上下 试验盒大小不一样的试验方法，试验装置见图1 1 。 法向力 图1 1 直剪试验装置示意图 拉拔试验：试验仪器有应变式和应力式两种。拉拔试验箱大小也各异，垂直 加荷方式，一般利用千斤顶配量力环，水平荷载有利用机械千斤顶配压力传感器、 施加砝码等，试验装置见图1 2 。 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 法向压力 图1 2 拉拔试验装置示意图 国内试验采用的加筋材料大都是国产的土工合成材料，有聚乙烯单向土工格 栅、聚丙烯双向土工格栅、聚乙烯土工网、涤纶纤维经编土工格栅、玻纤土工格 栅和有纺土工织物、针刺无纺土工织物等等。 填料土采用砾石、粗砂、残积土和粉煤灰等。 2 ) 试验方法 直剪试验：上、下盒内均为填料土，土工合成材料放在上下盒之间并固定， 施加垂直荷载，使土样固结一定时间后，再施加水平荷载，剪切速度一般为 0 5 m m m i n 。通常施加4 组以上不同垂直荷载。 拉拔试验：试验盒固定，逐级施加水平荷载，拉拔土工合成材料，力的大小 随试验仪器及要求而定。 3 ) 试验成果分析 为了确定土与土工合成材料接触界面间的剪切、摩擦特性，国内外曾设计了 多种不同类型的试验，取得很多有价值的研究成果。 1 9 8 6 年，艾金布德和拉克制造了两种简单的直接剪切仪，采用四种类型的土 ( 无粘性土、粘土) 、十九种土工织物( 织造和非织造) 以及二种土工膜进行试验， 发观土与土工织物之间的摩擦角小于土本身的摩擦角1 4 。1 9 8 7 年，威廉姆，豪维 利汉，莱佛柳等( l a f l e u r ，e ta 1 ) 报导了同样的试验结果，同时还发现密实砂与土 工织物反复剪切后，所发挥出的摩阻力几乎与疏松状态下的相同【5 l 。 1 9 8 6 年，俄乃斯特柯劳斯和靡力普得尔玛斯等在大型剪切盒( 5 0 0 m mx 2 5 0 m m ) 做了剪切试验和拉拔试验，得出结论：在所有情况下，拉拔试验所获得 的相关系数小于剪切试验所获得的值：土工织物自身的特性对土一土工织物系统 的剪切强度有影响，其主要影响因素是织物的孔径和变形模量【6 】。 1 9 8 6 年，赵爱根用应变式直剪仪测定了上海产和天津产针刺型土工织物与高 岭土及标准中砂接触界面的抗剪强度。试验发现，土与土工织物界面剪应力一剪 切位移曲线呈非线性性状，界面剪应力的发挥需筋材和土体发生一定的相对位 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 移，影响土与土工织物界面相关系数的主要因素是材料的物理、力学性质；当土 工合成材料相同时，上覆法向应力和试验剪切速率对界面相关系数也有一定影 响。砂与土工织物界面抗剪强度线呈折线：粘土与土工织物界面抗剪强度线呈直 线，而且粘性土的固结状态对界面抗剪强度有明显影响，欠固结粘土的界面强度 比正常固结粘土的界面强度值要小【i3 1 。 1 9 8 8 年，李海芳和李放芝用应变控制式直剪仪( 剪切盒尺寸为2 0 0 r a mx 2 0 0 m m 、1 5 0 m mx 1 5 0m m 、1 0 0 r a mx 1 0 0i i 珊三种) 做了土与土工织物接触界面间 摩擦特性试验，得出结论：剪切盒的尺寸对界面的摩擦角有一定的影响，尺寸为 1 5 0 m mx 1 5 0m m 时，界面摩擦角有较大值。但土工织物的不均一性对界面特性 的影响比较大，建议尽量采用较大尺寸的剪切盒为好。 1 9 8 9 年，姚代禄在研究加筋土挡墙筋与土摩擦性质时发现：加筋后，筋材与 土之间的剪阻力比原压实土的剪阻力有所降低，但加筋却增加了土的整体强度； 土与加筋的摩擦性质是线性关系，符合摩尔一库仑强度包线的直线表达式。建议 在加筋土挡墙的设计中，对粘性填土要考虑粘聚力作用【1 4 】。 1 9 9 2 年，王吉力和马时冬通过拉拔试验和直剪试验研究了土与土工织物接触 界面间摩擦特性，获得以下初步成果：砂与土工织物的共同作用产生不为零的凝 聚力，其大小随着砂密度的增加而增大。砂与土工织物之间的摩擦角小于砂本身 的摩擦角； 在所有情况下，拉拔试验所获得的土与土工织物之间的相关系数皆 小于剪切试验所获得的相关系数值；在加筋土工程中，土与土工织物之间有剪切 ( 粘结) 和拉拔( 锚固) 两种形式。因此，设计时要针对不同的工程问题，选用剪切 作用参量或拉拔作用参量 1 5 】。 1 9 9 7 年，阎澍旺和英国的b e nb a r r 合作对土工格栅与土相互作用进行有限 元分析，分别做了小型格栅拉拔试验和大型格栅拉拔试验，通过有限元分析方 法，采用小型拉拨试验所取得的计算参数，对大型拉拨试验进行了分析计算，并 与实验结果进行了比较，计算结果与试验数据吻合较好。从试验可以看到，土对 处于拉拨状态格栅的阻力由两部分组成：土与格栅的表面摩阻力以及土对横肋的 阻力，其发挥程度与格栅变形的大小有关。摩阻力在较小的变形时即已达到峰值， 此后横肋阻力随格栅变形的进一步增加而逐渐占主导地位，承担着9 0 左右的 荷载【1 6 】。 2 0 0 1 年，陈环教授和吴景海等人用自行研制的试验装置对土工合成材料与土 界面作用特性进行了研究，对不同土工合成材料分别做了直剪试验和拉拔试验， 比较了各种材料与不同填料的界面特性，得出了一些对工程实践颇有价值研究结 果，并且验证了前人的研究成果【i7 1 。 2 0 0 3 年，华侨大学的施有志、马时冬用直剪试验研究了土工格栅的界面特性。 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 剪应力随着剪切位移的增大到剪切位移达到6 8 m m ，达到最大值【1 8 】。 综上所述，拉拔试验测得的摩擦系数大于直剪摩擦试验值，这是因为在直剪 摩擦试验中，筋材只有一个面与填料产生摩擦作用，而在拉拔试验中则有两个面。 填料为砂砾石时，比值较大，这是因为格栅孔眼对砂砾石颗粒的咬合、嵌固作用 较强。 1 3 3 土工合成材料加筋边坡稳定的分析方法 目前土工合成材料加筋路堤或边坡的计算方法，可以分为极限平衡法和有限 元法两大类。从分析思路上分，通常有两种思路，一种是把加筋上看成由土与筋 材两种不同性质的材料组成，两者通过界面相互影响、相互作用；另一种是把加 筋土看成宏观上均匀的各向异性复合材料 1 ) 极限平衡法 岩土力学中求解土坡稳定性最常用的就是极限平衡法。这种方法概念直观而 简单，运算方便，是岩土工程的传统分析手段，人们对之已积累了大量长期的可 靠经验，故也是现今加筋设计中应用最广的实用方法。 计算不加筋边坡稳定的极限平衡法是假定土为理想的刚塑性体，沿设定形式 的滑动面滑动，用静力平衡的方法计算滑体的稳定性。在铺设土工合成材料后， 因土工合成材料承受了拉力，增加了一个抗滑力矩，从而使安全系数增大。 极限平衡法可以分为荷兰法和瑞典法两类。荷兰法的计算模型是假定在滑动 处土工合成材料发生与滑弧相适应的扭曲，认为土工合成材料的拉力方向与滑弧 相切。瑞典法的计算模型是假定土工合成材料的拉应力总是保持原来的铺设方 向，将土工合成材料的拉力所产生的抗滑力矩代入传统的极限平衡法的稳定安全 系数计算公式，即得到路堤或边坡加筋后的安全系数。 日本t a n i g u c h i 等( 1 9 8 8 ) 用离心模型研究无纺织物加筋土堤时观测到当加筋 土堤破坏时或在垂直荷载下，土堤发生大变形时，堤中滑动面近似圆弧形，认为 拉筋的极限拉力不仅减小了滑动面上的剪应力，即减小了滑动力矩，同时也增大 了滑动面上的摩擦力，即增大了稳定力矩，从而得到加筋后的安全系数表达式。 ( 朱维新，1 9 9 6 ) 1 9 j 。 在塑性力学的理论基础上，r k r o w e 2 0 】等人发展了加筋堤的地基承载力分析 方法。加筋堤的地基承载力分析法的要点是假定绝对刚性加筋、加筋强度足够。 这样，加筋堤的稳定分析就转化为仅在竖向荷载作用下柔性基础下地基土的稳定 问题，即地基的承载力问题。r k r o w e 从塑性力学出发，推导出路堤的等价刚 性基础承载力公式，并得到了地基极限破坏时的极限堤高。 我国南京水利科学研究院的沈珠江提出了一种基于上限定理的加筋堤稳定 天津大学硕士学位论文第一章绪论 分析法，该方法也是将加筋堤考虑成具有足够的加筋强度和刚度，将加筋堤简化 成粗糙刚性基础来考虑【2 l 】。对于加筋堤，其基底上除了受竖向压力作用外，还受 到加筋材料的水平向指向堤中心轴的约束力，对于未加筋堤，不仅没有水平指向 轴向的水平力，而且还有一个由路堤散体填料所产生的水平向外的推力。对加筋 堤和未加筋堤分别构造出不同的机动场，从而得到相同地基情况下加筋堤和未加 筋堤的极限承载力。 在工程计算中，最常用的方法是圆弧滑动法。首先计算不加筋边坡的最危险 滑弧位置，得到稳定安全系数。然后再考虑土工合成材料加筋后，由筋材拉力所 增加的抗滑力矩的增量。在原滑弧位置不变的情况下，计算出加筋后边坡的稳定 安全系数。由于该方法未考虑加入筋材后对土坡位移场和应力场的影响，因此对 土坡加筋后安全度的增加值考虑不足，使得计算的安全系数比实际增加值要小。 极限平衡法计算的安全系数增量一般在2 左右，大港海堤应用土工布作为加筋 材料，计算得到的安全系数增量为3 5 【2 2 1 。 虽然极限平衡法应用极广，但是该法也存在公认的，在分析计算中未考虑土 变形的固有缺点。同时计算的安全系数的增加值偏小。因此各国学者都在寻求用 有限元法等数值分析手段来解决这些问题和弥补其不足。 2 ) 有限元法 有限元法是当前计算土力学中普遍采用的手段，它通过将连续体离散化为有 限个单元，对这些单元分片插值，可获得连续体内各点的应力、位移和应变的分 布图形，从而对整个土体的稳定性和变形进行评价。 用有限元法来模拟加筋土系统，有两种描述方法：一种是将加筋土视为复合 材料的连续体，采用组合的一体分析。另一种是把加筋土视为不连续的介质，分 别用不同的单元表征土体、土工合成材料和界面，再将它们组合起来进行综合分 析。对于仅铺一、两层加筋材料的加筋垫层，宜用后一种方法进行描述。 对材料应力应变关系所做的不同假设构成了有限元法之间的主要区别。对于 土的本构关系，可根据实际情况采用弹性、非线性弹性或弹塑性模型。已用过正 交各向异性的弹性模型、d u n c a n c h a n g 模型和d r u c k e r - p r a g e r 模型等等。加筋材 料最初采用线弹性模型，后发展为采用折线型或多项式函数表示的非线性弹性模 型，以反映加筋材料拉伸时的非线性特征。对于界面的摩擦规律，分别采用了 m o h r - c o u l o m b 准则、双曲线模式、折线形模式等等。 r o w e 2 3 】曾指出，不同学者运用有限元分析加筋土时，除了某些相似之外， 隐含于公式中的假设有很大差别，特别是在模拟非线性、塑性破坏、大变形以及 土与加筋材料相互作用时，采用了不同的精度等级和处理方法，从而导致有限元 分析结果的差异。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 与极限平衡法相比，有限元法的最显著特点，是能同时给出土体中各点的应 力和位移，而位移对力学特性倚赖于材料应变的加筋材料是非常关键的，它弥补 了极限平衡法的不足。而且，有限元法在运算过程中可以逐步模拟施工过程与土 性变化，可以提供施工过程中任意时刻与位置的应力、位移、土体中塑性开展区 的范围，以及揭示土体中一点的安全度从受荷至破坏的发展规律，便于从设计上 给出有效的安全对策。但是，这类方法目前在常规设计中应用还很少，其主要原 因是计算中需要的几种关于土体、加筋材料和它们二者之间相互作用的本构关系 和相应的参数等不易准确确定，以及按算得的应力场和应变场如何去判断土体的 整体稳定性还缺乏公认的可行性方法。但可以相信，随着计算机和测试技术的发 展，有限元法的应用将越来越广泛。 尽管加筋土的数值模拟方法尚需改进，但以往国内外学者的计算结果表明： 土工合成材料加筋的主要作用是减小地基中的剪应力，抑制塑性区的开展，减小 差异沉降，而对总沉降的影响甚微；加筋材料的作用在高模量材料和不排水条件 下更为显著，随着地基的固结加筋材料的应变减小；加筋材料起作用的程度倚赖 于无加筋堤下局部剪切区的大小：抗拉强度高的加筋材料有可能阻止浅层破坏面 的发生，使堤坝在加筋垫层的约束下形成一个整体而转变为楔体压入破坏【2 4 - 36 i 。 1 4 目前存在的问题 首先，从产品生产上来看，目前我国的土工合成材料产品与先进国家相比， 存在着制造工艺与质量上的差距，产品离规格化和系列化有一定的距离，并且对 产品的基础理论研究也不够，新产品的开发比较缓慢。我国土工合成材料应用的 经验和技术大体上是仿照外国，土工合成材料与其他建筑材料相比，应用经验比 较多，相对的理论研究比较少，还很不成熟。理论落后于实践造成了现有规范的 局限性，使土工合成材料的特点和长处没有充分体现。测试标准和方法尚不完善。 为使土工合成材料在实际施工中更好的应用，应加强土工合成材料计算理论和试 验方面的研究，特别是有关界面特性的研究。 还有，虽然前人的研究取得了一定的成果，但只是从表面得出一些与相应材 料有关的数据，由于受到自身试验条件的限制，例如采用的试验仪器也都相对较 小，误差较大，很多理论与实际不相适用，没有更深层次的对土体与土工合成材 料的作用机理进行研究。界面摩擦力是设计、计算加筋结构物的重要参数，它应 模拟工程实际情况，经现场、室内的界面摩擦试验和拉拔试验确定，不应仅由经 验推测，所以很有必要加强土工合成材料的界面特性的研究。 我们虽已经知道土与土工合成材料之间的摩擦力由几个方面组成，但是各占 9 天津大学硕士学位论文第一章绪论 多大的比重，哪部分起主要作用还不清楚，还有土的扰动层厚度，以及其扰动变 形和界面特性参数之间的关系也是目前急需要解决的。这些都会对土工合成材料 的设计和应用产生有很大的影响。这也是今后试验研究的一个发展趋势。 此外，还必须加强加筋土计算方法的研究，现有极限平衡法虽比较成熟，但 对加筋材料作用机理的考虑还存在很多问题，由此造成的计算结果远小于实际情 况，使工程设计很难应用。有限元法是比较先进的方法，也是目前研究较多的对 象。还有上面我们提到的第二种思路的计算方法也是加强研究的对象。 不管是试验理论研究，还是加筋土计算方法都和土工合成材料的界面特性关 系密切，从目前的研究现状看这方面的理论远远落后于生产实践，急待于加强。 本文通过拉拔试验，研究不同土质条件下各种型号格栅的界面特性，并对试 验结果及现象进行分析，还对在加筋土工程中，土工合成材料的加筋效果进行了 探讨。 1 5 本文研究内容及意义 鉴于目前国内外研究土工合成材料界面特性的现状，本文将通过拉拔试验及 加筋体界面试验，对土工合成材料的界面特性进行分析研究；另外，本文采用有 限元方法对加筋路堤进行了分析，通过研究不同条件下路堤内应立场及位移场的 变化，进一步分析在软土地基上修筑的路堤的加筋效果，以便指导实际工程。 有限元法有其明显的优点【4 1 】： 1 、利用有限元法，可以考虑土体变形协调的本构关系，因此不必引入假定 条件，保持严密的理论体系。 2 、有限元可以运用于复杂的环境条件，并能模拟土体的施工过程，提供了 应力、变形的全部信息。 本文进行的主要工作包括： 1 、采用将士体与筋材分开考虑的方法。对土体的本构关系采用了非线性弹 性的d u n c a n c h a n g 模型，土工合成材料采用弹性模型，并在土与加筋材料的接 触面处设置了接触面( g o o d m a n ) 单元，以模拟土与加筋材料的相互作用特性。本 程序可以考虑加筋堤的实际填筑过程，对其施工过程进行模拟；可以对土体材料 的不均匀性加以考虑； 2 、通过拉拔试验分别研究了不同填料、相同填料但填料容重不同以及同一 填料不同土工合成材料等多种情况下，土工合成材料与填料界面的特性，同时分 析讨论了拉拔试验中摩擦力与嵌固力的比重； 1 0 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 3 、利用拉拔试验研究筋土界面的作用特性，同时将试验得到的界面特性参 数应用于加筋效果的有限元分析中，对软基路堤上加筋效果进行分析； 4 、比较了几种情况下地基及堤身的应力分布，分析了应力分布的变化规律 以及不同情况下的加筋效果，得出了相应的结论；比较了几种情况下地基及堤身 的位移计算结果，分析了位移的变化规律，得出了相应的结论； 5 、为分析加筋效果，提出了失效面积比的概念，分析了随着土性参数的不 断变化失效面积比的变化，进而了解不同土体的加筋效果；另外研究了易于发生 破坏的堤趾处的水平向位移以及可以表征路基沉降的路基中心处竖向位移，通过 改变各土性参数，从位移场的角度研究了在不同土体中加筋的加筋效果； 6 、在相同加筋情况下，进行了土性参数与加筋效果的敏感性分析研究， 7 、提出对土工合成材料进行拉拔试验的注意要点，对实际工程当中如何使 用土工合成材料给出一定的建议。 随着土工合成材料越来越多的应用于加固工程，对土工合成材料的界面特性 研究显得尤为重要，搞清楚土工合成材料的界面特性，不仅对研究加筋土的加筋 机理有重要意义，还为加筋土工程的设计与计算提供更为可靠的科学依据，可以 验证和推导出更为科学的理论计算公式。研究土工合成材料的界面特性还能更好 的指导土工合成材料的生产，指导生产工艺的改进，节省原材料，提高产品质量， 增加加筋土工程的安全性。 通过对不同加筋情况的有限元模拟分析，可以更好的了解加筋土工程中，不 同的加筋形式，不同的土质条件下的加筋效果，从而对需要进行加固处理的实际 工程提供指导，提高设计效率。 天津大学硕士学位论文第二章加筋路堤的有限元理论及程序设计 第二章加筋路堤的有限元理论及程序设计 由于实际工程的复杂性，许多问题无法得到精确的理论解，只能通过数值方 法来逐渐逼近其真实解。目前，常用的数值方法有：有限差分法、有限单元法、 边界元法以及各种耦合方法。 有限单元法的基本出发点是将一个连续体结构离散成有限个单元体，认为这 些单元体仅在结点处相互铰接，从而形成离散结构。用离散结构来代替原来的连 续体结构，然后把荷载简化到结点上，计算在外荷载作用下各结点的位移，最终 用离散体的解答来代替连续体的解答，进而分析结构的应力和应变【4 3 1 。 2 1 本构关系与模型 本文在有限元计算中，将土工合成材料加筋路堤离散为土体单元、加筋材料 单元、土与加筋材料间的接触面单元等三种不同性质的单元，在计算中分别对待 和处理。 2 1 1 土体的本构关系【删 在土体的有限元法分析中，现在经常用到的本构模型有非线性模型( 如 d u n c a n c h a n g 模型) 和弹塑性模型( 如d r u c k e r - p r a g e r 模型，剑桥模型) ，对于 各种模型计算所得结果的准确性和可靠性意见很不一致。本文在计算模型的选择 中考虑了以下因素：( 1 ) 适用性与广泛性；( 2 ) 满足所要求的计算精度；( 3 ) 简单性： 基于以上思想选用了d u n c a n c h a n g 模型。 d u n c a n c h a n g 模型( 以下简称d c 模型) 提出于1 9 7 0 年。d c 模型属于非 线性次弹性模型中的变模量模型。由于它假设应力应变关系为双曲线，故又称 为双曲线模型。其中切线y o u n g 氏模量e t 和p o i s s o n 比v 。随应力水平的变化而变 化。只要通过试验和计算合理地确定出不同应力水平的e 。和1 ，。，就可以按照增 量广义h o o k e 定律进行应力应变的分析与计算。d c 模型于1 9 8 0 年作了进一步 修改，成为现在的e k t 模型。本文所采用的即是e k t 模型。此模型包括以下几 方面的内容。 1 2 天津大学硕士学位论文 第二章加筋路堤的有限元理论及程序设计 1 切线弹性模量e k o n d n e r ( 1 9 6 3 ) 等人试验发现，砂土和粘土在常规三轴试验时的应力应变关 系可以用双曲线很好地表示。如图2 一l a 所示。 根据k o n d n e r 的建议，在三轴剪切试验中当呸一定时，( c i 一弓) 乞的关系 可以近似的用双曲线来表示，即： q _ c 32 百a 寿 1 十d 式中，a 和b 为弹性常数。上式也可写为： 亡= a + b e ( 2 2 ) q 一呸 以百百为纵坐标， 乞为横坐标，则双曲线转换成直线，如图2 - - 1 b 所示a 其斜率为b ，截距为口。 可以证明a 为初始切线模量e ，的倒数，b 为强度极限值( c j 一弓) 。的倒数。强 度的极限值在理论上要求乞趋于无穷大，一般不易求得。 强度破坏条件可以人为地规定，因此定义破坏比r ，= 器，式中 o 1 一吒 d ( q 一吼吾 卢一 a ) 双曲线 q 一巳 0 b ) a 、b 的确定 图2 - id u n c a n - - c h a n g 双曲线模型 ( q c ；) ，为破坏强度。将上述关系代入( 2 1 ) 可得： 1 卜r 五 弋 巨 ( c 一c 5 ) ， 天津大学硕士学位论文 第二章加筋路堤的有限元理论及程序设计 初始切线模量e ；采用j a n b u 经验公式确定，即： e 咆” 式中 七为无量纲的模量系数； n 为无量纲的幂次； b 为大气压力或称为参考压力。 ( 2 - 4 ) ( c i c 5 ) ，的值可以由m o h r c o u l o m b 破坏条件确定如下： pl一吒)，：一2ccos(a+203sin q o ( 2 5 ) 。 1 一s l n 如图2 2 所示。 ( 盯l 一万3 ) 仃 图2 2 p 。一0 3 l 值的确定 对( 2 1 ) 式微分可得切线模量e 的表达式为： e = 等k = ，一篱卜 6 ， 将( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 代入上式可得： 驴,-2c(_sin+2-2c c o s2 0 - s i n ” c 2 7 ， j 其中c ，p 分别表示土体的粘聚力和内摩擦角。从式中可以看出，要确定切 线模量巨，需要确定伊，c ，k ，刀及尺共五个试验常数。对于粘性土，k 一般 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章加筋路堤的有限元理论及程序设计 变化于5 0 - - 4 0 0 ；对于砂、卵石等粗粒岩土材料，k 一般变化于1 0 0 - - 1 5 0 0 ，其 粘聚力c = 0 ，伊值随围压力g 的增大而减小，其缈值可按以下经验公式计算： ，咖- g k p o 治8 ， 其中缈，值为弓= p 。时的伊角