（水工结构工程专业论文）塑料土工格栅加筋挡土墙的理论研究.pdf

摘要 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，随着在公路、铁路、水利等工程 的成功应用，越来越引起人们的研究兴趣，可以说，目前已经渗透到土木工程的 各个领域，在国家基本建设中发挥着重要的作用，但总的来说，目前对加筋机理 的研究还落后于工程实践，许多实践证明是成功的工程却难以从理论上加以解 释，设计上还不能正确描述工程实际的性状，这种理论研究滞后于工程实践的现 象在相当大的程度上限制了加筋技术的推广应用，本文对土工格栅的力学特性 及其加筋挡土墙的破坏机理等进行了理论分析，希望做出有益的探讨。 本文首先回顾了加筋土技术的发展历程和广阔的应用前景，总结了加筋土挡 墙的优越的性能和存在的问题，详细的分析了加筋土的加筋作用机理，并提出了 界面接触效率及其影响因素。 然后本文总结了土工格栅加筋土挡墙各种破坏模式，并分为内部破坏、外部 破坏和局部破坏，并对其破坏机理进行了分析探讨，总结了土工格栅加筋土挡墙 常规设计理论极限平衡法，加筋土挡墙的设计计算应该从内部稳定性和外部 稳定性两个方面进行，比较了内部稳定和外部稳定计算方法的差异，给出了推荐 的计算方法，并通过实际算例，验证了极限平衡法的可行性。 最后本文对加筋土挡土墙进行了数值模拟，比较了各种分析方法的差异，建 立了塑料土工格栅加筋土的分离式有限元分析模型，即将整个加筋挡土墙分为 体单元、筋材单元、接触面单元和面板单元，对其进行了有限元计算分析，并得 出了加筋挡土墙侧向位移沿墙高的变化曲线，着重分析讨论了影响加筋土挡墙侧 向位移敏感性参数，例如加筋材料的长度，加筋材料弹性模量，加筋的层数，加 筋的间距，特征长度，局部超载等，并得出了它们对加筋挡墙侧向位移的影响变 化曲线图。 关键词：土工格栅； 加筋土挡墙；有限元分析；敏感性参数 a b s t r a c t a b s t r a c t g e o s y n t h e t i c si san e wt y p eo fm a t e r i a lu s e di ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g a l o n g w i t ht h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni nl o t so fp r o j e c t s ，s u c ha sh i g h w a y ，r a i l w a y ，w a t e r c o n s e r v a n c y , e t c g e o s y n t h e t i c sg e t sp e o p l e l sm o r ea n dm o r er e s e a r c hi n t e r e s t ，w ec a n s a y ，i th a v ea l r e a d yp e r m e a t e dt h r o u g he a c hf i e l do f c i v i le n g i n e e r i n ga tp r e s e n t ，a n d t a k e sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h eb u i l d i n go fi n f r a s t r u c t u r ei no u rc o u n t r y a tf i r s t t h i s t e x th a sr e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo fr e i n f o r e e de a r t ht e c h n o l o g ya n di th a sa w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t b u tt h er e a l i t yi ss t i l le x i ta n dl i m i ti t sp o p u l a r i z a t i o na n d a p p l i c a t i o ng r e a t l y , w h i c ht h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hl a g sb e h i n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n a l t h o u g hl o t so fp r o j e c tc a s e sa r ev e r ys u c c e s s f u l li np r a c t i c e ，t h e ya r eu n a b l et o e x p l a n a t i o ni nt h e o r y a n dw ec a r ln o td e s c r i b et h ep r o p e r t i e so f r e a lp r o j e c ti nd e s i g n c o r r e c t l yy e t g e o g r i dm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c ，r e i n f o i c e de a r t hw a l ld e s t r u c t i o n m e c h a n i s m ，e t cw h i c ha r et h e o r e t i c a la n a l y s e di n t h i st e x t h o p et om a k es o m e b e n e f i c i a ld i s c u s s i o n a tf i r s t t h i st e x ts u m m a r i z e dt h et e c h n o l o g yo fr e i n f o r c ee a r t hs u p e r i o r p e r f o r m a n c ea n de x i s t i n gp r o b l e mo fr e i n f o r e e de a r t hw a l l ，d e t a i l e da n a l y s i st h e f u n c t i o nm e c h a n i s mo fr e i n f o r e e de a r t h ，h a v ep r o p o s e di n t e r f a c e sq u a l i t ya n di t s i n f l u e n c ef a c t o r s t h e nt h i st e x ts u m m a r i z ep l a s t i c sg e o g r i dr e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l le v e r y k i n d so fd e s t r u c t i o nm o d e ，d i v i d ei n t oi n t e r n a ld e s t r u c t i o n e x t e r n a ld e s t r u c t i o na n d p a r t i a ld e s t r u c t i o n ，d i s c u s s e da n da n a l y z e di t sd e s t r o ym e c h a n i s m ，s u m m a r i z e d g e o g r i dr e i n f o r c e t h ee a r t h r e t a i n i n gw a l lc o n v e n t i o n a ld e s i g nt h e o r y - - - l i m i t e d b a l a n c em e t h o d ，d e s i g nc a l c u l a t i o no fr e i n f o r c ee a r t hw a l lt ob es u p p o s e dc a r r i e do n t h ei n t e r n a ls t a b i l i t ya n de x t e r n a ls t a b i l i t yt w oa s p e c t s h a sb e e ns t a b l ea n de x t e r i o r c o m p u t a t i o n a lm e t h o dd i f i e r e n c ec o m p a r e dw i t ht h ei n t e r i o r , h a sp r o d u c e dt h e r e c o m m e n d a t i o nc a l c u l a t e dm e t h o d ，a n dt h r o u g ht h ee x a m p a l ，h a sc o n f i r m e dt h e f e a s i b i l i t yo fl i m i t e db a l a n c em e t h o d f i n a l l y , c a r r i e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nr e i n f o r c ee a r t hw a l li n t h i st e x t c o m p a r e dt h ed i f f e r e n c e so fe v e r ya n a l y t i c a lm e t h o d s ，s e tu pp l a s t i c sg e o g r i d r e i n f o r c ee a r t hw a l ls e p e r a t e df i n i t ee l e m e mm o d e l s t h ew h o l er e i n f o r e e de a r t hw a l l d i v i d ei n t ot h ee l e m e n to f s o i lb o d y , t h ee l e m e n to f s t r i p t h ee l e m e n to f i n t e r f a c ea n d t h ee l e m e n to fp a n e l c a r r i e di to nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m a k et h ec u r v eo f r e i n f o r c e de a r t hw a l l l a t e r a ld i s p l a c e m e n ta l o n gw i t ht h eh e i g h to fw a l l d i s c u s s e da n d a n a l y s e d t h e s es e n s i t i v e n e s s p a r a m e t e r se m p h a t i c a l l y , w h i c he f f e c tl a t e r a l d i s p l a c e m e n to fr e i n f o r c e de a r t hw a l l ，s u c ha st h el e n g t ho fs t r i p ，t h ee l a s t i cm o u l do f s t r i p ，t h el a y e ro fs t r i p ，t h es p a c eo fs t r i p ，t h el e n g t ho fc h a r a c t e r i s t i c ，t h ep a r t i a l o v e r l o a d se t c h a v ec a l c u l a t e dt h ec u r v eg r a p ht h a tt h e yi n f l u e n c e sl a t e r a l d i s p l a c e m e n to f r e i n f o r c e de a r t hw a l l 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 hw a l l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； s e n s i t i v e n e s sp a r a m e t e r 1 i 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，撰写成硕士学位论文：“塑料土工格栅加筋挡土墙 的理论研究”。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，本论文中不包括其他人已经发表或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。对我帮助过的老师或师兄或师弟所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本声明的法律责任有本人承担。 i l l 作者签名：代晓东 日期：二oo 六年二月 塑料土工格栅加筋挡土墙的理论研究 第一章绪论 问题的提出和研究的意义 随着在我国基本建设的发展，在实际工程实践中我们会经常遇到这样的问题： 高速公路和铁路的路堤通常是高大的土工结构，通常路堤坡度设计的较缓和， 这样需要大量的填料，造成填料及其运输费和土地占用费可能过高等一系列问题， 而且路肩很容易被雨水侵袭造成坍塌，从而降低使用了使用年限；如果能够把路堤 坡度设计得更陡或利用低品质的填料等方法将大大降低工程造价，我们可以采用士 工格栅来加筋路堤，这样采用土工格栅加筋路堤与传统的未加筋路堤相比，可以节 省5 0 的填料，节省超过5 0 的占地面积，并且大幅度的提高施工速度，经济效益很 好，如图卜1 所示。 图例：b - - 原路堤断面u 一节约的填料s 一一节约的筑路用地 r 开挖断面z 嘶建铁路线 圈1 - 1 加筋路堤与传统未加筋路堤的对比 f i g 1 1 t h ec o m p a r t i o no f n o n - r e i n f o r c e da n dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t 汽车的接连不断的行驶、火车的快速运行、机场跑道短时间的飞机起飞和降落 等对路基产生了动态荷载加压和减压不断的循环，路面在持续的动态荷载作用 下，容易产生裂缝，地基在这种重复作用下会产生沉降和破裂，严重的影响其使用 寿命，在这种情况下，通常采用铺设很厚的集料或者频繁且昂贵的维护，然而在土 体中加入土工格栅形成加筋土体，就能够形成一个整体的受力平台，均匀地扩散所 承受的荷载，限制土壤或介质颗粒的侧向位移，从而减少工程表面的沉降和裂缝， 在相同的环境条件下，推迟疲劳裂缝出现的时间为3 9 倍，有效地提高工程基础的 稳定性和对交变荷载承受的能力，延长了使用寿命。 塑料土工格栅加筋挡土墙的理论研究 软土地基上修建路堤或堤坝的困难在于土的抗剪强度低，承载力不足，压缩性 过高，传统的处理方法是换土或在软地基上再铺一层砾石或碎石后压实，但换土法 费工费料不经济，而铺筑砾石或碎石后压实，粒料很容易被挤压入软地基土中，降 低了材料强度；或者将填筑速度放得极慢，以待在增加的荷载下软土固结，强度增 加；或采取分期填筑方法；或在堤坝两侧，将填土延伸一定距离，形成戗台或反压 马道，以平衡部分促进滑动的滑动力矩等等。这样，工期会拖得很长，费用高，甚 至有时填筑高度受到一定的限制，然而如果在填筑之前，先在场地上预铺一层或多 层塑料土工格栅，如图卜2 所示，对地基进行加固，可以较好地解决这一难题。 图例：c - - - 沥青或混凝土面层g 卜一土工格栅g 2 一复合土工合成材料 卜一采用加筋材料的堤坝 u 一一未采用加筋材料的堤坝 图1 - 2 软土地基上建路堤、大坝 f i g 1 - 2 b u i l dt h ee m b a n k m e n t 、d a mo nt h es o f ts o i lg r o u n d 在道路两边的护坡始终是一个难题。用浆砌石、钢筋混凝土或钢质网喷锚均存 在施工费用高、施工期长的问题，采用塑料土工格栅结合喷锚混凝土施工方法，不 仅可节省3 0 - - 5 0 的投资，而且可以缩短工期一倍以上，是一种先进、科学的施工方 法：可对滑坡进行加筋处理，也可对塌方滑坡的地段进行修复或在挡墙中使用，在 此过程中能充分利用塌陷土壤将滑动面截断，与传统方法相比，可以节省大量土石 方，降低成本，而且快捷易行；当前国内大力提倡绿色通道、环保建筑，这就要求 在设计桥涵、挡土墙、护坡等结构物时，尽量将人为的痕迹隐藏起来，而传统意义 上的挡土墙和边坡加固方法已经不能满足这方面的要求，如果采用土工格栅、三维 植被固土网垫等材料，设计成在墙面或坡面可以种植绿色植被的结构物，这样可以 将建筑物融入周围的自然环境中，起到保护环境、改善环境的作用等等，如图卜3 所示。 塑料土工格栅加筋捎土墙的理论研究 图卜3 加筋边坡的断面图 f i g 1 - 3 t h es e c t i o no fr e i n f o r c e ds l o p e 由以上可知，土工格栅在工程建设中起到非常重要的作用，近年来，随着国民 经济的快速发展，国家加大了基础设施的建设，土工加筋技术越来越被广大工程技 术人员所接受，但是，随着大量加筋土工程效仿，工程失败的事例是存在的，因为 总的来说，目前对加筋机理的研究还落后于工程实践，因为许多实践证明是成功的 工程却难以从理论上加以解释，设计上还不能正确描述工程实际的性状，这种理论 研究滞后于工程实践的现象在相当大的程度上限制了加筋技术的应用和推广，本文 对塑料土工格栅的力学特性及其加筋挡土墙的破坏机理等进行了理论分析，并对影 响加筋挡土墙的侧向位移的敏感性参数进行了数值模拟分析，希望做出有益的探讨。 1 1 挡土墙的发展状况 挡土墙是用来支承路基或山坡等相关的土体，防止填土或土体变形失稳的一种 构造物。挡土墙可以稳定路堤和路堑边坡，防止水流冲刷，并经常用于整治塌方、 滑坡等病害，因此挡土墙是土木建筑、水利水电、铁道交通等工程建设中广泛应用 的一种结构物，例如路基两旁的护墙，房屋侧面的挡墙，桥梁的桥台，河道两岸的 护岸墙，水工建筑物的进出口处的翼墙和两侧的边墙，港池的护墙，地下建筑物的 边墙，边坡的挡墙等均为挡土墙，挡土墙有各种材料( 如条石、块石等垢工材料， 混凝土及钢筋混凝土，土工合成材料，钢材，木板等) 建造而成，作用在这些建筑 物上的主要荷载是土压力。 几千年以前，人们就开始使用木桩抵挡土压力，防止山体滑坡。上世纪5 0 年代 以前，垢工挡土墙应用十分广泛，按照材料的不同可分为干砌或浆砌条石、块片石 挡土墙等，其结构型式主要为重力式；5 0 年代以后，出现了钢筋混凝土挡墙，结构 型式主要为重力式和悬臂式( 又称l 类型挡墙) 。当墙后填土高度较高时，为了改善 塑料土工格栅加筋挡土墙的理论研究 受力条件和减小工程量，沿墙的纵向每隔一定距离设一道扶壁。称之为扶壁式挡土 墙。 随着墙高的增加，上述结构的截面较大，因而工程造价也很高，因此出现了有 锚固段的板桩墙结构。但当挡土墙挡土高度的不断升高时，这种结构依然存在桩的 扰度过大、桩身内力分布不合理、锚固段埋深很大等问题，于是，出现了各种锚拉 形式的板桩墙，与桩板墙发展同步，现代加筋土挡墙自1 9 6 5 年在法国牛斯山脉的普 拉聂尔地区建成以来，这项技术在全世界得到了很大的推广和发展加筋土挡墙是 由墙面板、拉筋及填土所组成的复合结构，该类结构轻型、构件可预制及现场拼装， 墙面可做成直立或任意斜坡，改变了传统支挡结构物断面大、造价高等缺点。 随着岩土工程技术的进一步发展以及各种新型材料的出现，挡土墙正向挡土高 度更高、断面更小和造价更经济的方向发展。 1 。2 挡土墙的型式 目前挡土墙类型的划分方法很多，除了按挡土墙的设置位置划分外，还可以按 结构形式、建筑材料、施工方法及所处环境条件等进行划分，一般结构形式划分为 主，根据其结构特点可分为如下几种形式： ( 1 ) 重力式挡土墙 图1 - 4 ( 0 ； ( 2 ) 加筋土挡土墙图i 图1 - 4 ( b ) j ； ( 3 ) 锚杆式i 图1 - 4 p ) ： ( 4 ) 锚定板式 图1 4 ( d ) ； ( 5 ) 悬臂式挡墙式 图1 4 ( 0 ； ( 6 ) 土钉式 图l 一4 ( 厂) ； ( a ) 重力式 ( a ) g r a v i t y ( b ) 加筋土式 ( b ) r e i n f o r c e de a c h ( c ) 锚杆式 ( c ) s o i la n c h o r j n g 塑料土工格栅加筋挡土蠕的理论研究 ( d ) 锚定板式 ( d ) a n c h o rp t a t e ( e ) 悬臂式 ( e ) c a n t i l e v e r 图卜4 挡土墙的形式 f i g 1 4 t h et y p eo f r e t a i n i n gw a l l ( f ) 土钉式 ( t 3s o i ln a m i n g 在上述挡土墙中，重力式挡土墙应用最广泛，是历史最长久的一种挡土墙。锚 定板挡土墙和加筋土挡土墙，则是近几十年发展起来的种新型挡土墙，也是一种 比较节省材料的挡土结构，锚杆式和土钉式挡土墙也是目前广泛用于体开挖和边 坡稳定新型挡土结构。 根据墙体刚度的不同，挡土墙又可分为刚性挡土墙和柔性挡土墙两类【2 。剐性挡 土墙是指墙体本身刚度较大，在土压力作用下墙体基本不变形或变形很小的挡土墙， 如用砖、石、混凝土、钢筋混凝土等材料建筑的重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶 臂式挡土墙等，在计算这种挡土墙上的土压力时，可以不考虑墙体变形对士压力及 其分布的影响。柔性挡土墙是指墙体的剐度不大，在土压力作用下墙体本身会产生 变形的挡土墙，如支挡墙、板桩墙、加筋土挡墙等，在计算这些挡土墙上的土压力 时，应考虑墙体变形的影响。 1 3 土工加筋技术与加筋土挡墙 1 3 1土工加筋技术的应用与发展 加筋土是一种在土中加入加筋材料而形成的复合土。在土中加入加筋材料可以 提高土体的强度，增强土体的稳定性。因此，凡在土中加入加筋材料而使整个土工 系统的力学性能得到改善的土工加固方法均属土工加筋技术【3 1 ，形成的结构亦称为加 筋土结构。加筋土技术从广义上讲是- 1 7 土工增强技术，或称为土工补强技术1 4 】，土 工增强技术常见的有加筋土、纤维土、复合土、改性土等。 在我国，加筋土技术的应用实际上已有悠久的历史【“j ，如民用建筑掺入草筋泥 壁，加入发丝等筋料抹墙面或掺入草筋、发丝等材料筑土墙；用草绳、柳条填筑路 堤；在河滩、河岸地段用梢捆( 树木枝条、竹条等) 逐层地填人土中，以用来加固河 岸或堤基等。例如古长城的西段就是典型的加筋土结构，是用当地的红柳、芦苇混 塑料十工格栅加筋挡土墙的理论研究 合沙砾，以板筑的方式建成：著名的都江堰水利工程在很多地方都应用了树木的枝 条和梢捆逐层地加入土体中等来加固堤岸；又如在黄土高原地区修建的土桥，实际 上是在填筑过程中铺入姜石、草绳、乔木枝条的“加筋土”路堤，这种土桥可历时 数百年而不发生坍塌，虽然当时加筋土技术已经得到了广泛的使用，但是却未被加以 总结并形成系统的理论，故一直无较大的发展。 近4 0 年来，加筋土作为近代建筑技术才得以研究和推广应用f 7 】。2 0 世纪6 0 年代初， 法国工程师h e n r iv i d a l 8 1 通过观察鸟类用草和泥结巢的过程，启发了加筋土体的概 念，并在模型试验中发现，当土中掺入有机纤维材料后，其强度可以明显提高，1 9 6 0 年他根据三轴实验的结果提出了加筋土概念，并于1 9 6 3 年首先公布了其研究成果， 提出了土体的加筋方法和设计理论。应用此理论，1 9 6 5 年法国在比利牛斯山的普拉 聂尔斯成功的修建了世界上第一座加筋上挡土墙，1 9 6 7 1 9 6 8 年在法一意高速公路 上将大量的传统结构改为加筋土结构，墙的最大高度达2 3 m 9 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，相应的试验、研究 工作也同时进行，当时，研究最为活跃的当属法国桥梁道路中心、美国加州大学、 日本国铁和建设省等。在维达尔申请专利后的第2 年( 1 9 6 7 年) ，日本将该技术正式公 布为“补强土工法”，于7 0 年代初开始进行模型试验研究，并专门研究了其抗震性 能，j 4 - 它广泛应用于许多铁路、公路、城市道路、边坡等工程中，在西班牙，1 9 7 1 年 建造了第一座加筋土挡墙，随后的发展和推广应用也相当快；美国1 9 7 2 年修建加州 3 9 号公路时开始使用，联邦公路局专门有组织从事有关研究和应用工作，其推广应 用和研究开发电相当快，在筋带拉力、墙背土压力的分布和计算，以及破裂面的形 态等方面，法国f s c h l o s s e r ，n c l o n g ，l j u r a n ，美国加州大学k l l e e 以及d p m c k i t t r i c k 等学者作出了突出贡献，为了交流研究成果和实践经验，1 9 7 8 年和1 9 7 9 年先 后在匹兹堡、悉尼和巴黎等地召开了加筋土技术的国际性研讨会，“加筋土工程协会” 和2 0 世纪8 0 年代，除了进一步探讨加筋土结构的基本性状、完善设计计算理论之外， 许多国家还在拓宽填料、筋材的应用范围方向做了大量工作。美国联邦公路管理局 提供研究基金，以加州大学j k m i t c h e l l 为首，与英、法学者合作的研究项目“加筋 土坡和路堤”于1 9 8 7 年完成了研究报告。美、英学者r d h o l t 和r a j e w e l l 等人开展 的用土工合成材料稳定路堤、处理软弱地基方面的研究也取得了重要成果。8 0 年代 中期，美、法合作，利用离心机进行模拟试验，以了解不同的筋材、面板刚度、地 基土的压缩性以及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设计和试验成果进行数值分析。 加筋土以其技术上的优越性、显著的经济性和广泛的适用性，受到了世界各国 工程界、学术界的重视，其发展速度相当快。至1 9 8 9 年，仅新加坡r e i n f o r c e de a r t h 集 团在全球已完成了1 3 5 0 0 多个此类项目1 7 1 ，图卜5 为近几年完成加筋土项目数量的累计 塑料土工格栅加筋挡_ 十墙的理论研究 曲线，从该曲线可以看出该项技术逐渐的被广大的工程师所接受，图1 - 6 为按项目类 型统计的加筋土工程，从图中可以看出加筋土工程广泛应用于各个领域，从加筋土 挡墙发展应用到桥台、护岸堤坝、建筑物基础、铁路路堤、码头、防波堤、水库、 尾矿坝、储仓及核设旋、军用设施等多个领域。在1 9 8 1 年第十届国际土力学及基础 工程会议的科技水平发展报告中认为，加筋土技术的广泛应用是6 0 年代以来岩土工 程中重要的新进展之一【6 1 ，前西德地下建设杂志( 1 9 7 9 年) 曾誉之为“继钢筋混凝 土之后又一造福人类的复合材料”。 l6 0 0 0 1 4 0 0 0 l2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 o 1 9 6 51 9 7 01 9 7 51 9 8 0 1 9 8 51 9 9 01 9 9 5 图1 5 完成加筋土挡墙总数 f i g 1 5 t h eq u a n t i t yo fr e i n f o r c e de a r t hw a l l 图1 - 6 按项目类型统计的加筋土挡墙 f 噜1 6 t h ep r o j e c to fs t a t i s t i c sr e i n f o r c e de a r t hw a l l 塑料土t 格栅加筋挡土瑞的理论研究 加筋土技术。在我国发展和应用是在上世纪7 0 年代末爿开始的，在1 9 7 8 1 9 7 9 年，云南煤矿设计院在i k t 坝矿区建成3 3 座仅2 4 m 高的试验性加筋土挡墙，这也是 我国的第一座加筋土挡墙，2 0 世纪8 0 年代，是我国试验、研究、应用和发展加筋土 技术的重要时期，l o 年间，相继修建了各类加筋土工程3 0 0 多座，突破了一些国家规 范中对填料的限制和筋材的应用范围，其中8 0 以上工程的筋材为聚合物，与此同时， 广泛开展了加筋技术的研究，从理论研究、模型试验和现场试验到加筋机理分析， 都取得了有益的成果，使加筋土技术的应用得到了良好的推广，并且在设计计算理 论的研究方面也取得了进展。迄今，全国己建成数千座加筋土工程，大部分应用于 公路和城市建设、水运和水利工程。重庆长江滨江路工程，长约6 k m ，护岸挡墙和公 路挡墙均采用加筋土结构，挡土墙最高处达3 3 m ，加筋土挡墙墙体面积约1 l 1 0 0 0 0 m 2 ， 它是目前我国规模最大的加筋土工程，也是目前世界上规模最大的加麓土工程【5 】o 仅 在重庆地区，近l o 年建成的加筋土工程就有数百座，加筋土工程总长度达2 0 余公里， 另外总长约l o k m 的若干工程项目正在设计与建设之中。在三峡库区建成了总高度达 5 5 m 的加筋土挡墙1 4 j ，全国在高速公路及一般公路的支挡建筑物，特别是高速公路的 软基处理方面越来越倚重于加筋土结构，在陕西铜川公路修建的加筋土挡土墙高达 5 l m n 全国先后共举行5 次( 武汉，1 9 8 2 年；昆明，1 9 8 6 年；重庆，1 9 9 0 年；济南，1 9 9 4 年：泰安，1 9 9 8 年) 全国加筋土技术经验交流会为适应加筋土技术的推广应用，世界 上许多国家先后制定并颁发了有关加筋土工程的设计、菔工规范和标准或设计施工 指南等，如法国、日本、美国、荷兰等。我国交通部早在1 9 9 1 年就制订并颁发了公 路加筋土工程设计规范( 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，铁道部在铁路路基支挡结构物设计规范中加入了加筋土工程的有 关条文和内容，水利部已发布了有关应用指南。1 9 9 9 年初，国家正式颁发了土工 合成材料应用技术规范( g b 5 0 2 9 0 - 9 8 ) ，土3 2 合成材料产品标准即将颁发，交通 部制订和颁发了水运工程土工织物应用技术规程( j t j t 2 3 9 9 8 ) 、水利部制订和 颁发了水利水电工程土工合成材料应用技术规范( s l t 2 2 5 9 8 ) 和土工合成材 料测试规程、铁道部制订和颁发了铁路路基土工合成材料应用技术规范 ( t b i o i l 8 9 9 ) ，这对我国的加筋土技术的推广、应用和发展将起到强有力的推动作 用。 1 3 2 加筋土档墙的结构构造 加筋土技术目前在工程中应用较多的是加筋土挡墙，加筋土挡墙一般由基础、 面板、加筋材料、土体填料、冒石等主要部分组成，如图卜7 所示。在加筋土挡墙结 构中，面板的作用是阻止土体填料滑塌，使加筋材料与土体填料组成的复合土体免 塑料土工格栅加筋挡土墙的理论研究 遭侵蚀，面板材料有金属制品、混凝土或钢筋混凝土、条石或石板等。 图1 - 7 加筋土挡墙基本结构构造 f i g 1 7 t h ec o n s t i t u a t i o no fr e i n f o r c e de a r t hw a l l 我国目前绝大部分采用的是钢筋混凝土面板，加筋材料是加筋土结构的关键部 分，正是因为加筋材料不断的研究、开发和应用，才使得加筋土技术得以广泛的应 用和不断的向前发展。根据材质情况，加筋材料可分为四大类： ( 1 ) 天然植物，如竹、麻、柳条等，一般用于临时工程、临时抢险工程等； ( 2 ) 金属材料，如扁钢带、带肋钢带、镀锌钢带等； ( 3 ) 合成材料，如聚丙烯、乙烯、聚酷、尼龙、玻璃纤维等，其形式主要有聚丙 烯带、土工格栅、土工网、土工织物( 俗称土工布) ； ( 4 ) 复合材料，如钢筋混凝土拉筋、钢一塑复合土工带( 简称c a t 带) 等。 目前国内外普遍采用的是后两类，前两类用的较少。但是不管使用何种筋材， 有两点都必须特别强调和严格控制：一是材料的变形和强度，二是材料的耐久性。 加筋土填料是加筋土结构的主体材料，材料与加筋材料组成加筋土的主体结构。 填料的选取直接关系到工程结构的安全和工程造价，为此，各国都对加筋土的填料 规定了自己的土工标准( 包括填料的力学标准和施工标准) 。规定填料的土工标准是 为了充分发挥土与加筋材料间的摩擦作用，以保证筋一土复合体的整体性和结构的 安全稳定性。加筋土技术的发展使得其填料选择范围越来越大，选择填料应以就近 为原则，选择易取、价廉、能达到施工标准的材料。加筋土挡墙由面板、加筋材料 9 塑料土工格栅加筋挡士墙的理论研究 和填料形成的“复合墙体”起到了与重力式垢工结构、扶壁结构、沉箱结构等形成 的墙体同样的作用，将重力式垢工结构、扶壁结构、沉箱结构的墙体用加筋复合体 代替，这是加筋土挡墙结构的显著特点。加筋土挡墙结构一般设有基础和冒石，加 筋土挡墙基础的作用是便于第一层面板的安装定位，调整地面高差，也可能是地基 基础处理所需的重要构件，基础尺寸一般较小，相应的基槽开挖和回填量也大大减 少，除了软弱地基和滑坡地带，加筋土挡墙的基础般不需要作专门处理，这是加 筋土挡墙结构与其他重力式结构相比的另一显著特点。 1 3 3 加筋土挡墙的优越性能 ( 1 ) 强度及柔性大，抗震性能好 加筋土挡墙是柔性结构物，能够承受较大的水平推力、倾覆力和垂直力，地基 承受的压力分布比较均匀，墙体柔性大，可承受一定程度的地基不均匀沉降和整体 沉降。由于加筋土挡墙没有刚性基础，建造时，在填筑过程中筋材是逐层铺设的， 回填料是逐层压实回填，地基土所承受的压力随着墙体的增高也不断增加，从而加 速了地基土的固结，提高了地基的承载能力。因此加筋土挡墙有良好的抗震性能， 例如1 9 8 3 年日本发生了强度达到理氏7 7 级大地震，给灾区的建筑物造成了极大的破 坏，但是加筋土结构却没有发生损坏【l o j 。 ( 2 ) 质量易控制 加筋土挡墙由预制件组合而成，混凝土面板板块和加筋材料都可以在工厂预制， 所以质量容易得到保证和控制：砂质回填土也可在工程开工前先进行试验检查，淘 汰不合格的材料，保证工程质量。 ( 3 ) 建造方法简单，工期短 建造加筋土挡墙有一定的规范和建筑步骤，面板和加筋材料可以在工厂预制， 现场采用机械或人工分层填筑，因此偷工减料或错乱程序不易发生，质量容易保证， 没有豆腐渣工程；另外，这种装配式的建造方法，便于组织流水作业，进行大面积 施工，因此施工速度快、工期短，其综合效益十分显著。例如重庆长江滨江路南 菜段护岸工程一期工程，挡墙高1 0 1 2 肌，长5 0 4 m ，实际施工时间仅4 6 天：二期工 程长1 2 7 2 m ，墙高8 1 8 m ，其中约有3 0 0 m 在水下施工，仅用了约5 个月时间就基本 竣工。 ( 4 ) 外表美观，工地整洁，美化环境 加筋土挡墙面板预制件是在铁模中由混凝土浇筑而成。与现浇混凝土墙不同， 加筋土墙不用搭设施工支架和模板，因此，加筋土墙的建筑工地整洁、安全、没有垃 圾，对工地附近的交通和环境影响不大。挡土墙的总体布局和墙面板的形式、图案 可根据周围的景观、环境、相临建筑物等进行设计，使挡土墙与周围环境协调融合， 1 0 塑料土工格栅加筋挡十墒的理论研究 并且富于艺术感染力。 ( 5 ) 造价低廉，经济效益明显 加筋土挡墙的造价与同等条件下的重力式挡墙或其它结构相比，造价降低幅度 一般在1 0 5 0 i “】，如图卜8 所示，加筋土挡墙的墙面板可以垂直砌筑，加筋土边坡 的坡度一般也比较大，因此，工程占地较少，这对不利于开挖的地区、城市道路以 及土地珍贵的地区而言，有着很好的经济效益，而且随着挡墙高度的增加而愈加显 著。 图1 - 8 各类挡土墙造价比较 f i g 1 - 8 t h ec o s tc o m p a r i s o no f e a c ht y p er e t a i n i n gw a l l ( 6 ) 适应性强、应用广泛 加筋土技术的应用经过国内外几十年的研究和发展，已从公路路堤、路肩应用 发展到应用于桥台、匝道、边坡，目前已用于水利工程的护岸、防洪堤、水闸、滩 涂围垦，水运工程的港口码头、防洪堤、库场和航道整治的顺坝、丁坝、碴场、储 料场、货场等，甚至还应用于各种危险品( 如石油、氨等) 或危险建筑( 核电站等) 的 围堤、围墙，军事防护工程和设施等。 1 3 4 加筋土挡墙的局限性“” ( 1 ) 在加筋土挡墙后方或者外部方向要求一个相对大的空间以得到足够的墙宽 来满足挡墙局部、内部和外部的稳定性。 塑料土工格栅加筋挡士墙的瑾论研究 ( 2 ) 在加筋土挡墙要求选择粒状填料，在缺少粒状填料的地方，购买填料的费 用使加筋土挡墙的造价不再经济，而加筋边坡的要求没有那么的严格。 ( 3 ) 设计标准要求考虑加筋材料的腐蚀、老化、蠕变等相关因素，现今的加筋 土挡墙的设计和施工标准都没有考虑。因此需要进一步的研究和改进。 1 - 4 本文所做的工作 一、分析研究了塑料土工格栅挡墙的工程力学特性和优越的土工加筋性能；土 工格栅和土体界面特性的实验方法，分析了塑料土工格栅加筋土挡墙的外部、内部 和局部破坏模式，并对其破坏形式破坏机理进行了分析； 二、在前人研究的基础上，对塑料土工格栅加筋土体的加筋机理作了进一步的 理论分析、探讨； 三、总结了土工格栅加筋土挡墙常规设计理论极限平衡法，加筋土挡墙的 设计计算应该从内部稳定性和外部稳定性两个方面进行，比较了内部稳定和外部稳 定计算方法的差异，给出了推荐的计算方法，并通过实际算例，验证了极限平衡法 的可行性： 四、对加筋土挡土墙进行数值模拟，比较了各种分析方法的差异，建立了塑料 土工格栅加筋土的分离式有限元分析模型，即将整个加筋挡土墙分为土体单元、筋 材单元、接触面单元和面板单元，对其进行了有限元计算分析，并得出了加筋挡土 墙侧向位移沿墙高的变化曲线，着重分析讨论了影响加筋土挡墙侧向位移敏感性参 数，例如加筋材料的长度，加筋材料的弹性模量，加筋的层数，加筋的间距，特征 长度，局部超载等，并得出了它们对加筋挡土墙侧向位移的影响变化曲线图，对具 体加筋挡土墙工程的设计和施工有一定的意义。 望料土工格栅力筋挡土瑞的理论确f 究 第二章塑料土工格栅加筋挡土墙的试验和破坏机理分析 2 1 塑料土工格栅的简介 塑料土工格栅是一种新兴的土工合成材料，该材料为高强度聚丙烯或高密度聚 乙烯的高分子聚合物片材，在一定的温度下，经过挤板压延、冲孔、纵向拉伸( 使高 分子聚合物的分子链定向排列，达到提高其抗拉强度的目的) 、冷却定型等工艺过程 制作而成的片网状结构物【1 2 1 。塑料土工格栅是在上世纪7 0 年代研制成功，8 0 年代初 首先由英国的耐特龙( n e t l o n ) 有限公司投入商业生产，商标名为“t e n s a r ”，现在己 有单轴格栅和双轴格栅两种类型的系列产品，是世界上应用最为广泛、技术性能和 经济效果最佳的土工加筋材料，t e n s a r 牌土工格栅质量较好，又获得了各国专利， 因此售价相当高昂，土工格栅按其制造的方法一般可以分为以下两种： ( 1 ) 定向拉伸土工格栅 定向拉伸土工格栅按其制造时的拉伸方向分为单向土工格栅和双向土工格栅， 如图2 1 ( a ) ( b ) ，单向土工格栅是在经挤压制出的聚合物板材上冲孔，然后只在 沿板材长度方向拉伸制成；双向土工格栅是继续将单向拉伸的格栅再在与其长度垂 直的方向上拉伸制成。 ( 2 ) 复层双向土工格栅 复层双向土工格栅是最新发展的产品，它由多层双向土工格栅重叠捆扎而成，如 图2 1 ( c ) 所示，多层结构对土体有较强的侧限作用，荷载分布均匀，防止集中荷 载引起的剪切破坏。 ( a ) 单向土工格栅 ( 8 ) u n i a x i a lg e o g r i d ( b ) 双向土工格栅 ( b ) b i a x i a lg e o g r i d 图2 - 1 塑料土工格栅的类型 ( c ) 复层双向土工格栅 ( c ) m u l t i l a y e rb i a x i a lg e o g r i d f i g 2 1 t h et y p eo fp l a s t i cg e o g r i d 塑料土工格栅是众多土工合成材料中的一种，这种产品的强度和刚度都较大， 且具有较大的孔眼，可使较大的土、石颗粒嵌入，土石料在格栅网格内产生较大的 塑料土t 格栅加筋挡土墙的理论研究 嵌固力和咬合力，因而使界面摩擦力增大，土工格栅的抗拔力因此显著增大。所以 土工格栅是一种理想的加筋材料。 2 1 1 土工格栅的基本性能 ( 1 ) 结构特性。塑料土工格栅呈网状结构，如图2 1 所示，孔与孑l 之间有肋条和 节点构成，肋条处是经过拉伸取向的高分子材料，具有较高的拉伸强度和较低的伸 长率。节点处厚度较大，对土料颗粒具有侧向阻止作用，由于它的栅肋较粗，强度 高，不易发生网眼断裂，从而能够大大提高抗尖石刺破能力；网孔稳定性好，对粗 粒土有较强的嵌锁作用，增大了土工格栅与填料的剪切阻力。由于土工格栅是一种 质轻且有一定柔性的塑料平面网材，易于现场裁剪、连接( 可用聚乙烯绳或连接棒连 接) 和重叠搭接，便于现场施工，并且在施工过程中折衄影响小，施工简单，不需要 特殊的施工机械和专业技术工人，因此大大降低了施工成本。 ( 2 ) 力学特性。塑料土工格栅具有较大的取向度和结晶度，因此大大提高了其 拉伸强度( 比未拉伸前可提高5 l o 倍) ，而伸长率却只为原板材的1 0 1 5 实验 已经验证，塑料土工格栅的每延米屈服拉力已接近于软钢，土工格栅埋入土中的抗 拔力因格栅与土体之间的摩擦咬合力较强而显著