（水工结构工程专业论文）土工格栅加筋土挡墙的原型观测与分析.pdf

摘要 摘要 土工合成材料是一种新型的岩士工程材料，本文详细介绍了土工合成材料的 种类以及功能。加筋土技术是随着高分子化纤工业的发展，土工合成材料因其价 廉并能满足工程适用要求，而逐渐取代传统的金属加筋材料，取得广泛的应用。 由于加筋土挡墙具有重力式挡墙无法比拟的优点，所以从发展初期就受到普 遍关注，成为研究的热点，并在工程中得到广泛的应用。上世纪7 0 年代以来， 随着土工合成材料的飞速发展，土工合成材料( 尤其是土工格栅) 加筋土支挡结 构目前已成为国内外公认最具有发展前景的轻型支挡结构之一。 本文介绍了土体加筋的原理以及目前的极限平衡设计方法，并提出了自己的 看法。 本文的试验资料依托云南省思茅小勐养高速公路第8 2 合同段k 6 3 + 7 7 0 k 6 3 + 8 6 4 植被护面的土工格栅加筋土挡墙。在施工期间，按设计位置埋设了试验 元件( 如柔性位移计、土压盒、沉降板等) ，实测筋材拉力、基底压力等，并随填 土高度的增加，对试验元件进行了较长期的观测。 通过对观测数据进行整理分析，得出如下结论：( 1 ) 基底压力近似均匀分布； ( 2 ) 在施工期间，加筋土体内存在两个破裂面，但随格栅内部的应力调整，待 土体变形稳定以后，破裂面可能只有一个，也可能维持双峰现象：( 3 ) 施工期间， 在墙面附近拉筋拉力很大，设计时要给予一定的考虑：( 4 ) 加筋土体稳定以后， 拉筋的实际拉力要比设计值( 按库仑土压力理论计算) 小。 本文所进行的研究为交通部西部交通建设科技项目山区支挡结构的研究 课题的一部分，它为以后的设计和研究工作积累了经验。 关健词土工格栅：加筋土挡墙：现场试验 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 t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h et y p e sa n df u n c t i o n so fg e o s y n t h e t i c si nd e t a i l w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r yo fh i 曲p o l y m e rf i b e r , t h ee a r t hr e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u e d e v e l o p s i n s t e a do ft r a d i t i o n a lm e t a lm a t e r i a l s ，g e o s y n t h e t i c sh a v e b e e nw i d e l yu s e d i nm a n yf i e l d s ，b e c a u s ei ti sc h e a p e ra n dc a l lm e e tt h en e e d s o f p r o j e c t s b e c a u s eo f i t si n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e s ，e a r t hr e i n f o r c e dr e t a i n i n gw a l li sw i d e l y u s e di nt h ep r o j e c t s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f g e o s y n t h e t i c s ，r e t a i n i n gw a l lb u i l t w i t hg e o s y n t h e t i c s ( g e o 鲥de s p e c i a l ) i so n eo f l i g h t - d u t ys u p p o r t i n gc o n s t r u c t u r ot h a t h a sb e e nt h em o s tp r o s p e c t i v es i n c e19 7 0 s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sr e i n f o r c e m e n tt h e o r ya n dd e s i g nm e t h o do ft h ee a r t h r e i n f o r c e dw a l l t h eo b s e r v a t i o nd a t aw a sc a r r i e do u to nt h er e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l l p r o t e c t e db yv e g e t a t i o no f8 - 2b i d d i n go fs im a o x i a om e n g y a n gh i g h w a y s o m e t e s t i n gs e n s o r s ( s u c ha sf l e x i l ed i s p l a c e m e n tm e t e r s 、s o i l p r e s s u r ec e l l 、s e t t l e m e n t p l a t e , a n ds oo i l ) w e r ei n s t a l l e dd u r i n gc o n s t r u c t i o no nd i f f e r e n te l e v a t i o n s t h e m o n i t o r i n gl a s t e dt h r o u g ht w os t a g e s a c c o r d i n gt oo b s e r v a t i o nd a t a , t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sm a y b ed r a w n ：( 1 ) t h e d i s t r i b u t i o no fs o i l p r e s s u r e o ff o u n d a t i o ni s n e a r l yu n i f o r m ；( 2 ) d u r i n gt h e c o n s t r u c t i o n ，t h e r em a yb et w of a i l u r ep l a n e s ，b e c a u s eo ft h ei n n e ra d j u s t m e n to f s t r e s s e si ng e o g r i d ，b u ta tt h ee n do fc o n s t r u c t i o n ，i tm a yd e g e n e r a t e st oo n ew h i c h c o i n c i d e sw i t ht h ec o u l o m b sr u p t u r ep l a n ea p p r o x i m a t e l y ( 3 ) d u r i n gt h ec o u s t m c t i o n , t h et e n s i l ef o r c ei ng e o g r i di nv i c i n i t yo f w r a p p i n gp o r t i o ni sl a r g e r , w h i c hm a yb et h e c o n t r o l l i n gc o n d i t i o nf o rg e o 鲥dd e s i g na n dd e s e r v e sg r e a ta f f e c t i o n ( 4 ) t h ea c t u a l t e n s i l ef o r c ei sl e s st h a nt h ed e s i g n e dv a l u ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ec o u l o m b s e a r t hp r e s s u r e t h er e s u l ti nt h i sp a p e ri sap a r to f t h er e s e a r c ho f w e s tt r a f f i cc o n s t r u c t i o n “t h e s t u d yo fs u p p o r t i n gc o n s t m c t u r ei nm o u n t a i n o u sa r e a s ”，w h i c hw i l lp r o v i d et h e i n f o r m a t i o n sa n de x p e r i e n c e sf o r 山el a t e rs t u d ya n dd e s i g n k e yw o r d sg e o 鲥d ；r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l l ；f i e l dt e s t i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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。 签名：日期：迸! ! ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：掘垫导师签名：趁垫 日期绝；厶 第1 苹绪论 第1 章绪论 1 1 土工合成材料的种类及作用 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，它是以人工合成的聚合物，如聚 丙烯( p p ) 、聚乙烯( p e ) 、聚脂( p e t ) 为原料，制成的各种类型的产品，置于 土体内部、表面或各层土体之间，发挥其加强或保护土体的作用。目前已广泛应 用于水利、电力、公路、铁路、建筑、海港、采矿、军工等各个领域的工程中“3 。 1 1 1 土工合成材料的种类 土工合成材料分类随着新材料和新技术的发展不断变化，我国于1 9 9 8 年制 订发布了土工合成材料应用技术规范g b 5 0 2 9 0 9 8 ，从1 9 9 9 年1 月1 日起施 行，该规范将土工合成材料分为四大类，即土工织物、土工膜、土工复合材料和 土工特种材料，见图卜1 。 土工织物 土工合成材料 土工膜， l1 复合土工膜 l 土工复合材料 复合土工织物 ii 复合防捧水材料：排水带、捧水管、排水防水材料等 土工篓摆、土工带、土工格室、土工网 土工特种材料 土工模袋、土工网垫、土工织物膨润土 i 垫( g c l ) 、聚苯乙烯板块( e p s ) 等 图卜1i i 合成材料的分类 此外，土工合成材料也可以作为土体中的掺合料，改良土的性质，如砂中 掺入合成纤维，形成纤维土等，纤维料是用于加筋的土工特种材料“1 。 1 1 2 土工合成材料的功能 不同土工合成材料具有不同功能，总结起来，可以概括为： 1 1 2 1 过滤作用把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止 在水作用下土颗粒的移动，从而防止由于颗粒的过量流失而造成土体的破坏，同 织编 结 含 结粘 刺粘学织织针热化 陬h， 造 织 织 非 北京工业大学i 学硕士学位论文 时允许土中的水或气体穿过织物自由排出，以免土体引起失稳等不利后果。 1 1 2 2 排水作用有些土工合成材料是多孑l 透水介质，能把土中的水汇集起来， 沿着材料的平面排出。较厚的针刺型无纺织物和塑料排水管或复合型土工合成材 料都可以起排水作用。 1 1 2 3 隔离作用把不同类型的土、砂、石料，相互隔离开来，以免混杂，失 去其原有功能的作用称隔离作用。 1 1 2 4 加筋作用土工合成材料埋在土体之中，可以限制土体侧向位移，增加 土体的模量，提高土体强度及其稳定性的功能称加筋功能。 1 1 2 5 防渗作用土工膜和复合型土工膜等防止液体渗漏、气体散逸的功能称 防渗功能。 1 1 2 6 防护作用土工合成材料防止堤坝岸坡遭水流冲刷破坏、或防治道路发 生反射裂缝等的功能称防护作用。 本文的研究对象为土工格栅加筋土挡墙，主要涉及土工合成材料的加筋功 能。 1 2 土体加筋现状 天然土是矿物颗粒的堆积体，土颗粒间的粘结力很微弱。1 。众所周知，土体 都具有一定的抗剪和抗压强度，而它们的抗拉强度却很低。在岩土工程中，土体 总要在自身重量和外荷载的作用下长期工作，必然会受到偏应力引起的剪应力作 用，随着剪应力和土体侧向位移的增大，士体很容易产生剪切破坏。 在土体内部掺入或铺设适当的加筋材料，可以不同程度地改善土体的强度与 变形性态。这一感性认识早为古代劳动人民所掌握，并应用于实践。土的“加筋” 概念由来久远，如公元前2 5 0 0 年古罗马人就用编织的芦苇在软基上筑路；中国 古代汉武帝时就用草枝混杂在土内筑造长城；在胶泥中均匀掺合草杆、麻丝等制 造土砖块。 由上可知，早期a n n + _ 体的技术，基本上利用天然材料或纤维，如木材、芦 苇等。另外，应用基本上是凭经验，缺少理论分析，这种局面一直延续到上世纪 六十年代。 近代土加筋理论于上世纪六十年代由法国工程师h e n r i v i d a l 删首创，他当时 用的加筋材料是金属条带，土是透水材料。他提出了“加筋土”( r e i n f o r c e de a r t h ) 2 第1 章绪论 概念，分析了加筋的机理，并为土的“加筋”提供了一套分析计算方法，从而为 土体加筋技术奠定了理论基础，也为土体加筋技术开辟了广阔的应用前景“1 。 其后研究人员发现，在土中铺设拉筋可使整个土工结构的力学性能得到改 善“1 ，并将这种加固方法命名为土工加筋技术“1 。 上世纪七十年代后期，随着化纤工业的发展，特别是1 9 7 7 年在巴黎召开的 土工织物在土工中的应用国际会议以后，随着各种加筋材料的出现，加筋结 构越来越受到人们的关注，土工合成材料逐渐取代以往的天然加筋材料和金属材 料而得到推广应用。 土工合成材料与以往的金属加筋材料相比，有其突出的优点：埋在土中，抗 腐蚀能力强；可以透水，消减土中的孔隙水压力而提高土的抗剪强度；筋材与土 的摩擦力大，更能发挥加筋材料的加筋作用。当然，土工合成材料的延伸率比金 属材料大，这在设计中必须考虑到。 目前，“加筋土”技术已广泛应用于水利、铁路、公路和建筑工程中，主要 用于支挡结构，加筋陡坡和软弱地基加筋三方面。 1 3 土工合成材料加筋材料 加筋是土工合成材料在工程应用中的一个重要领域“3 ，近二、三十年来，随 着高分子化纤工业的发展，相继制造出各种土工合成材料新产品，逐渐取代原先 的金属加筋材料，在岩土工程中，目前应用于加筋的土工合成材料主要有以下几 种”1 ： 土工特种材料：包括土工格栅( g e o g r i d ) 、条带筋材等。 复合加筋制品：例如以聚酯、玻璃纤维等原材料制成的复合土工织物，或用 钢绞线作为加筋材料制成的复合拉筋带。 土工织物：织造型土工织物 土工合成纤维：即直接在施工现场掺入土内的喷射纤维丝，或将特制的合成 材料网片，拌入待加筋的土体中，就地形成所谓的纤维土或网片土。 在加筋设计中，应根据工程用途和应力水平等合理选用。 1 4 土工格栅种类及基本性能 目前我国工程中采用的土工格栅有塑料格栅、经编格栅和高强复合拉带土工 格栅等。 北京i i 业大学工学硕士学位论文 1 4 1 土工格栅的种类 1 4 1 1 塑料土工格栅塑料土工格栅是在经挤压制成的聚丙烯或高密度聚乙烯 板材上冲孔( 孔的形状、大小及布置按最终制成的土工格栅产品确定) ，然后在 加热条件下实行定向拉伸而成。可分为单向土工格栅和双向土工格栅1 。 这种格栅制造过程中聚合物的分子随加热延伸过程而重新排列定向，加强了 分子链间的联结力，从而强度有所提高，延伸率有所降低。 本论文重点研究此类格栅的加筋土结构。 1 4 1 2 径编土工格栅径编土工格栅是以高强度、低延伸率的涤纶纤维或玻璃 纤维为原料，在径编机上编成格栅状后，按工艺要求浸渍p v c 而成。 1 4 1 3 高强复合带土工格栅这种格栅是用钢绞线作为加筋材料制成的复合拉 带，按一定的间距纵横编排成网状，在节点采用胶结。 它与前两种土工格栅相比，具有较高的强度和模量。 1 4 2 土工格栅要求的基本性能 土工格栅的主要要求：变形模量大、抗拉强度高、蠕变性低、耐腐蚀、抗老 化、与土颗粒之间的相互作用强、能在较短时间内发挥加筋作用。 塑料土工格栅经过拉伸，分子定向排列，因而具有较高的抗拉强度、刚度及 较低的延伸率，且由其开孔结构，与周围士形成较高的摩擦力与连锁咬合力。 塑料土工格栅的原材料有较好的耐酸、耐碱性能，再由于生产过程中加入了 炭黑，增强了抗紫外线老化性能，故耐久性无虞，但材料的蠕变特性应引起重视。 玻纤径编格栅大多用于道路加筋，其破坏应变较低，性脆，施工时要特别留 心。 1 5 加筋土结构的特点及在工程中的应用 1 5 1 加筋士结构的优点 与传统的刚性支挡结构相比，加筋士结构的优点相当明显： ( 1 ) 施工简单、速度快； ( 2 ) 可利用当地材料，所需专门设备少，工程造价低； ( 3 ) 加筋土结构具有一定的柔性，能够适应较大的地基不均匀沉降，具有 良好的抗震性能； 4 第1 章绪论 ( 4 ) 加筋土结构坡度较陡，可以节约用地；面板造型美观，可以同周围环 境协调设计，具有良好的环境效益“。 1 5 2 加筋土结构工程应用举例 1 5 2 1 支挡结构支挡结构包括挡土墙、桥台及岸边陡壁等“3 。在这类应用中， 是将某种加筋材料埋在填土中，形成复合土体“，取代传统的混凝土、圬工结构。 由于这类支挡结构是柔性的，较之传统的如混凝土等的刚性结构能更好地适应地 基变形，工程造价也很低廉。 土工合成材料建造的支挡结构常见的有条带式和包裹式两种。条带式结构一 般是将高强度、高模量的加筋条带在填土中按一定间距排列，其一端与结构边缘 的面板联结，另一端则往土内延伸一定长度。包裹式结构常采用片状或网状加筋 材料在土内满铺，每铺一层再在其上填土压实，将外端部材料卷回一定长度，然 后再在其上铺放另一层织物。填筑后，外侧设置坡面。为了保护土工合成材料和 美化外观，常采用各种不同材料和外形的面板，面板可与加筋土体以一定的形式 连接或自立保持稳定。 1 5 2 2 陡坡工程无论是天然土坡，或是人工修筑的铁路、公路路堤及挡水土 坝、土堤，其边坡常会需要做成较陡的边坡，这样可以让出更多空间供工程建设 。，对于人工坡，陡坡还可以减少填土方量。加筋路堤见图1 - 2 。 。! ! ! 毁、，三2 2 2 2 2 罩 短筋头 提高l 娑)，左= j( 僦毛 r 一仁二一二3 图卜2 路堤加筋 1 5 2 3 软土地基上筑堤在施工中，常会遇到要在软基上筑造路堤或堤坝。由 于地基土承受水平剪应力的能力较低，导致堤身向两侧位移，很容易造成堤身失 稳。另外在软基上卸士，形成集中荷载，常会随卸随陷，达不到设计高度。利用 土工合成材料加筋地基一般是在堤身底部铺放单层或多层高模量的土工织物或 土工格栅，来限制地基土的侧位移和扩散荷载，这样可以提高堤坝的抗滑稳定性， 增加堤坝的填筑高度，见图1 3 。 ，1 。“。1 1 1 。 、 。辟耀、 ，+ 7 软基 筋材 图卜3 软基上筑堤 1 5 2 4 其它方面的加筋工程在工业及民用建筑中，主要利用土工合成材料制 成加筋垫层，均化应力分布，提高地基的承载力，减少不均匀沉降。在复合地基 加固工程中，利用加筋土垫层作为柔性筏基承受上部建筑物荷载，可提高地基加 固中桩土的共同作用。另外在公路路面工程中，在路基基层上与路面之间铺设加 筋层，可防止路面裂缝等。 加筋土实际应用中，最为广泛的就是加筋土挡墙，美国是目前世界上加筋土 结构物建造最多的国家。“，据不完全统计到1 9 8 2 年，世界上在3 7 个国家大约建 成了约5 0 0 0 多项加筋士工程，中国重庆的长江滨江路加筋土挡墙工程，常约6 k m ， 护岸挡墙和公路挡墙均采用加筋土结构，墙最高处达到3 3 m ，加筋土挡墙面积约 1 1 0 0 0 0 m 2 。4 ，规模相当巨大。 1 6 本课题研究内容 本论文所进行的研究是交通部西部建设科技项目山区支挡结构的研究 课题的一部分，研究对象为云南省思茅小勐养高速公路第8 - 2 合同段 k 6 3 + 7 7 0 k 6 3 + 8 6 4 段植被护面的包裹式土工格栅加筋土挡墙，全长9 4 m ，原 设计为衡重式路堤挡墙，最大墙高1 0 m ，填土最大高度2 0 m ，变更后加筋土挡 墙最大墙高1 4 7 1 m 。 迄今国内加筋土挡墙成功建成的为数已很多，设计基本是按传统的极限平 衡理论，但设计中包含着许多的假设，它们对于实际挡墙，尤其是较高的加筋 挡墙，是否能反映客观现状，仍值得研究，为此，以在立项开展观测分析的基 础上，探寻观测与假设间的差异，分析原因，以便对类似挡墙今后的设计与施 工总结出有参考价值的经验。 本研究是在加筋土挡墙的施工过程中，随填土的增高，按设计规定的部位 埋设各种试验元件，如柔性位移计、土压盒、沉降板等，随着试验元件上上覆 荷载的增加，对各试验元件进行系统观测，实测加筋材料拉力及分布、加筋土 6 第1 覃绪论 体基底压力等。 观测分析重点在于探索以下问题： ( 1 ) 加筋土挡墙中加筋材料变形分布规律，从而深悉筋材中的拉力分布； ( 2 ) 加筋土体基底压力分布规律； ( 3 ) 填土密实度、沉降对加筋材料变形、加筋墙体变形的影响。 1 7 小结 本章简介了土工合成材料的分类及作用、土工格栅的性能及种类、土体加筋 的现状、加筋土结构的特点及加筋土工程在支挡结构、陡坡工程和软弱地基加筋 三方面的应用，最后阐明了本论文的研究对象、目的及意义。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章土加筋的基本原理及土工格栅 加筋土挡墙概述 2 1 土体加筋原理 众所周知，松散的砂在自重的作用下可堆积成具有天然休止角的斜坡，如在 该砂中埋设水平向的加筋材料，则该加筋砂土就可保持一定高度的自立状态而不 塌成斜坡。1 。显然加筋后所形成的加筋砂土比未加筋砂土有某种力学性能的改 善，如果用自然休止角来近似地描述砂土的强度，由于加筋砂土比未加筋砂土体 的休止角大，则可以说加筋砂土的强度比未加筋砂土的强度提高了 z q 如果将这 种加筋砂土构筑某种工程结构物，则可以获得一定的经济效果，这就是现代土工 加筋技术的基本思路。 加筋土力学性质之所以得到改善，学者们有多种理论解释。有的认为是由于 新的复合土体具有某种“粘聚力”，这种粘聚力不是原来的土体所具有的，而是 由于所铺设的加筋材料与土之间的相互作用；还有的认为，是由于通过加筋对原 来的土体产生一种侧向约束力，相当于提供了一个侧压力增量，限制了土体的侧 向变形“1 ，致使土强度相应提高。此外，尚有其它各种机理阐述。 在加筋土工程中，加筋土结构都可以看作各向异性的复合土体，筋材都是作 为抗拉构件，通过与土产生相互作用( 摩擦、咬合等) ，限制土体的侧向变形， 增强加筋士体的抗剪强度及整体性，从而提高支挡结构的稳定性”3 。 下面针对两种典型的加筋机理给予说明。 2 1 1 似粘聚力原理 这一概念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。 假设砂土试样取自水平地面下某一深度h 处、处于静止状态的单元体，其大 小主应力分别为吼= 加；0 3 = k 。加，式中y 为土的容重，静止土压力系数 k 。- - - - - i s i n 庐，庐，为土的有效内摩擦角。如果由于某种原因卸去部分侧向荷载， 土体就会产生侧向膨胀。若大主应力o1 仍保持不变，随着小主应力o3 的减小， 土体逐渐达到主动极限平衡状态。为了防止地基土的侧胀破坏，在填土中铺设加 筋材料，土体试样改变为加筋砂土试样。由于筋材同填料之间的摩擦( 皎合) 作 8 第2 章土加筋的基本原理及土工格栅加筋士挡埔概述 用，约束了土体的侧向变形，相当于增加了侧向压力。此时，加筋砂土试样虽然 仍处于大主应力ol 和小主应力o ，作用下，但作用于土体的侧压力已不是k o ， 而是处于o1 和k oo - 之间，所以土体不会发生剪切破坏。由此可见，在土体 内加筋的作用主要是限制土体的侧向变形，相当于对土体提供一个侧压力增量 oa 。 假设加筋土与未加筋土土体的初始应力状态均为静止应力状态，其大小主应 力分别为o 。和o 。= k oo 。在两种土样都保持o 。不变的条件下，逐渐降低侧压 力o 。至o 。= i qo ，则未加筋的土体已达到极限平衡而破坏。比较两者的应力应 变关系可以看出，由于加筋材料约束了土体的侧向变形，限制其侧向应变，并产 生了一约束力ao 。，使其应力状态恢复】( oo 。至ko 。与之间，此时加筋土仍处 于弹性稳定状态。 欲使加筋砂土试样到达极限平衡而破坏，必须增大o 。至被动极限平衡的k d o ；( o1 8 ) ，见图2 1 中圆b ，圆a 为土体未加筋时的破坏应力圆，圆c 相当于 未加筋土的大主应力为o1 b 的破坏应力圆。 t 对于圆c ，有 对于圆b ，有 a 盯3 = o ao ，；口：一口： 图2 - 1 加筋作用的理论说明 盯，= a 3 c k ，= p ，。+ 盯，k ， ( 2 1 ) 0 1 4 = q 。= q 。k p + 2 c r 肛t p ( 2 2 ) 比较式( 2 - 1 ) 和式( 2 2 ) 可得 a c t 3 k p = 2 c r 芷， ( 2 3 ) 1 一 c r = 寺c r 3 丘p ( 2 4 ) 上式是建立在筋材不出现断裂和滑动，同时也不考虑筋材受力作用后产生的拉伸 变形的条件下而得出的，只能适用于高抗拉强度和高模量的加筋材料，而对于低 模量、大延伸率的土工合成材料，因为它不能完全限制土体的侧向变形，所以对 于这些材料的加筋机理，不考虑其变形影响，是不符合实际的“3 。 2 1 2 等效围压原理 由图2 - l 还可以看出，加筋效果相当于为土体增加了一个侧向围压o 。， 假设该压力在加筋范围内平均分布，则当土体中上下两加筋层之间的距离为h 时，则可以写成： f 盯，= 1( 2 - 5 ) 。爿 式中：f 。加筋材料的单宽抗拉强度。 2 2 土工格栅的加筋作用 土工格栅加筋土挡墙发生破坏时产生一破裂面，并以破裂面划分出主动区 a b c 和破坏面a b 面后面的被动区。破坏棱体a b c ( 见图2 - 2 ) 中筋材拉力力图将 筋材从被动区土中拔出，依靠被动区的土与筋材之间的摩阻力形成的抗拔力或锚 固力来抗拒该拉力，以保证加筋土体的内部稳定性。 主动区被动区 n o - t tttj 一 一 t av 、4 5 。+ m 2 t 一 可厂u 眄 f n l i n 一 一t ： i 一土体2 一土工格栅 图2 - 2 土体与拉筋作用微观示意图 对于土工格栅加筋土，土与土工格栅表面的相互作用所形成的摩擦力可分为 两部分：土颗粒与土工格栅表面的摩擦；土颗粒与土工格栅之间的咬合力( 包 孛 0 e | 、 e 第2 章士加筋的基本原理及土工格栅加筋土挡墙概述 括土颗粒与土工格栅横肋之间的端承力和土工格栅孔内的土颗粒与土工格栅孔 外的土颗粒之间的摩擦力) 。后者是土工格栅区别于其它加筋材料的地方，也是 工格栅优越性所在。 在筋材中取出一微分段d l 来分析，该微段拉筋中的拉力为d t = t 。一t ：，拉筋 的上覆土重为法向力n ，土粒与拉筋之间的摩擦系数为f ，b 为拉筋宽度，如果 2 n f b d l d t ，则筋土之间就不会产生相对滑动。如果每一层拉筋均能满足 2 n f b d l d t 的要求，则整个加筋土体的内部抗拔稳定性就能得到保证“。 试验表明： ( 1 ) 每一层筋材所受拉力沿长度并非均匀分布，最大拉力点不在筋材与面 板的连接处，而位于面板后一定距离： ( 2 ) 各层筋材的最大拉力点的连线假设为加筋士体的潜在破裂面。破裂面 将加筋土体分为主动区和被动区。主动区的切向剪应力指向面板，力图将筋材拔 出土体，被动区的切向应力指向加筋的自由端( 尾部) ，阻止筋材被拔出，因此 伸入被动区的筋材长度亦称为锚固长度。 尽管近2 0 年来，土工加筋技术在我国取得迅猛的发展，建成了很多加筋土工 程，也进行了大量的观测，但总的来说，观测数据不完整，设计方法都是半经验、 半理论的。这主要表现在： ( 1 ) 还没有大量的、详细的试验来揭示加筋机理； ( 2 ) 由于土体本身参数的复杂性、加筋材料本身参数的多样性，还没有大 量的、详细的试验来揭示加筋材料与土之间相互作用； ( 3 ) 目前大量的推导、研究还是建立在室内试验的结果之上的，还没有大 量的、详细的原型试验数据进行分析整理： ( 4 ) 由于理论的不成熟，目前有关土体加筋工程的计算还停留在传统的极 限平衡理论。 2 3 土工格栅加筋土挡墙概述 土工格栅加筋土挡墙由填料、筋材( 土工格栅) 、面板及其基础组成，它依 靠填料与土工格栅间的摩阻力来承受墙后的土压力。土工格栅一般水平铺设在土 体内，利用土工格栅与土之间的摩擦作用，限制土体的变形，以保持墙的自身稳 定。 2 3 1 土工格栅加筋土挡墙的类型 常见的土工格栅加筋土挡墙有以下几种：植被护面的包裹式加筋土挡墙、浆 砌混凝土护面的包裹式加筋土挡墙及模块面板护面的加筋土挡墙。植被护面的土 工格栅加筋土挡墙和模块面板护面的加筋土挡墙的结构及组成见图2 - 3 。 a ) 植被护面加筋土挡墙 格栅 b ) 模块面板护面加筋土挡墙 图2 - 3 土工格栅加筋土挡墙构造示意图 格栅 2 3 2 土工格栅加筋土挡墙组成部分 2 3 2 1 填土填土是加筋土挡墙的主体，填士一般要求为粒状透水土料，由于 土工格栅的抗拔能力与粒料的内摩擦角有关，故具有高摩擦系数的级配粒料为最 佳选择。由于粘性土不利于墙后排水，存在超孔隙水压力，降低结构的安全系数， 所以不宜用作填料。 2 3 2 2 土工格栅土工格栅是加筋土挡墙的关键部分，与土产生摩擦力，使土 体呈复合体，提高土体的承载能力，并抵抗墙后土体产生的侧压力作用而维持结 构内部稳定。一般要求土工格栅要具有变形模量大、抗拉强度高、蠕变性能低、 耐腐蚀、抗老化等特点“”“”。 2 3 2 3 面板美化墙体外观和保持土工格栅不受日照以防止老化，阻止填料挤 出、坍塌，迫使土工格栅、填土、墙面板成为一个整体。 2 3 2 4 基础支撑面板和填土等荷载。 2 3 3 土工格栅加筋土挡墙的破坏形式 2 3 3 1 由于筋材断裂造成的结构失稳筋材断裂造成的结构失稳，起因子筋材 强度不足。这种现象可能是由于筋材与面板连接处的锚接点钢筋、螺栓的尺寸不 够或超载，也可能是因受力区筋材本身或因腐蚀等原因造成抗力减退。 2 3 ，3 2 由于土与筋材之间的结合力不足造成的加筋体断裂当土与筋材之间的 第2 章土加筋的基本原理及土工格栅加筋士挡墙概述 摩阻力不足以平衡施加于筋材的拉力时，就要产生因结合力不足而造成的断裂， 此时筋材与土产生相对滑动，结构出现严重变形，甚至加筋体断裂。 2 3 3 3 因外部不稳定造成的整体破坏这是土力学研究的传统破坏形式。它是 将加筋土体作为一个整体结构，破坏模式与地基条件和工程环境有关“。 目前对前两种破坏的分析称为内部稳定分析，对第三种破坏的分析称为外部 稳定分析。 2 4 小结 本章介绍了加筋土结构的两种加筋理论，挡墙内筋材的作用、加筋土挡墙的 类型、组成部分、特点以及挡墙的破坏形式进行，以便为加筋土挡墙设计提供部 分依据。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章加筋土挡墙的设计 本研究内容是通过现场观测获得的加筋土挡墙工作时的动态信息，据以分析 挡墙设计时的基本模型、参数及所作假设的合理性，从而探讨设计、施工中有待 改进和注意的问题。在西部大开发中，将有大量的支挡结构有待建筑，故本研究 课题是前述西部交通建设科研项目的重要内容之一。为了观测验证，本章对该挡 墙的设计先作一简要介绍。 加筋土挡墙的设计主要是根据工况( 墙高、墙长和填料) 、作用荷载和地质 情况等，确定安全、经济的墙断面，选择合适的筋材，确定筋材在填土内的合理 布鹭( 如筋材的长度、在垂直方向的间距) 等“7 “。 目前，加筋士挡墙设计应用最广泛的方法是以库仑土压力理论为基础的极限 平衡法，即首先按经验初定一个断面，经过内部稳定计算，确定筋材的布置，然 后验算墙体的整体( 外部) 稳定性。 ( 1 ) 内部稳定计算 以库仑土压力理论为基础，计算土压力，确定筋材的布置，检算在土压力作 用下筋材的抗拉强度和锚固强度。 ( 2 ) 外部稳定性 将加筋土体视为一个整体，按工程结构的传统方法，验算该挡墙的抗平面滑 移、抗倾覆、地基承载力及抗深层滑动等是否满足规范的要求。 3 1 试验墙概述 本土工格栅加筋土挡墙试验工点位于第8 - 2 合同段，里程为k 6 3 + 7 7 0 k 6 3 + 8 6 4 ，全长9 4 m 。原设计为衡重式路堤挡墙，最大墙高1 0 米，填土高度最大 处为2 0 米。变更时，考虑到思小线环保的特殊要求，土工格栅加筋土挡墙设计 为无面板的包裹式，采用植被( 高羊茅、狗牙根、紫穗槐) 进行墙面防护，最大 墙高1 4 7 1 m 。墙上有2 m 台阶，路基坡度为1 ：1 5 ，台阶部位铺设两布一膜土工 织物，以防地表水渗入加筋土体。 3 1 1 工程地质概况 该段位于云南省西双版纳州的电淌河内，地表水丰富，覆盖层为卵石土，松 软，饱和，厚约2 3 米，表层有约厚0 5 米软一可塑状亚粘土，允许承载力2 5 0 3 0 0 k p a ；下伏基岩为紫红色、灰紫色砂岩、泥岩、泥质粉砂岩互层，强风化， 1 4 碎石状，允许承载力3 0 0 - - 4 5 0 k p a 。坡面植被为灌木、杂草。地震基本烈度为六 度，无不良地质现象。 据k 6 3 + 8 8 0 左5 5 米钻孔资料，紫红色碎石土顶面标高为1 1 3 7 8 2 米，允许 承载力2 0 0 2 5 0 k p a ；紫红色砂岩顶面标高为1 1 3 3 2 2 米，允许承载力2 5 0 3 5 0 k p a 。 旌工取土场土质为粘土，湿密度约为2 0 3 9 c m 3 ，最佳含水量约为1 3 4 ， 干密度约为1 8 9 c m 3 。 3 1 2 设计原则 加筋土挡墙的基础根据地勘报告分别设置在紫红色碎石土顶面或紫红色砂 岩顶面，加筋土体宽度定为o 7 倍墙高。本设计加筋材料采用湖北力特土工合成 材料有限公司的高密度聚乙烯单向拉伸土工格栅，在墙高不同位置格栅的强度分 别为8 0 k n m 、l o o k n m 、1 2 0 k n m ，填料为粘性土。k 6 3 + 7 9 5 k 6 3 + 8 5 5 为软弱地基 段，采用高密度聚乙烯单向拉伸土工格栅( 8 0 k n m ) 包裹碎石两层进行加固处理。 为了防止河道漏水浸泡挡墙基础，在改河圬工河道的浆砌片石外侧铺设两布一膜 土工织物。挡墙前的弃方采用浆砌片石防护。 为对该种结构进行长期观测，在k 6 3 + 7 9 0 墙高1 4 7 1 m ，k 6 3 + 7 8 0 墙高1 0 6 m 处埋设观测元件( 筋材变形计、土压盒、沉降板) ，试验元件布置图见下章。 3 2 本试验墙设计计算 本试验墙为植被护面的土工格栅加筋土挡墙，其设计思路为：以库仑土压力 理论为基础，计算土压力，然后确定土工格栅的间距、长度及回折包裹长度，最 后对墙体进行外部稳定验算。 3 2 1 设计的基本参数 本试验墙为无面板的包裹式挡墙，全长9 4 m ，最大墙高1 4 7 1 m ，最小墙高 1 0 6 m ，墙面坡度为1 ：0 2 ，墙上有5 m 填土，坡度为1 ：1 5 。试验墙所采用的加 筋土体断面的形状为矩形，所用填料为当地粘土，设计时其综合内摩擦角按3 4 。、 容重按1 7 9 c m 3 考虑，筋材在墙面处回折2 m 。 本设计考虑了加筋材料的蠕变极限强度( 1 2 0 年) ，采用的材料综合折减系 数为5 ，其各项物理、力学技术指标见表3 - i 、3 - 2 。土工格栅的单条拉伸曲线见 图3 - 1 、3 - 2 ( 由于安装位移计的格栅为8 0 k n m 、l o o k n m ，所以此处仅给出这两 表3 - 1 格栅典型结构尺寸( m m ) 碳黑肋条最大挡条挡条 肋条 原材料 含量长 孔宽宽度厚度厚度 8 0 k n m高密度聚乙烯2 2 2 01 6 51 6o 9 5 2 3 - 2 5 5 1 0 0 k n m 高密度聚乙烯 2 2 2 0 1 6 5 1 61 6 54 1 5 4 3 5 1 2 0 k n m高密度聚乙烯 2 2 3 51 61 62 05 5 - 5 9 表3 - 2 格栅力学性能表 ( k n m ) 由质控拉伸试验长期 材料质控屈服伸长率 得到的抗拉力蠕变强度 型号抗拉强度 ( ) 2 伸长率5 伸长率 2 0 8 0 k n m5 0 o1 2 72 4 71 22 0 7 1 0 0 k n m1 0 0 02 3 74 5 21 2 3 4 1 2 0 k n m1 2 0 03 8 07 5 51 24 8 9 罂3 6 宝3 2 4 1 8 1 2 0 6 0 蜂 3 2 5 2 1 5 1 0 5 0 。 l 、 ， f o6 图3 - 1 土工格栅的单根筋条拉伸曲线( 1 0 0 l 【n m ) j r、| 。 ? 0 1 8 691 2 1 5 图3 - 2 土工格栅的单根筋条拉伸曲线( 8 0 k n m ) 1 6 种格栅的拉伸曲线) 。图3 1 、3 2 为土工格栅的单条拉伸盐线，其横坐标为应变 值( ) ，纵坐标为单根筋条拉力。 格栅的实际拉力为单根筋条的拉力和每米筋条数的乘积。8 0 k n m 格栅其筋 条数为4 5 筋米，l o o k n m 筋条数为4 2 筋米。 3 2 2 内部稳定计算 加筋土挡墙内部计算主要包括以下内容： ( 1 ) 确定初步筋材布置： ( 2 ) 确定墙体所受荷载，包括土压力计算； ( 3 ) 筋材内的拉力计算； ( 4 ) 筋材的许可抗拉强度； ( 5 ) 筋材的间距及长度计算； ( 6 ) 筋材的强度验算； ( 7 ) 筋材的抗拔稳定验算。 3 ，2 2 1 初选断面本挡土墙最大墙高为1 4 7 1 m ，初选断面高度为1 4 7 m ，加筋 土体宽度一般取加筋土挡墙的高度的0 7 倍，所以初选为1 0 2 9 m 。本节以这一 断面为例，对加筋土挡墙进行设计和验算。 3 2 2 ，2 确定某一深度的土压力设计时经计算车辆荷载按l m 的等代土柱高度 计算，加上挡墙上原有5 填土，因此挡墙上有6 高填土。则某一深度h 处的侧 向土压力为： 盯“= ( 盯o4 - a , ) c o s ( 8 一口) ( 3 - i ) 其中oo = y 。a ，oh = y 。h ， 式中6 ：3 4 。，q = i i 3 1 。，y = 1 7 k n 一， 。为库仑土压力系数，其具体计 算见图3 - 3 。 则( 3 - 1 ) 可变为：o 。= 1 7 。( a + h ) c o s ( 3 4 。- - i i 3 1 。) ，假设不同的高度 h = i ，2 ，3 ，1 4 ，计算的土压力值见表3 - 3 。 表3 - 3 土压力计算结果 h 。( )4567891 01 l1 21 31 41 5 x 。 0 1 50 1 60 1 60 1 70 1 7 0 1 7o 1 7o 1 80 1 8o 1 8 0 1 80 1 8 ( k p a ) 0z i 2 3 12 73 l3 4 23 7 54 0 74 3 84 6 94 9 95 2 95 5 95 8 8 ( k p a ) 北京工业大学工学硕士学位论文 挡土墙计算手册p 4 7 ，计算公式( 6 ) b 图中：t a n o = - t a n v 1 ( t a i l v + c 留妒) ( t a n l l ，+ 三生) v z t t 0 1 l r = 妒+ 占一口 如= i 1 ( 口+ 日) 2曰。= h ( h + 2 a ) t a n 口+ 口6 丸_ ( t a n 酬粼 e 。= ，( a o t a n 0 - b o ，i ：；暑 普 或 层。= z ；t 。岛。n t f a n o 。趾- b 口o e = e ac o s ( 8 一口) e y = e 。s i n ( 8 一口) z 。= 兰! ：；拿群 z ，= b + z