（岩土工程专业论文）正交型带齿加筋挡土墙的作用机理研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 传统加筋土的布筋形式主要是在土中沿水平面布筋。作者导师在长期研究 基础土，提出了一种新的加筋方式一一正交型水平一竖向加筋。它是在水平条 带筋条上，添加正交形式的竖向筋，形成组合立体形式加筋。这种新的加筋方 式，不仅保留了传统加筋方法依靠筋一土摩阻力加强土体强度的特点，而且依 靠竖向齿筋的作用，形成了“土体加强区”，从而大大提高了土体的强度和稳 定性。 本文主要通过室内模型试验，对于这种加筋方式中的等宽条带式带齿加筋 ( 单面) 进行研究，分析比较了不同的水平筋条长度下，齿筋高度与齿筋间距 的变化对于墙体承载力和侧向位移的影响，同时分析了不同的加筋形式下墙面 板最大位移点的位置分布。通过与纯水平加筋结果对比，得到一些条带式带齿 加筋的规律，即：在筋条长度相同的情况下，条带式带齿加筋方式与水平加筋 方式相比较，提高了墙体的极限承载能力，在相同的受力条件下，前者的侧向 位移远远，1 、于后者；然后，本文采用楔体极限平衡理论，研究齿筋侧向应力对 于加筋土挡墙强度的影响，对于挡土墙的承载能力和筋条临界长度进行分析。 最后，运用工程分析软件f l a c 3 d 对于条带式带齿加筋挡土墙进4 i - 数值模拟，探 讨筋土之间的相互作用关系。 关键词：加筋土挡墙，模型试验，侧向位移，条带式带齿加筋，楔体平衡 v a b s t i 认c t i nc o n v e n t i o n a lr e i n f o r c e ds o i l s ，t h er e i n f o r c e m e n t sa l eo f t e nl a i dh o r i z o n t a l l y b a s e do nal o n g - t e r mr e s e a r c hb yt h et u t o ro ft h ea u t h o r , an e wc o n c e p to fs o i l r e i n f o r c e dw i t ho r t h o g o n a l l yh o r i z o n t a l v e r i l e a l ( h - v ) g c o s y n t h c i l e si sp r o p o s e di n t h i sp a p e r i nt h ep r o p o s e dh - vr e i n f o r c e ds o i l ，b e s i d e sc o n v e n t i o n a lh o r i z o n t a l r e i n f o r c e m e n t s ，s o m ev e r t i c a lr e i n f o r c i n gd e m e n t sa r ea l s o # a e e d a n dt h e n , c o m b i n e ds o l i dr e i n f o r c e m e n t sa r ef o r m e d t h en e wt e c h n i q u ec a l ln o to n l yk e e pt h e c o n v e n t i o n a le h a r a c t e r i s t i c - - - 1 e i n f o r c i n gt h es o i lb yt h er e i n f o r c e m e n t - s o i lf r i c t i o n , b u ta l s oi m p r o v et h ei n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yg r e a t l y , b yt h ef o r m e d “s t r e n g t h e n e ds o i l d i s t r i c t d e p e n d i n go nv e r t i c a li n c l u s i o n s a c c o r d i n gt oi n d o o rs m i l em o d e lt e s t s ，t h i sp a p e r s t u d i e se v e nd e n t i 。s t r i p r e i n f o r c e m e n t s ( s i n g l e - s i d e d ) i nt h en e w k i n do f r e i n f o r c e m e n t a n di ta n a l y z e sh o w t h ec h a n g e so fr e i n f o r c e m e n th e i g h ta n ds p a c i n g , w i t hd i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n t l e n g t h s ，a f f e c tt h ec a r r y i n gc a p a b i l i t ya n dt h ew a l lm o v e m e n t m e a n w h i l e , i t a n a l y z e su n d e rd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o no f r e i n f o r c e m e n t s ，t h ep o s i t i o nd i s t r i b u t i o no f m a x i m u md i s p l a c e m e n t p o i n t o n s i n g l en a i l s c o m p a r e d w i t hh o r i z o n t a l r e i n f o r c e m e n t s ，w ec a ng 吐s o m em i e so fd e n t i - s t r i pr e i n f o r c e m e n t s ，a n d t h e c o n c l u s i o ni st h a tw i t ht h es a m er e i n f o r c e m e n tl e n g t ha n dc o m p a r e dw i t hh o r i z o n t a l r e i n f o r c e m e n t s ，d e n t i s t r i pr e i n f o r c e m e n t sc a l li m p r o v et h el i m i tb e a t i n gc a p a c i t yo f w a l l s ，a n dw i t ht h es a m es t r e s s ，t h es i d ed i s p l a e e m e n to ft h ef o r m e ri sm u c hl e s s t h a nt h a to ft h el a t t e r t h e n , t h i sp a p e r , a d o p t i n gw e d g el i m i t i n ge q u i l i b r i u mt h e o r y , a n a l y z e st h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fr e t a i n i n gw a l l sa n dr e i n f o r c e m e n tc r i t i c a ll e n g t h f i n a l l y , w i t he n g i n e e r i n ga n a l y s i ss o f t w a r ef l a c 3 d ，i ta n a l y z e st h ei n t e r a c t i o n r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e i n f o r c e m e n ts o i l sa f t e ru s i n gd e n t i - s t r i pr e i n f o r c e m e n t s k e y w o r d s ：r e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l s ，m o d e lt e s t ，l a t e r a ld i s p l a c e m e n t ， d e n t i s t r i pr e i n f o r c e m e n t s ，w e d g e se q u i l i b r i o u s v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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：垄墨丑日期：幽：! ：，厂 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：堕! ：i ：堡 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 加筋土及加筋土挡墙简介 1 1 1 加筋土及土工合成材料 加筋土是由一层或多层水平加筋构件与填土交替铺设而形成的一种复合体， 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，从而使整个土工系统的力学性能得到改善，这样的 土工加固方法即为土工加筋技术【1 】【2 】。 关于加筋土技术的应用已有千年的历史。最早采用的加筋体仅局限于天然材 料，如竹片、麻杆等。在民用房屋建筑过程中，经常在黄土中掺入小麦秸秆、草 筋等材料以提高墙体的强度；在水工建筑物中，当地基软弱，不能保证堤身稳定 时，常在地基上铺设树木枝条以加固地基；在道路工程中也经常采用加筋土技术。 在国外也有类似的关于加筋土技术应用的记载。但是，将其作为近代的建筑技术 加以研究和推广，并上升为理论，则是近4 0 年来的事。6 0 年代中后期，法国岩 土工程师h e n r i v i d a l 提出了土的加筋理论【3 】，逐步形成了加筋土设计方法；2 0 世纪3 0 、4 0 年代，人们将聚乙烯、聚氯乙烯用作渠道和水池的防渗。随着化纤 工业的发展，5 0 年代有以化纤制成的造型土工织物问世。1 9 5 8 年美国佛罗里达 州将土工织物在海岸块石护坡下作为防冲层【4 1 ，此举被公认为是土工合成材料用 于岩土工程的开端。到了2 0 世纪8 0 年代中后期，加筋土技术得到了飞速发展。 土工网、土工布、土工格栅等土工合成材料的相继问世，进一步加快了土工加筋 技术的发展。 土工合成材料( g e o s y n t h e t i c s ) 是岩土工程中应用的合成材料的总称，其原料 主要是人工合成的高分子聚合物，如塑料、化纤、合成橡胶等等。随着化工行业 的发展，各种土工合成材料相继问世，在2 0 世纪7 0 年代后，得到了迅猛发展， 被誉为继砖石、木材、钢铁、水泥之后的第五大工程建筑材料，广泛应用于铁路、 公路、水利、港工、城建、国防等领域。随着使用范围的不断扩大，土工合成材 料的生产和应用技术也在迅速地提高，使其逐渐成为一门新的边缘性科学，有关 上海大学硕士学位论文 学术活动也在不断地扩大和深入。 加筋土与与其他类型的材料相比，具有许多的优点： ( 1 ) 具复合材料特性。加筋材料与土壤间存在互制机制，使其具有复合材料 特性，因而改变了原始土壤的结构性质，增加了土体的抗剪强度，使土体趋于稳 定。 ( 2 ) 施工简便。加筋土的组成构件可以预先制作，运往工地安装，简化施工 作业，缩短工期；在软弱地基上填筑时，由于拉筋是填土过程中逐层铺设的，所 以，因填土引起的地基变形对加筋结构稳定性的影响比对其它士工建筑物要小， 地基的处理因而也较简便；加筋土挡墙的旌工只是单纯作业的重复，不需要技术 工，也不要支撑，也不必在养护上花费时间，全部作业可在填土- - n 进行，可以 大大缩短工期。 ( 3 ) 对地基要求低，适应性好，加筋土属柔性结构，可以承受较大的地基变 形，其稳定性好，是一种良好的抗震结构，可用于可能产生不均匀沉降的软弱地 基，例如用混凝土挡墙须采用桩基时，加筋土挡墙可不做任何处理。 ( 4 ) 施工限制少，可因地制宜，就地取材。由于挡墙是由预制的墙面和拉筋 以及填土组成，在狭窄施工场地或严格限制噪音，振动的地方也能建造。 ( 5 ) 拆除简便。拆除时不用圬工凿除，取走填土即可，这对于一些临时构筑 物特别方便。 ( 6 ) 抗地震。由于加筋土结构物所特有的柔性能很好地吸收地震的能量，故 具有刚性结构物无法与之比拟的耐震性能。正因为加筋土具有这种良好的抗震性 能，所以在地震频繁的国家，比如日本，得到快速的的推广。 ( 7 ) 耐寒性。在严寒地区建筑物的冻害是个大难题，但加筋土结构物能适应 严寒。加拿大1 9 7 1 年以来在严寒地区修建了4 0 多座加筋土工程，至今使用良好。 ( 8 ) 少占土地，造形美观。加筋土挡墙墙面为一竖直平面，不用勾缝墙面板， 自然形成错落有致的规则图案，又壮观又美观。 ( 9 ) 节省投资，和钢筋混凝土结构相比，可减少造价一半以上，填筑的高度 愈大，节约的效果愈显著；和其它土工加固设施相比，加筋土工的总造价也较低 廉。 2 上海大学硕士学位论文 1 1 2 加筋土挡墙 ( 1 ) 加筋土挡墙的结构 挡土墙是为了保证填土位置或挖方位置稳定而修筑的一种永久或临时人工 构造物【5 1 。自古以来就被广泛应用于建筑四周、道路路基、水利工程、防御工程、 矿山坑道等工程中。加筋土技术目前在工程中应用较多的是加筋土挡墙。 加筋土挡墙是由面板、填料、筋材等组成的复合结构，其结构特性与各组成 材料各自的工程力学特性及其之间的相互作用密切相关，此外，地基特性及挡墙 本身结构型式的不同，其结构特性也会有很大的差异。 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。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，正是因为加筋材料的研究开发才使加筋 土技术得以广泛的应用和不断发展。根据材质情况，加筋材料可分为四大类： 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。 金属材料，如扁钢带、带肋钢带、镀锌钢带等。 合成材料，如聚丙7 , 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) 。 复合材料，如钢筋混凝土拉筋、钢丝塑料复合土工带( 简称c a t 带) 等【6 】。 目前国内外普遍采用的是后两类，前两类用的较少。但不管使用何种筋材， 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型3 1 ( 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，易取、价廉、能达到施工标准。 加筋土挡墙由面板、加筋材料和填料形成的“墙体”起到了与重力式污工结 构、扶壁结构、沉箱结构等形成的墙体同样的作用，将重力式污工结构、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。 上海大学硕士学位论文 加筋士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， 加筋土挡墙的基础一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。 ( 2 ) 加筋土挡墙的特点 加筋土挡墙与传统的重力式挡墙相比，具有以下特点： 强度及柔性大、抗震性能好 加筋土挡墙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，地基随着回填料的回填增高，地基土所承受 的压力也不断增加，从而加速了地基土的固结，提高了地基的承载能力。加筋土 挡墙还有良好的抗震性能，1 9 8 3 年日本大地震强度达到理氏7 7 级，造成极大破 坏，但加筋土结构却没有损坏【7 】。 质量易控制 加筋土挡墙由预制件组合而成，混凝土面板板块和筋条都在工厂预制。所以 质量容易保证和控制：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。 建造方法简单 建造加筋土挡墙有一定的规范和建筑步骤。偷工减料或错乱程序不易发生。 建造程序简单，质量容易保证，没有豆腐渣工程。 外表美观、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。面板预制件可以变换款式，配合 周围景物，美化环境。 造价低廉、工期短、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 t 3 】【8 】。加筋土挡墙的墙面板可以垂直砌筑，加筋土边坡的坡 4 上海大学硕士学位论文 度一般也比较大，因此，工程占地较少。另外，施工快、工期短，其综合效益十 分显著。如重庆长江滨江路南一段护岸一期工程，挡墙高1 0 - 1 2 m ，长5 0 4 m ，实 际施工时间仅4 6 天，二期工程挡土墙长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。 适应性强、应用广泛 经过几十年的发展，加筋土挡墙目前己广泛应用于各个行业的各种土建工程 中，其中包括各种危险品( 如石油、氨等) 或危险建筑( 核电站) 的围堤、围墙，军 事防护工程和设施等。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 土工合成材料及加筋土挡墙的发展 土体具有一定的抗压和抗剪强度，而它们的抗拉强度却很低。筋材埋在土体 中，可以扩散土体的应力，增加土体的变形模量，传递拉应力，限制土体侧向位 移，还能增加土体和其他材料之间的摩阻力，提高土体及有关建筑物的稳定性。 根据记载，土工合成材料的最早利用，是2 0 世纪3 0 、4 0 年代将聚乙烯、聚 氯乙烯土工膜用作渠道和水池的防渗。随着化纤工业的发展，5 0 年代才有以化 纤制成的织造型土工织物问世f 9 】【1 0 1 。 土工合成材料的主要创始人之一j g i r o u d 先生将士工合成材料发展进程划 分为三个阶段：1 9 6 0 , - 1 9 7 5 年为开拓期；1 9 7 5 1 9 9 0 年为设计施工方法研究和新 产品开发时期；1 9 9 0 年以后为士工聚合物时期。 2 0 世纪6 0 年代末，非织物型无纺土工织物投入市场。2 0 世纪7 0 年代初， 开始了材料机理和设计准则的探讨。1 9 7 9 年巴黎召开的国际加筋土会议后，利 用土工合成材料取代初期的金属条带，加筋土体的技术才被正式提上日程，从而 有了土工格栅产品的兴起。 土工合成材料在我国的应用和发展，大体上也可以分为三个阶斟1 1 】。 第一阶段自2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代末期，可称为自发应用阶段。6 0 年代初，铁路上成功地利用了氯丁橡胶作为路基的封顶层；1 9 7 8 年在云南田坝 贮煤场修建了我国第一座试验性加筋土挡墙；1 9 8 0 年在山西铜城陵川公路 上海大学硕士学位论文 上修建了第一座公路加筋土挡墙。 第二阶段自2 0 世纪8 0 年代初期至8 0 年代末期，可称为技术引进阶段。1 9 8 1 年我国铁路部门研究试用美国、英国生产的无织布及国产透水和不透水合成材料 作为路基的基层，以防止翻浆冒泥，取得了良好的效果；1 9 8 2 1 9 8 3 年进行了塑 料排水带与袋装砂井的对比试验，作为加固软弱地基的措施，在我国首次获得成 功。 第三阶段从2 0 世纪8 0 年代末到现在，可称为建设与发展阶段。加筋土筋材 测试方法、设计规范不断完善。 法国工程师h e n r i v i d a l 于1 9 6 3 年首先公布了其研究成果，提出了土的加筋 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修建了 世界上第一座加筋土挡墙【1 2 1 。由于法国在加筋土技术方面的成功应用，引起了 世界各国工程界、学术界的重视，其发展速度相当快，应用范围也日益广泛。前 联邦德国地下建筑杂志( 1 9 7 9 年) 曾誉之为“继钢筋混凝土之后又一造福 于人类的复合材料”。 在工程应用方面，1 9 9 6 年日本福冈市完成了第一座预压预涨力土工格栅加 筋土桥墩，用于支承长度为1 6 m 的铁路桥钢梁，桥墩地基为软粘土，在建墩前 已用水泥加固，并建成一座土工格栅加筋土桥台支承钢梁的另一端”】。在重庆 长江护岸工程中修建的加筋土挡墙，高8 - 2 8 m ，全长5 6 0 0 m ；在陕西铜川公路上 修建的加筋土挡墙高达5 1 m 。我国先后举行过5 届全国加筋土技术经验交流会 ( 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) 。 1 2 2 土工合成材料加筋土挡土墙的国内外研究现状 随着加筋土应用的迅速发展，对于加筋土结构的研究也快速地开展起来。各 国专家学者对于加筋土的研究都投入了很大的精力。2 0 世纪7 0 年代，法国桥梁 道路中心、美国加州大学、日本国铁和建设省等对于加筋土结构进行了大量的试 验研究。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 国的e s c h l o s s e r 、n g l o n g 、i j u r a n 、美国加州大学的k l l e e 以及d e m c k i t t r i c k 等学者做出了突出贡献。8 0 年代中期，美、法合作，利用离心机进行模拟试验， 6 上海大学硕士学位论文 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。 近年来，随着材料科学等相关技术的进步以及工程环境的复杂化，对于加筋 土的研究也变得更加深入和具体。研究的重点主要包括加筋机理的研究和加筋方 式的改变两个方面。 a i g e n z h a o ( 1 9 9 6 ) t h l 通过楔体平衡法计算了一些加筋土挡墙、边坡和加筋地 基的临界破坏荷载。 吴景海、王德群( 2 0 0 0 ) ”1 等人通过加筋砂土的三轴试验研究，研究比较了针 刺无纺土工织物、涤纶纤维经编土工格栅、玻璃纤维土工格栅、聚丙烯双向土工 格栅和聚乙烯土工网五种国产土工合成材料的加筋效果，得出了一些有益的结 论，也指出了部分土工合成材料产品的不足。 张孟喜、孙钧( 2 0 0 0 ) 1 6 l 在土工合成材料加筋土应变软化特性试验研究的基础 上，提出了合适该工程特性的三段式弹塑性计算模型，并对加筋土挡墙进行了弹 塑性有限元分析。 k h a t a m i , r j b a t h u r s t ( 2 0 0 1 ) t 1 7 1 等人通过试验和计算，探讨了关于如何通过不 同加筋方式的组合，来达到提高挡土墙强度，同时降低经济成本的方法。提出了 一些很有效的新的加筋方法。 杨果林，棚( 2 0 0 3 ) t 1 8 1 等人通过动力荷载作用下的模型试验得出了加筋土 挡墙为路基的动态响应特性，水平、竖向加速度和位移随挡土墙高度的变化规律； 并对加筋土的动力失稳、动变形、动强度和动应力应变关系进行了深入分析。 r a d o s l a wl m i c h a l o w s k i ( 2 0 0 4 ) 1 明计算了加筋地基在粘着破坏和拔出破坏两 种不同情况下，加筋地基的极限承载能力，同时运用数值分析计算了加筋材料的 最佳埋深值。 杨广庆，周敏娟( 2 0 0 5 ) t 2 0 加筋土挡墙墙体等效成各向异性的弹性体，视加 筋土挡墙为一粘结重力挡墙，受到强后土压力作用时会产生水平位移，当受到墙 背水平土压力三角形荷载作用时，分别计算了纯弯和纯剪切两种情况下的水平位 移。 t a e s o o n p a r k s i e w a n n t a n ( 2 0 0 5 ) t 2 1 1 在试验的基础上，验证了采用混合短纤维 7 上海大学硕士学位论文 的加筋土挡墙的加筋效果，通过有限元方法模拟计算了短纤维加筋对于土体强度 的影响，证明使用短纤维加筋能够有效提高挡墙的承载能力，减小墙面板侧向位 移。 h o ei l i n g , y o s h i y u k im o h r i ( 2 0 0 5 ) t 2 2 等人通过室内试验模拟研究了在振动 荷载作用下加筋土挡墙的受力变化，从而进一步推导了地震荷载作用对于加筋土 挡墙的影响。 王祥，周顺华等人( 2 0 0 5 ) t 2 3 1 对铁路路堤式加筋土挡墙的墙面板水平土压力、 墙后土体垂直土压力及加筋材料变形进行了现场原位试验，分析了加筋土挡墙面 板水平土压力沿墙高的变化及分布规律，并得出了路堤式加筋土挡墙的破裂面。 长安大学的高江平等a ( 2 0 0 5 ) 2 4 1 通过对加筋土模型挡墙加载破坏现象的观 察和破坏后裂缝的逐层剖析，提出了加筋土挡墙新的破裂面形式，认为具有上覆荷 载的加筋土结构应存在两组潜在的滑动破裂面，它们都属折线形复合式滑裂面，其 下部倾斜部分均为朗金破裂面，而上部分别为过均布荷载中心及过承载板之后加 筋体拉裂区后部界面的竖直平面。它们比传统的0 3 h 法及朗金破裂面更具有普 遍性。 徐俊，：e 韦l j ( 2 0 0 6 ) 2 5 1 以塑性极限分析理论为基础，将附加粘聚力理论运用于加 筋土挡墙的极限分析，探讨了当土体处于主动极限状态、顶部一定深度范围内存 在平行于墙面的张拉裂缝时加筋土挡墙破裂面形式及其破坏时的临界高度。 在加筋土的设计方法上，仍以极限平衡法最为普遍，其次是有限元法。极限 平衡法是一种保守而安全的设计方法，迄今仍适用于各种土建类工程，不过在分 析计算中未考虑土体变形，设计时要限制筋材的延伸长度1 1 3 1 。而有限元法则可 以提供受荷土体的应力场和位移场，在计算中考虑土体的非均匀性和非线性、土 性随时间的变化、施工程序和荷载变化，因而计算成果可反映从施工开始到运行 期间土体性质变化的全过程。法国的j g g o u r e 和p d e l m a s 等人，在极限平衡法 的基础上，引入了土与筋的应变相容关系，于1 9 8 6 年提出了位移法( d i s p l a c e m e n t m e t h o d ) 。这一方法已经在法国开始应用，并在不断地改进。进入2 0 世纪9 0 年 代，在加筋土设计方面，有些国家的设计人员，开始采用极限状态法，设计时分 为最终极限状态和使用极限状态两大类，考虑建筑物的使用寿命和筋材与土的应 变相容性，对材料特性指标、土力学指标和作用力等，采用分项系数以代替单一 8 上海大学硕士学位论文 的安全系数，较大地改进了极限平衡法，但目前尚未被普遍使用。由于土本身的 力学性质复杂多变，而土工合成材料品种繁多，性能各异，并具有明显的蠕变性 和温度效应，埋在土体内的应力与应变关系不同于无侧限条件下的形状。此外， 还要考虑土筋的相互作用。因此，加筋土的设计上未能完全依靠严密的理论分析 方法去解决实际问题。所以，在设计中，基本原则是以岩土力学原理为基础，结 合加筋工程的具体条件建立使用分析方法，配合工程实践得到的经验或半经验方 法，或利用原型观测和实验以解决实际问题。 随着工程状况的不断复杂化和科学技术以及试验手段的不断改进，加筋土的 研究已经呈现了一种百家争鸣的局面。加筋土技术作为一种重要的工程技术，其 重要性与优越性也日益凸显，在未来很长的一段时间内，加筋土技术必然会得到 长足的发展。 1 3 当前存在的问题 通过上面的介绍可以看到，虽然工程界和学术界通过理论分析、现场试验、 模型试验和数值模拟方法，对加筋土挡墙的结构特性和破坏机理展开了深入的研 究工作，但是鉴于土体、土工合成材料特性以及相互作用机理的复杂性，目前研 究水平仍然远远不能满足指导工程实践的需要。传统的分析方法建立在加筋土体 的极限平衡理论基础上，即假设破裂面、筋材从土中拔出或拔断来分析加筋土体 拉力破坏或粘着破坏的承载力，无法将结构的强度和变形统一考虑，无法计算面 板位移和填土沉降等。2 0 世纪7 0 年代后期才开始的加筋土结构有限元分析将变 形协调与力的平衡结合起来，使某些复杂的性质及过程的模拟成为可能，至今为 止研究仍处于初始阶段，即将加筋土结构视为平面应变问题，筋带视为线弹性杆 单元，面板视为梁单元，结构中不同材料接触面引入界面反应单元，土体本构关 系采用线弹性或弹塑性模型，土体破坏准则常用莫尔一库仑准贝u t 2 6 1 。 分析中考虑动力荷载作用较少是基于“加筋土挡土结构是柔性结构，具有较 好的抗震性能”这一工程界普遍认可的定性结论。事实上，振动或地震荷载作用 对加筋土挡墙的影响不容忽视。因此，在加筋土挡墙结构特性研究过程中，考虑 动力荷载作用，对其动态力学响应进行研究也十分的必要。 分析中不考虑水和土体及筋一土复合体的相互作用，这是由于自加筋土技术 9 上海大学硕士学位论文 问世以来，填料的选用大多被局限在粒状土范围内。其理由是认为粒状土具有较 大的内摩擦角和良好的排水性，以及与加筋材料间能有较大的摩擦阻力等优良的 工程力学性质。但是很多工程实践证明了水也是也是影响加筋土挡墙力学特性和 破坏机理的重要因素，在这一方面，加筋土挡墙的结构设计理论还有待进一步完 善。 此外，对于加筋材料而言，其发展经历了稻草、秸秆、植物纤维到钢筋，然 后到了现在的土工合成材料，筋材的耐磨、抗腐蚀以及强度等方面都得到了很大 的提高，但是，都仅仅停留在对筋材本身性质的研究上。对于筋材的布置方式方 面的研究，却仅仅在加筋层数、单层加筋数以及单层纵横布置方式方面做出改变， 很少有人考虑到筋材的空间布置问题。事实上，加筋土中簇材作为一个受力主体， 它的布置方式对于加筋结构的整体力学特性有着极大的影响【2 ”。 1 4 本文的研究对象及研究方法 1 4 1 问题的提出 综合上述介绍，传统的布筋方式主要是沿土体的水平方向布筋，依靠筋条与 土之间的摩擦力作用来提高加筋土的强度。本文作者导师在长期研究的基础上提 出了一种新的加筋方式立体加筋，并申请了国家发明专利。它是在原有水平 筋条的基础上，布置竖向或者空问筋材( 或称“齿筋”，下同) ，从而形成一种复 合加筋形式。齿筋不仅能限制土体侧向变形，而且还能在齿筋间将形成“土体加 强区”，从而有效地改交加筋土的受力状况，大大提高其强度与稳定性。 条带式带齿加筋是在传统的条带式水平加筋基础上布置竖向或空间形式的 齿筋，水平筋与齿筋问有坚固连接。土中布置条带式带齿加筋后，除了具有传统 水平筋与填土摩擦作用，竖向或空间形式齿筋也提供较大侧阻力，从而约束土体 的变形并在齿筋问将形成“加强土柱”或“加强土楔体”，起到加固效果。根据 齿筋几何形状及其不同组合并考虑到土体碾压密实性，提出以下三种加筋方案： ( 1 ) 等宽条带式带齿加筋 等宽条带式带齿加筋的典型方案如图1 1 所示。齿筋形状可采用变厚度的矩 形、多面体板或半球体等，其宽度与水平筋相同，二者组合形成立体加筋。其中， 1 0 上海大学硕士学位论文 水平筋主要发挥其水平方向土筋摩擦作用；受齿筋的侧阻约束作用，齿筋间的土 体将形成“挤密区域”。为了保证土体能被碾压密实，使水平筋摩擦作用与齿筋 侧阻作用均能充分发挥，齿筋宜只布置在水平筋上侧，二者可正交布置或呈一定 角度，形成“倒楔形”齿筋。 ( a ) 单侧正交水平竖向组合加筋( b ) 正交水平竖向组合加筋土结构 图1 1 等宽条带式带齿加筋的典型方案示意图 ( 2 ) 不等宽条带式带齿加筋 不等宽条带式带齿加筋的典型方案如图1 2 所示。当条带式水平筋宽度较小 时，独自的竖向或空间齿筋通过单根或双根条带式水平筋连接形成齿筋为主的组 合体。由于较窄的条带式水平筋主要起连接作用，组合筋周围孔洞容易保证土体 在施工过程中被压密，齿筋可在水平筋上、下两侧对称布置或单侧布置，也可在 水平筋上单侧布置半球形齿筋。该加筋形式，主要通过齿筋侧阻约束作用，在齿 筋间形成土体“挤密区域”。 秒 ( a ) 双侧正交水平竖向组合加筋( b ) 单侧水平一半球形组合加筋 图1 2 不等宽条带式带齿加筋典型方案 ( 3 ) 杆式带齿加筋 杆式带齿加筋的典型方案如图1 3 所示。若单根连接的水平筋变为较细的圆 柱或棱柱状杆件时，齿筋采用等厚度或变厚度多边形、圆形板，或者在杆式水平 筋上间隔布置类似球形齿筋( 形成类似于“糖葫芦串”加筋) ，则成为杆式带齿 上海大学硕士学位论文 加筋，其齿筋也可采用“倒楔形”布置。这种形式加筋，以齿筋作用为主，杆式 水平筋主要起连接作用。 ( a ) 杆式球形组合加筋( b ) 杆式六边形组合加筋 图1 3 杆式带齿加筋典型方案 为了对加筋在布置方面进行进一步研究，作者导师在提出了立体加筋的概念 之后，已经进行了多组三轴试验进行研究。采用标准砂作为填料土样，所加筋材 则先后选用了橡胶片、镀锌铁皮、有机玻璃板等多种材料，立体加筋形式选用了 纯水平、纯环状竖向、单面单层、单面多层以及半球形复合加筋等6 】【2 7 】1 2 8 l 。通过 这些试验，已经对立体加筋土的强度提高效果进行了初步的讨论。 1 4 2 本文的主要工作 之前所做的三轴试验已经较好的验证了立体加筋土的强度提高效果，但是， 三轴试验表现的仅仅是单元体的受力特性，还不足以对这种新型的加筋方式做出 全面的评价；再者由于三轴试验试样的尺寸较小，边界效应的影响较为严重；此 外，实际工程是平面应变而不是轴对称的受力条件。所以说三轴试验还不能很好 地反映实际情况，十分有必要通过室内模型试验对于带齿加筋这一新的加筋形 式进行进一步的研究。工作首先从正交型条带式带齿加筋展开，本文的所研究内 容为国家自然科学基金资助项目的一部分，主要包括以下几个方面： 模型试验的设计。包括模型箱设计、试验辅助工具的制作和试验方案制 定三个部分。 通过模型试验对于正交型带齿加筋中的单侧正交水平竖向组合加筋进 行试验分析，探讨不同筋条长度、齿筋高度和齿筋间距条件下，加筋挡土墙强度、 承载能力及稳定性的变化。希望得出立体加筋的一些规律，并阐述各种不同方式 对于挡土墙承载能力的影响。 运用极限平衡理论对于挡土墙的承载能力进行分析。加入齿筋的侧向应 1 2 上海大学硕士学位论文 力对于挡墙强度的影响因素，初步得出一个带齿加筋挡土墙的极限承载力公式。 采用工程分析软件f l a c 3 d 对于模型试验挡墙进行数值模拟，比较分析 不同带齿加筋条件下水平筋条上的拉力分布以及齿筋上的侧向应力分布；把模型 试验的实测墙面板位移与模拟结果进行分析比较。 上海大学硕士学位论文 第二章加筋土的基本理论和研究方法 2 1 加筋土的基本原理 砂性土在自重作用或者外荷作用下易产生严重的变形或者坍塌。在土中沿应 变方向埋置拉筋材料，则土与拉筋材料产生摩擦，使加筋土犹如具有某种程度的 粘聚力，从而改良了土的力学特性【1 2 1 。目前主要有两种观点来解释这一现象： 摩擦加筋理论；准粘聚力理论。 2 1 1 摩擦加筋理论 该理论认为，在加筋土结构中，填土自重和荷载等其他外力产生的侧压力作 用于面板，通过面板上的筋带连结件将此侧压力传递给筋带，企图将筋带从土中 拉出。而筋带材料又被土压住，于是筋带与填土之间的摩擦力阻止筋带被拔出。 因此，只要筋带材料具有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则加筋的土体 就可以保持稳定【3 】o 假定拉力沿拉筋长度呈非均匀分布，取一微段，设由土的水平推力在该微段 内所引起的拉力d t = t 1 一正，垂直作用的土重和外荷载为竖向力拉筋与土之 间的摩擦系数为f 拉筋宽度为b ，作用于长讲的拉筋条上下两面垂直力为2 n b d l ， 拉筋与士体之间的摩阻力为2 n f o d l 。如果2 n f b d l d t , 则拉筋与土体之间就不会 相互滑动【2 9 1 。 由于筋带是按一定的间距顺水平方向排列的，所以筋带的拉力是由其接触的 土颗粒传递给没有直接接触的土颗粒。这种力的传递结构目前还在进行研究和探 索中，一般可近似地考虑为土拱的作用，如图2 1 所示。这样，筋带之间的土层 相当于在两条筋带间填满袋状的土，如图2 2 所示，此时袋中颗粒的受力可以认 为与直接同筋带接触的颗粒受力一样。 1 4 上海大学硕士学位论文 o 0 p 。qoo od 口 口b口oq口 图2 1 筋带之间土拱作用 ： r1r 1 r1 r l jlj ljl 图2 2 筋带间土体的稳定 因此，在满足上述只产生摩擦力而不产生滑移的条件下，筋带改良和提高了 砂的力学特性，成为能够支承外力和自重的结构体。 2 1 2 准粘聚力理论 准粘聚力理论认为：加筋土结构可以看作是各向异性的复合材料，通常采用 的拉筋，其弹性模量大于填土。在这种情况下，拉筋与填土的共同作用，包括填 土的抗剪力、填土与拉筋的摩擦阻力以及拉筋的抗拉力，使得带有拉筋的填土的 强度明显提高。此种情况可以看作新的土体具有“粘聚力”，而该“粘聚力”不 是土体所固有的，是加筋的结果，因此称其为“准粘聚力”。 加筋土的基本应力状态如图2 3 所示。在没有拉筋的士体中，在竖向应力矾 的作用下，土体产生竖向压缩变形。随着竖向压力的加大，压缩变形和侧向变形 也随之加大，直到破坏。如果在土体中设置拉筋，则在同样的竖向应力仉作用 下，其侧向变形则会大大减小。这是由于水平拉筋与土体之间产生了摩擦作用， 将引起侧向膨胀的拉力传递给拉筋，使土体侧向变形受到约束。 上海大学硕士学位论文 o s k ( a ) 无加筋土体应力状态 ( b ) 加筋后土体应力状态 图2 3 加筋土的基本应力状态 经过试验证实【”】，如图2 4 所示，加筋砂与未加筋砂的强度曲线几乎完全 平行，说明1 , 0 值在加筋后基本不变，加筋砂的力学性能改善是由于新的复合土体 具有粘聚力的缘故。加筋土的粘聚力是由于加筋而产生的旧，因此被称作准粘 聚力。 o l 0 0 3 图2 a 加筋砂与未加筋砂的强度曲线 准粘聚力可以根据莫尔一库仑定律求得。 q = o i ，t a n 2 ( 4 5 。+ 妒2 ) = ( 盯3 + a t x 3 ) t a n 2 ( 4 5 。+ 妒2 ) ( 2 1 ) 1 6 上海大学硕士学位论文 加筋后，土体处于新的极限平衡状态，即 0 - 1 = 0 3t a n 2 ( 4 5 。 4 - 伊2 ) + 2 c 。t a n ( 4 5 。+ q , 2 ) ( 2 - 2 ) 比较式2 - 1 与式2 2 可得 a 0 - 3t a n 。( 4 5 。+ q , 2 ) = 2 c ，t a n ( 4 5 。+ 伊2 )( 2 3 ) 因此，由于拉筋作用产生的准粘聚力为 1 勺= 巳t a n ( 4 5 。+ 妒2 ) ( 2 - 4 ) ， 上式是建立在拉筋不出现断裂或滑动的情况下得出的，同时也不考虑拉筋受 力作用后产生拉伸变形。显然这只适用于高抗拉强度和高模量的拉筋材料，如钢 带、钢片和高强度、高模量的加筋塑料带等。对于低模量、大延伸率的土工合成 材料的加筋作用机理，不考虑其变形的影响是不符合实际的。为了考虑加筋的变 形性质，取三轴试验的楔体来做进一步的分析，如图2 5 所示。 ( a ) 力学平衡图( b ) 力多边形 图2 5 加筋土楔体力学平衡图 图2 5 中，_ 为试样的截面积；口为破裂角，0 = 4 5 。+ c , o 2 ；妒为土的内摩 擦角；t 为与破裂面相交的各拉筋层的水平合力；【盯】，为拉筋的极限抗拉强度。 极限静力平衡条件 r + 0 3 a t a n ( 4 5 。+ 矿2 ) = 0 - l a t a n ( 4 5 。+ c p 2 ) ( 2 5 ) 而拉筋所能承受的水平合力为 r ： 0 t a , a t a n ( 4 5 。+ c p 2 ) ( 2 - 6 ) a h s ， 1 7 上海大学硕士学位论文 式中：日加筋土中拉筋层垂直间距； 瓯加筋土中拉筋层水平间距( m ) ； 五拉筋的截面积( m 2 ) 。 将式2 2 和式2 - 6 代入式2 5 中，可得 c：trta,atan(45。+dp2) a h s ， c 。即为拉筋作用所产生的准粘聚力。 2 2 加筋土结构的理论研究 2 2 1 加筋土挡土墙破坏模式分析 ( 2 7 ) 加筋土挡土墙的破坏模式分为稳定性破坏、倾覆性破坏及筋材破坏。稳定性 破坏分为整体稳定性破坏和内部稳定性破坏；筋材破坏分为筋材被拉断发生的破 坏和筋材被拔出发生的破坏【3 2 1 ；还有因过大的侧向变形而引起的破坏及筋材长 度不够引起的破坏【3 3 1 。 整体稳定性破坏 这种类型的破坏包括，平面滑移、地基承载力和深层滑动等。其主要破坏形 式为破裂面发生在加筋层下面。如图2 6 所示。 图2 6 整体稳定性破坏假设破裂面 上海大学硕士学位论文 加筋区a b c d 所受的力如下： q l = h k 。( o 5 r n + 口)= r h l + ( 一一) g l = 形+ q ls i n 五= q l c o s 9 安全系数c = n l t a i