（岩土工程专业论文）条形荷载下hv加筋砂土地基作用效果研究.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体中沿水平面布筋，h v ( h o r i z o n t a l v e r t i c a l ) 加筋是在立体加筋的基础上提出的，是一种在水平条带式 筋条上布置竖向或空间筋材形成的组合立体形式。其显著特点是：所加竖筋能 限制土体侧向变形，而在竖筋间将形成“土体加强区”，从而大大提高其强度与 稳定性。 本文分别对水平加筋和h v 加筋两种加筋方式进行了大量的加筋地基模型 试验，并将这两种加筋方式对承载力和沉降的影响进行了对比分析，在此基础 上进行了有限元模拟及理论分析，主要工作有： ( 1 ) 设计加筋地基模型试验，研究竖向加筋高度、水平向加筋长度和竖筋 间距对地基承载力和沉降的影响，并与相同工况下水平加筋进行对比，结果表 明h v 加筋较水平加筋效果好，且随着竖向加筋高度、水平加筋长度的增加和 竖筋间距的减小，加筋效果越好。 ( 2 ) 对h v 加筋地基进行有限元模拟，并与水平加筋对比，研究了h v 加 筋筋材上应力的分布。 ( 3 ) 分析了h v 加筋的作用机理，建立了h v 加筋地基的力学模型，将试 验结果与理论值对比，二者基本吻合。 关键词：h v 加筋；地基；模型试验；承载力；沉降 v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t an e wc o n c e p to fs o i lr e i n f o r c e dw i t hh v ( h o r i z o n t a l v e r t i c a l ) i n c l u s i o n sw a s p r o p o s e dc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lh o r i z o n t a lr e i n f o r c e m e n t s i nt h en e w h vr e i n f o r c e m e n t s ，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 lr e i n f o r c e m e n t s ，s o m ev e r t i c a l r e i n f o r c i n ge l e m e n t sa r ea l s oc l u e du p o nt h eh o r i z o n t a lo n e s t h er e m a r k a b l e c h a r a c t e r i s t i c si st h a tt h e p l a c e d v e r t i c a lr e i n f o r c e m e n t sc a l ll i m i tt h el a t e r a l m o v e m e n t eo ft h es o i l ，a n df o r m “s t r e n g t h e n e dz o n e s ”t h u s ，i tc a ni n c r e a s et h e s t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo ft h es o i lg r e a t l y i nt h i sp a p e r , as e r i e so fr e i n f o r c e df o u n d a t i o nm o d e lt e s t sw e r ec a r r i e do u t s e p a r a t e l yo nh - vr e i n f o r c e m e n t sa n dh o r i z o n t a lr e i n f o r c e m e n t s ，a n dt h eb e a r i n g c a p a c i t ya n dt h es e t t l e m e n to ft h er e i n f o r c e df o u n d a t i o nw e r ec o m p a r e d t h em a i n w o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) d e s i g nt h ep l a no fm o d e lt e s t so f h vr e i n f o r c e ds a n d b e ds u b j e c t e dt os t r i p l o a d i n g c o m p a r i s o nw a sm a d eb e t w e e nb e a r i n gc a p a c i t y s e t t l e m e n tr e l a t i o n s h i po f t h es o i lr e i n f o r e e dw i t hh o r i z o n t a li n c l u s i o n sa n dw i t hh vo n e s f r o mt h et e s t r e s u l t s ，t h ee f f e c to f h vr e i n f o r c i n gw a sm u c hb e t t e rt h a nh o r i z o n t a lr e i n f o r c e m e n t s a n di tb e c a m eb e t t e rw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh e i g h to fv e r t i c a lr e i n f o r c i n ge l e m e n t s a n dh o r i z o n t a ll e n g t h ，a n dt h ed e c r e a s eo fh o r i z o n t a ls p a c eo fv e r t i c a lr e i n f o r c e m e n t ( 2 ) t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t e s so nt h eh vr e i n f o r c e m e n t sw a ss t u d i e db a s e d o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o m p a r e dw i t hh o r i z o n t a lr e i n f o r c e m e n t s ( 3 ) t h es t r e n g t hm e c h a n i s mo ft h eh vr e i n f o r c e m e n t sw a sa n a l y z e d a n da n e wt h e o r e t i c a lm o d e lw a sp r o p o s e dt od e t e r m i n et h e b e a r i n gc a p a c i t y t h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h e o r e t i c a l v a l u e sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw a si ng o o d k e y w o r d s ：h vi n c l u s i o n s ：f o u n d a t i o n ；b e a r i n gc a p a c i t y ；s e t t l e m e n t v i 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：盔丛：日期：鲨里：生f 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) i i 嚣 日期：业 上海大学硕士学位论文 1 1 加筋土简介 1 1 1概述 第一章绪论 加筋土是在土体中加入筋材而形成复合体。由于土体只具有一定的抗压和 抗剪强度，而抗拉强度极低，在土体内铺设或掺入适当的加筋材料，可以不同 程度地改善土体的力学性能，就好比在素混凝土中埋设钢筋可以改善混凝土抗 拉、抗弯性能一样。另外对于松散的砂土，在自重作用下可堆成具有天然休止 角的斜坡，如果在该砂层中分层埋设水平向的加筋材料，则这种由筋材和砂土 形成的筋土复合体就可保持一定高度和直立状态而不塌落成斜坡，表明砂土加 筋后力学性能和稳定性比未加筋前有所改变和提高。 加筋土工程的应用已有上千年的历史了，最早采用的加筋土仅局限于天然 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；在水工建筑中，当地基软弱，不能保证堤身的 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。这些早期筋材都是利用天然材料，完全根据经验来指导实践，但未加 总结，未形成完整的理论和技术。加筋土作为现代建筑艺术加以研究和推广则 是近3 0 年的事。6 0 年代初，法国工程师h e n r iv i d a l 首先对加筋的机理进行了 系统的研究，开创了加筋土技术，并为土的加筋提供了一套分析计算方法。1 9 6 5 在法国修建了第一座加筋土挡墙，并获得成功【l 】。日本对加筋土技术的研究和 应用也比较早。在v i d a l 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”，并在许多公路、城市道路、边坡等工程中广泛应用。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 年修建了加州3 9 号公路开始使用，联邦公路局专门有部门从事有关研究 和应用工作，其推广应用和研究开发也相当快。 加筋土技术在我国的发展和应用是在7 0 年代末才开始的。1 9 7 8 1 9 7 9 年 上海大学硕士学位论文 第一次在云南田坝矿区建成了三座仅2 一- 4 米高的试验性加筋土挡墙。该工程的 成功引起我国工程技术人员的极大兴趣，随后在公路、铁路、水运、煤炭、林 业、水利、城建等行业和部门迅速发展和推广运用。迄今，我国己建成数千座 加筋土工程，大部分应用于公路、城市建设和水运、水利工程。重庆长江滨河 路工程，长约6 公里，护岸挡墙和公路挡墙均采用加筋土结构，墙最高处达3 3 米，加筋土挡墙面积达11 0 0 0 0 平方米，它是我国目前规模最大的加筋土工程， 也是目前世界上规模最大的加筋土工程。仅在重庆地区，近1 0 年加筋土工程就 有数十座，总长度达2 0 余公里，加筋土工程在我国得到快速的发展。 1 1 2 加筋土结构的优点 ( 1 ) 技术简单，施工方便 加筋土工程虽然机理比较复杂，但是施工简单，施工只是单纯作业的重复， 不需要技术工，也不需要支持，也不需要在养护上花费时间，施工速度快，工 期短。 ( 2 ) 经济性 相比于传统的结构体系，加筋土工程所用加筋材料少，且价格低廉。例如 加筋土挡墙的造价与同等条件下的重力式挡墙或其他结构相比，造价降低幅度 一般在1 0 - - 5 0 。 ( 3 ) 适用性强 加筋土工程广泛应用于铁路、公路、水利、挡土墙、地基、采矿以及军工 等工程的各个领域。现在应用比较广泛的加筋材料如：土工格栅、土工织物、 土工格室等，这些材料具有抗拉强度高，耐腐蚀的性能，且造价低，重量轻， 整体连续性好等优点，可以根据不同的工程需要制造出不同的形状和适合不同 工程状况的产品。 ( 4 ) 节省用地 加筋土可用来建筑较陡的边坡及挡土墙面，不需要支撑体系，大地减少用 地。 ( 5 ) 抗震性好 2 上海大学硕士学位论文 由于加筋土结构物所持有的柔性能很好的吸收地震的能量，故具有刚性结 构物无法与之比拟的耐震性能。正因为加筋土具有良好的抗震性，所以在地震 频繁的国家，比如日本，得到快速的发展。 1 1 3 土工合成材料及功能 土工合成材料是以人工合成的聚合物如纤维、塑料、合成橡胶等为原材料 制成的新型岩土工程材料，将其置于土体内部、表面或土、砂、碎石等之间， 使其发挥排水、反滤、隔离、加筋、保护或防渗等作用。 土工合成材料的种类比较多，早期主要有透水的土工织物( g e o t e x t i l e ) 和 不透水的土工膜( g e o m e m b r a n e ) 两类。1 9 9 8 年，我们水利部会同其他有关部门 共同制定了土工合成材料应用技术规范( g b 5 0 2 9 0 9 8 ) 【2 】将土工合成材料分 为四大类：土工织物、土工复合材料、土工膜和土工特种材料，如表1 1 所示： 土工合成材料 g e o s y n t h e t i c s 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 ) 厂。w 织。造v e n ， 筹曩含编织) k n o n w o 造v e n ) 臣 厂沥青土工膜 i 聚合物土工膜 r 复合土工膜 土工复合材料上复合土工织物 ( g e o c o m p o s i t e s ) l 【复合防水材料：排水带、排水管等 土工特种材料 ( g e o - o t h e r s ) 表1 - 1 土工合成材料分类 陬 瞳 工 耻 土 蜘 一 一 虹 虹 条 网 b 等 土 块 一 一 扳 上海大学硕士学位论文 土工合成材料的功能是多方面的，可以概括为以下几种3 】【4 】： ( 1 ) 过滤作用 把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地防止由于土颗粒的 过量流失而造成土体的破坏。例如土石坝粘土心墙和粘土斜墙的滤层、挡土墙 回填土中排水系统的滤层等。 ( 2 ) 排水作用 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土 体外。可用于排水的土工合成材料主要有：无纺土工织物、塑料排水带和具有 较多孔隙的复合土工合成材料。 ( 3 ) 隔离作用 把两种不同粒径的土、砂、石料，或把土、砂、石料与地基隔离开来，以 免相互混杂，或发生土粒流失现象。可用于隔离的土工合成材料主要有：土工 织物和土工膜。 ( 4 ) 加筋作用 土工合成材料埋在土中，可以扩散土体的应力，增加土体的模量，传递拉 应力，限制土体侧向移动，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。可用于加筋的土工合成材料主要有：土工织物( 有纺) 、土 工格栅、土工网、土工格室、土工带及一些复合型的土工合成材料。 ( 6 ) 防渗作用 防止液体的渗漏、气体的挥发，保护环境。可用于防渗的土工合成材料主 要有：土工膜和复合土工膜。 ( 7 ) 减载 在土内掺入或铺设加筋材料后，垂直荷载使加筋产生拉伸变形，筋材的拉 伸强度得到发挥，筋材与土体之间产生摩擦力，限制地基土体的侧向变形，提 高土体的整体性，改变土体的位移场和应力场，均化应力分布，从而提高地基 的承载力。 4 上海大学硕士学位论文 1 2 加筋土研究理论综述 1 2 1 加筋土的基本机理 在工程实践中我们知道，松散的砂土可堆成具有天然休止角的砂堆，粘性 土体可开挖出具有一定高度的垂直坡面。如果在砂土中分层埋设水平向的加筋 材料，则土与拉筋材料之间产生摩擦力，使加筋土犹如具有某种程度的粘聚力， 这种由砂土和加筋材料形成的筋土复合体就可保持一定的高度和直立状态而不 塌成斜坡，它与粘性土体相类似。这表明砂土加筋后所形成的复合体的力学性 能和稳定性比未加筋前有所改善和提高。大量的学者分析了加筋土体的机理， 目前主要存在以下两种观点：( 1 ) 摩擦加筋理论【5 】；( 2 ) 准粘聚力理论。 ( 1 ) 摩擦加筋原理 图1 - 1摩擦加筋原理 根据加筋土复合体中筋一土之间的基本构造，我们在加筋体中取出一微段 来分析。如图l l 所示，微元体长为扰，拉筋左截面受力为互，右截面受力为互， 压住拉筋的法向应力为仃，略去筋带重量和微元体土体重量。设拉筋与土粒之 间的摩擦系数为厂，b 为筋带宽度。由于土的水平推力在该微元段拉筋中所引 起的拉力为d 丁，d 丁= z l 。设d 丁为土粒与拉筋在该微元段上产生的总摩擦 力，则d f = 2 0 f a l l 。 根据对该微元体的受力分析可知，如果d f d t ，则筋土之间不会产生相 互错动，换句话说，土的水平推力被筋土之间的摩擦力所克服，则微元体保持 5 上海大学硕士学位论文 稳定，反之则不能保持稳定。 由上面的分析可知，根据摩擦加筋原理，若要取得很好的加筋效果，拉筋 材料要满足两点：一是表面要粗糙，能使筋一土之间产生足够的摩擦力；二是 要有足够的强度和弹性模量，前者保证在筋一土之间产生错动前拉筋不被拉出， 后者保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。 摩擦加筋原理由于概念明确、简单，在加筋土挡墙的足尺试验中得到了较 好的验证。因此，在加筋土的实际工程中，特别是加筋土挡墙工程中得到较广 泛的应用。 但是，摩擦加筋原理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。所以，对高模量的加筋材料，如金属加筋材料比 较适用，对加筋材料本身模量较小、相对变形较大的合成材料( 如塑料带等) ， 其结果则只能达到比较近似。 ( 2 ) 准粘聚力原理 加筋土结构可看作是各向异性的复合材料，一般情况下拉筋的弹性模量远 远大于填土的弹性模量，拉筋与填土共同工作，外测强度包括了填土的抗剪力、 填土与拉筋材料的摩阻力和拉筋的抗拉力的共同作用，使得加筋土的强度明显 提高。这一点在加筋砂圆柱土样和未加筋砂圆柱土样三轴对比试验中得到验证。 砂土试样在单轴压力下受到压密，土样侧向在竖向压力作用下发生侧向应变。 如在土中布置了拉筋，由于拉筋对土体的摩擦阻力，当土体受到垂直应力作用 时，在拉筋中将产生一个轴向力，起着限制土体侧向变形的作用，相当于在土 中增加了一个侧压力的反力，使土的强度提高了。根据v i d a l 等人的试验【6 】【刀， 加筋土的强度与土的抗剪强度、土和拉筋间的摩擦系数、拉筋的抗拉强度、拉 筋的数量等有关。加筋土在受力变形过程中可能出现拉筋抗拉极限状态、拉筋 与填土间摩擦一粘着极限状态以及填土抗剪极限状态。加筋土的强度分析主要 针对前两种，第三种只有当拉筋与填土的弹性模量相近时才会出现。加筋砂样 比无筋砂样强度提高，可根据库仑理论和摩尔破坏准则来加以阐明： 6 上海大学硕士学位论文 图l - 2加筋土摩尔应力圆及强度包线 如图1 2 所示，圆1 表示围压叽下不加筋砂土破坏时的摩尔圆，直线a 代 表不加筋砂土的强度包线；圆2 表示围压仉下加筋砂土破坏时的摩尔圆，直线 b 代表加筋砂土的强度包线。试验表明直线口、b 基本平行，即加筋与不加筋土 具有相同的内摩擦角。 若把加筋土中的土骨架拿出来当隔离体，则筋的作用可视为对土体施加了 与其布置方向相同的外力。在上述情况下是水平向外力。这样，土骨架受到外 荷产生的应力q 、0 5 以及筋材产生的周围压力a o 3 。由于加筋土破坏时，其对 应的不加筋土模型服从强度包线a ，这样加筋土破坏时其中土骨架的应力状态 可用圆3 表示。它的实际小主应力为o - 3 ，围压为o - 3 ，筋对土骨架的附加压应 力为 a o - 3 = o - 3 ，一巳 从几何关系可得 a 0 5 广2 a c t a n ( 4 5 。一詈) ( 1 1 ) 式中：& 为加筋土与不加筋土粘聚力之差。土破坏时的a o - 3 ，是筋对土 骨架最大的附加压应力，试样与此相应的轴向应变和水平应变为毛，a e 3 厂。在 试样破坏前任意时刻的附加压应力a 0 5 可根据筋材本身的拉应变及其应力应变 关系确定。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 7 上海大学硕士学位论文 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1 3 所示。 a 吒t a n o 图1 - 3 加筋土楔体力学平衡图 图1 3 中，a 为试样的截面积；0 = 4 5 + 罢为土的破裂角； z 相交的各拉筋层的水平合力。极限静力平衡条件： 丁+ q 彳t a n ( 4 5 。+ 等) = q ，衫t a n ( 4 5 。+ 号) 而拉筋所能承受的水平合力为： r 为与破裂面 ( 1 - 2 ) r ：兰t a n o r ， ( 4 1 3 ) d j 式中：墨为单位厚的加筋土中筋材的极限抗拉强度。由上面两个式子我们得到： 口l f ：i r k v + 6 r k o 、f 2 飞。 g 誊p ( 1 - 4 ) 比较加筋试样和不加筋试样的极限平衡条件表达式，我们得到，在相同的 侧向压力作用下，加筋砂试样比不加筋试样提高了一个竖向压力增量q ，即 虾軎 ( 1 - 5 ) 结合公式( 1 i ) ，得到准粘聚力血为 c _ 墼臣 ( 1 - 6 ) 2 d ( 3 ) 其他理论假定 o j u r a i l ( 1 9 8 8 ) 3 j h 筋理论 上海大学硕士学位论文 j u t a n ( 1 9 8 8 ) 【8 】力口筋理论考虑了筋材的延展性、砂土的力学特性( 尤其是剪胀 性) 以及筋材与试样中潜在破裂面的方位关系，用弹塑性模型来描述砂土的变形 特征，认为砂土是一种均质的各向同性的应变硬化材料，服从非关联的流动法 则。 复合材料原理 c h a r l e sg e r r a r d 等( 1 9 8 2 ) 借鉴复合材料的理论来研究加筋土，将加筋土 视为交替正交层系，用等代均值材料的理论来分析加筋土的应力一应变关系。 该方法要求土体与筋才均为弹性体，而且二者之间不产生相对滑动。因此。该 方法只适用于加筋土处于工作荷载条件而不是极限条件下。 弹性层板理论 吴林权【9 1 ( 1 9 9 0 ) 认为弹性薄膜与土工织物的受力是相似的。从弹性薄膜 理论出发，导出了地基变形和土工织物受力的耦合的微分方程，并在平面应变 条件下对土工织物与土之间的相互作用进行研究。 1 2 2 加筋土本构关系 由于加筋土结构的复杂性，尤其是筋土界面的力学性质的不确定性，很难 用一种简单的模型反应材料的本质特性，随着加筋土的应用和发展，加筋土的 本构关系经历了从弹性、弹性非线性至弹塑性乃至流变模型的发展过程。 ( 1 ) 弹性模型 h a r r i s o n 和g e r a r d 1 0 】( 1 9 7 2 ) 提出把正交各向异性材料的弹性理论用于加 筋土；加利福利亚大学的r o m s t a d 和s h e n ( 1 9 7 6 ) 1 1 】等人考虑到加筋土体内的 摩擦特性，把加筋土体看成一种正交的复合材料； s h u k l a 和c h a n ( 1 9 9 4 ) 【1 2 】 将加筋土的各个部分简化成一般的力学单元，提出了软土地基上加筋土的沉降 计算的普遍力学模型。 ( 2 ) 弹塑性模型 n e j a de n s a 和s h a h o u r - 1 3 1 ( 2 0 0 0 ) 假设土和筋材都为弹塑性材料提出了一个 简化的弹塑性宏观模型；张孟喜等人 1 4 1 选用窗纱、土工织物、橡胶等作为加筋 材料，进行不同围压下的三轴试验，得出了窗纱加筋土和土工织物加筋土的应 9 上海大学硕士学位论文 变硬化一软化的应力一应变三轴试验结果。 ( 3 ) 流变模型 s a w i c k i 1 习( 1 9 9 9 ) 建立了适用于加筋土的流变模型，此模型以流变介质为 基础，模型中假设筋材为粘弹性体，土是弹塑性体，把加筋土的整个应力一应 变关系分成弹性和塑性两个阶段，分别建立各阶段的模型方程。 1 2 3 加筋方式的研究 随着加筋土工程的应用和发展，加筋的方式也获得了很大的发展。加筋材 料由二十世纪七、八十的纤维、土工布等发展到九十年代的平面肋式加筋、土 工格栅、土工格室、立体加筋等各种方式。 l a w t o n 等【l6 】提出了一种“正交哑铃”式多方向的土工合成材料的加筋方式， 并进行了相关承载系数( c b r ) 试验；熊正洪、张孟喜 1 7 】通过理论分析及模型 试验，研究了在自重和有超载两种条件下加筋土挡墙中筋条布置的最佳倾角； k r i s h n a w a m y 和a s a a c 1 8 】采用直径为3 8 c m 和1 0 0 c m 两种直径的土工织物加筋砂 土试样进行了三轴试验，并比较了土工织物加筋后砂土的液化趋势：g a r r y 和 o h a s h i 1 9 】通过一系列包含天然纤维、合成材料及金属纤维的纤维砂土直剪试验， 研究了其不同纤维角度对应力、应变的影响；a r e n i c z 和c h o u d h u r y t 2 0 】进行了金 属纤维为随机分布的纤维土与条带式加筋的直剪试验与模型试验，研究t a n 筋 土挡墙的承载力、破裂面与临界高度等；杨国林【2 i 】提出了由纵横筋组成的平面 网格式的加筋形式，并对混凝土平面网格式加筋土结构进行了稳定性分析； r a j i a g o p a l 等【2 2 1 对单个及多个土工格室的加筋土进行7 - - 轴试验；陈群 2 3 】对平 面锲性混凝土拉筋加筋土挡墙中的筋条拉力、沉降、墙面板压力、面板水平位 移及施加荷载后的变化进行了原位观测；雷胜友 2 4 】分析了钢筋混凝土串联作为 筋带的加筋土支挡结构的强度特征；谢文东【2 5 】提出了“加筋环”的新型加筋形式。 1 3 本文的研究内容 1 3 1 h v 加筋土方案 由前面关于加筋土布筋方式的介绍我们可以发现目前主要的布筋形式是沿 1 0 上海大学硕士学位论文 土体的水平向布筋，采用这种布筋方式，加筋土强度提高的主要原因在于筋条 和土之间的摩擦力。本文的导师张孟喜教授在长期研究的基础上提出了一种新 的加筋方式- h v 加筋，并申请了国家专利。这种加筋方式是在传统水平筋材 的基础上，布置竖向或空间筋材( 或称齿筋) ，从而形成一种复合加筋形式，水 平加筋与竖筋有坚固的连接。竖向的筋材能提供较大的侧阻力，不仅能限制土 体的侧向变形，而且还能在竖筋之间形成“土体加强区”，在这个区域内的土体 密实度很高，土体强度很大，从而有效改变加筋土体的受力状况，大大提高其 稳定性。 本加筋方式提出以来，前几届师兄们进行了大量的三轴试验和模型试验， 对这种加筋方式对加筋土强度的影响进行了大量的研究，这些成果对我们今天 的试验研究提供了很大的帮助。在三轴试验中，在水平向筋材上加上竖向筋材 后，其强度明显提高，且其承载力随着竖向加筋的高度和加筋率的增加，相应 的竖向应变减小。而对于h v 加筋进行的拉拔试验和加筋土挡墙试验发现，随 着竖向加筋高度的增加，其拉拔的位移和挡墙的侧向位移都较水平加筋有所减 少，加筋效果较好2 6 】【2 7 1 。 h v 加筋是集水平、竖向、空间为一体的三维立体结构。根据竖向筋材的 形状及不同组合并考虑到土体碾压密实性，提出以下两种方案： ( 1 ) 方案i 一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 4 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，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 用与竖筋侧阻作用均能充分发挥，竖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。 上海大学硕士学位论文 勿夕少 ( a ) 单侧正交水平一竖向组合( b ) 正交水平一竖向组台加筋土结构 图1 4 等宽条带式带齿加筋典型方案示意图 ( 2 ) 方案一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i - 5 所示。当条带式水平筋宽度较 小时，独自的竖向或空间竖筋通过单根或双根条带式水平筋连接形成竖筋为主 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，竖筋可在水平筋上、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，主要通过竖筋侧阻约束作 用，在竖筋间形成土体“挤密区域”。 ( a ) 双侧正交水平一竖向组合加箭 ( b ) 单侧水平一半球形组合加筋 图i - 5 不等宽条带式带齿加筋典型方案 条带式加筋形式是在立体加筋的基础上深化的，其力学性能更加合理化， 随着立体加筋概念的提出，相信这种加筋形式将随着技未的应用和需求越来越 丰富。 i32 本文的主要工作 本文在前人对h - v 加筋大量研究的基础上，将这种加筋方式应用到加固软 基中通过加筋地基的模型试验，得出这种加筋方式在不同的加筋条件下的的 上海大学硕士学位论文 承载力p 沉降s 的曲线，研究这种加筋方式的作用机理，主要分为三部分： ( 1 ) 设计加筋地基的模型试验，针对不同的水平筋材长度、竖向筋材高度 和竖向筋材间距这三种工况进行加载试验并与水平加筋结果进行对比。分析不 同加筋工况对承载力和沉降的影响，探讨h v 加筋的加筋机理； ( 2 ) 对h v 加筋地基进行有限元模拟，研究在加筋地基中h v 加筋与土 体相互作用特征，并分析接触面上水平筋才上摩擦力、竖向筋材上的侧阻力的 分布状况，并与水平加筋进行对比； ( 3 ) 在模型试验和有限元分析的基础上分析了h v 加筋的作用机理。 上海大学硕士学位论文 第二章加筋地基机理及计算方法 2 1 加筋地基的研究概况 2 1 1 加筋土地基概述 加筋地基作为一种地基的处理方法是将基础下一定范围内的软弱土层挖 去，然后逐层铺设土工合成材料与砂石等组成的加筋复合垫层作为地基持力层， 常用的土工材料有土工布、土工格栅、土工带人工编织网等。这种方法能够有 效的利用土工材料的抗拉强度，能够显著的提高地基的承载力和减小基础的不 均匀沉降，从而提高地基的稳定性，且造价经济，施工方便，因此这种方法广 泛应用于路基、岸堤和工业与民用建筑等加筋土工程，具有良好的应用价值。 美国佛罗里达州圣彼得堡e c k e r d 学院利用有纺高密聚乙烯材料加固一幢砖混结 构的建筑物的地基，该建筑物自1 9 9 8 年完成以来，至今观测效果很好，没有出 现明显的沉降裂缝【2 8 】。 2 1 2 加筋地基研究现状 自法国h e n r iv i d a l 于1 9 6 3 年提出“加筋土”概念以来，国内外学者对加筋土 的工作机理、本构模型、承载力进行了大量的研究，取得了重大进展。 y a n g 2 9 1 ( 1 9 7 2 ) 首先提出“等效围压”的概念，即将多层加筋土中的筋材的作 用当成一个附加周围压力( c r 3 ) 来分析加筋土0 0 破坏； d o n n l d 等 3 0 1 ( 1 9 8 6 ) m 等效围压的概念较好地分析t - - 轴试验中加筋土的加 筋机理，即试样在三轴剪切试验过程中，未加筋土样在等效围压( 吼+ a c t 3 ) 作用 下的抗剪强度等效于加筋土在围压仉作用下的抗剪强度； g i r o u d 3 h 通过对加筋地基和传递机理的分析，提出用拱膜二步法分析加筋 地基承载力，并提出了相应的计算公式； b i n q u e ta n dl e e 3 2 【3 3 1 ( 19 7 5 a , b ) 提出加筋地基“扩散层”( w i d e s l a b ) 理论，在 1 4 上海大学硕士学位论文 砂土地基中水平加入金属条，根据半无限弹性地基的应力分布假定破坏面，提 出了加筋地基承载力计算方法，并解释了短筋材( 如筋材长度等于基础的宽度) 加筋对提高地基承载力的影响； y a m a n o u c h 3 4 1 ( 1 9 7 9 ) 短i 过在软土中分层铺设土工网来研究加筋对地基承载 力的影响，考虑加筋地基中筋材的张力膜作用和旁侧荷载的压力作用，提出了 改进的t e f z a g l l i 加筋地基的极限承载力公式； h u a n g a n dt a t s u o k a ”1 ( 1 9 8 8 ，1 9 9 0 ) 做了一系列小尺度的模型试验，他们认为 “深基础”( d e e p f o o t i n g ) 机理和“扩散层”( w i d e s l a b ) 机理都是加筋砂土地基的破 坏机理，至于最终发生那种破坏形式是由加筋的长度、刚度、加筋间距和疏密 程度等因素决定的； m a n j u n a t h 和d e w a i k a r 等 3 6 1 ( 1 9 9 6 ) 通过模型试验来研究基础受倾斜或偏心 荷载时加筋地基的承载力特性，认为在砂土中加筋是提高砂土地基承载力的一 个有效方法； g u i d o 等【3 7 】【3 8 】【3 9 ( 1 9 8 5 ，1 9 8 6 ，1 9 8 7 ) 零j d z - l - 格栅加筋砂土垫层进行模型试验 研究，得到加筋材料对地基承载力的影响规律，指出加筋材料长度l = 2 b 时加 筋效果最佳； z h u 4 0 ( 2 0 0 0 ) 考虑土工格室与填土间的相互作用，基于极限平衡分析理论， 按照t e r z a 咖条形地基的承载力理论，推导了条形基础下土工格室加筋地基的 承载力计算公式； b e r g a d o 4 1 1 ( 1 9 9 8 ) 在泰国曼谷软土地基上进行了原型试验研究，研究了软土 地基加筋填筑路堤，试验成果表明，加筋堤比无加筋堤的竖向变形和水平变形 要小，出现塑性变形后，加筋的拉力增加了路堤的稳定性，明显地提高了路堤 的破坏强度； 王钊、王协群 4 2 ( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 针对筋材断裂及筋材被拔出两种状态，考虑 筋材拉力向上分力的张力膜作用和水平分力的侧向限制作用，对加筋地基进行 了极限状态分析，运用极限平衡原理推导出加筋地基极限承载力的计算公式， 并给出土工合成材料加筋地基的设计方法； j e w e l l ( 1 9 8 4 ) 和r o w e ( 1 9 8 5 ) 4 3 】1 4 4 等探讨了筋土界面的拉拔机理；r a j u 和 上海大学硕士学位论文 f a n n i n ( 19 9 7 ) 4 5 1 探讨了格栅循环荷载下的拉拔力规律；r a c a n a 等( 2 0 0 3 v 删对 波状的土工织物带进行了拉拔试验的研究：张孟喜( 2 0 0 6 ) 4 7 】【4 8 】提出立体加筋 土概念并通过三轴试验研究了其强度特性。上述研究成果对加筋地基的发展起 着积极的推动作用。 目前，对地基的加筋机理主要有以下几种认识： 侧向变形的约束作用。根据大量的三轴试验结果，认为筋材相当于给 土体增加了一个侧向约束力，限制地基土体的侧向变形，增强土体的整体性， 改变地基的位移场和应力场，均化应力分布，相应改变了破裂面的位置和形状， 使破裂面位置加深，从而提高地基承载力，调整不均匀沉降。 波纹效应。应变较小时，土与筋材的相互作用主要是受它们之间的摩擦 特性所控制，随着应变的增大，筋材呈现波浪状，土与筋材发生挠曲变形，在 加筋复合地基内出现波纹效应( 王伟1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 4 9 】，筋材柔韧性越好，其波 纹效应越明显。在加筋平面筋材产生张力，就好像一条张紧的薄膜，约束基上 变形，改变地基的应力状况。 土体应力场、位移场重分布作用。加筋能有效改变原有土体的应力和应 变分布。一些学者发现筋材摩擦力对其应力状态变化的影响，改变了整个体系 的应力场。沈珠江( 1 9 9 8 ) 认为当筋材具有足够强度，不发生断裂或拔出等情况 下，圆弧滑动是不可能出现的，唯一的破坏形式是伴随沉降而产生的横向挤出。 由于筋材改变了地基剪应力的方向，从而使地基的承载力大幅度地提高。王伟 ( 2 0 0 0 ) 在软基的织物加固机理研究中，也提出了加筋明显地改变了地基的位移 场，实质上，加筋垫层在复合地基基本上形成了一个“自撑式的持力体系”。 而对于加筋土的破坏模式一般认为主要有以下两种： 筋土相对滑动。通常发生在周围压力较小、加筋的间距较大的情况下， 加筋土的抗剪强度取决于筋土界面的摩擦抗剪强度。 加筋拉断。通常发生在周围压力较大、加筋的间距较小的情况下，加筋 土的抗剪强度取决于加筋的抗拉强度( g r a y , 1 9 8 6 ) 5 0 】。h a u s m a n n ( 1 9 8 8 ) 5 1 1 通过 改变周围压力的大小或调整加筋平面与水平面的夹角来研究加筋土的破坏，发 现以上两种破坏模式之间可以相互转换。 1 6 上海大学硕士学位论文 2 2 加筋地基承载力计算方法 通过大量的模型试验和工程应用，大家都知道，在基础下面布置一定层数、 深度的加筋材料，可以显著提高地基的承载力，减小地基的沉降，控制地基的 不均匀沉降，但是对于地基的极限承载力的计算，莫衷一是。主要是因为地基 的破坏与地基破坏形式的出现与地基上的荷载条件、地基的埋置深度、筋材的 强度、土的种类和密度等多种因素有关。但在加筋地基中，筋材的强度、形状、 弹性模量、筋材的埋置深度、间距以及筋材与土的界面摩擦特性等，均会对加 筋地基承载力产生影响。以下介绍几种加筋地基的承载力计算方法。 2 2 1 深基础理论 东京大学的c h i n gc h u a nh u a n g 5 2 1 等人通过加筋砂土地基模型试验，研究了 加筋砂土的承载力特性。首先，对于不加筋砂土，通过观察地基的应变场，认 为不加筋地基的破坏形式如图2 - 1 ( a ) 所示： 不加筋地基承载力可表达如下： 式中： 吼o2g l + q 2 g l = k p k v - - t a n 2 ( 4 5 。+ 争 吒= 7 k v ( d 。+ s 1 ) 2 g 。基础下破坏块体的抗拉强度； ( 2 1 ) ( 2 2 ) g ：平面应变单元水平摩擦引起的承载力分量，在平面 应变试验中为零； 7 雹步的重度； d 口块体的高度； 1 7 上海大学硕士学位论文 s 。基础在地基沉降时的沉降量。 土体加筋后，相当于对加筋地基增加了一个埋深，地基应变场变为 图2 - 1 ( b ) 所示。地基承载力为： q 。= q 。o - i - q o ” 么孓、，夕7 。| 一 j 。i 、 。 f l 几、v ，- j二 ( 2 - 3 ) ( a ) 无筋地基( b ) 加筋地基 图2 - 1 无筋地基和加筋地基应变场对比 2 2 2 改进太沙基；去【5 3 】 1 9 2 1 年，p r a n d t l 根据塑性理论，研究了刚性硬物压入无质量的软弱介质 中，介质达到破坏时滑动面的形状和极限压应力公式，并发表了研究成果。太 沙基( 1 9 4 3 ) 延伸了p r a n d t l 的塑性破坏理论，继续推导出条形浅基础地基承载 力的公式。 p 。= c u c - i - 7 眦+ 譬， ( 2 4 ) 式中，见地基极限承载力，l 【p a ； c 地基土的粘聚力，k p a ： g 地基旁侧荷载，q = y d ，k p a ； d 基础埋深，1 1 1 ； 6 基础宽度，m ： 7 地基土的重度，k n m 3 上海大学硕士学位论文 c 、，承载力系数，由地基的内摩擦角驴查有关图表。 其中口还可以用下式表示： m = 矿劬妒t a i l 2 ( 4 5 。+ 詈) 从上式可见，己知基础尺寸b 、基础埋深d 、地基土的重度y 和抗剪强度参 数c 、缈等参数即可计算地基的极限承载力，将地基极限承载力除以一定的安 全系数即得到地基的容许承载力，安全系数取值2 肚3 0 。 当用一层筋材布置在基础下方时，应对上式进行修正。修正后的地基极限 承载力公式为： p 。：以+ ( ”+ 互) m + 丝，+ 2 ls i n ( 2 - 5 ) 见2 以+ ( 筘+ 盖) 以+ 等，+ 丁 此为改进的太沙基极限承载力公式，式中， z 筋材的容许抗拉强度，蝌m ； s 基础的最终沉降量，m ； r 基础两侧隆起的假想圆半径，一般取r = 3 o m ，对厚度小于6 m 的软土地基，取基础宽度的一半； 口筋材拉力与水平面的夹角，可假设由主动破坏面确定，即 口：4 5 。+ 里： 2 假设筋材的变形图如图2 - 2 所示，并在筋材中产生拉力艺，筋材增加 的地基承载力可用下式表示： b 图2 - 2 加筋地基受力分析 1 9 上海大学硕士学位论文 v - ( ( m 套m + 半) k ( 2 - 6 ) 式中，k 地基承载力系数，取k - - - 2 肚3 0 上式中，7 s + 玉2 r 为增加的旁侧荷载，其中，g2 玉2 r 为薄壁圆筒压力容量 公式内压力q = 瓦r 值的一半，它代表了一侧的薄膜拉力产生的镇压作用a 式 中，zs i n a 为筋材拉力的向上分力。 2 2 3 b i n q u e t 方法 b i n q u e t 方法【3 2 1 假设地基土为均质各向同性体，加筋体的设置并不改变地基 中的应力分布规律，地基应力分布仍符合b o u s s i n e s q 解；加筋地基的破坏位置 由地基最大剪应力乞懈确定，如图2 - 3 所示，筋材在破坏面处的拉力铅直向上。 各层筋材拉力计算式为： 互= ( 厶- f ) ( 4 b 一4 品) ( 2 7 ) 式中， 互第f 层筋条拉力设计值，k n m ； 厶、厂分别为加筋地基和原地基承载力设计值； 小4 无量纲系数，与筋材布置深度z 和