（水工结构工程专业论文）土工格栅加筋挡土墙数值模拟及特性研究.pdf

摘要 土工格栅加筋挡土墙结构，由于具有良好的经济效益、施工简便、地基的适应性强、 地基处理简单、抗振动性好、造型美观且无环境污染等特点，被广泛应用于公路、铁路、 建筑、水利等领域的工程实践中。然而，其工作性能涉及到强度、变形和稳定性三个方 面的问题，在实际工程中尚未得到合理的解决。 本文在前人研究的理论和实践基础上，通过建立非线性的数值计算模型并运用 f l a c 3 d 有限差分程序进行数值分析，得出了一系列有益的结论，对于完善土工格栅加 筋挡土墙的理论体系，指导实际工程的设计与施工具有一定的借鉴作用。 本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 回顾了支挡结构、加筋土技术以及加筋挡土墙的发展特点及应用情况，归纳 总结了加筋挡土墙当前的理论研究现状和未来发展趋势； ( 2 ) 总结了土工格栅的工程特性及应用状况，深入探讨了土工格栅与土相互作用 形式及其作用机理，以及影响筋土界面特性的因素及其特点； ( 3 ) 简要介绍了f l a c 3 d ( 三维快速拉格朗日分析) 有限差分程序的基本原理和特 点，对于填土和填土一格栅接触面分别采用摩尔一库仑( m o h r - c o u l o m b ) 弹塑性模型 和无厚度接触面单元模式，建立了能够模拟逐层填筑和分级加载过程的工程实用非线性 筋土分离式弹塑性数值计算模型，并以一座土工格栅加筋试验墙和一座建造在成层地基 单面板土工格栅加筋挡土墙实际工程为数值分析的研究对象，运用f l a c 3 d 程序进行了 数值计算，将计算结果与实测结果进行对比分析，验证了计算模型分析的合理性与有效 性，据此为后面基于上述模型的加筋挡土墙的特性研究提供了实例验证； ( 4 ) 根据上述模型，分析计算地基不同强度条件下土工格栅加筋挡土墙应力应变 以及变形的特点，详细研究地基强度和刚度对加筋挡土墙工作性能的影响情况； ( 5 ) 结合加筋挡土墙的工作机理，以不同墙高条件下加筋挡土墙为研究对象，对 筋材刚度、土体抗剪强度和刚度、筋土界面强度等计算参数，进行强度参数的分析，通 过对比分析探讨了各计算参数对土工格栅加筋挡土墙工作性能的影响程度，从而得到对 工程实际有参考价值的规律性结论。 关键词：土工格栅加筋挡土墙；数值模拟；特性研究；f l a c 3 d 程序；参数分析 a b s t r a c t g e o g r i d r e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l sa r ew i d e l yu s e d i nv a r i o u sf i e l d s ，s u c ha s h i g h w a y ，r a i l w a y ，a r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g ，h y d r a u l i ce n g i n e e r i n ga n d s oo n ，b e c a u s eo f i t s r e m a r k a b l ee c o n o m i c a lb e n e f i t s ，c o n s t r u c t i n gc o n v e n i e n c e ，a d a p t i o nt ot h ef o u n d a t i o n ， s i m p l i c i t yo ff o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，g o o dv i b r a t i o nr e s i s t a n c e ，s h a p e l yc o n f i g u r a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n f r e ee t c h o w e v e r ，t h ep r o b l e m so ns t r e n g t h ，d e f o r m a t i o na n d s t a b i l i t ya r en o tw e l ls e t t l e di na p p l i c a t i o no fg e o g r i d 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 b a s e do nt h e o r ya n dp r a c t i c eo fp r e d e c e s s o r s ，t h er e s u l t so fn u m e r i c a la n a l y s i sb ya n u m e r i c a ln o n l i n e a ra n a l y s i sm o d e lu s i n gaf i n i t ed i f f e r e n c ep r o g r a mf l a c 3 uh a v eb e e n p r e s e n t e d t h ei m p l i c a t i o n st od e s i g na n dc o n s t r u c t i o nb a s e do nt h en u m e r i c a lr e s u l t so f c u r r e n ts t u d ya r eo b t a i n e da n dt h e o r ys y s t e mf o rg e o g r i d r e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l si s d e v e l o p e d t h em a i n w o r ki nt h i sp a p e ri sf o l l o w e da s ： ( 1 ) r e v i e wt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ns o i l r e t a i n i n gs t r u c t u r e ，s o i l r e i n f o r c e d t e c h n i q u ea n dr e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l ， a n dt h e ns u m m a r i z ec u r r e n tt h e o r yr e s e a r c ha n d t r e n do fd e v e l o p m e n to nr e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l ( 2 ) g e n e r a l i z ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so ng e o g r i d ，a n dp r o b ei n t o m o d e sa n dm e c h a n i s m so fg e o g r i d s o i li n t e r a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so n g e o g r i d - s o i li n t e r f a c ea r es t u d i e d ( 3 ) i n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l ea n df e a t u r e so faf i n i t ed i f f e r e n c ep r o g r a mf l a c ， f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u ai n3d i m e n s i o n s aa p p l i e dn u m e r i c a ln o n l i n e a r a n a l y s i sm o d e lc o n s i d e r i n gt h ef i l l i n go fl a y e r sb yl a y e r sa n dl o a d i n gs t e pb ys t e p i s d e v e l o p e d f o rt h eg e o g r i d 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 ，w h i c hi sb a s e do nt h e m o h r c o u l o m be l a s t o - p l a s t i cm o d e lo fs o i l sa n dz e r ot h i c k n e s sc o n t a c te l e m e n tm o d e lo f i n t e r f a c e s c o m p a r e d t h er e s p o n s ec a l c u l a t e d u s i n gf l a c 3 dp r o g r a mt o t h eo b s e r v e d b e h a v i o u r ，t w oc a s e sf o raf u l l - s c a l et e s tw a l l r e i n f o r c e dw i t hg e o g r i d sa n da na c t u a l g e o g r i d - r e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l lo fo n e - s i d ef a c i n gc o n s t r u c t e d o nal a y e r e ds o i l f o u n d a t i o na r ei n v e s t i g a t e dt ov e r i f yt h er a t i o n a l i t ya n da v a i l a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dn u m e r i c a l m o d e l ，w h i c hi sag o o dt e s tf o rt h ef o l l o w i n gn u m e r i c a ls t u d i e so nf e a t u r e so fw a l l p e r f o r m a n c e ( 4 ) b a s e do nt h ea b o v en u m e r i c a la p p r o a c h ，t h eo v e r a l lb e h a v i o u ro fg e o g r i d r e i n f o r c e d s o i lr e t a i n i n gw a l l sc o n s t r u c t e do nd i f f e r e n tf o u n d a t i o n s ，i n c l u d i n gt h es t r e s sa n ds t r a i no ft h e g e o g r i d sa n dd e f o r m a t i o no ft h ew a l l ，c a nb ei n v e s t i g a t e d t h e ne f f e c t so ff o u n d a t i o ns t r e n g t h a n ds t i f f n e s so nt h ew a l lp e r f o r m a c ea r er e s e a r c h e d ( 5 ) c o m b i n i n gw i t ht h ep e r f o r m a n c em e c h a n i s mo fr e i n f o r c e ds o i lw a l l s ，ac o m p a r a t i v e a n a l y s i sf o rd i f f e r e n tw a l lh e i g h t si sc o n d u c t e df o rav a r i e dr a n g eo fs t r e n g t hp a r a m e t e r s ， i n c l u d i n gr e i n f o r c e m e n ts t i f f n e s s ，b a c k f i l ls t r e n g t ha n ds t i f f n e s sa n dg e o g r i d s o i li n t e r f a c e s t r e n g t h b a s e do nt h ec o m p u t e dr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r so nt h ew a l lb e h a v i o u r i sd i s c u s s e d i nt h ee n d ，s o m er e g u l a rc o n c l u s i o n sw h i c ha leb e n e f i c i a lt ot h ea c t u a l e n g i n e e r i n ga r es u m m e du p k e y w o r d s ：g e o g r i d - 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 ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r e s e a r c ho f p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ：f l a c 3 dp r o g r a m ；p a r a m e t e ra n a i y s i s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工作的同事对本研 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。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：墨l 墨2 0 0 6 年歹月j 弓日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 童! l 圣 2 0 0 6 年方月2 弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 支挡结构的简介及应用1 3 嘲 为保持结构物两侧的土体、物料有一定高差的结构称为支挡结构。以刚性较大的墙 体支承填土和物料并保证其稳定的通常称为挡土墙；而对于具有一定柔软性的结构，如 板桩墙、开挖支撑通常称为柔性挡土墙或支挡结构。 支挡结构在各种土建工程中得到广泛的应用，如公路、铁路的挡土墙、桥台；水利、 港湾工程的河岸及水闸的岸墙：民用与工业建筑的地下连续墙、开挖支撑等。随着大量 土木工程在地形复杂地区的兴建，支挡结构愈加显得重要，支挡结构的设计，将直接影 响到工程的经济效益和安全。 支挡结构类型的划分方法较多，除按支挡结构设置位置划分外，还可按结构型式、 建筑材料、施工方法及所处环境条件等进行划分。一般以支挡结构的结构型式分类为主， 常见的结构型式有：重力式、半重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、锚杆式、锚定板式、 加筋土式、板桩式、土钉式、竖向预应力锚杆式及地下连续墙式等。 支挡结构作为一种结构物，其类型是各种各样的，其适用范围将取决于墙址地形、 工程地质、水文地质、水文资料、建筑材料、墙的用途、施工方法、技术经济条件及当 地的经验等因素。表1 1 简要列出了各类支挡结构的结构型式、特点及适用范围。 表1 1支挡结构类型、特点及适用范围 类型结构示意图特点及适用范围 重弋 1 、依靠墙身自重承受土压力，保持稳定； 2 、般采用浆砌片( 块) 石砌筑，墙高较低时也可用 干砌，在缺乏石料地区可用混凝土浇筑； 力 3 、取材容易、形式简单、施工简便； 。 4 、断面尺寸较大，墙身较重，对地基承载力的要 式 1 兰当 求较高；当地基承载力低时，可在墙底设钢筋混凝 土板。 适用于低墙、地质情况较好有石料地区。 坐 - r z 恐西烈瓦衫- 1 、采用混凝土浇筑，在墙背设置少量钢筋； 2 、墙趾展宽，或基底设置凸榫，以减薄墙身、节 省圬：【。 重 、 适用于地基承载力低、缺乏石料地区。 力 万舔刁x 孓一 、 式 r t 一 河海火学硕= i ：学位论文 类型结构示意图特点及适用范围 1 、上一f 墙背间没有衡重台，利用衡重台上填土重 衡 些潭一 量利墙身自重共同作用维持稳定； 2 、断面尺寸较重力式小，且下墙墙背仰斜，可减 少土压力和基础开挖量，但地基承载力要求较高； 重 一一n 盈诬越 3 、当墙身较高时，可采用钢筋混凝土卸荷板米增 式 加土重和减少土压力，以减薄墙身、节省圬工。 一一l l 适用于高墙、地质情况较好有石料地区，也可作地 面横坡陡峻的路肩墙。 l 、依靠墙踵板上的填土重量来维持墒体稳定； 悬 直端j 2 、采用钢筋混凝土结构，由直墙、墙趾板和墙踵 一_ 弋f x 板三个悬臂部分组成，断面尺寸小，白重轻； 臂 3 、墙体较高时，直墙下部的弯矩大，钢筋与混凝 墙趾板 墙踵板 土用量大，经济性差。 式 弓耐7 2 5 m m 时，强度损伤更快；在1 5 0 2 3 0 m m 之间的埋填厚度对强度影响较小；碾压4 遍和8 遍所造成的损伤差别较小。 高传明”通过现场碾压试验，对单向塑料土工格栅在不同填土虚铺厚度下，分别 采用光面压路机( 自重1 4 t 、激振力3 0 t ) 和拖动式羊角碾( 自重1 8 t 、激振力4 0 t ) 碾压施工条件下的损伤问题进行了研究。研究结果表明：随着碾压土层厚度的增加，塑 料土工格栅的损伤减小；羊角碾压路机对土工格栅的损伤明显大于光面压路机。因此， 对塑料土工格栅应避免采用羊角碾压路机在其上进行碾压作业。 邓卫东啪1 等通过对塑料土工格栅的室内碾压模拟试验，发现影响塑料土工格栅铺 设损伤的因素依次为填料类型、格栅肋间距、格栅肋间联结方式和填料中粗颗粒硬度， 而原材料对塑料土工格栅铺设损伤的影响可以忽略，并进一步利用人工神经网络方法对 铺设损伤进行了较好的预测，可通过获取数据应用于实际工程中。 国外发达国家，特别是美国对土工合成材料铺没损伤的研究较为深入。美国试验与 材料阱会颁布了相应的试验标准a s t m 5 8 1 8 1 9 9 5 ，洋细提供了铺设损伤试验的应用范 围、定义和步骤，提出导致铺设后强度降低的最重要影响因素是填料类型( 用d 5 0 来衡 量) 、填料颗粒坚硬程度和土工合成材料的单位重量或厚度。 ( 4 ) 化学、生物腐蚀 对于土工合成材料的抗化学腐蚀性，j h b i l l i n g 将聚乙烯土工格栅等土工合成材料 浸入1 2 种溶液中，浸泡一定时间后检测其重量和抗拉强度的变化，试验结果表明：材料 处于远超过土中实际存在的p h 值溶液中浸泡1 2 个月后与浸泡6 0 天进行比较，聚丙烯材料 浸泡在p h 值= 1 2 3 的氧化钙溶液中强度降低约9 5 ，浸泡在p h 值= 3 o 的硫酸溶液中，强 度降低约1 2 | 2 ；聚乙烯土工格栅浸泡在1 2 种溶液中强度无明显影n 向1 。r i c h a r d ，e t a 1 在讨论设计用品、装置时，阐明了高密度聚合物的抗化学性非常典型。”1 。另外试验“们 表明其抗腐蚀性随高密度聚乙烯的密度的增加而增加，所以用于土工格栅的高密度聚乙 烯的比重很高，以此来增强抗腐蚀性。因此，聚合物对化学腐蚀一般具有较高的抵抗能 力。 对于抗生物的腐蚀性，聚乙烯和聚丙烯都具有抗生物降解的能力。 通过以上研究分析可见，土工格栅在实际使用中由于蠕变、老化以及施工损伤等原 # 口海人学碗：i ：学位睑文 因，其容许强度往往低于由试验得出的格栅强度( 即极限强度) ，因此需要采用分项系 数对极限强度进行折减。 r o b e r tm ，k o e m e r ( 1 9 9 8 ) ”3 建泌，土工格栅主要用于加筋目的时，其容许抗拉 强度按下式确定： t ： 五 ( 2 1 ) 。砥i d x 髓c r x 盯c n x r f m 式中：r 为容许抗拉强度； z 为极限抗拉强度； r f 石、r f 岛、只。、兄r 。分别为考虑铺设损伤、材料蠕变、化学物质损害和生 物损害的折减系数。表2 2 给出了挡墙结构中土工格栅折减系数推荐值。 表2 2推荐的土工格栅的各项折减系数值 兄r f c rr f c dr f b d - - - 。2 o 3 01 1 1 4 10 - - 1 2 1 9 9 8 年美国联邦公路管理局( f h w a ) 规范建议”，土： 合成材料用于加筋时， 其容许抗拉强度按下式确定： r ：五(2-2) 赂| d x r f x r f t , 式中：峨为考虑材料老化的折减系数。 a l l e n ( 1 9 9 1 ) “3 对考虑材料老化、蠕变及施工损伤的折减系数，按材料提出了更 洋细的资料。 2 2 4 界面特性 2 2 4 1 筋土的作用形式和试验方法 土工格栅作为加筋材料置于土内，与周围土体构成复合体系。两种材料在外荷及自 重作用下产生变形时，将沿着其界面发生相互作用。通过对筋材在工程应用中可能发生 的位移分析可知：土与筋材相互作用的形式为沿界面的相互摩擦或筋材从土中拔出。 筋土界面的剪切受力状态十分复杂，但可以归结为两种情况：剪切和拉拔。上下界 面剪应力的方向相反时为剪切状态，方向相同时为拉拔状态，如图2 5 所示。 土工格栅与土的界面特性分为动力特性和静力特性。由于目前研究和使用较多的是 第二章土工格栅的工程特性及加筋机理 筋土的静力特性，因此本节主要讨论筋土界面的静力特性。该特性由筋土的似摩擦系数 厂来反映，似摩擦系数厂通过界面摩擦角函来表示。直剪试验和拉拔试验是用来测定加 筋材料与填料之间界面静力特性的最为常用的二种试验方法，试验仪器如图2 6 所示， 两种试验的原理如下： ( 1 ) 直剪试验原理 根据库仑定律，土工格栅与土的界面摩擦特性可由下式表达： r = c + 盯f = c + 仃t a n 矽 ( 2 3 ) 式中：r 为界面剪切强度； c 为界面表观凝聚力； 矽为界面表观摩擦角； 仃为界面法向应力； 厂为界面似摩擦系数。 通过测定不同法向应力仃作用下的界面剪切强度r 值，由式( 2 3 ) 分别得到c 、 厂值。 ( 2 ) 拉拔试验原理 试验中有两个假定：1 ) 作用在土体中土工格栅在拉拔时，与土体的上下界面剪应 力分布均匀；2 ) 上下界面的均布剪应力与拔出力满足静力平衡条件。由此可得到下式： 乃一2 l b r = 0 ( 2 4 ) 式中：f 为界面均布剪切强度； 乃为格栅被拔出时的拉拔力； 三和b 为格栅埋置在土体中的长度和宽度。 根据式( 2 4 ) 由拉拔力乃求得界面均布剪切强度丁后，再采用直剪试验类似的方 法，由式( 2 3 ) 分别得到c 、f 值。 直剪试验和拉拔试验的结果常存在一定差异，这是因为拉拔试验时筋带中的应变随 着拉力的增大逐渐由拉力点向远处传递，各点拉应变不同，引起的界面剪切应力也不同， 而直剪试验中筋土问的位移近似于平移，界面上的剪应力比较均匀。通常认为：拉拔摩 擦强度一般比直剪摩擦强度低。所以，在工程设计中，应根据筋土的物理特性和工程实 河海大学砂i _ - t - 学位论文 际，针对筋土可能出现的相对位移情况来选用试验指标。如果为单面相对位移，直剪摩 擦试验较能反映实际，如果为双面相对位移，则拉拔试验可能更合适；对于刚度较小的 土工合成材料，直剪摩擦试验较符合工程实际情况，而对于刚度较大的材料，则拉拔试 验更适合。 i圭墨里 土工格栅 界面状态：= = = = = = = i 下界面 i 四四四 四 受力状态酉面i 可j i 【1 )( 2 )【3 )【4 ) 受力模式 卫负剪应力( 使单元i 匝时针转动) x 二亘二 正剪应力【睫单元逆时针转动) ( 1 ) 、( 3 ) 为直剪模式( 2 ) 、( 4 ) 为拉拔模式 图2 5 界面受力模式 法向力 剪 法向力 拉拔试验装置百剪试黼： 图2 6 试验仪器图 2 2 4 2 试验结果的影响因素2 6 1 心卜删 由于上述两种试验方法所考虑的筋土界面剪切受力状态不同，而且上述两种界面特 性的测试设备和试验方法尚无统一，在各种测试筋材与填料界面特性的试验设备中所考 虑的因素有所不同，因此所得出的结论会有所差别。本节在综合国内外有关文献的基础 上，总结了影响试验结果的因素主要有以下几方面： ( 1 ) 剪切和拉拔速率 第二章二卜二r 格栅的工程特性及加筋机理 直剪试验中，剪切速率的快慢关系到孔隙水压力的高低。慢速剪切时，孔隙水压力 比快速剪切时更充分的消散，使得摩擦强度得以提高。而拉拔试验中，增大拔出速率， 由于筋材周围土体的变形来不及调整，土粒之间来不及重新排列，导致拔出阻力偏大， 试验结果偏高。水平荷载施加的速率目前尚无统一的标准，直剪试验一般采用 0 2 - 3 0 r a m r a i n ，拉拔试验采用0 卜2 0 0 m m m i n 。 ( 2 ) 试验盒刚性盒壁的边界效应和尺寸效应 刚性盒壁的摩擦力会降低作用在界面上的正应力，可以通过润滑盒壁、将试件装在 柔软薄膜内、控制试样宽度与箱宽比值等措施来减小这一影响。为了更好地模拟现场的 工作状态，以及避免试验结果离散性过大，宜使试验盒的尺寸足够大。 ( 3 ) 填料的压实 界面的摩擦特性与填料的压实度有关。密实的填料与筋材之间的摩擦力较大；疏松 的填料与筋材之间的摩擦力较小。对于同一种填料所制作不同压实度的试件，由于筋材 在垂直压力的作用下上下填料逐渐密实，致使其残余强度将趋于一致。因此试验前，填料 的压实应保证填料的上、下压实度一致。 ( 4 ) 填料的厚度 筋材上、下填料厚度对试验结果有影响。随着筋材上、下填料厚度的增加，拔出阻 力会减小，直到一个最小的拉拔荷载临界值。一般情况下，拉拔试验中筋材上、下填料 厚度不宜小于3 0 c r n 。 ( 5 ) 筋材的夹持 在拉拔试验中，应保证夹具与被夹的试样不发生相对位移( 即夹具夹紧) ，否则， 会使筋材拔出部分丧失侧向约束，导致测试过程中界面面积产生变化。另外，为保证在 拉拔过程中试样界面面积保持不变，可以让筋材自由伸出试验盒以外。 ( 6 ) 筋材的受力变形检测方法 在拉拔试验中，检测结果会受到筋材拉伸变形的影响。为了准确地评价界面特性 和筋材受力变形分布，一些研究者在试件和加筋体内部埋设能检测不同部位筋材相对变 形或内力的测试元件。根据已有资料介绍，目前最常用的方法是用细钢丝一端固定在筋 材埋入段的要测位移的点，另一端从拉拔箱后引出，用白分表或位移传感器量测。另外， 牛津大学的d y e r ( 1 9 8 5 ) 及g w f m i l l i g a n & r f e a r i ( 1 9 9 0 ) 先后用光弹试验来考察 各种土工合成材料与“土”相对作用时“土”中应力的不同分布模式。该试验所用“土 样”( 相似材料) 为碾碎的硼硅酸玻璃，试验沉浸在与玻璃具有相同的折射率的液体石 河海火学硕= l 学位论文 蜡中进行，这样才能使整个试验清晰可见。加荷后在圆形偏振光照射下用偏光镜观察， 可以观察到一系列亮线代表了大主应力轨迹线，线的亮度代表了应力的大小。该试验拉 拔箱尺寸为2 0 c m 5 c m 1 5 c m ( 长宽高) ，宽度只有5 c m 是为了得到清晰的光弹图 形。通过拉拔箱透明的侧壁，可以将不同情况下的光弹图形用相机拍摄下来。 2 2 4 3 拉拔状态的数学分析n 7 1 由于土工格栅在土体中处于低应力状态，所受的拉力远小于其抗拉强度，故将格栅 材料近似地看作是线弹性材料且没有破坏极限。假定土工格栅的长度为三，弹性模量为 e ，厚度为t 。 为了分析土工格栅的应力及变形，在土工格栅 内取一微元体，作用在微元体上的应力如图2 7 所 示。图中：丁为单位宽度的拉拔力，t 为界面剪应 力，出为微元体的长度，咖微元体的伸长量。 根据静力平衡条件，可以建立如下的平衡方程： ( t + d t ) 一t 一2 r ( d x + d u ) = 0 根据应变的定义和虎克定律可得： d ut g = = 出e t 则式( 2 5 ) 可写成： 毋堡一2 f ( 1 + 塑) ：o t t u 珊 ( 2 1 0 ) t l m ( 2 8 ) - 三 u 式中：尼为界面单位面积的切向刚度。 图2 8 剪应力与相对位移 关系曲线图 第二章土工格栅的工程特性及加筋机理 令u = 砒用，x = x l ，式( 2 7 ) 可以写成如下形式： 粤一枷+pd_uv)dxd x u = 。 2 窭一枷+pa_u_v)dxd x = 。 2 式中：倪= 酱，f l = u m 憾f “砒 利用中心差分可得： u = 粼 阽皿坐户塑 热c i 一- - ( m 竹半) 根据位移和边界条件可以得到： 铲f l - n - 学 z 等竽。三 2 3 土工格栅的加筋机理 0 u 1 ( 2 1 1 ) u 1( 2 1 2 ) 0 u i 1 ( 2 1 3 ) u 1 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 2 3 1 应力传递机制 筋材一般被水平地铺在土中，当筋材和土的复合体在荷载作用下发生变形时，通过 二者界面引起应力传递。台湾学者r h c h e n ( 1 9 9 4 ) n 胡通过埋置于砂和砂砾石中的三 种土工格栅进行4 0 x 2 5 c m 拉拔试验后，提出埋置于土体中土工格栅的拉拔阻力主要由 两部分组成：( 1 ) 土与土工格栅之间摩擦；( 2 ) 土体反作用于土工格栅横肋上的被动阻 力。试验结果表明，土工格栅与土之间的摩擦较之被动阻力更为重要；刚性格栅的极限 拉拔阻力高于柔性格栅的极限拉拔阻力，且拉拔阻力中摩擦部分明显大于被动部分，但 随着垂直应力的增加，后者的贡献更大。 w i l s o n - f a h m y ( 1 9 9 4 ) 通过大型拉拔试验后指出最终抗拉拔阻力f 由三部分组成9 1 ： 河海火学硕：卜学位论义 f = + e + e = 2 a ，盯：t a n 万+ 2 a ，万：t a n 万+ 彳6 仃：n q ( 2 - - 1 7 ) 式中：局、尼、厉分别为横肋、纵肋提供的极限摩阻力和横肋提供的支承承载力； a ，、a ，、a 6 分别为横肋、纵肋的表面积和横肋的承载面积； 6 为土与格栅界面的摩擦角； 仃：| 为格栅表面的有效正应力； 他为承载能力因子，j e w e l l ( 1 9 9 1 ) 推荐使用以下公式来计算： 致= c a n ( 三+ 詈) e x p ( 詈埘) ( 2 - - 1 8 ) 其中：矽为土工格栅的网孔内土的内摩擦角。 研究表明，摩阻力在格栅变形很小的情况下快速增长，迅速达到峰值，此后不随格栅的 变形而变化，支承阻力随变形增加平缓，但很快占主导地位，承担9 0 左右的拉拔荷载。 因此，加筋材料表面粗糙及嵌固性是发挥与土界面效应的主要条件。 对于土工格栅的大量试验研究表明：由于土工格栅结点厚度大于肋条厚度以及特殊 的网日艮结构，能够将土粒紧紧连在一起，形成嵌锁结构，土粒在格栅内固定下来对周围 土体产生机械咬合力，形成由土体到筋材或相反方向的界面效应及高的应力传输作用， 同时格栅受拉对嵌锁土体产生压缩裹伏作用，从而形成一个稳定的具有一定模量的承台 结构。因此，土工格栅与土的相互作用可归纳为三种作用( 如图2 9 所示) ： ( 1 ) 格栅表面与土体的摩擦作用； ( 2 ) 土体对格栅横肋的被动土抗力作用； ( 3 ) 格栅孔眼土体对周围土体的镶嵌与咬合作用。 通过这三种作用，能够充分约束土颗粒的侧向位移，大大增加土体的自立稳定性， 同时由于三种作用的存在使得土工格栅在土中的抗拔能力或格栅对土的加固效果明显 提高。 拔出力 i ；一 被动阻力 正应力 摩阻力 力 心铭、 ， ，一墩彰 图2 9 土工格栅与土的相互作用示意图 第二章土工格栅的工程特性及力| i 筋机理 2 3 2 作用机理 土工格栅铺设于土体中，通过与土体的相互摩擦作用以及格栅网眼所具有的特殊的 嵌锁、咬合作用，限制其上下土体的侧向变形，增加土体的稳定性，弥补土体的抗拉性 不足。h v i d a l ，f s c h l o s s e r ，y a n g 以及我国的杨果林等人都对加筋土作用机理进行了 研究。到目前为止，对筋土作用机理的解释大致可归为三类：一是等效围压原理；二是 准( 似) 粘聚力原理；三是摩擦加筋原理。 ( 1 ) 等效围压理论嘲2 们 将加筋土中筋材的作用当成一个附加围压分析筋土破坏是首先由y a n g o 3 提出， d o n a l d 删等人用等效围压的概念较好地分析了三轴试验中加筋土的破坏。所谓等效围 压，是指试样在三轴压缩剪切试验中，加筋土样与不加筋土样在相同的围压作用下，加 筋土样的应力一应变曲线比不加筋土样高，破坏主应力差大，加筋土样抗剪强度增大的 效果相当于提高了作用于试样的围压，在图2 1 0 中加筋效果相当于为土体增加了一个侧 向围压a o - - 3 。假设该压力在加筋范围内平均分布，如果上下两加筋层之问的距离为脯， 则吒可以表示为：a o - 3 = 胡( 式中，为加筋材料的单宽抗拉强度) 。 ( 2 ) 准( 似) 粘聚力理论 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，其弹性模量远大于 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 力及拉筋的抗拉力，使得加筋土的强度明显提高。这可以利用摩尔一库仑应力圆来解释。 对于无加筋的土体，在竖向压力仉的作用下，土体产生竖向压缩和侧向膨胀变形， 随着竖向应力的加大，压缩变形和侧向膨胀变形也随之加大，直至破坏。在破坏前，有 一破坏临界状态，此时侧向压力为仃，摩尔圆i 与抗剪强度线i 相切( 如图2 1 0 所示) 。 如果在土体中水平方向设置加筋材料，则在同样的竖向应力正作用下，其侧向变形 就会减小，这是由于水平加筋与土体之间产生摩擦作用，将引起侧向膨胀的拉力传递给 加筋，使土体的侧向变形受到约束，拉筋的约束力盯。相当于在土体侧向施加一个侧压 力，其关系可用摩尔圆表示( 如图2 1 0 所示) 。摩尔圆i i 是加筋土的极限应力状态( 盯， 与仃，) ，摩尔圆i i 与摩尔圆i 的盯，相同，而能承受的竖向应力则增加了a c r 。；摩尔圆i i i 为加筋土中填土的极限应力状态，与摩尔圆i i 的o - 。，相同，而周围压力却增加了a c t ， 河海人学硕二l 学位论文 这说明土体中加筋后，加筋对土体提供了一个约束阻力仃r ，即水平应力增量ao 。( = ) ，使得侧向压力增加。 上述分析说明，加筋土的强度有了增加，应有一条新的抗剪强度线来反映这种关系 ( 盯。与仃，) 。根据实验证实，加筋土与未加筋土的强度包线几乎完全平行，说明f 值 在加筋前后基本不变，加筋土力学性能的改善是由于加筋土具有“粘聚力”的缘故，“粘 聚力”不是土本身固有的，而是加筋的结果，所以称为“准粘聚力”。 一亡个 l ，一一7 。 图2 1 0 莫尔一库仑应力圆 摩尔圆i i i 的极限平衡状态： 口l ，= o 3 k | 口= p3 + 盯3 皿p 摩尔圆i i 的极限平衡状态： o 。f = o 3 kp + 2 cr 属 由以上二式，可得： a o - ，kp = 2 c r 再 c 月= 吉何 式中：c r 为准凝聚力； ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) k 户为被动土压力系数。 另外，杨国林根据实验认为，土工格栅是一种具有孔眼的网格式加筋材料，由于网 格在填土中的存在，组成的网格条带不仅可以承受拉力，而且可以承受剪力，并且条带 第二章土工格栅的工程特性及加筋机理 可以视为具有一定刚性的杆件，因此加筋不仅使土体增加了粘聚力，而且增加了土体的 内糜擦角，并提出了加筋土新的强度准则引。 ( 3 ) 摩擦加筋理论凹1 ， 在加筋土结构中，由填土自重和外力产生的土压力作用于墙面板，通过墙面板上的 ，拉筋连接件将此土压力传递给拉筋，企图将筋材从土中拔出。而拉筋又被土压住，于是 填土与拉筋之间的摩擦力阻止了拉筋的拔出。因此，只要拉筋材料具有足够的强度，并 与土产生足够的摩阻力，则加筋的土体就可保持稳定。 现从加筋体中取一微分段讲进行分析，如图2 1 1 所 示。设由土的水平推力在该微分段拉筋中所引起的拉力 d t = 乃一i 2 ( 假定拉力沿拉筋长度呈非均匀分布) ，垂直作 用的土重和外荷载为法向力m 拉筋与土之间的摩擦系数 为广，拉筋宽度为b ，作用于长讲的拉筋条上下两面的垂 图2 11 摩擦作用 直力为2 n b d l ，筋材与土体之间的摩擦阻力即为2 n f b d l ，如果2 n f b d l d t ，则拉筋与 土之间就不会产生相互滑动。如果每一层加筋均能满足上式的要求，则整个加筋土结构 的内部抗拔稳定性就得到保证。 同时，在加筋土结构物中筋材常成水平状，相间、成层地铺设在需要加固的土体中。 如果土体密实，拉筋布置的竖向间距较小，上下拉筋间的土体能因拉筋对土的法向反力 和摩擦阻力在土颗粒中传递( 即由拉筋直接接触的土颗粒传递给没有直接接触的土颗 粒) ，而形成与土压力相平衡的承压拱。这时，在上、下筋条之间的土体，除端部的土 不稳定外，将与拉筋形成一个稳定的整体。但是，加筋体的成拱条件十分复杂，特别是 在拉筋间距较大而填土的颗粒细小，以及土的密实度不足的情况下，在拉筋间土体较难 形成稳定的土拱，拉筋问的土体将失去约束而出现坍落和侧向位移。 通过对比分析上述三类筋土的作用机理，可以总结以下几点： ( 1 ) 等效围压理论和准( 似) 粘聚力理论是等效的强度理论。准粘聚力理论认为， 加筋前后试件中的小主应力叽保持不变，加筋后大主应力盯增大，根据摩尔一库仑强度 准则，应力圆与强度包络线相切，采取与原强度包络线平行的新的强度包络线，从而出 现了准粘聚力细。等效围压理论则认为，强度包络线不变，加筋后大主应力q 增大是由 于加筋产生的约束作用相当于为土体增加了一个侧向围压a c t 3 。因此，从摩尔应力圆的 变化看，准粘聚力理论将摩尔应力圆向右放大，而等效围压理论将摩尔应力圆向右移动 河海人学硕：卜学位论文 并变大。 ( 2 ) 等效围压理论和准( 似) 粘聚力理论是对试验结果的一种宏观解释，概念清 晰，易于理解。但是，这两种理论是建立在拉筋不出现断裂和滑动，同时也不考虑拉筋 受力作用后产生拉伸变形的条件下得出的，只能适用于高抗拉强度和高模量的拉筋材 料。 ( 3 ) 摩擦加筋理论是基于加筋土结构楔体破坏模式而推倒出来的，它是极限平衡分 析的理论基础，因而忽略了筋材在力作用下的变形，不能反映加筋土内的实际应力，也 未考虑土是非连续介质，具有各向异性的特点。但由于摩擦加筋理论概念明确、简单， 因此在高模量加筋土结构中得到较广泛的应用。 2 4 本章小结 实践经验已经证明加筋土结构是成功的，但设计方法仍处于发展阶段，主要原因是 土与筋材相互作用机理的复杂，以及对聚合材料筋材性能准确评估较为困难。土工格栅 由于其特有的网眼结构，能产生对土颗粒特殊的嵌锁与咬合作用，以及其他的特性，使 得在加筋挡土墙中有着广泛的应用。 本章介绍了当前使用广泛的土工格栅的种类以及它们的性能、特点和适用范围，详 细阐明了塑料土工格栅的物理特性、拉伸特性、长期特性等工程特性；土工格栅与土的 界面特性及试验参数可由相应的直剪或者拉拔摩擦试验得到，试验中需要考虑可能影响 试验结果的因素，对拉拔状态的土工格栅进行了数学分析；土工格栅加筋作用主要依靠 土体与格栅之间的嵌锁效应和摩擦效应，土工格栅的加筋机理可以用不同的作用机理来 解释，通过对比研究，指出了各个理论各自的特点及适用范围，从而阐明了加筋作用本 质。 第三章土工格栅力筋挡土端的数值模拟 第三章土工格栅加筋挡土墙的数值模拟 3 1f l a c 3 d 概述 3 1 1f l a c 3 d 的简介 连续介质三维快速拉格朗日分析( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u ai n 3 d i m e n s i o n s ，简称f l a c 3 d ) 是近年来逐步成熟完善起来的一种基于三维显式有限差分法 的新型数值分析方法。它的基本原理类似于离散单元法，其理论基础是结合了不同本构 关系的牛顿第二定律，但是它克服了离散元法的缺陷，吸取了有限元法适用于各种材料 模型及边界条件的非规则区域连续问题解的优点，可以模拟岩土等材料的三维力学行 为。 在连续介质力学中，对于变形体及其上的质点运动状态主要有两种描述方法3 i ： 一种是欧拉描述( e u l e r i a nd e s c r i p t i o n ) ，即瞬时t 的运动是以变形后该时刻的构形为观 察的依据；一种是拉格朗日描述( l a g r a n g i a nd e s c r i p