（道路与铁道工程专业论文）高速公路拓宽加筋陡路堤应用技术研究.pdf

摘要 摘要 近些年来我国经济发达地区交通量急剧增加，原有的四车道高速公路的通行 能力己经不能满足需求，迫切需要把原有的高速公路拓宽为六车道至八车道。目 前，我国高速公路拓宽工程主要分布在沿海软土分布较广的地区，地基条件差、 新征土地难都是在这些地区扩建公路时遇到的棘手问题。因此，针对这些地区高 速公路拓宽工程相关问题的研究具有十分重要的工程意义 本文以广佛雅瑶至佛开三堡段高速公路扩建工程为依托，研究不征地或少征 地前提下高速公路路基拓宽的可行方案，对项目中采用的加筋陡路堤方案进行相 关试验研究和数值分析，以确定各影响因素对工程稳定性的影响。利用直剪试验 研究路堤填料含水量对筋土界面强度的影响规律，利用三轴试验研究路堤填料含 水量对筋土复合体强度的影响规律，试验结果表明随着路堤填料含水量的增大， 筋土界面强度和筋土复合体强度降低幅度很大。采用有限元软件对不同布筋方式、 老路基不同开挖坡度、不同格栅强度的路堤进行计算与分析，研究各因素对路堤 整体位移变形、地基响应的影响。通过土工离心模型试验，验证依托工程设计方 案的安全稳定性，为比较各相关因素对路堤工程特性的影响，试验中制作了不同 模型方案，通过对模型的整体位移变形、破坏情况的观察，比较分析路堤不同加 筋方式、路堤填料不同含水量时整个拓宽路堤的位移变形特性。 通过有限元计算分析和室内试验研究，对路基拓宽加筋陡路堤的工程特性进 行了相关的研究，其中一些结果可以作为设计时的参考依据。 关键词：高速公路拓宽加筋陡路堤筋土机理有限元计算土工离心模 型试验 摘要 a b s t r a c t hr c n ty 玛仃a 伍cv c i l u m ei n 锄i cd e 帆1 叩e dr e 舒o n si ss h a 单l y i n c 脱s i l l g q d g i n a l4 - l a n c 哪s 8w a yc a n tm e e tn e e d so f 由【a 伍cv l l 蚰e i s u 唱e n t l yn 懿s a 叮t o 耐d 髓o r i g i n a l 唧s sw a yt o6 - h n c 8 h a tp 啪t ， e x p m s s w a y 稍d c n i n gp l o j ti 8m a i n l yd i 蚰i b u t e di nc o a s t a l 蝴sw h c 站n i li s 丽鲥yd i 删a sam 毗蛐啪尚咄眦p o o r a n di ti sh a l dt og c t a d d i t i 衄丑l1 a n d ，蝴a m a i nd i 伍印m 髓蠡m 丽d e n i n go ft h o e x p 站s s w a y b t h c f o m ，s t i l d yo nw i d e n i n gp 如j to f 唧m s s w a y 8i so fg 删g i n f i n g s i 鲥丘c a n 1 1 1 i sp a p b a s 。d 耐d c n i n gp i d j to fe x p 坤s s w a y 如my a y t of u l ( a ii n o u a n g d o i 喀f h 8 h a n t a 】1 【s 矗b m i tf 醯s i b l ee x p r e s s w a y 丽d i m i i l g h e m ew i t h o rn t t l e l a n dr e q l 】i 蛳o n r d a l e dt e 鲢柚dv 曲缸a l y s i sa t a k e n 蕾眦站m f o c d 矗i o p e a 曲哪1 1 l 辩h 即艟u s e di n 山cp f d j e c tt om 艴衄i n ec 丘b c 协o f 觚。玛w h i c ：h i n n u e n c c 8a 培i n 鲥n g 鼬a b i l i 哆d i m c t 出e 缸t e 啦i sc 叽d u c t c dt o 丘g m 弓o u tm l e sh o w w 栅c o n 咖to f 锄k m h n tf i ui n n m c c ss 虹g 山o f i n f o e d 如i ni n t e r 矗a n d t i i - a 】【l ct c 吼i sc a n j e d 叫tt o 丘g o u tm l e sh o ww a t e rc t c n to f 锄b ，u | 】c m e n t 丘n i n n u e n c c ss m m g 山o f 坤i n f o e de a r t ：hc 优n p 0 i l n d t c 啦m 飘n t s 出o wl h a t 耐血i n c r c a 鼯 o fw a t 盯c 衄t c n ti n 锄k m i n t 丘，s t i c i l g t ho fm i n f o r c e di n t e 觑ea n d 地i n f o r c e d e a r t hc 衄p o i l n dd c c i a c c 优d i n g l 弘f i n i 钯d 既n e n t f t w a 圮i su s c dt o 翻j c u h t e 柚d 髓由d i 丘砌f c j n f 嘶嘲n 饥td i 觚砌o n d i 能咖t 懿c a v a t i 5 l o p cf o ro l d 锄b 薹；i a d ea n d 蛐b g i a d eo fd i m 斌mg e o g r i d 蛐嘲l g 山g 咱m n i f l l g a lm o d d 钯啦i s c o n d u c t e d t o 晦s a i 匈 ya n d 咖蛐毋o f d e s i 弘b a s e d m a lp 叫c c t d i l 血g t h e t c 瓯d i 丘c 姗tm o d dp l a n 8a 地m a d et oc 蛐p a 蛐锄c c so fd i f f c 嘲t 白c 啪 蜘出a i l ：i t 印g i l 暇咖gc h 蝴吼c r i 啦i c s d i 砸l a c 煳n id e f o 】曲a l i f e a 觚蕊o ft h e w i d 吼e dp a 、，a m e mw i t hd i 行h 吼tm i n f o 托锄e n tm 砌嗽a n dd i 铷tw a 口c o n t c n to f 蚰魄r a d e 丘na 肥丘g 删伽t 舶咀o v c r a l ld i s p l a c 蜘嘲l td e f o m a t i 衄a n dd a m a g co ft h e m o d c l ht h i sp a p _ e h m c d 啦】d i e sa mm a d e g i | 岫gc h 嬲i c t e l i s n c so f 谢d 删 m i n f o r c e dd l o p e 即出缸d 跚舱n tv i a 丘n i t ee l c m c n ta i l 丑l l 葺i t i 趾d 知a 】y s i sa n di n d o o r t e 吼s o m et e s tm 舳l t sa h e l p f i l lf o rf i l n i d e s i g n 砖向咖【c c 摘要 k e y w o r d s ：w d e n i n go f 唧s s w a y s ，i n f o e ds l o p e 印曲锄l 蛐嘣鸣l 咖蠡如斌 i lm e c h a n i s m ，丘n i t ee l 即mca l l i 炯，g e 伊伽札l 曲g a lm o i 配lt e 啦 图表目录 图2 2 1 图2 2 _ 2 图2 3 1 图2 _ 3 2 图2 3 - 3 图2 3 4 图2 3 - 5 图2 4 1 图2 4 - 2 图2 4 3 图2 4 4 图2 4 - 5 图2 4 石 图2 4 - 7 图2 4 名 图2 4 母 图2 4 1 0 图2 4 1 l 图2 4 1 2 图2 4 1 3 图2 4 1 4 图2 4 1 5 图3 2 1 图3 2 - 2 图3 2 - 3 图3 2 4 图3 4 1 图3 5 1 图3 5 - 2 图3 5 - 3 图3 5 4 图3 5 - 5 图3 5 _ 6 图3 5 - 7 图3 5 8 图3 5 母 图3 5 1 0 图表目录 颗粒大小分布曲线l o 整体式单向聚乙烯土工格栅1 0 h 5 0 4 g 型大型直剪压缩两用仪l l 应力应变曲线( 含水量为1 1 5 ) 1 2 应力应变曲线( 含水量为1 4 5 ) 1 2 应力应变曲线( 含水量为1 9 5 ) 1 3 不同填土含水量下的剪应力与法向应力曲线1 3 复合材料的受力分析示意图1 4 加筋土与不加筋土的单元受力图1 5 加筋砂样的似粘聚力1 6 加筋砂样的莫尔园1 7 大三| 轴仪。1 8 试件尺寸及格栅布置图1 8 ( 含水量为1 1 5 ) 不同围压下的主应力差与轴向应变曲线1 8 ( 含水量为1 4 5 ) 不同围压下的主应力差与轴向应变曲线1 9 ( 含水量为1 9 5 ) 不同围压下的主应力差与轴向应变曲线1 9 围压为0 3 m p a 时不同含水量的主应力差与轴向应变曲线2 0 不固结不排水剪强度包线( 含水量为1 1 5 ) 2 l 不固结不排水剪强度包线( 含水量为1 4 5 ) 2 1 不固结不排水剪强度包线( 含水量为1 9 5 ) 2 2 直剪试验和三轴试验所得内摩擦角与含水量关系曲线2 3 土工格栅加筋复合土体三轴试验试件破坏情况2 3 库仑公式的t o 平面关系2 7 m o h r o l l l 锄b 屈服条件2 7 平面上的m o h 心o u l 伽曲屈服曲线2 8 土工格栅筋材单元2 8 广佛路雅瑶至三堡段拓宽路基设计断面3 2 未加筋路堤变形云图3 3 加筋后路堤变形云图3 4 路堤顶面沉降曲线3 4 路堤边坡侧向位移曲线3 5 坡脚地基侧向位移曲线3 6 稳定系数f s = 1 6 9 9 4 3 6 稳定系数f s = 1 9 4 5 5 3 6 加筋间距1 m 路堤变形云图3 7 加筋间距o 5 m 路堤变形云图3 7 路堤顶面沉降曲线3 8 图表目录 图3 5 1 l 图3 5 1 2 图3 5 1 3 图3 5 1 4 图3 5 1 5 图3 5 1 6 图3 5 1 7 图3 5 1 8 图3 5 1 9 图4 4 1 图4 5 1 图4 5 _ 2 图4 5 - 2 图4 6 1 图4 6 - 2 图4 6 3 图4 6 4 图4 6 5 图4 7 1 图4 7 - 2 图4 7 _ 3 图4 7 4 图4 7 巧 图4 7 缶 图4 7 - 7 图4 7 名 图4 7 9 表2 2 1 表2 2 2 表2 3 1 表2 4 1 表2 4 - 2 表2 4 - 3 表3 4 1 表3 4 - 2 表3 5 一l 表3 5 _ 2 表3 5 3 表4 2 1 表4 5 1 表4 7 1 路堤边坡侧向位移曲线3 8 坡脚地基侧f 句位移曲线3 9 稳定系数f s = 1 9 4 5 5 。4 0 稳定系数f s = 1 9 7 7 8 。4 0 路堤顶面沉降曲线4 l 路堤边坡侧向位移曲线4 3 地基项面竖向位移曲线4 4 坡脚地基侧向位移曲线4 5 路堤稳定系数与格栅强度关系曲线4 7 土工离心机的主要组成部分5 4 加筋方案模型横断面图5 6 不加筋方案模型横断面图5 7 纱窗拉力应变曲线图5 8 模型中老路基的填筑过程5 9 模型中新路基的填筑过程6 0 模型侧面的网格线和坐标点6 0 吊装模型箱和配重铁板6 l 离心机运行参数设置6 l 模型运行前后对比6 2 模型3 运行后路堤变形情况6 3 模型4 运行后路堤变形情况6 3 路堤边坡侧向位移图6 4 路堤顶面竖向位移图6 5 模型3 二次加载后的破坏情况6 6 模型4 二次加载后的破坏情况6 6 路堤边坡侧向位移图6 7 路堤顶面竖向位移图6 8 路基填料级配组成表9 填料土基本指标9 不同含水量的筋土界面参数1 3 ( 不同含水量) 等围压提高对主应力差提高百分比。2 0 不同含水量条件下的筋土复合体的强度参数2 2 不同含水量条件下直剪试验与三轴试验所得强度参数对比2 2 计算中各材料的参数表3 l 计算方案。3 2 模型j - 2 、j - 3 稳定系数表4 0 模型j 1 j _ 6 的稳定系数4 6 模型j 7 的稳定系数4 6 离心模型律表( 假定模型材料与原型材料相同) 5 2 模型制作方案。5 6 路堤边坡侧向位移值“ 图表目录 表4 7 2 表4 j - 3 表4 7 - 4 路堤顶面竖向位移值6 5 路堤边坡侧向位移值 6 7 路堤项面竖向位移值6 7 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 船毒 | 日期：，唧年中月嵋日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。 学位论文作者签名： i b 螽 ， 指导教师签名：叫 = 日期：少印年中月i 日日期；文9 年事月i b 日 第一章绪论 i 1 问题的提出 第一章绪论 世界经济正进入工业化、信息化和跳跃式发展阶段，经济的快速发展，需要 方便、快捷、安全的交通服务，高速公路对国民经济和社会发展的促进作用是越 来越明显。高速公路具有运量大、速度快、辐射远、效率高等特点和优势，不仅 带动了运输结构的改善和运输效率的提高，而且也促进了沿线产业结构的优化和 区域经济的发展。从1 9 8 8 年我国第一条高速公路沪嘉高速公路建成通车以来，在 不到2 0 年时间内，我国己经建成4 万多公里高速公路，根据在编的中国高速公路 网规划，在2 0 3 0 年前，我国将完成高速公路网的全面建设，总里程将超过g 万公 里，将连接大陆3 1 9 个人口在2 0 万以上的城市。 虽然高速公路的建设非常迅猛，但在一些已经建成使用的高速公路中，特别 是沿海发达地区的高速公路，由于受建设时社会经济水平和建设规划的影响，有 相当一部分高速公路的交通流量已经超过当初设计通行能力( 1 9 9 8 年底建成通车 的沪杭高速公路，1 9 9 9 年全年路段交通流量为1 1 2 5 万辆日，而2 0 0 2 年就达 到2 2 4 o 万辆日，折算成小汽车交通量为3 9 7 4 万辆日，相当于四车道高 速公路最大适应交通量的7 l - 1 3 5 ) ，公路服务水平下降，其方便、快捷、安全 的优势得不到体现。为了满足这些地区交通量增长的需要，对已有高速公路的拓 宽改建显得十分必要，相对于新建公路来说，加宽旧路路基能充分利用原有路基， 缩短建设周期，又少占建设用地，满足了社会发展的需求。高速公路加宽类型可 分为完全拼接、不完全拼接、分离式三类。从已有的加宽工程看，普遍采用完全 拼接式，完全拼接是指在原路基两侧直接进行路堤的拼接加宽，考虑到单侧拼宽 将改变老路基中心线以及受力复杂等特点，一般在工程中是两边对称加宽为主。 目前我国高速公路拓宽工程主要集中在沿海经济发达地区，在这些地区进行 路基拓宽工程的建设具有以下特点； l 、征地非常困难。由于沿线经济发达，城镇化程度非常高，土地昂贵，拆迁 费用高。 2 、地基性质差。沿线广泛分布着i 三高两低一强的软弱粘土地基，这些粘 土粘粒含量高、空隙比高、( 含水量高) 、压缩性高、强度低、渗透系数低、结构 性强。 上述问题，对工程投资，施工安全，以及建成后公路的安全使用都有重大影 响。目前我国公路部门对高速公路拓宽扩建工程的研究还开展不够，还没有系统 第一章绪论 的研究成果。在交通部颁布的公路养护技术规范旺中，虽然列入了有关路基 加宽设计的条款，但只是针对新旧路基交接部分的连接得出了一些具体的设计要 求和施工要点。现行的路基加宽结构设计当中采取了一些旧路加宽处理措施，例 如新旧路堤结合部位开挖台阶处理、新旧路堤使用土工合成材料加固处理、新路 堤下软土地基处理。但这些方法大多处于经验阶段，特别是采用土工合成材料加 固新旧路基的方法，目前关于这方面的研究还比较少，没有形成完善的理论，实 用措施也不够丰富。可见，开展对高速公路拓宽工程相关问题的研究具有十分重 要的工程意义。 1 2 国内外相关研究和应用概况 1 2 1 国内外公路加宽扩建工程 国外对高速公路加宽工程的理论研究起步较早，大多建立在调查分析、离心 模型试验和有限元模拟分析的基础之上。1 9 9 9 年美国普渡大学的r i c h a i dj d l c s d h 锄p s 等人对加宽路基进行了研究，提出了加宽路基的设计指南和施工步 骤，并对相应的规范进行了修汀。主要内容如下： 1 、道路的加宽包括以下两种类型： ( 1 ) 保持边坡坡比不变的加宽； ( 2 ) 保持坡脚位置不变，使边坡变陡的加宽； 2 、报告对印第安那州锄d i 趾a ) 五条加宽的道路进行了调查，其中三条加宽成 功，两条失败。加宽失败路段的调查包括现场测试和室内试验，包括标准规贯入 度试验( s p t ) 和锥贯入试验( c p t ) 、钻孔试验、现场密度试验、液塑限试验、压 实度检测和强度试验。 调查表明加宽失败路段的主要失败原因：不合标准的压实度；不合适的台阶开 挖；道路表面水流的渗透也会饱和和软化路基土，导致加宽失败。 3 、加宽时要考虑的问题： ( 1 ) 台阶的开挖。原印第安那州锄规范规定坡比大于1 4 的道路加宽度 应大予3 m ，台阶高宽比为l ：l ，这样会形成3 m 高的竖直断面，有可能影响老路 路堤的稳定，研究表明台阶的竖直高度不宜超过1 5 m 。 ( 2 ) 压实度的控制。加宽处的压实度应达到猡5 的标准，含水量应在最佳含 水量的2 + l 范围内波动。 ( 3 ) 新填土的渗透性应与老路基土尽量保持一致。如果新填土的渗透性高于老 路基土，雨水很可能透过上层路面结构聚集在老路基土中，这将使土软化，大大 减小剪切强度。 2 第一章绪论 ( 4 ) 完善的路表排水系统的设计和对地h 水的适当的考虑。 对于高速公路拓宽工程，以及公路拼接问题，我国目前已开展了一些研究工 作，主要有以下一些研究成果： l 、海南环岛东线扩建工程 西安公路交通大学的刘保健，谢永利州结合海南环岛东线高速公路软基处理 技术现场试验研究资料，科学地分析了搅拌桩复合地基的工作特征。 2 、广佛高速公路扩建工程p 广佛高速公路扩建工程的现场测试工作主要由广东省航务工程总公司蒙庆辉 等人完成，是交通部“九五”课题的一部分，广佛高速公路拓宽技术，主要采用粉 喷桩复合地基结合加筋土处理。 广东省公路勘察规划设计院陈海珊等人针对加宽工程软弱地基的加固问题， 对高速公路扩建软基粉喷桩设计、新老路堤衔接措施、地基稳定计算等作了较全 面的介绍。认为软基处理范围应尽可能布置在新增路面下方，以减少新增路面沉 降和不均匀沉降。高速公路加宽最好采用快速加固方法，原因一是加快施工周期， 二是降低施工期间维持正常交通运营的费用。 广东航务工程总公司的蒙庆辉等人对广佛高速公路扩建软基加固工程进行了 现场测试试验研究，获得了各断面沉降速率、累计沉降、不同深度土体沉降随时 间的变化、侧向水平位移等观测资料，取得粉喷桩复合地基垂直和侧向变形的机 理及工程效果，以解决建在软基上的高速公路加宽引起的新老路堤合理结合及变 形协调等技术难题。 中国地质大学的杨顺安等人通过对广佛高速公路扩建工程及京珠高速公路软 土地基处理工程的研究，分析了粉喷桩、土应力转化及相互作用，进而对桩的轴 向应力、复合地基沉降、作用机理进行了研究，并提出了用粉喷桩复合地基加固 软土地基的几点看法。 广东省航务工程总公司的刘秋文等人认为采用高压旋喷注浆法处理地基具有 施工速度快、质量高、可靠性好、工后沉降量小的特点。能有效地缩短后续工程 的工期，特别是对深层等特殊地基的处理效果最为明显。从旋喷桩的设计、施工、 监测等几个方面介绍了广佛高速公路扩建工程中某段地基处理的实例。 广东省高速公路公司的任文宏对广佛高速公路扩建工程软基加固设计方案进 行了比较，介绍了粉喷桩加固软基在高速公路拓宽工程中的应用，认为采用粉喷 桩加固地基可以承受较大的加荷速率，复合地基抗侧向变形能力较强，并且能充 分协调新老路堤的变形，有效防止了新老路堤由于不均匀沉降而造成的路面破坏。 3 、杭宁高速公路二期工程陆堋 浙江省交通规划设计研究院的陈建荣介绍了杭宁高速公路二期工程路堤、排 3 第一章绪论 水及防护中的几个设计特点。结合实际提出设计思想。 浙江省杭宁高速公路管理委员会的蔡金荣等人介绍了杭州一南京高速公路采 用真空预压技术加固高填方宕渣路堤软土地基中的应用研究。通过对地基的变形 与稳定、处理效果及效益等分析，对综合处理效果进行了评价。 浙江省公路管理局的周良吾等人介绍了杭宁二期工程采用的七种软基处理方 法。 4 、沪杭甬高速公路拓宽工程 浙江省交通规划设计研究院的桂炎德等【n 】人针对沪杭甬高速公路一期拓宽 工程，对处于深厚软基等不良地质情况下软基处理、路面、桥梁与通道、互通式 立交、分离式立交等方面的拓宽设计方法进行了介绍，提出了路堤桩在拓宽工程 中的应用。 5 、沈大高速公路改扩建工程 辽宁省交通勘测设计院的杨吴删介绍了沈大高速公路不同路段所采用的地 基处理方案。 6 、其它 长沙交通学院的周志刚、郑健龙等呻1 人使用线弹性平面应变有限元法对老路 拓宽时新路堤的沉降和应力分布规律进行了分析，指出拓宽路面在界面处开裂的 原因在于应力集中和界面强度的不足，并提出了老路拓赛设计的基本方法。 同济大学的钱劲松等【】人通过分析老路拓宽差异沉降的研究现状，指出了目 前计算方法的不足：使用有限元计算程序，运用d p 模型来模拟土体的非线性，对 老路拓宽工程进行了弹塑性有限元分析，总结了差异沉降的规律，并依据计算结 果对老路拓宽的设计提出一些建议。 1 2 2 加筋土路堤研究概况 针对加筋土结构各国开展了很多研究，并取得了一些成果。这些研究主要集 中在筋土相互作用机理、筋土复合体强度性能、加筋路堤的变形破坏机理方面。 l 、筋土相互作用机理研究概况。一1 土工格栅与土相互作用机理研究主要借助于拉拔试验、直剪试验和有限元分 析等手段。研究要解决的问题主要有：土工格栅加筋土体在拉力、剪力等作用下， 格栅中力的分布与传递情况以及格栅周围土体内应力分布的变化情况；土与土工 格栅界面问的相互作用的本构关系及其有限元分析方法。 r 丑g i l iew i l s o n f a l l m y 等利用拉拔试验对拉拔力作用下砂中土工格栅的行为 进行了研究，并将试验结果与有限元计算结果进行了对比分析。试验中土工格栅 在拉拔力作用下表现出三类破坏：土工格栅的拔出、拉断以及土工格栅纵肋与横 4 第一章绪论 肋之间联结的破坏研究指出土工格栅受拉方向的拉伸性能、横向筋肋的柔韧度 以及纵横筋肋之间联结传递荷载的能力等对土中土工格栅的拉拔性能有显著影 响。之后又对土工格栅在砂中的短期拉拔和长期拉拔( 1 0 0 0 小时) 性能进行了试验 研究，试验表明土工格栅在砂中长期拉拔的最大拉拔力与短期拉拔时基本相等。 周志刚等利用直剪试验对土工格栅与土之间的界面性能进行了研究，指出基 于d 衄c 姐c h a n g 岩土本构关系而提出的双曲线模型不能完整地描述土与土工格 栅间界面剪切状态，而根据南京水利科学研究院所建立的岩土非线性本构关系而 提出的推广双曲线模型，则能很好的体现界面剪切时的剪胀现象。并提出界面残 余抗剪强度与抗剪强度之比的参数同正应力之间的指数函数关系式。同时通过红 砂岩风化土和砂卵石黄土与土工格栅之间直剪试验结果的对比发现，增大土体中 粗颗粒含量，对改善界面抗剪强度指标和界面残余抗剪强度指标有利。 闰澎旺等提出了土工格栅在拉拔状态下与土相互作用的有限元分析方法，并 进行了试验与计算的对比分析。指出土对处于拉拨状态格栅的阻力由土与格栅的 表面摩阻力以及土对横肋的阻力两部分构成，其发挥程度与格栅变形的大小有关。 摩阻力在较小的变形时即己达到峰值，此后横肋阻力随格栅变形的进一步增加而 逐渐占主导地位，承担着9 0 左右的荷载。随着超载压力的增加，拉拔状态下格 栅在土中产生变形部分的长度将减小。格栅在土的阻力全部发挥之前即己破坏。 s h i g 锄o l ii i a y a s h i 等利用格栅在密实砂砾中的室内拉拔试验，对拉拔中格栅 与土界面上的应力变化进行了研究。研究表明在低水平正应力下，土体会发生膨 胀，导致土与格栅界面上的正应力增加，从而使得抗拔力有所增大。 张兴强等提出了解决平面问题的土工格栅与土相互作用的动力有限元分析模 型。模型分别采用不同的本构关系模拟土工格栅纵肋、横肋与土的动力相互作用， 并基于该模型编制了加筋土的动力有限元分析程序。 2 、筋士复合体强度性能m j 恻 筋土复合体强度性能主要借助于三轴试验进行研究，研究要解决的问题主要 有：加筋土体的抗剪强度指标与不加筋时的变化情况；加筋作为整体的本构关 系。 吴景海等对五种不同的土工合成材料加筋砂土进行了三轴试验研究。指出土 工合成材料加筋砂土具有准粘聚力，加筋砂土仍符合m o h 比o l l l 锄b 抗剪强度理 论。无纺土工织物、双向土工格栅和土工网加筋砂土的摩擦角与纯砂的摩擦角基 本相同；经编土工格栅和玻璃纤维土工格栅加筋砂土的摩擦角与纯砂的摩擦角不 同。无纺土工织物、双向土工格栅和土工网加筋砂土的破坏由砂土破坏控制；经 编土工格栅和玻璃纤维土工格栅加筋砂土破坏由加筋的纵、横向筋条结点的抗剪 强度控制。在加筋砂土中，砂土会限制土工合成材料的侧向收缩，导致土工合成 5 第一章绪论 材料的抗拉模量增加，但砂土对各种土工合成材料侧向收缩约束作用程度是有差 异的，对易于“颈缩”的土工合成材料效果显著。加筋土工程中需要考虑填料对土 工合成材料侧向收缩的约束作用。 杨锡武等人利用大三轴试验研究了不同结构加筋材料对加筋土强度特性的影 响，试验中考虑了条带式、双向垂直条带式、网等三种不同结构的加筋材料。指 出加筋后土体c 、妒值的变化( 增加或减少) 与加筋材料的结构和数量有关，加筋的 效用与侧向应力水平有关，在较大围压下加筋的作用才能得到充分发挥。同时还 指出加筋土的应力应变关系曲线呈双曲线形，加筋材料结构对其影响不明显，加 筋的破坏形式为硬化型，可用双曲线数学模型作为加筋土的本构模型，并给出可 供参考的本构模型参数。 3 、土工格栅加筋路堤的变形破坏机理、稳定性影响因素研究概况田删 j o 曙egz 伽1 b e 曙等人利用离心模型试验对土工织物加筋砂边坡的破坏机理 进行了研究，试验中考虑了不同加筋密度、不同拉伸强度的筋材以及不同抗剪强 度的土( 通过改变同种砂的密度实现) 。试验表明边坡破裂面为一通过坡脚的光滑 弧线，所有模型边坡的破坏均始于边坡中部，路堤顶面的沉降依赖于填土的性质， 而加筋情况对其影响不大。同时指出加筋的最大拉力并不是出现在路堤的最底层， 其出现的位置与边坡的坡度有关。加筋边坡的稳定性取决于填土的峰值强度，而 不是临界状态剪切强度。 徐林荣等人通过普通物理模型试验对加筋土边坡的承载力和边坡位移特性进 行了研究，研究中考虑了加筋类型、加筋长度、边坡坡度、加筋层间距等4 项因 素的影响。试验发现加筋土边坡的破裂面形状既非直线又非其它类型的光滑曲线， 而是一种不规则的“锯齿”线，并认为土工格栅对应力的隔离扩散作用以及加筋土 边坡的各向异性是产生这种“锯齿”型破坏的原因。研究还提出加筋土边坡承载力 的影响因素从大到小排序为：加筋类型、加筋层间距、加筋长度、边坡坡度，通过 回归分析，提出了承载力与上述四因素的定量关系表达式。同时还提出侧向位移 的主要影响因素为加筋土边坡土工格栅的总抗拉强度或总弹性模量，坡顶竖向位 移的主要控制因素为土工格栅的刚度。结合上述模型试验结果，利用模糊聚类分 析方法，徐林荣等人又对加筋土陡边坡破坏模式的量化指标进行了研究，提出采 用边坡侧向位移值作为加筋土陡边坡破坏模式的量化指标，但未提出可行的指标 控制值。 朱湘等人利用有限元方法对软土地基上的加筋路堤进行了分析，提出填土的 摩擦角越大加筋效果越好，加筋对减小路堤沉降和地基的不均匀沉降效果明显。 认为格栅在一定深度内极大地限制了土体的侧向位移，使地基的稳定性得以提高， 减少了竖向变形。同时又指出位于路堤中部的格栅，仅对路堤局部的强度和稳定 6 第一章绪论 性有贡献，而对路堤下软土的受力和形变情况影响不大。并依据格栅在靠近坡面 的端部几乎不受力，建议格栅不必满铺至与坡面线相交，可以大致铺至坡脚和坡 肩的中点处。之后朱湘等人又利用有限元方法对软土地基上的加筋路堤进行了分 析，分析中考虑软土层厚度、加筋模量、加筋层数及位置、加筋一土界面强度、 地基强度和施工速度等因素的影响，提出加筋的效果体现在施工期间对沉降、侧 向位移的抑制和降低以及路堤稳定性的提高上土工格栅的抗拉模量、加筋一土 的界面强度越大，加筋的效果越明显，对侧向位移以及沉降的抑制和消减作用就 越大。 杨锡武等人以渝长公路上的一段加筋高路堤为依托，利用离心模型试验，对 不同布筋方案的加筋高路堤陡边坡的变形性态进行了研究。指出加筋路堤边坡与 不加筋路堤边坡的坡面最大侧向位移均出现在路堤高度的1 乃l ，2 之间，在此范 围内增加布筋数量能有效减少坡面侧向变形，增加边坡稳定性，且试验也证明堤 高中部布筋较密的模型坡面侧向位移较小。他们从试验中还发现加筋边坡与不加 筋边坡的破坏模式不同，不加筋边坡的滑裂面呈较光滑的曲线，而加筋边坡的滑 裂面呈折线。同时还指出加筋能改变沉降沿路基横向的分布，使沉降分布较为均 匀，从而减少不均匀沉降引起的路面破坏。由于试验模型中没有制作地基部分， 路堤模型直接放到了模型箱内，相当于模拟了修筑在刚性地基上的路堤，因此没 能反映土质地基上加筋路堤与地基之间的相互影响。之后杨锡武等人又结合上述 试验，利用断裂力学理论对加筋机理进行了解释。提出加筋改变了不加筋边坡中 最大剪应力导致的剪切裂纹( 缝) 的扩展路径，降低了裂纹的应力强度因子，阻止 了裂纹的扩展贯通及滑动面形成，从而使边坡稳定性得到提高。加筋路堤内的裂 纹在扩展过程中反复受到加筋的阻裂，扩展路径反复改变，从而形成了加筋边坡 的折线形滑动面。同时指出坡体中的最大剪应力出现在路堤高度的l ，3 l 尼之间， 在此范围内加密( 强) 布筋可以有效地阻止最大剪应力所导致的裂纹( 缝) 扩展贯通， 阻止边坡滑动面的形成，从而增加边坡的稳定性，使加筋效用得到最大发挥。 东京技术研究所c i 酞y oh s 曲抛o f 亿b n o l o g y ) 的j t 琵髓等入利用离心模型 试验对地震中加筋路堤的稳定性进行了模拟研究。试验表明格栅的拉伸刚度较低 时，由于起不到限制加筋区内土体变形的作用，路堤在较低的地震影响系数下就 会发生破坏，但格栅抗拉拔力提高后，在相同拉伸刚度下加筋路堤的抗震能力将 得到明显提高。当格栅拉伸刚度较高时，格栅将能有效限制加筋区土体的变形， 加筋路堤的抗震性能也随之提高。同时他们进行的模型格栅拉拔试验表明，随着 格栅刚度的降低，格栅抗拉拔力达到峰值时的拉出位移有所增加。他们据此提出 在格栅加筋路堤的稳定性分析中，格橱的极限抗拉拔力应根据格栅的刚度进行折 减。 7 第一章绪论 s m u m g e 啪等人利用室内模型试验，对不同土工格栅加筋红土路堤与不加 筋路堤在荷载作用下的沉降、坡面侧向位移情况迸行了研究。试验表明在一定的 荷载限度内，加筋与不加筋路堤的沉降没有明显差别，但随着荷载的逐渐增大， 不加筋路堤会发生突然破坏，加筋路堤则表现为沉降速度加快，逐渐破坏。加筋 路堤的承载力约为不加筋路堤的l 。5 倍。同时试验还表明，由于加筋的锚固作用 使得边坡坡面位移减小，并且加筋路堤在坡面发生很大变形时仍没有破坏的迹象， 表明加筋路堤可以承受的变形比不加筋路堤要大。 1 3 本文主要研究内容 从国内外高速公路拓宽工程的研究状况来看，针对公路路基拓宽的研究取得 了很多成果。本文研究的路基拓宽形式为格栅反包加筋陡路堤，采用加筋陡路堤 拓宽高速公路路基，可以增加新路堤的坡度，减少占地，对土地资源紧缺的沿海 地区来说是很好的一种拓宽方案，本文将对此种拓宽方案应用过程中需要解决的 问题开展以下几方面的研究： 1 、筋土界面特性及复合体强度试验研究。利用直剪和三轴试验分析填土中含 水量的变化对筋土界面摩阻力及筋土复合体强度的影响规律，为路堤稳定性计算 提供参数，以确定水对加筋土体结构的影响。 2 、路基拓宽加筋陡路堤有限元模拟分析。运用有限元软件对路基加宽的不同 方案进行计算分析，以讨论不同因素( 老路基开挖坡度、加筋间距、加筋长度等) 对加宽工程位移变形特性的影响规律，寻找经济合理的设计方案。 3 、路基拓宽加筋陡路堤离心模型试验研究。通过土工离心模型实验验证依托 工程中设计方案的安全性；通过对模型变形观测，比较不同加筋方式下路堤的变 形大小，对加筋效果进行安全与经济分析。 8 第二章筋土界面特性及复合体强度试验研究 2 1 概述 第二章筋土界面特- 眭及复合体强度试验研究 在土工合成材料加筋土工程中，筋土界面摩阻力及筋土复合体强度直接决定 加筋土工程的稳定性，因此对于筋土界面特性和筋土复合体强度的研究一直是土 工界研究的热点问题，国内外学者通过理论和试验研究得出很多相关结论，这些 结论对加筋土技术的发展和应用起到了很好的指导作用，但是还存在很多有待解 决的问题。对筋土界面摩阻力及筋土复合体强度有较大影响的因素很多，包括填 土含水量、压实度、土工格栅强度以及形状等。本章不对所有这些影响因素进行 研究，而是根据研究项目依托工程的现场实际情况需要，采用直剪摩擦试验研究 含水量对筋土界面性能的影响，利用三轴试验研究加筋复合土体中含水量对复合 体强度的影响，为设计和施工提供参考依据。 2 2 材料基本特性 2 2 1 填料土基本指标 填料为广东佛开高速公路扩建工程狮山取土场土料，手感较为粗糙，砂粒含 量大，土内含有较多晶体状矿物质，天然含水量在1 3 一1 5 之间。通过颗粒筛分 试验、界限含水率试验、击实试验、直剪试验得到该土体的基本物理指标。土体 级配组成见表2 2 1 ，土体颗粒大小分布曲线见图2 2 一l ，填料土基本指标见表 2 2 - 2 。 表z 2 1 路基填科级配组成表 1 地z 2 - ls u b g m d cl e lc o m p o 暑i l i o n 髓h 9 l粒径大小 5 m m5 一2 m m2 o 5 mo 5 o 2 5 o 2 5 o 7 5 o 5 l 质量百分比 2 6 63 0 83 2 8 96 8 l 1 5 0 2l l 8 l 表z 2 - 2 填料土基本指标 b l b z 沈f m n b a 暑i c j n m c 咖噶 塑性 不均匀曲率最大干最佳含 i 塑限液限 粘聚力内摩擦角 指数系数系数密度 水量 l4 5 4 l - 3 2 1 52 1 30 1 3 1 9 8 9 ，c m ， 1 1 5 1 8 0 k p a 2 7 1 。 第二章筋土界面特性及复合体强度试验研究 丝 室 筮 彘 妞 一 恒 - h n 爨 峰 棒 h 毒 颗粒大小分布曲线 、 、k 、 、 1 0 颗粒直径d ( m ) 图2 2 - l 颗粒大小分布曲线 f i 蜃2 2 - lp 嘶c l co i d i 啦i b u t i 砸c u m 根据 8 0k n ，m ，破断伸长率醚l o 固2 2 2 整体式单向聚乙烯土工格栅 f i 参z 2 - 2o v 盯a no n e _ 税yp o l y e n i y k 辩g 酊d 2 3 筋土界面特性直剪试验 在加筋土技术的研究中。筋土界面的摩擦特性一直是我们所关注的焦点，因 为它对加筋土工程的承载能力及稳定性有重要的影响。筋土两种材料在外荷及自 帅舳饨加o 第二章筋土界面特性及复合体强度试验研究 坚 重作用下产生变形时，将沿其界面发生相互作用，由土工合成材料在工程应用中 可能发生的位移分析可知：土与土工合成材料两者相互作用的形式为沿界面的相 互摩擦或材料从土中被拔出。近年来国内外对土工格栅界面性能( 包括界面性能 的研究方法与手段，界面性能的影响因素研究) 展开了不少研究，并取得了一定 的成果。从总体上讲，目前土工格栅界面性能的研究尚处于半定量和半经验的水 平上。土工格栅界面性能研究是一个很复杂的问题，受到众多因素影响。 目前，研究筋土界面摩擦特性的室内试验有拉拔试验和直剪试验，两种试验 虽然都是反映界面摩擦作用，但机理却不尽相同，试验成果也存在一定差异。一 般认为：如果能预测实际工程填土和筋材可能出现的相对位移情况，则直剪摩擦 试验能较好反映单面相对位移，而拉拔试验能较好反映双面相对位移；对刚度较 小的土工合成材料，直剪摩擦试验较符合工程实际情况，对刚度较大的材料，则 拉拔试验更适合。本次采用直剪摩擦试验对影响筋土界面参数的因素进行研究。 2 3 1 试验设备及方法 试验填料采用广东佛开高速公路扩建工程狮山取土场，填料基本物理参数指 标见表2 2 - 2 。格栅采用整体式单向聚乙烯土工格栅，其极限强度1 、l - 8 0i 烈触， 破断伸长率6 = 7 。 本次试验在重庆交通科研设计院岩土工程实验室大型直剪压缩两用仪上完 成，剪切盒为5 0 5 0 i c m 的方盒，上下盒高度均为2 0 c m ，如图2 3 1 。 图2 3 一lj y 5 0 _ 4 g 型大型直剪压缩两用仪 h 吕2 3 - lj y 5 0 - 4 gl a 曜ed i r e c ib h 曲r 啪m p 蛸s i d 吼ln g 填土采用人工分层击实，上下盒各分三层，在下盒土体击实平整以后，布设 与直剪盒宽度等宽的土工格栅并采用夹具将土工格栅一端固定。上下盒开缝高度 第二章筋土界面特性及复合体强度试验研究旦 选择l c m ，采用应变控制，即按照等速率( 1 8 曲n ，m i n ) 施加荷载作用于下盒， 水平位移采用电子位移计量测。 2 3 2 试验成果及分析 为研究不同条