（道路与铁道工程专业论文）加筋土实验研究.pdf

中文摘要 摘要 近年来，加筋土作为由填土、拉带和镶面砌块组成的复合结构，已广泛应用 于公路、水运、水利、铁路等各类土建工程的支挡结构中，并取得了极为广泛的 经济效益、社会效益和环境效益。目前，各国工程界和学术界不断通过各种手段， 对加筋土结构特性和破坏机理开展了大量的研究。但针对各组成成分的工程力学 特性及它们在不同情况下的相互作用特征等关键性问题尚未研究的十分清楚，有 的甚至还较为模糊。 本文在分析加筋土国内外研究动态及所取得的研究成果的基础上，采用理论 分析、室内试验等方法，对加筋土结构特性和破坏机理进行分析。为了更广泛、 更有效地利用这种结构，必须深入了解加筋土结构在载荷作用下的各种性状。 文中通过三轴压缩试验，探讨砂土和土工织物构成的复合加筋土，在不同加 筋方案、不同围压下的应力一应变特性和强度变化规律下，找到影响加筋土强度 的因素及影响规律。加筋土的强度随着加筋层数的增加而增大，加筋效果随围压 的增大而减小。在加筋层数确定的情况下，找到了最佳加筋位置。并且探讨了在 不同加筋情况下，加筋土抗剪强度指标的变化规律，分析了素土和加筋土的变形 破坏模式以及筋材在土体剪切过程中的阻抗机理。由试验可得，加筋土的强度和 抵抗变形的能力较素土有显著的增强，说明加筋能明显改善土体受拉的特性，提 高土体的强度。同时，可以观察到加筋土的破坏形态为径向增大呈鼓状。加筋土 主要存在两种不同的破坏型式，即拉断破坏和粘着破坏。当发生拉断破坏时，其 应力一应变曲线为软化型，此时加筋仅增加土体的粘聚力分量；当发生摩擦破坏 时，其应力一应变曲线为硬化型，此时加筋不但增加土体的摩擦分量，而且增加 土体的粘聚力分量。 研究结果对于深入认识加筋机理和合理选择加筋方法具有指导意义，也对于 指导工程设计和今后修改规范具有重要参考价值。 关键词：加筋土；三轴试验；应力一应变关系；强度 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r e i n f o r c e de a r t ha sac o m p o s e ds t r u c t u r ew h i c hi sm a d eu po ff i l l i n g ， d r a w s t r i n g ，f a c eb r i c k s ，h a sb e e nw i d e l yu s e di nh i g h w a ya n dw a t e rt r a n s p o r t ，w a t e r c o n s e r v a n c y ，r a i l w a y sa n do t h e rk i n d so fc i v i le n g i n e e r i n go fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e s ，a n d o b t a i n e dv e r ye x t e n s i v ee c o n o m i c ，s o c i a la n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s a tp r e s e n t ，b y v a r i o u sm e a n se v e r yc o u n t r ye n g i n e e r i n ga n da c a d e m i c s ，t oc o n s t a n t l yr e i n f o r c e ds t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i ca n df a i l u r em e c h a n i s mo ft h es t u d y b u tt h em e c h a n i c sp r o p e r t i e so f v a r i o u sm a t e r i a l si nd i f f e r e n ts i t u a t i o n si nr e i n f o r c e de a r t h ，a n di n t e r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c i nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，h a v en o tb e e ns t u d i e d ，e v e nv e r yv a g u e b a s e do nt h ep r e s e n tr e s e a r c h ，a n db yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c h ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e i n f o r e e de a r t hs t r u c t u r e sa n dm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e d i no r d e rt om o r ew i d e l ya n dm o r ee f f e c t i v eu s eo ft h es t r u c t u r e ，r e s e a r c ho nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr e i n f o r c e ds t r u c t u r e su n d e r1 0 a d si sv e r yn e c e s s a r y b a s e do nt h er e s u l t so ft r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ，i nd i f f e r e n tr e i n f o r c e ds c h e m ea n d c o n f i n i n gp r e s s u r e ，t h es t r e s s - s t r a i nb e h a v i o r sa n dc a r r y i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e de a r t h a r es t u d i e d a n di n f l u e n c ef a c t o r so fr e i n f o r c e de a r t ha r ea n a l y z e d e x p e r i m e n ta n d t h e o r e t i c a lr e s u l t ss h o wt h es t r e n g t ho fr e i n f o r c e de a r t hi n c r e a s e dw i t hl a y e r so f r e i n f o r c e m e n ti nt h ed e s i g n a t e dr e i n f o r c e dg e o g r i dl a y e r s ，b e s tr e i n f o r c e dl o c a t i o n ，t h e d e f o r m a t i o nf a i l u r em o d e l so ft h er e i n f o r e e de a r t ha n ds h e a rr e s i s t a n c em e c h a n i s mo f g e o g r i da r er e s e a r c h e d b ye x p e r i m e n t ，+ w i t ht h ei n c r e a s eo fr e i n f o r c e dg e o g r i d ，i t s s t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ec a p a b i l i t yo fr e i n f o r c e de a r t ha r ee n h a n c e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so fr e i n f o r c e ds o i lc a no b v i o u s l yi m p r o v e a n dt h e r ea r et w od i f f e r e n t k i n d sm o d e l so ft e n s i l ef a i l u r ea n dg l u e dd e s t r o y 晒e nt h et e n s i l ef a i l u r e ? as t r a i nc u r v e f o rs o f t e n i n gt y p e ，t h eg e o g r i do n l yi n c r e a s et h ec o h e s i o no fs o i l ；w h e nt h ef r i c t i o n f a i l u r e ，i t ss t r a i nc u r v ei sc o h e s i o nt y p e ，n o to n l yi n c r e a s et h es o i lr e i n f o r c e m e n t ，a n d i n c r e a s eo ff r i c t i o n t l l i sr e s e a r c hr e s u l t si so fg u i d i n gs i g n i f i c a n c et ol o a d b e a r i n gm e c h a n i s mo fr e i n f o r c e d e a r t ha n du s i n gt h eg e o g r i dm e t h o d ，a n di so fi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u eo fe n g i n e e r i n g d e s i g na n dc o d em o d i f y k e yw o r d s r e i n f o r c e de e a r t h ；t r i a x i a it e s t ；s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p ；s t r e n g t h 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ：加筮塞验盟究：。除论文中已经注明引用的 内容外，对论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。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表 的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 丝骜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密回( 请在以上方框内打“? ) 论文作者签名：眩筋导师签名： 日期：口夕年7 月夕日 加筋土实验研究 1 1 土工合成材料 i 1 1 土工合成材料的定义 第1 章绪论 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。以人工合成的高分子聚合物，如塑料、 化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间， 发挥加强或保护土体的作用。土工合成材料可分为土工织物、土工膜、特种土工合成材 料和复合型土工合成材料等类型。目前已广泛应用于水利、电力、公路、铁路、建筑、 海港、采矿、军工等工程的各个领域。 1 1 2 土工合成材料的种类 1 9 9 8 年由水利部会同有关部门共同制订了土工合成材料应用技术规范 ( g b 5 0 2 9 0 9 8 ) 。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。该规范的分类见图1 1 。 土簟合成材辩 工簇 王织物 撑水材料：拌水带、排水管、排水防水材科镲 橱、土誓带、土j ：格室、土一网、 袋、土x 网垫，土王织物膨澜土热( g c l ) ， 烯板块( e p s ) 镩 图1 - 1 土工合成材料的分类 绷绒 占 艄 。，瀚 终糙 织 织 劁耩学 抛 铋 钳绺似 厂 l r t 避 造的 一 淼 士土防格模 乙 龠 会 台工 正 笨 复复笈土 土 聚、_l，i【 科 料 材 材 物 膜 套 种 臌 正 缎 瞄 土 士 土 士 第1 章绪论 1 13 加筋用土工合成材料 目前，用于加筋土的土工合成材料种类是比较多的，其种类正随着土工材料的不断 发展而不断丰富总体来说，主要包古丁四类t ( 1 ) 土工织物。包括编织型土工织物和非编织型土工织物。见图i 2 、1 3 。前者应 用普遍，后者变形量大，仅用于应力水平较低的加筋工程中。 ! ： il - ， l ：二i i ：_ _ 圈1 2 织物形状 圈卜3 经犏土工织物的几种典型鲒 旬 ( 1 ) 单向村鳆蛄构( b ) 蕊向村成蛄构( c ) 多轴向种或蛄构 c h 箭材制品，包括土工格栅、土工厢、土工垫、土工格室和象带箭材等。这类制 品一般具有较高的抗拉强度和较低的延伸率，他们和周国土的相互作用好摩阻力和咬 合力高。 0 ) 加筋复合制品例如用聚酷、玻璃纤维或钢蕊作为加筋制成复合土工织物，以 条带、绳索、连杆或扳豢譬形式与土工织物复合。 加筋土实验研究 ( 4 ) 土工合成纤维，即将合成材料制成的网片拌入土内，或直接在施工现场喷射纤 维丝掺入土中，形成所谓的网片土或纤维土。 1 2 加筋技术的定义及发展 1 2 1 加筋技术的定义 随着科学技术的进步以及现代化建设的需要，加筋技术有了迅速的发展。近2 0 年 来，全世界不仅建成了数以千计的各种类型的加筋工程，而且还采用土钉、树根桩、长 纤维混和砂加固了许多挖方边坡；采用土工格栅、土工织物、钢筋网以及网桩等加固了 许多软弱地基。上述土工加固方法的共同特点都是在土工构筑物中或原位土体中埋入了 某种受拉构件( 即拉筋) 而使土的强度和稳定性得以提高。因此，凡在土中敷设拉筋而使 整个土工结构的力学性质能得到改善的土工加固方法均属土工加筋技术。加筋土技术从 广义上讲是一门土工增强技术，或称为土工补强技术。土工增强技术常见的有加筋土、 纤维土、复合土、改性土等。 1 2 2 加筋土技术研究现状 1 加筋土国内外研究现状 加筋土是由一层或多层水平加筋材料构件与填料交替铺设所组成的复合体。目前， 在工程界中，一般是由填土和筋材复合而成，它本身也是由多层水平增强材料与填料交 替铺设并紧密压实而形成的一种复合材料。加筋材料主要承受土体产生的侧向拉力，增 加土体的变形模量，限制土体的侧向位移，提高土体及有关建筑物的稳定性。 根据复合材料的按相分类原则，把加筋土中相对比较连续的相( 填土) 称为基体，其 它相( 土工织物) 则称为增强。基体和增强之间的交界面称为界面。对本文研究的内容来 讲，砂土作为复合材料中的基体，而土工织物为增强。 加筋土的应用历史比较久远，远在新石器时代，我们的祖先就开始使用茅草作为加 筋材料进行砌筑墙体，这样的历史一直传承下来，但是一直能未形成系统的理论和技术。 第1 章绪论 现代土工增强技术于十二十世纪六十年代开始实践与应用，并于上个世纪8 0 年代 获得迅速发展。加筋土的概念由法国工程师h e n r i v i d a l 于1 9 6 3 年提出，并给出了土的 加筋方法和设计理论。应用此理论，1 9 6 6 年法国在比利牛斯山的普拉聂尔斯修建了世界 上第一座加筋挡土墙。由于法国在加筋土技术方面的成功应用，引起了世界各国岩土工 程界的广泛重视，展开了广泛的实践与研究。于是加筋土作为支挡结构，被应用于挡墙、 桥台、港口岸墙和地下结构等；同时作为主体的稳定体系，加筋土被应用于道路路堤、 水工坝体、边坡增稳和地基加固等领域。 1 9 6 7 年在法国至意大利的高速公路上，大量土工构造物由加筋土体替代了传统的支 挡结构，其中有一座高达2 3 m 。由此对加筋土体的评价像钢筋混凝土一样称之为“造福 于人类的复合材料，从此震动了欧、亚和拉美地区。美国的第一座加筋土挡墙修筑于 1 9 7 2 年。同年1 2 月份，英国爱丁堡市北部的山路上，用粘性土填料建成长1 0 7 m ，高 1 8 m - - - 7 2 m 不等的加筋土挡墙。白1 9 8 0 年以来，加筋土体中土工织物的使用显著增加， 并开始将土工格栅用作增强材料。在过去的1 0 年中，加筋土边坡的使用已显著扩大， 如在美国已建成的加筋土边坡结构有数百座，仅交通运输领域每年就要修建3 0 - - 4 0 个 加筋土边坡工程。 到了2 0 世纪7 0 年代，我国才开始进行加筋土的工程应用研究，并于1 9 7 9 年在云 南田坝煤矿建成了第一座加筋土挡墙。随后加筋土技术逐渐在公路、水运、铁路、水利、 市政、煤矿、林业等部门或行业应用，特别是近几年在公路建设和水运中取得了巨大的 经济效益和显著的社会效益。加筋土的设计计算理论和施工技术得到了空前的发展，突 破了一些国家规范中对填料的限制和筋材的应用范围。加筋材料品种多样化和产品标准 化及规范化，使加筋土技术的应用领域和使用地域也不断扩大。 截止2 0 0 0 年底，我国已有3 0 个省、市、自治区在各个工程领域建成加筋土工程五 百余座。在公路工程中，应用加筋土技术已建成各种挡土墙1 6 6 座，驳岸墙5 4 座，桥 台1 6 座，占总数的8 5 。土工织物在我国的研制和应用相对较晚。从2 0 世纪6 0 年代 中期开始，机织土工织物开始应用于河道及涵闸工程。8 0 年代初，非织造土工织物开始 在铁路工程和水利工程上试用。进入9 0 年代以后，土工织物的应用发展很快。1 9 9 2 年 加筋土实验研究 机织土工织物的耗用量达9 1 0 1 m 2 。1 9 9 8 年长江流域发生特大洪水之后，每年土工织 物用量己超过1 0 8 m 2 。对于非织造土工织物，1 9 9 5 年耗用量接近6 5 1 0 7 m 2 ，至今其使 用量每年也已超过1 0 8 n 1 2 。目前，我国机织? 编织土工布的生产能力完全可以满足各项 工程的要求，其在我国应用规模较大、效果较好的主要在水利工程、公路工程和铁路工 程的项目建设。其中，国内已建成加筋土结构的最大高度是4 4 m ，现服务于云南楚雄到 大理的高速公路。目前，土工织物在环境工程方面的使用比例还不算大，在环保方面应 用较多的是在尾矿和贮灰坝的处理工程。如上海外高桥电厂、嘉兴电厂、上海石洞口电 厂的灰坝、青岛电厂灰库、上海铜山尾库矿、江西德兴铜矿尾矿库、浙江逐冒金矿尾矿 库等工程。据统计，在“九五”期间，我国将新建公路3 0 1 0 6 k m ，其中高等级公路 1 4 5 1 0 4 k m 。在铁路建设中，每年预计要修复1 0 0 0 k m 翻浆路段。1 9 9 8 年长江、松花 江的一场特大洪灾后，国家又增加了巨额资金投入基础设施建设，这其中包括长江堤防 的修复和加固、三峡工程、黄河治理、小浪底工程、南水北调、长江口深水航道等巨型 工程，这些工程建设都需要大量土工合成材料。现在，我国土工合成材料已经有5 项产 品标准和2 0 项试验方法标准出台，土工合成材料的设计、施工规范也己正式颁布，这 对生产、推广和使用土工合成材料提供了必要的条件和机遇。 需要指出，我国土工合成材料加筋土技术起步与国外几乎同步，但由于我国重应用， 轻现场观测、模型试验和理论研究，同时应用领域比较单一，导致目前我国土工合成材 料加筋土技术水平与国外差距逐渐拉大。毕竟，土工合成材料加筋土仅有3 0 年的历史， 目前土工合成材料的加筋机理不十分清楚，计算方法不成熟，理论研究明显落后于工程 实践，一定程度上限制了土工合成材料加筋上的工程应用，因此迫切需要对土工合成材 料加筋土技术进行深入的理论研究。 2 加筋土结构的工程特点 土体具有一定的抗压和抗剪强度，而抗拉强度却很低，在土体中掺入或铺设适当的 筋材后，可以不同程度改善土体的强度与变形特征，筋材埋在土体中，可以扩散土体的 应力，增加土体模量，传递拉应力，限制土体侧向位移等。 第1 章绪论 加筋土挡墙加筋技术中最典型的一种结构，它是由面板、拉筋、连接件和填料组成， 即加筋材料成层水平方向埋置于土中，并与垂直的墙面板形成牢固的联结。加筋土挡墙 的作用原理可以解释为：在加筋土结构中，由填土自重的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给拉筋，企图将拉筋从土中拉出。因此， 只要拉筋材料具有足够的强度，并且与土体产生足够的摩擦力，则加筋的土体就可以保 持稳定。 根据加筋土功能的不同，其主要结构形式还有其它几种，如加筋坡面( 图1 4 ) 、加筋 地基( 圈1 5 1 等。加筋材料除加筋带外，还有其它土工台成材料如格栅、土工布、土工格 室、土工网垫等。 图卜d 加筋士坡面图卜5 加筋士基础 加筋土技术能够得以迅速发展主要在于加筋土结构具有以下各方面的特点： ( 1 ) 结构新颖、造型美观 加筋土结构新颖，巧妙地利用面板、填料和筋带。面板可根据环境和需要构思出各 种图案，与景观、环境、相邻建筑物等配套协调，一改重力式挡墙硕大、粗蛮、单调的 形象，赋予艺术感染力。 ( 2 ) 技术简单、施工方便 加筋土结构虽然机理复杂，但结构简单，技术容易掌握，需要的施工机械较少，不 需要专门的施工机具；再加之加筋土逐层回填压实形成柔性结构，墙体形成的加载作用 而引起的地基变形对加筋土本身的结构影响很小，因而需要的地基处理也比较简单，施 工十分方便。 ( 3 ) 要求较低、节省材料 加筋十实验研究 加筋土各组成部分对材料的要求不高，大宗材料为加筋土填料，其来源广泛，易于 获得；对地基承载能力的要求相对来说较低，比较容易满足：其来源广基础小、面板薄， 所用材料少。与重力式结构及其它结构相比，能较显著地节省材料用量。 ( 4 ) 施工速度快、工期短 面板可现场先预制，也可进行工厂化生产，再运至现场安装。施工作业简单，可组 织流水作业，也可进行大面积施工。另一方面，加筋土工程组织简单，施工工序少，现 场比较好管理和指挥。因此，加筋土工程施工速度很快，工期都比较短。 ( 5 ) 造价低廉、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 0 o 5 0 。加筋土挡墙的墙面板可以垂直砌筑，加筋土边坡的坡度一般也比较大， 因此，工程占地较少。另外，施工时对环境的影响小，施工快、工期短，其综合效益十 分显著。 ( 6 ) 适应性强、应用广泛 加筋土技术的应用已经过几十年的发展，己从公路路堤、路肩发展到应用于桥台、 匝道、隧道等防护，目前己用于处理公路边坡，市政建设，港口码头、防波堤、护岸工 程、航道工程，铁道工程路堤边坡，工民建配套工程，防洪堤、水库、水闸，林区工程， 工业尾矿坝、渣场、料场、货场等；甚至还用于危险品( 如石油、氨等) 或危险建筑( 核电 站1 的围堤、围墙，军事防护工程和设施等。 3 加筋土三轴试验研究现状 试验研究的目的主要是通过试验来反映加筋土结构的力学特性，获取筋材或筋一土 界面作用时各种物理和力学性质指标，以便为理论研究和数值分析服务。试验的种类较 多，比较常用的有：拉伸试验、筋一土相互作用特性试验( 直剪试验、拉拔试验) 、三 轴试验、离心模型试验、原位试验等，这里主要介绍三轴试验。 在三轴试验中，假定试样为均匀连续介质，通过施加围压和轴压来模拟土中一点的 应力状态及所经历的路径，来研究加筋土体的变形和强度特征。最早人们是从三轴试验 开始的。19 6 9 年h e n r iv i d a l 和f r a n c o i ss c h l o s s e r 最先发表了他们在l a b o r a t o i r ec e n t r a l 第1 章绪论 d e sp o n t se tc h a u s s e e sf l c p c ) 试验场地的轴对称应力条件下的加筋土三轴试验结果。该 结果显示加筋确实改善了土的受力性能，即加筋土的粘聚力增大了。1 9 7 4 年s c h l o s s e r 和l o n g 首先用三轴压缩试验研究加筋砂土的力学性能。国内保华富等【1 1 1 9 9 9 年对聚合 物土工格栅加筋碎石土的力学行为进行了试验研究；2 0 0 0 年天津市政工程研究院吴景海 等【2 】对内摩擦角为4 5 6 。，不均匀系数3 8 的粗砂分别采用5 种不同加筋材料下的加筋 砂进行了三轴试验研究，指出轴向应变小于1 时加筋砂和无筋砂的应力应变曲线很接 近，在应变较小时，加筋作用不明显；各种土工合成材料加筋砂土的大主应力6 3 与周 围压力o ，保持良好的线性关系，并且试验数据的相关性非常好。总之，国内外学者对 加筋砂三轴试验的研究主要基于探讨加筋对砂土强度和变形的影响。试验过程中都采用 单一筋片，对加筋层数( 密度) 不同条件下加筋砂的力学性质研究较少，这明显地和加筋 砂实际工作状态不符。另外，由于研究本身是为测求加筋的效果，对加筋砂的本构关系 未做总结，显得很可惜。文献 3 】对加筋土强度模型与应力应变特性进行了研究，文献 4 根据对两种不同的无纺布筋片加筋砂土三轴试验研究结果表明，无纺布加筋砂土强度指 标c 、巾值显著提高，加筋砂土强度随加筋试样所受围压和正规化加筋间距h h 减小而 增加，无纺布与砂土之间的相互作用可抑制砂土剪胀性，筋砂界面诱生摩擦角呈渐进性。 吴景海( 19 9 9 ) 5 】等人通过三轴试验对5 种国产土工合成材料的加筋效果作了对比研 究，并且得出结论：土工合成材料加筋砂具有准粘聚力，它仍符合m o h r c o u l o m b 抗剪 强度理论，并对土工合成材料的选型问题进行了有益的探讨。袁雪琪( 2 0 0 0 ) 【6 】等人用常 规三轴仪，研究了巫山县集仙中路1 号c a t 3 0 0 2 0 型复合拉筋带加筋土挡墙在不固结、 不排水条件下的变形破坏机理和抗剪强度性质。 但是，三轴试验只是从整体上反映了加筋的效果，而不是单个接触面的力学特性， 因此未能揭示加筋土界面的受力机理。而直剪试验和拉拔试验则可以较好的反映接触面 的剪切力学特性，是测试接触面相互作用的摩擦系数和抗拉拔力的重要手段。 加筋土强度特性的研究主要是通过三轴试验，主要研究的是加筋土的抗剪强度指标 的变化情况。 雷胜友【_ 7 j 采用涤纶布作为加筋材料，通过三轴剪切试验对加筋黄土的强度特性进行 加筋土实验研究 了研究。研究指出加筋黄土的强度及粘聚力均随着加筋层数的增加呈非线性增加，且加 筋土与素土的内摩擦角基本相同。 舒子亨【8 】等用两种不同抗拉强度的编织布作为加筋材料，对加筋砂土的应力一应变 及强度特性进行了研究。研究发现，加筋土强度与加筋材料的抗拉强度有关。 马卓军【9 】等采用镀锌铁皮圆片、镀锌铁皮圆箍作为加筋材料，对加筋土的强度进行 了研究。研究指出，在加筋率相同的情况下，加筋材料以沿周向布置，效果较好；同时， 还指出影响格室加筋效果的主要因素是格室的高度和格室的层数。 李国祥【1 川等用乳胶膜、p v c 土工布、硬塑料片作为加筋材料，研究了加筋材料的 变形模量及布筋方式对加筋土强度的影响。研究发现，加筋土强度随着加筋材料变形模 量的增大而增大。同时，还发现加筋材料沿主伸张应变方向，加筋效果最好。 1 2 3 土工织物加筋土研究现状 1 土工织物加筋土强度研究现状 在加筋土结构设计理论中，加筋土土体的力学特性一直是决定结构反应的关键因 素，因此必须进行充分的研究。加筋土土体特性研究的主要内容包括筋材与填料力学性 能试验研究、加筋土结构模型试验研究和计算方法研究三个大的方面。筋材的力学性能 包括拉伸力学特性和界面力学特征。由于土工织物的经济性和适用性，当今加筋土结构 中多采用土工织物或结合土工织物使用的其它合成材料作为增强。文献【1 1 】、【l e 介绍 了几种典型的土工织物拉伸试验方法以及由此得到的土工织物的力学模型。就土工织物 的拉伸试验而言，可以分为不考虑基体约束作用的自由拉伸( 拉伸、蠕变等强度试验， 通过试验总结出土工织物的力学模型主要有双曲线模型和多项式模型) 和界面性能测 试。文献 1 3 3 0 介绍了研究土工织物与基体界面特性的方法，通过试验得到了界面上的 剪应力与相对剪切位移的关系曲线，由此确定基体与土工织物的界面特性。文献 1 8 根 据试验发现土体受增强扰动后表现明显的各向异性，其变形具有典型的应变软化特性， 并推导了加筋土挡土墙正交各向异性基数解及土工合成材料加筋土应变软化的本构方 程，指出在合适的增强方案下，增强扰动作用导致加筋土只承受很小的土压力。文献 3 1 】 介绍了用大尺寸剪切仪来研究增强与破坏面成不同角度情况下加筋土的抗剪特性。目 第1 章绪论 前，国内在这一方面的研究已经取得了许多公认的成果f l7 1 。土工织物的力学性能测试， 无论是自由拉伸，还是考虑基体的有约束拉伸，都与土工织物在实际工程中的力学性状 不完全相符。而模型试验能在室内模型上观测到与实际工程相近的一些性状，也可以对 计算采用的理论和数学物理模型进行验证。在土工织物加固机理探讨方面的模型试验， 可以大致分成静力模型试验和离心模型试验【3 2 。3 4 1 两大类。铁道科学研究院张道宽博士根 据引起边坡失稳的原因把失稳分成土工合成材料的断裂、拔出、增强体内部和地基破坏 四大类，并用模型试验直观地反映了这四类破坏型式。对离心模型试验来讲，在理论上， 几乎所有的岩土工程问题都可以用离心模型试验来模拟，但由于模型与原型土体结构的 差别、边界条件处理不当等因素影响，有时仅能以主要指标满足相似准则来进行模型设 计。在离心模型试验方面，我国中科院武汉岩土力学研究所、同济大学、上海铁道学院、 长江水利委员会等单位对土工织物加固的地基和路堑边坡等进行过针对性的研究，得到 了不少对理论分析极为有用的数据。但是，就离心模型试验而言，国内外尚无对土工织 物的增强特性做系统研究，而且在增强材料的模拟上，意见分歧也很大，对现场观测数 据也缺少必要的利用和理论分析。有限元法分析是诸多数值方法中最能适用各种复杂因 素和不同受力条件的工具之一。有限元数值分析方法在这方面的功能体现在利用有限元 法全面合理地考虑土工织物与土体间的相互受力作用，对土工织物的加固机理进行探 讨。土工织物和填土界面力学性质的合理模拟是有限元方法计算加筋土结构形变应力场 合理与否的关键。在土工织物以及填土和土工织物界面的处理上，目前主要存在两种分 歧意见，一种是将土工织物作为一维线单元来考虑，认为填土与土工织物在接触面上的 各点变形都是协调的，另一种是依据填土与土工织物的外摩擦角小于填土的内摩擦角的 结论，除了将土工织物处理成线单元外，在织物的两侧各设一接触面单元( g o o d m a n e l e m e m ) ，土工织物仍用线性单元来模拟。还有一种方法是在土体与土工织物界面上分 设结点，当结点间的剪切应力不超过其抗剪强度时，变形是协调的；反之，结点之间则 有相对错动发生：有些文献将填土和土工织物组成的增强体作为一种复合材料来处理， 并针对相应的试验进行了分析。但不无遗憾地承认，目前的分析方法难于正确评价土工 织物的加固效果，往往是分析得到的效果不如实际工程中的效果好。根据计算经验，用 加筋土实验研究 g o o d m a n 接触单元分析土与土工织物的界面性能时，两者之间的相对滑动很小，甚至可 以认为这只是由于计算误差造成的，因此在土工织物的加固机理方面的研究探讨仍有许 多工作可以深入研究。针对有限元数值计算中存在的问题，文献【3 5 4 6 1 介绍了以试验结果 为基础，并引入适当的假设进行推导，得到了一些有工程实用价值的计算公式。 研究国内外加筋土技术应用的有关文献，在尾矿坝工程采用土工织物增强坝坡稳定 性的措施尚未见报道。比较起来，土石坝工程中曾有成功的应用实践。如前苏联努列克 土石坝位于9 度强震区，上游坝坡平均为1 ：2 2 5 ，坝顶附近上下游坝坡为1 ：2 0 。研究认 为水库蓄水可能诱发地震，经过动力分析，永久变形偏大，局部坝坡抗震稳定安全系数 不够，需要将上游坝坡坝顶以下8 0 m 范围内及下游2 0 m 范围内的坝壳增加强度。该坝 采用了砾卵石坝壳和堆石增强措施提高坝坡抗震稳定性。增强结构是由长条形钢筋混凝 土板和梁组成。长条形钢筋混凝土板垂直坝轴线铺设，梁平行于坝轴线铺设，间距均为 9 m ，梁板之间填筑堆石，堆石填筑梁顶以上1 m 左右。计算结果表明增强后坝坡的抗震 稳定安全系数为1 0 5 ，增强结构的作用相当于使坝壳材料增加了8 5 k p a 的凝聚力【47 1 。对 增强结构的原型观测结果表明，坝坡底部三层加筋结构都承受拉应力，在坝坡顶部的增 强结构多承受压应力，分析后认为是由于坝顶沉陷变形引起的。增强结构的采用比放缓 坝坡，多填土石料的造价节约2 0 0 0 多万卢布。 随着人们环境保护意识和要求的增强，在大量修筑加筋土结构的同时，已开始注意 综合利用增强技术与绿色环保技术对边坡进行整治，其主要设计理念是利用易于成活的 低矮灌木取代强度较低的土工织物，甚至直接用作增强。由于植被枝条根茎能提供显著 的粘聚力，因而对缺乏粘聚力的砂性土边坡特别有效。已有的室内试验结果表明，在每 立方米土中每增加l k g 根茎，其抗剪强度增长3 2 k p a - - 3 7 k p a 。在美国南加利福尼业州 的一条公路上曾采用等高的灌木枝条加固路堤陡坡。p h i l l i p 等提出了一种应用新型材料 t e x s o l 增强陡坡技术。可在此种材料形成的增强陡坡表面种植绿色植物，满足环保要求。 在法国、日本等地开展的现场试验研究表明，这种增强结构具有很好的粘聚力，能承受 很大的应变和吸收很高的能量，是用于诸如高压缩性土和强震区等场合边坡加固的可选 经济方案。 第1 章绪论 2 土工织物加筋土的优点 土工织物加筋土作为一种新型加固技术，被称为“岩土工程界的一场革命”，为岩 土工程提供了一种经济而实用的加固手段【4 8 】。由于土工织物高的强度和柔韧度，能够有 效地改善土体的抗剪性能，因此，土工织物加筋土具有下列主要优点。 ( 1 ) 可用于特性较差的现场土，或形成较陡的边坡以减少土方量，减少投资。 ( 2 ) 不需大的施工机械，施工方便。 ( 3 ) 结构整体性好，且具有柔性，容许大的变形而不失稳。 ( 4 ) 便于和其他地基处理技术结合使用。 另外，土工织物因其自身的特点，在工程应用中对加筋材料和填上又有特殊的要求。 3 土工织物加筋土对加筋材料特性的要求 ( 1 ) 抗拉强度和延伸率 加筋材料应在较小的伸长变形时发挥大的拉力，要求抗拉强度不小于2 0 k n m ，达 设计拉力时的伸长率应小于1 0 。有纺织物、条带、格栅产品是良好的加筋材料，无纺 织物在土中拉伸模量和抗拉强度有较大幅度提高，也可用于加筋。 ( 2 ) 界面摩擦特性 。加筋材料的拉力是因它与土的摩擦而产生的，好的加筋材料应表面粗糙些。一般土 工织物与土的界面摩擦角是土的内摩擦角的o 8 倍左右，土工格栅由于有孔眼与土料的 咬合作用，界面摩擦角可达到土的内摩擦角。 一 ( 3 ) 蠕变特性 土工织物大部分是由高分子聚合物制成，具有明显的蠕变特性，因此选用土工织物 作为结构的筋材时，其蠕变应变在使用期限内不能超过允许值。土工织物埋在土内有约 束时的蠕变要比在空气中无约束时小的岁4 9 1 。 ( 4 ) 耐久性 加筋材料应有一定的抗紫外线性能，在运输、储存和施工中应尽量减小日光照射， 坡面暴露部分应加以保护。加筋材料要能耐腐蚀，从这个要求看，土工织物要比金属材 料优越得多，此外，为减少运输和施工中的机械损伤，加筋材料应具有一定的耐磨性、 加筋土实验研究 抗冲击破坏、顶破、撕破的强度。 4 土工织物加筋土对填料的要求 加筋土技术发展到今天，可以说其填料的选择范围越来越大，选择填料应以就近、 易取、价廉、能达到施工标准为原则，要求土能够提供高的剪切阻力，故一般选用无粘 性土，要求塑性指数，小于7 ，内摩擦角巾大于3 4 0 ，粒径小于5 0 p 聊的颗粒所占重量比 小于1 5 。不用粘性土的主要原因有：粘性土抗剪强度低，特别是不排水强度低，这对 施工期的稳定有影响；粘性土不易排水；湿化时强度损失很敏感。但在很多工程中往往 免不了使用粘性土，例如，加固软弱地基土的堤。有时粘土也会起到比砂土更好的加筋 效果；故在施工前要进行严格试验，合理选择填料，以达到降低工程造价的目的【涮。 5 土工织物的作用 随着对土工织物工程特性的深入研究，工程实践经验的积累，特殊规格产品研制能 力的提高以及产品市场的日益扩展，土工织物的应用规模得到飞跃发展，几乎涉及铁道、 公路、水利、海港、建筑、采矿等各个领域。形成这种局面的原因，除其具有质量轻、 柔性大、强度高、耐腐蚀、生产工厂化、成本低、运输和施工方便等众多优点外，还由 于其在工程应用中的适应性强，具有多方面的作用。 ( 1 ) 排水渗滤作用 土工织物透水性能良好，因而在土体中需设置排水层的地方都可以使用，例如土坝 心墙后以及挡土墙后的烟囱式排水层材料就可以采用土工织物来代替传统的砂石料，见 图1 - 6 。土工织物由于具有细小的孔隙，当与土体相接触并在水流流入土工织物时又可 起到阻挡粒移动的作用，亦即渗滤作用。因而不至于引起明显的土体渗透变形的现象。 在土工中原需布置反滤层的地方都可以利用土工织物来代替，见图1 7 。 第1 章绪论 隼了一 1 。 斟卜6 土工织物排水怍用的应用剧卜7 十上织物渗游作用的应刚 ( 2 ) 加筋作用 加筋作用是指土体甲力n a 土i 织物后提高土体承受荷载的能力的效应。“加筋”的 方式是多种多样的，例如可以在软土地基表面上铺设一层或多层土工织物，见图1 - 8 ( a k 在填土中有规律地铺设多层土工织物，见图1 8 ( b ) ；在填土中随机地掺杂土丁织物的短 纤维成为加筋的纤维土，见图1 8 ( c ) 。 ( 3 ) 隔离作用 土工织物铺设在土体中，尤其是在两层不同土体之间，就成为一种隔离物，就要产 生一种隔离作用，见图卜9 。 ( 4 ) 防护作用 防护作用是指土工织物用以保护土体不受损害的工程措施，通常足在堤坝表面上布 置一道保护层以保障土体不受水流的侵蚀破坏。最早的应用是以土工织物代替海岸表层 块石层下的传统的无粘性的反滤层。但目前的应用方式则更为直接，有拼接成一大片的 土工织物直接铺设在河底和河岸需要保护的地方，见图l - 9 ( a ) 。也有以土工织物缝制成 所需形式，其中充填混凝土，土工织物起到一种模板的作用而对其中的混凝土则起到 。ff 加筋土实验研究 保护层的作用，见图1 - 9 ( b ) “j * l t 匪趸露 图1 8 土工纵物加筋作用的廊用图卜9 十上织物隔离作用的应用 以上各种作用是为了叙述之便，分别加以介绍的，实际上土工织物使用时往往同时 起到多种作用其效应为多重作用的练合反映，但以其中一种或两种在该特定场台下起 主要作用，在使用土工织物时要注意这种辩证关系。 通过以上介绍可看出，用织物做筋材，是利用了其加筋、排水渗滤和隔离作用。与 其他加筋材料相比，织物发挥的作用更多，更具有优越性，因此土工织物加筋土的应用 前景更广。 1 2 4 土工织物加筋砂土的可行性 基于已有资料本文将对土工织物增强砂的可行性、增强后砂和土工织物相互作用 的力学机理、增强效果进行研究、评价，为由土工织物和砂组成的土体研究提供必要的 理论依据。本文提出用土工织物增强砂土的理由是： 土工织物的抗拉强度高，其抗化学侵蚀、老化性能较强，使用成本也比较低。 土工织物在填土的压实过程中产生横向约束力，从提高砂土的密实度，防治滑动，减少 变形。 蓦蔷 酵蠼 。吵垫 ” 詈 第1 章绪论 可在同样的砂土沉积条件下，采用土工织物增强砂土的措施，我们可以在同样 安全程度的条件下实现提高土体承载力的目的，这无疑将增大土体强度，延长使用年限， 又可节约大量宝贵的土地资源。 加筋土体本身是一种柔性结构，它对不良地质条件引起的变形适应能力较强。 用织物做筋材，可以起到一定加筋、排水渗滤和隔离作用。 1 2 5 问题的提出及研究内容 近几年来，随着我国公路事业的迅速发展，土工合成材料在公路工程中得到了广泛 的应用。由于土工合成材料可以组成各种形式的结构及适应多种条件等特点，受到土木 工程界的欢迎，但我国出现了理论研究落后于工程实际应用的状况，截止到目前，在加 筋土的加固机理上研究得还很不充分，出现了好多理论无法进行合理解释的实际问题。 本课题的研究就是在广泛查阅和收集资料的基础上，结合试验得到得数据进行研 究，进一步扩展土工合成材料在土体中的加筋应用研究。考虑加筋土工程的特殊性，在 没有现成理论和工程实践经验指导的前提下，对砂进行加筋的合理性、增强砂的变形、 强度特性，砂与土工织物之间以及土工织物之间相互作用的机理及其增强效果进行研究 非常必要。由于土工织物的铺设方向、铺设密度直接关系其作用的发挥程度，这就要求 我们在充分掌握土工织物增强砂组成的复合材料的结构性能的基础上，采用一定的力学 试验、分析手段，预测不同结构组成下土体的力学性能，为土工织物增强砂的设计与施 工提供必要的理论依据( 图1 1 0 ) 。 在土中加入土工合成材料对增强土体的整体性及减小土体的不均匀沉降等方面均 有良好的效果。对于一个土体来说，土筋间的摩