（岩土工程专业论文）hv加筋饱和砂土的强度与变形特性.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 加筋土技术应用日益广泛，但目前大多数应用仍然停留在纯水平的加筋形式 上。本文作者的导师张孟喜提出了立体加筋的概念，h v ( 水平竖向) 加筋正是立 体加筋的一种典型形式，即在原有水平加筋的基础上再相应的增加竖筋，形成空 间形式加筋体系。在土中布置这种h v 加筋体系后，将在土体中形成一个加固 区，从而较大的提高加筋土的强度。 本文进行了h v 加筋饱和砂土固结不排水三轴试验，加筋采用镀锌铁皮和 有机玻璃两种不同材料，在不同竖筋高度、不同围压下共进行了4 4 组试验，研 究了加筋饱和砂土的应力一应变关系、孔压应变关系、强度特性及破坏形态，探 讨了不同加筋高度、不同围压及不同筋材对加筋饱和砂土强度的影响，同时比较 了立体加筋与土工格室加筋的异同，对饱和紧砂的空化现象及其影响进行了分 析。试验结果表明：相对于无筋土及传统的水平加筋土而言，其抗剪强度有大幅 度提高；尤其是镀锌铁皮加筋，不仅提高了饱和砂土的有效黏聚力，也提高了有 效内摩擦角，同时改善了砂土的延性。 最后，在课题组推导的h v 加筋强度公式的基础上，推导了非满布筋的强 度公式，进而建立了非满布h v 加筋的强度公式，并将理论解与试验结果进行 了对比，二者比较接近。 关键词：h v ( 水平竖向) 加筋；饱和砂土；强度表达式；三轴试验；强度； 变形；空化 v 上海丈学硕士学位论文 a bs t r a c t n o w a d a y s ，r e i n f o r c e ds o i l sh a v e b e e nu s e dw i d e l yi np r a c t i c e n e v e r t h e l e s s i n m o s te n g i n e e r i n gp r a c t i c et h er e i n f o r c e m e n t sa r el a i dh o r i z o n t a l l yi nt h es o i l an e w c o n c e p to fs o i lr e i n f o r c e dw i t ht h r e ed i m e n s i o n a l ( 3 d ) r e i n f o r c e m e n t sw a sp r o p o s e d b yp r o f z h a n g h o r i z o n t a l - v e r t i c a l ( h v ) r e i n f o r c i n gi so n eo f3 dr e i n f o r c i n gf o r m s i nt h eh - vr e i n f o r c e ds o i l ，b e s i d e sh o r i z o n t a lr e i n f o r c e m e n t s ，v e r t i c a lr e i n f o r c i n g e l e m e n t sa r ep l a c e do nh o r i z o n t a lo n e sa ti n t e r v a l s h vr e i n f o r c e m e n t sw i l lf o r ma r e i n f o r c e da r e ai ns o i l ，h e n c es t r e n g t h e nt h es o i lr e m a r k a b l y as e r i e so fc o n s o l i d a t e du n d r a i n e dt r i a x i a lt e s t sw e r ec a r r i e do u to ns a t u r a t e d s a n d sr e i n f o r c e dw i t hh - vi n c l u s i o n so f g a l v a n i z e di r o na n dp e r s p e x t h eb e h a v i o u r o fr e i n f o r c e ds a t u r a t e ds a n d sw a ss t u d i e di nt e r m so fs t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i p ，p o r e p r e s s u r e s ，s h e a rs t r e n g t ho ft h es o i la n dt h ef a i l u r es i t u a t i o no fs p e c i m e n t h e i n f l u e n c e so fd i f f e r e n tv e r t i c a lc o n f i g u r a t i o n so fh vr e i n f o r c i n ge l e m e n t s ，c o n f i n i n g p r e s s u r e sa n dr e i n f o r c i n gm a t e r i a l so nt h es 仃e n g t ho fr e i n f o r c e ds a t u r a t e ds a n dw e r e d i s c u s s e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h r e ed i m e n s i o n a lr e i n f o r c i n ga n dg e o c e l l r e i n f o r c i n gw a sp r e s e n t e d ，a n dc a v i t a t i o no c c u r r e di nd i l a t a n ts o i l sw a sd i s c u s s e d i t w a ss h o w nt h a tt h ep e a kd e v i a t o rs t r e s sa n ds h e a rs t r e n g t ha tf a i l u r ei n c r e a s e dg r e a t l y i ns a t u r a t e ds a n d sr e i n f o r c e dw i t hh ve l e m e n t sa sc o m p a r e dw i t hu n r e i n f o r c e ds a n d s a n ds a n d sr e i n f o r c e dw i t hc o n v e n t i o n a lh o r i z o n t a li n c l u s i o n s ，e s p e c i a l l yi nt h o s e r e i n f o r c e dw i t l lg a l v a n i z e di r o ns h e e t m e a n w h i l e r e i n f o r c e m e n t sm a d eo fg a l v a n i z e d i r o nc a ni m p r o v et h ed u c t i l i t yo fs a t u r a t e ds a n d s f i n a l l y , b a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n df o r m e rs t u d yr e s u l t s ，t h es t r e n g t h f o r m u l ao fs a n d sr e i n f o r c e dw i t hm u l t i - l a y e rn o n - f u l lh - vr e i n f o r c e m e n t sh a sb e e n d e v e l o p e db ym e a n so ft h et h e o r yo fl i m i te q u i l i b r i u m t h er e s u l t so fa n a l y t i c a l p r e d i c t i o na r ec o m p a r e dw i t l lt h o s eo b t a i n e df r o mt h et r i a x i a lt e s t s i ti ss h o w nt h a t t h er e s u l t so fa n a l y t i c a ls o l u t i o na r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h o s eo ft h et r i a x i a lt e s t s v 1 上海大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：h o r i z o n t a l v e r t i c a l ( i 4 v ) i n c l u s i o n ；s a t u r a t e ds a n d ；s t r e n g t hf o r m u l a ； t r i a x i a lt e s t ；s t r e n g t h ；d e f o r m a t i o n ；c a v i t a t i o n v i 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。 本论文使用授权说明 期： 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) 导师签名： u 上海大学硕士学位论文 1 1 概述 1 1 1 加筋土简介 第一章绪论 土体是土粒、水、空气三相集合的多孔物质。从工程性质的角度出发，黏性 土有很小的抗拉强度，砂性土为零。土工结构物据此进行设计，也一直在探索改 变这一性质，从古至今在土体中增设各种抗拉材料的试验与实践一直没有中断 过。加筋土是指在土中埋设抗拉强度较大的加筋材料而形成的一种复合土，属于 土工合成材料的范畴。 我国传统加筋技术的应用已经有五千多年的历史，举世闻名的长城早前就是 用草和树枝混杂在土中来修筑的。传统加筋土技术应用极为广泛：在民用房屋建 筑中，普遍用掺入草筋或发丝筋料的土夯筑墙或抹平墙面；道路工程中也常采用 加筋土，如在黄土高原地区修筑的土桥，实际上是一种在填筑过程中铺入姜石、 草绳、筋条( 专指一种丛生的乔木枝条) 等的加筋土路划i 】；在水工建筑物中，常 在地基上铺设树木枝条以加固地基；在河滩险工地段，常在堤身逐层压入枝条以 加固( 典型如都江堰工程) 。在国外，加筋土的应用也有类似的记载。 “加筋土”这个概念是由法国工程师兼建筑师h e n r iv i d a l 2 0 】在1 9 6 3 年首先 提出的。他在试验中发现，当土中掺有纤维材料时土的抗剪强度提高很多，他根 据自己的研究成果提出了设计理论，并于1 9 6 5 年在比利牛斯山的普拉聂尔斯成 功修建了世界上第一座加筋上挡土墙，墙的最大高度达2 3 m 。这一工程立刻引起 了世界各国的重视，加筋土结构的研究和工程试验普遍而迅速的发展起来。 我国于1 9 7 5 年引进了加筋土挡墙的技术，到目前全国各地己完成千余座加 筋土工程。1 9 8 4 年成立了全国性的“土工织物科技情报网”，后来改名为“中国土 工合成材料协会”。自1 9 8 6 年以来，共召开了七届全国土工合成材料学术会议， 大大推动了土工合成材料在我国的应用与发展。 为了适应加筋土技术的推广应用，世界上许多国家制定并颁发了有关加筋土 工程的设计、施工规范和标准等。我国交通部在1 9 9 1 年制定并颁发了公路加 筋土工程设计规范o t j 0 1 5 9 1 ) 、公路加筋土工程施工技术规范( j t j 0 3 5 9 1 ) 上海大学硕士学位论文 等行业标准，铁道部在铁路路基支挡结构物设计规范中加入了加筋土工程的 有关条文和内容，水利部已发布了有关的应用指南。1 9 9 9 年初，国家正式颁发 了土工合成材料应用技术规范( g b5 0 2 9 0 9 8 ) ，交通部制定并颁发了水运 工程土工织物应用技术规程( j t j t 2 3 9 9 8 ) 、水利部制订和颁发了水利水电 工程土工合成材料应用技术规范( s l t 2 2 5 9 8 ) 和土工合成材料测试规程、铁 道部制订和颁发了铁路路基土工合成材料应用技术规范( t b l 0 11 8 - 9 9 ) 。 1 1 2 加筋土的优点 加筋土技术广泛应用于土木工程，加筋土结构主要有以下特点： ( 1 ) 从理论上讲，建筑高度不受限制，目前已建成的最大加筋土支挡结构物高度 已超过5 0 m 。 ( 2 ) 占地少，对各种地形适应性强，且造型美观。 ( 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， 可用于可能产生不均匀沉降的软弱地基。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 抗震性好。加筋土结构物所特有的柔性能很好地吸收地震的能量，具有刚性 结构物无法比拟的耐震性能。 ( 6 ) 造价低廉。较其他结构物可节约投资4 0 6 0 。 ( 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。 ( 8 ) 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。 图1 1 为加筋土路堤的示意图，可以看出，相对于传统的自然放坡路堤，加 筋土路堤具有节约土地和节省填方两大实际好处，契合建设节约型社会，走可持 续发展道路的要求。 ) 司南山( 1 9 9 3 ) t 4 1 曾做过传统钢筋混凝土挡土墙与加筋土挡土墙的比较与分 析，见表1 1 。 2 上海大学硕士学位论文 图1 1 加筋土结构优点示意图 表1 1 传统钢筋混凝土挡土墙与加筋土挡土墙的比较 比较项目传统钢筋混凝土挡土墙加筋土挡土墙 人民币1 2 0 0 2 0 0 0 m 2 ( 5 8m人民币1 2 0 0 - - - 1 5 0 0 m 2 ( 5 - - - 8m 高) ，单价不 建造成本高) ，随墙高度升高单价上涨幅度因墙高而有太大变化 大 现浇混凝土墙板，一般变化很少，墙面可预制，能就几何形状，颜色，纹理 外观 而且墙面品质不易掌握在材料上做灵活的变化，能与环境相配合， 具观赏性，可美化环境 传统施工方式，需要开挖及设立施工简单快速，不需要设立基础，只是精 施工方式 基础，施工速度较慢 度要求很高 外稳定：需要墙面与基础联结成内稳定：加筋材料提供稳定的来源，墙面 设计理念一体，提供稳定力矩，并增加滑 仅仅提供额外支撑力量 动抵抗力 呈三角形分布，当墙高增加时，柔性结构，土压力较小，且分布略成长方 土压力 土压力增加幅度很大形，并未随墙身的加高而增加太多 除非土壤特别坚硬，否则需要桩在一般土壤情况下，不需要桩基础 基础 基础 地震时因为背填七无抗拉性，而墙面的柔软性提供了高度阻尼 墙面较背填土坚硬，应力集中，( d a m p i n g ) ，可吸收地震所释放的大量能 抗震性 容易产生裂缝 源，且加筋材料抗拉性能强，应力分布均 匀，土体破坏可能性小 排水层紧贴于墙后，并设置排水 排水层位于背填土与原状土之间，并设置 排水系统 管 透水性地工织布以及排水管排水 3 上海大学硕士学位论文 1 1 3 立体加筋体系 对加筋土的研究，除了进一步探讨加筋土结构的性状、工作机理，完善设计 计算理论外，许多学者还在加筋材料的应用与发展及加筋方式方面进行了研究。 加筋材料从最早的天然材料到金属、混凝土、再到人工合成材料，如土工条带、 土工网、土工布、土工格栅等。国内有学者研究了c a t 钢塑复合筋【5 】、预应力 c f r p 材料i ”】等。 在加筋方式方面，s m i t h 和b r i g i s s o n ，熊正洪和张孟喜研究了在自重和有超 载两种条件下加筋土挡墙中筋条倾斜布置对承载力的影响【8 9 】；杨果林提出了由 纵横筋组成的平面网格式加筋土，并对平面网格式混凝土加筋土结构进行了稳定 性分析1 1 0 1 ；谢文东提出了加筋环新型加筋形式，其作用机理是将填料产生的侧向 压力转由加筋环承担1 1 1 】；陈群和何昌荣对一座平面楔形混凝土拉筋加筋土挡墙进 行了施加列车荷载前后的原位观测【1 2 】：雷胜友分析了钢筋混凝土串联块作为筋带 的加筋土支挡结构的强度特性1 1 3 ；r a j a g o p a l ( 1 9 9 9 ) ，马卓军等( 2 0 0 0 ) 对土工格室 加筋黏性土强度进行了三轴试验研究【1 4 1 5 1 ；l a t h a 和m u r t h y 对通过比较水平土工织 物加筋、土工格室加筋和随机分布的纤维加筋，研究了不同加筋方式对加筋土强 度提高的影响0 6 - 1 7 j 。 张孟喜对加筋方式进行了梳理之后，将加筋方式大致的发展阶段归为以下4 步【1 8 】： ( 1 ) 单向线性：指的是加筋条带，如图1 2 ( a ) 。一般来讲金属加筋和受力纤维 外包裹土工合成物加筋多采用条带加筋的方式。 ( 2 ) 单向合成：主要包括土工格栅和席垫。如图1 - 2 ( b ) 所示。 ( 3 ) 平面双向：钢筋网、编织网的连续层、双向格栅等，如图1 - 2 ( c ) 、( d ) 所示。 ( 4 ) 立体三维：加筋不仅布置两维平面内，在第三维度也有布置。 按照这个思路，张孟喜提出了立体加筋土的概念。立体加筋土是在土中布置 传统水平加筋的基础上设置竖向或立体筋材，或者直接在土中布置不同几何形状 的立体加筋，或者是在土体中布置水平一竖向联合立体格构式加筋，其特征是： 布置在土中的筋材是一个三维立体结构。如图1 3 所示为典型的立体加筋方式： h v ( 水平一竖向) 加筋，它在土中布置传统水平筋条的基础上设置竖向筋材，形 成一种空间形式的三维组合加筋结构。 4 l 湃 学自t 学位论女 抽) 土工条带( b ) 土工格栅( 单向) f b ) 典型hv 筋浆 图1 - 3 典型h v 加筋示意蝌 几年来，张孟喜带领的课题组针对立体加筋进行了一系列的试验研究，取得 了丰厚的成果，并获得了国家自然科学基金资助( 项目编号：5 0 6 7 9 i 0 0 ：与此同 上海大学硕士学位论文 时，于2 0 0 9 年获得国家发明专利一立体加筋土”( 专利号：z l 2 0 0 5 1 0 0 2 8 2 4 1 8 ) 。 1 2 加筋土研究进展 1 2 1 理论研究进展 加筋土是由土与筋材组成的复合体，他们共同受力、协调变形。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。 因此，在土中加入筋材不仅提高了土体的强度，而且增强了土体的稳定性。 自h e n r iv i d a l 提出加筋土的概念以来，加筋土结构就在世界各地土木工程 领域得到快速发展和广泛应用。作为支挡结构，被应用于挡墙、桥台、港口岸墙 和地下结构等；作为土体的稳定体系，被应用于道路路堤、水工坝体、码头护墙、 边坡稳定和加固地基等。相应的，有关的试验与理论研究也迅速展开，但总的来 说理论和试验研究滞后于工程应用。 1 2 1 1 加筋土机理分析 土筋作用机理方面，现有分析理论可分为：摩擦加筋原理和准黏聚力原理【1 9 1 。 摩擦加筋原理认为：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，企图将拉筋从土 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拉筋被拔出：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。 准黏聚力原理认为：砂土中加入加筋材料后，加筋复合土体的内摩擦角不变， 而产生新的黏聚力，称为“准黏聚力”或“似黏聚力”，可表示为：= 碍砟2 脯 这时，准黏聚力原理可表示为：a 。，加= g ，k e + 2 c 只砗。其中，靠为准黏聚力， 它是由于筋材的作用而产生的，b 为筋材的单宽抗拉强度。 加筋土的似黏聚力是根据加筋土体处于极限平衡状态下导出的，只着眼于加 筋土的强度，因此准黏聚力理论适合于高模量的筋材加筋土。只要筋带没有断裂 就足以阻止土产生边界变形，从而提高加筋土的强度。模量低延伸率高的织物加 6 上海人学硕士学位论文 筋，由于变形大，不容易限制土产生边界变形，因此就不能仅仅采用强度条件来 评价，而要考虑其大变形的性质。 其他还有均值等代材料原理、弹塑性层板原理和弹性薄膜理论【1 8 1 。 1 2 1 2 加筋土结构的设计方法 加筋土结构的主要分析方法可以分为极限平衡法、有限元法和极限状态法。 加筋土极限平衡法是从无加筋极限平衡法基础上演绎出来的。其思路是：首 先假定可能的破坏形式，然后在极限平衡分析中计入加筋的拉力对加筋土结构稳 定性的贡献。加筋挡土墙的设计以极限平衡法为主。基于极限平衡分析的设计方 法很多，最常用的是锚固楔体法。加固软土地基的设计应用最多的是基于极限平 衡法的圆弧滑动法，考虑加筋拉力产生的抗滑力矩，计算稳定的安全系数。 极限平衡法简单、易行，所以设计单位多采用极限平衡法，但是由于极限平 衡法需要对加筋、土体、滑动面做出许多假定，加上人为隔离强度与变形，与实 际情况差异较大，导致极限平衡法计算结果精度较差，只能将极限平衡法看作半 经验半理论的方法。 与极限平衡法相比，有限元法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。土工合成材料加 筋土的有限元法主要分为三类：一类是将土工合成材料单元与土单元分开考虑， 土工合成材料单元与土单元之间设接触面单元；一类是将土工合成材料与土揉为 一体，作为复合材料考虑；一类是将土工合成材料作为外荷载考虑，直接作用在 土单元上，仅有土单元。 但是，由于有限元法的参数需要进行复杂的试验来确定，加上难以对破坏进 行定量的判断，使有限元法在实际工程中的应用受到了限制。 进入2 0 世纪9 0 年代，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 的安全系数，较大地改进了极限平衡法。在欧洲，加筋土结构的设计正在从极限 平衡法的整体安全系数向极限状态法的分项系数转变。英国标准b s 8 0 0 6 ：1 9 9 5 和欧洲标准e u r o c o d ee n v - 1 9 9 7 1 ：1 9 9 4 采用极限状态法。 7 上海大学硕士学位论文 1 2 2 试验研究进展 加筋土的试验研究主要有筋材物理力学性质测定、土筋界面相互作用试验、 三轴剪切试验、模型试验、离心试验及原位试验。从研究的尺度划分，可以分为 加筋土单元体研究和加筋土结构研究两方面。其中三轴剪切试验是典型的单元体 研究，模型试验则属于加筋土结构研究。 1 2 2 1 传统加筋土 在加筋土试验研究中，进行的最早最多的是三轴剪切试验。最初h e n r iv i d a l 就是在砂性土里加入了一些抗拉强度较高的纤维材料，进行三轴试验，最终提出 了加筋土的概念。s c h l o s s e r 和l o n g ( 1 9 7 4 ) 最先进行了金属条加筋砂土的研究f 1 9 1 。 其后，国内外许多学者研究了土工合成材料加筋砂土和加筋碎石土的三轴试验性 状。近年来，加筋土三轴试验研究有各个方面的进展。除了对加筋黏性土的大量 研究，也有学者进行了特殊土的加筋试验，包括黄土【2 0 1 、红土【2 l 】、膨胀土【捌等。 魏红卫等研究了不同排水条件下加筋黏性土的加筋效果，指出排水条件与不排水 条件下加筋效果大不相同【2 3 】。对于加筋饱和黏性土的试验研究：i n g o l d 通过对多 孔塑料做加筋的饱和黏性土进行不排水试验，发现当d a l t 芝4 时，( d 试样直 径，胴一筋层间距) 加筋效益将大于1 ，即黏性加筋土的抗剪强度大于无筋土的 抗剪强度1 2 4 乏5 】；l e e 推断加筋黏土在完全固结后再承受剪荷时，加筋效果与加筋 砂类似1 2 6 】；赵爱根用针刺无纺织物做加筋，进行了饱和黏土的固结不排水剪试验， 结果表明加筋土的强度有所降低口7 1 ；孙遇祺等推导了加筋土在拉力破坏和黏着破 坏条件下的强度参数表达式【2 8 】；杜运兴等通过对比饱和黏土加筋试件和非饱和土 加筋试件，指出c f r p 材料不适合饱和度较大的黏土【2 9 1 。对于加筋饱和砂土的试 验研究：崔堂灿等进行了饱和砂土的固结排水剪切试验，指出打包带和有纺编织 布两种材料对砂土的加筋机理服从准黏聚力原理【3 0 】；孙丽梅等进行了打包带和有 纺织物加筋饱和砂土固结排水剪切试验，对打包带加筋对比了单向和双向垂直布 筋的加筋效果，指出打包带双向和有纺织物加筋效果均优于打包带单向加筋【3 。 1 2 2 2 立体加筋土 对于立体加筋土的试验研究，课题组主要进行了立体加筋三轴剪切试验 1 3 2 - 3 8 1 、立体加筋平面应变试验【3 9 1 、立体加筋土结构模型试验 4 0 - 4 2 】、立体加筋拉拔 试验【4 3 4 4 1 ，此外还利用颗粒流程序对试验进行了数值模拟【4 5 1 ，推导得出了一些立 8 上海大学硕士学位论文 体加筋的理论公式，得到了许多宝贵的成果： ( 1 ) 立体加筋对土体强度的增加效果随立体加筋土中竖筋高度的增大而增 大。 ( 2 ) 立体加筋土对土体强度增强效果和加筋材料的变形模量有很大关系，变 形模量越大的加筋材料对土体强度的增强效果也越大。 ( 3 ) 立体加筋不仅能提高土体的黏聚力c ，也能提高土体内摩擦角p 。 ( 4 ) 立体加筋同水平加筋一样，都是在低侧压下才能更有效地工作。 ( 5 ) 在竖向筋总高度为定值时，采用双面加筋形式比采用单面加筋形式能更 有效提高土体的强度。 ( 6 ) 立体加筋比传统的水平加筋强度进一步提高的机理在于所加竖向筋的作 用。土体受力侧向发生膨胀，使竖向筋条发生变形，反过来对土体产生侧向力， 约束了土体的变形，提高了土体的强度。 对立体加筋的三轴剪切试验研究：张孟喜( 2 0 0 6 ) 提出立体加筋土概念，闵兴 与王振武首先进行了单层和双层的h v 的加筋砂土试验，筋材采用镀锌铁皮和 橡胶板两种材料制作，土样为福建标准砂，加筋形式为满布筋，为减少填料水分 对试验结果的影响，采用了干砂试样，结果表明立体加筋砂土的强度随竖向筋的 高度增加而增大【3 5 弓6 】；随后张石磊研究了镀锌铁皮和有机玻璃两种材料的 h v ( 水平一竖向) 加筋干砂的强度特性，土样仍为福建标准砂，加筋形式改为非满 布筋【3 7 】；张贤波也采用镀锌铁皮和有机玻璃两种材料制作h v 加筋筋片，土样 选用上海黏性土，为非饱和黏土，筋材也是非满布筋，其研究结果表明h - v 加 筋存在着一个最优加筋率【3 8 】。 1 3 本文主要内容 从上面的回顾可以看出，三轴试验土样发展经历了由砂土到黏土，由非饱和 试样到饱和试样的演变；立体加筋也是这样，为了减少填料水分对试验结果的影 响，首先进行了加筋干砂试样的研究，随后开展了非饱和加筋黏性土的固结不排 水试验研究。很自然地，加筋饱和试样的研究也就提上了议事日程。 本文的试验方法为固结不排水试验，从某种意义上讲，这种试验方法反映土 体己部分固结，但又不完全固结时的抗剪强度。工程上如果土体在加载过程中既 9 l 海大学碰i 岸位论业 非完全不排水，又非完全排水，而处于两者之间时也常用这种抗剪强度指标。因 此很难说它确切反映哪一种工程情况，但实际上较其他两种方法( 不固结不排水 试验和固结排水试验) 更为常用* i 。 本论文依托国家自然科学基金项目“条带式带齿加筋砂性土作用机理的细观 模拟学试验研究”( 项目编号：5 0 6 7 8 1 0 0 ) ，以作者攻读硕士学位期问承担课题的 工作为基础，在分析国内外研究现状的基础上，介绍了加筋士三轴试验方法及方 案，进行了一系列h v 加筋饱和砂土的试验研究，在试验的基础上对h v 加筋 饱和砂土的加筋机理进行分析并推导了理论公式。 论文的工作总的可以分为试验研究与理论分析两大部分。 试验研究 这一部分在介绍非满柿的h v 加筋的基础上，设计了非满布多层h v 加筋 饱和砂上的试验方案，以镀锌铁皮和有机玻璃为材料进行了大量的固结不排水互 轴剪切试验。 工程上，无论是作为支挡结构的加筋土挡墙还是作为土体稳定体系的加筋土 路堤、加筋土水坝大都采用了条带式加筋，可视为平面应变状态。首先要说一点， h - v 加筋是三维立体加筋在( 近似) 轴对称条件下的一种具体形式，其中满布的 h v 加筋形式如图卜4 ( a ) 所示本文试验应用的是一种非满靠的h v 加筋( 见图 1 - 4 ( b ) ) t 通过( 近似) 轴对称条件f 非满布h - v 加筋二轴试验可模拟条带式带齿加 筋的力学特性，进而指导加筋土挡墙等实际工程。如前所逑，课题组前期主要进 行的是满布h - v 加筋试验( 闰兴王振武) ，随后开展了非满布的三轴试验研究( 张 石磊，张贤波) 。在本文中，f i v 加筋专指非满布的h v 加筋。 ( 砷满布( w 非满布 嘲 - 4 三轴试验中h 一水平一竖向) 加筋单元 为了探讨h v 加筋饱和砂土的强度与变形特性，验证饱和砂土中h v 加筋 的有效性，通过三轴试验对两种材料( 镀锌铁皮和有机玻璃) 的1 4 一v 加筋饱和砂土 1 0 上海大学硕士学位论文 进行研究，分析比较h v 加筋在不同围压和不同高度时的应力应变关系、强度 特性及破坏形态，研究了不同加筋方式及不同竖筋高度对加筋土体强度的影响， 以及镀锌铁皮和有机玻璃两种不同模量加筋材料对h v 加筋强度的影响。 ( 2 ) 理论分析 理论分析是在三轴试验的基础上，分析非满布h - v 加筋饱和砂土的工作机 理和破坏特性，通过极限平衡理论推导h v 加筋的强度公式，得到破坏时大小 主应力之间的关系；将理论计算值与三轴试验结果进行对比，检验其合理性及准 确性。 上海大学硕士学位论文 第二章三轴试验方案与试验流程 2 1 三轴压缩试验 2 1 1 概述 三轴压缩试验( 亦称三轴剪切试验) 是试样在某一固定周围压力下，逐渐增大 轴向压力，直至试样破坏的一种抗剪强度试验，是以摩尔一库伦强度理论为依据 而设计的三轴向加压的剪力试验。根据土样固结排水条件和剪切时的排水条件， 三轴试验可分为不固结不排水试验( u r l j ) 、固结不排水试验( c u ) 、固结排水试验 ( c d ) 以及杨固结三轴试验。c u 试验指试样在施加周围压力时，允许试样充分排 水，待固结稳定后，再在不排水条件下施加轴向压力，直至试样剪切破坏，同时 在受剪过程中测定土体的孔隙水压力，可以测得总应力强度指标气，( p 。和有效 应力强度指标c 7 ，( p7 。c d 试验指试验先在周围压力下排水固结，然后允许试样 在充分排水的条件下增加轴向压力直至破坏，同时在试验过程中测读排水量以计 算试样体积变化，可以测得有效应力抗剪强度指标c d ，( p d 。 2 1 2 试验仪器 试验设备由三部分组成：三轴剪力仪，三轴压力测控柜，数据采集、处理系 统。 ( 1 ) 三轴剪力仪 采用南京电力自动化设备总厂生产的s j 1 a 型三轴剪力仪，它是检测土的强 度指标和空隙压力特性的仪器，该仪器为应变控制式，主要由试验机、压力室、 测控系统、试样制备工具等四部分组成( 见图2 1 ( a ) ) 。 ( 2 ) 三轴压力测控柜 采用s j 1 a g 型三轴压力测控柜，它是s j 1 a 型三轴剪力仪的配套产品，代 替s j 1 a 型三轴剪力仪的测量部分。该测控柜分别提供了围压稳压单元、反压稳 压单元、孔隙压测量单元、体变测管和三轴试验机电机控制单元。稳压和测压均 由数字面板显示，同时保留压力表监测( 见图2 一l ( a ) ) 。 1 2 e 海学碗1 擘也t 文 0 ) 数据采集处理系统 采用南京电力自动化设备总厂生产的t s w - 3 型土工试验微机数据采集处理 系统，该系统主要用于土工试验室的常规力学和物理性试验的自动化测量，实现 了对试验数据的自动采集和数据处理，并绘制各种试验曲线和打印成果报告( 见 图2 - l ( b ) ) 。 黪 睡 ：舢! 蟥磊；埘i # 一 、。固 薄o 一零j p ；j 引 酬幽 釜主 熬整 勰爨墼豳潮豳_ ( b ) t s w - 3 型七t 试验，傲机数据采集处理系统 圈2 - 1 试验仪器 上海大学硕士学位论文 2 1 3 试验材料 加筋材料：试验采用两种不同模量的筋材：镀锌铁皮和有机玻璃。其中，镀 锌铁皮厚度0 2 5 m m ，有机玻璃厚度2 6 m m 。 填料：试样选用土样为附件标准砂。几年来，课题组一直采用该土样进行试 验，颗粒有不同程度的磨细，经重新测定，发现其粒径主要集中在o 5 - - 2 m m ， 颗粒级配曲线如图2 2 所示。不均匀系数c 。= 5 6 ，曲率系数e - 2 0 ，属于级配 良好砂。其颗粒比重g = 2 6 4 3 。干砂和筋片之间的摩擦系数z 由直剪试验测定， 镀锌铁皮为0 4 5 ；有机玻璃为0 5 5 。 主 、- ， 正蠲| 把 求 妞 粱 _ g 也 黧 球 融 ， 2 2 试验方案 2 2 1 筋材布置 l o 土粒粒径( m m ) 图2 2 砂土颗粒的级配曲线 本试验选用1 0 1 压力室，三轴试样直径l o 1c m ，高2 0c m 。试样中所加 筋片是水平、竖向复合立体筋片，其特点是水平和竖向方向均为非满布布筋，竖 直方向加筋高度h 变化，两种筋材的筋片形式如图2 3 所示。镀锌铁皮竖筋采用 焊接，有机玻璃的竖筋使用三氯甲烷黏结。筋片的具体尺寸及它们在试样中的布 置方式见图2 4 。 1 4 舌； 印加 鼬如趵 加o j _ 海太硕士学位论文 ( 耐镀锌铁皮筋片 2 2 2 试验工况 图2 - 3hv 筋h 照片 ( b ) 有机玻璃筋片 一 5 il 一 li 1j s q 妯m ( 曲平面( b ) 纵剖面 图2 - 4h - v 加筋方案( 尺寸单位：m m ) 除了无筋土( 纯砂) 、水平加筋外，竖筋高度h 采用5 ，1 0 ，1 5 和2 0r n m 四种不 同高度。根据筋材种类不同，试验工况可分为3 类： ( 1 ) 无筋土( 纯砂) ( 2 1 镀锌铁皮h - v 加筋 筋片分布方式为：距试样上、下端面凹分之一及二分之一高度上各加一层非 满布筋片，根据竖筋高度h 的不同，共设计了5 种工况，其中水平筋片算作竖筋 高度h = 0 m m 的h v 筋片。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 有机玻璃h v 加筋 同镀锌铁皮加筋一样，共设计了5 种工况。 汇总以上3 种分类，共有1 1 种工况，如表2 1 所示。 表2 - 1h - v 加筋试验工况 63 一 水平 为确定完整的强度包络线，每种工况分别在周围压力5 0 k p a ，1 0 0k p a ，1 5 0 k p a ，2 0 0k p a 的情况下，测试试样破坏前的应力应变变化状况。并对同一围压 同一种加筋形式的试样做3 组平行试验，进行综合比较，最后整理得到4 4 组有 效数据。 2 3 试验流程 2 3 1 土样的饱和 常用的试样饱和方法有真空抽气饱和法、水头饱和法、反压饱和法和煮沸饱 和法四种i 棚。 ( 1 ) 真空抽气饱和法 将制备好的土样放入饱和器内置于真空饱和缸，为提高真空度可在盖缝中涂 上一层凡士林以防漏气。将真空抽气机与真空饱和缸接通，开动抽气机，当真空 压力达到一个大气压时，微微开启管夹，使清水徐徐注入真空饱和缸的试样中， 待水面超过土样饱和器后，使真空表压力保持一个大气压不变即可停止抽气。然 后静置大约1 0 个小时左右，使试样充份吸水饱和。也可将试样装入饱和器后， 1 6 璃玻机有 vm 5 加 加 3 3 3 3 7 8 9 m e * # 日学论女 先浸没在带有清水注入的真空饱和缸内，连续真空抽气2 - 4 个小时，然后停止抽 气，静簧1 2 个小时巳口可。 ( 2 ) 水头饱和法 将试样装入压力室内，施加2 0 k p a 周围压力，使无气泡水从试样底座进入， 待上部溢出，水头高差一般在1 米左右，直至流入水量和溢出水量相等为止。 f 3 1 反压饱和法 试件在不固结不排水条件下，在土样顶部施加反压力，但同时应在试样周围 施加澳9 压力，反压力应低r 侧压力5 1 d ： a ，当试样底部空隙压力达到稳定后关闭 反压力阀门，再施加侧压力，当增加的侧压力与增加的空隙压力其比值 a u a ( j 3 ) 09 5 时被认为是饱和的，否目再增加反压力和侧压力使土体内的气泡继 续缩小，直至满足u ，0 3 o9 5 的条件。 ( 4 ) 煮沸饱和法 将土样称重后放入锅中，注入清水盖过土样顶面约3 c m ，然后加热使水煮沸 在煮沸的同时不断搅拌土样，充份排出土样内空气。 通过多次尝试以后，本次试验最终采用煮沸饱和法( 见图2 - 5 ) ，辅助采用水 头差法。主要是因为煮沸饱和往费时较少，一般煮沸2 小时左右砂样基本饱和。 试验中控制每次试样的用砂量一致，一次试验使用的干砂量约为3 1 4 0 克。 摩 2 3 2 制样过程及试样的安装 目2 - 5 煮沸饱和 土祥经煮沸饱和后，接下来要在三轴剪力仪的试样座上装样，返一过程如果 控制不好，很容易让空气进入饱和土样，使得前面的工作付之东流。 t 海大 m 论文 ( 1 ) 检查像皮膜的密封性，在试样底座上依次放上透水石和滤纸，将橡皮膜 端套在底座上并用橡皮筋箍紧，装上对开模并用螺丝固定，给对开模安上套箍， 将橡皮膜由对开模内部向外韶出，使橡皮膜展丌与对丌模内壁紧贴。虽然绝大部 分橡皮膜都完好无损，但是这一步工作也要仔细去做，否则可能因为少做一两分 钟的工作而使前面几个小时的工作报废。 ( 2 ) 打开试样底座阀门，让量管中的水从底庳流入橡皮膜内约至模具总容量 的l 廿左右后关闭底座阀门。这一点根重要，如果是装好模套之后从上面倒水进 去，就不能保证透水石里的气泡完全排出，更为保脸的做法是先将透水石在开水 旱煮过再用。 ( 3 ) 将冷却后的砂料用勺于进行仔细填装，确保勺子内砂料完全挂在水里， 移入模简后，待勺子完全浸入水里方可让砂料脱落。砂样共分四层装入，每装入 一层，都用一个橡皮锤敲击模筒四周相同次数，使砂料密实。测量砂样高度，到 达分层高度时装入筋材，注意使其保持平整，并使上中下三层筋材位置统一，e 下对齐。 ( 4 ) 待土样装满模具，盏上滤纸装上顶盖，将原先翻出的橡皮膜翻起套于顶 盖上，用橡皮筋扎紧，降低下排水管，使试样底部的微小气泡进入排水管，旋转 三通阀使孔脏传感器和下排水管连通，抬高下排水管旋升孔压传感器堵头，排 净气泡。关闭孔压传感器堵头，旋转三通阀使下排水管和试样连通，通过水头茬 洁排出擐后残留在顶帽下的气泡。 幽2 石打开对开模后直立的试样 1 8 j ：海夫# i 擘0 * i ( 5 ) 拆除模筒前降低下排水管约5 0 e r a ，使试样保持直立。去赊对开模后的 试样如图2 - 6 所示。最测试样高度在试样不同方位量测3 次记录3 个高度数 值 、也和岛。 ( 6 ) 装上压力室罩，此时应将传力活塞放于最高位置虬免和试样碰撞，拧紧 压力室罩密封螺栓，轻轻放下传力活塞与土样帽接触。 2 3 3 试样的固结 ( 1 ) 向压力室内通水，施加围压，量测孔隙水压力，计算孔隙水雎力系数四， 当b 0 9 5 时认为试样已经饱和：否则重做。 ( 2 ) 测得试样饱和后，打开上下排水阀门，使试样在周围压力毋下周结稳定。 本次试验土样为级配良好砂，分层装砂时在对开棱四边有次数相等的敲击，结果 形成的试样非常密实，在同结3 0 分钟后便基本上不再排水视为固结完成。测 读试样排水最a x v 同时关闭排水阀门。固结过程的试样如图2 7 所示。 试验中算得的b 值都太于o9 5 。所制试样的有关磬敬吼表2 2 。 图2 ，7 试样周结 表2 - 2 试样的物理特性参数 上海大学硕士学位论文 2 3 4 试样的剪切 ( 1 ) 转动细档手轮，使活塞与土样帽接触，调整量测轴向应变的位移计的初 读数和轴向压力测力计的初读数，按剪切速率o 8 2 8 m m m i n 对试样施加轴向的 压力，并取试样每产生轴向应变的0 3 0 4 ，测取记录测力计读数和孔隙水压 力值，直至试样达到1 5 应变或发生明显的破坏为止。 ( 2 ) 若属于脆性破坏，试样会出现峰值点；若属于塑性破坏，则按应变量1 5 为破坏点。 ( 3 ) 试验结束，关闭电动机，卸除周围压力，取出试样，描绘试样破坏时的 形状( 拍照) ，称试样质量( 连同像皮膜，橡皮箍，顶帽等一起称) ，取出筋片，将 湿砂全部放进烤箱烘干，称筋片、像皮膜、顶帽等质量。清理试验仪器。 值得注意的是，在试样剪切过程中，很容易发生围压迅速上升的情况，这时， 可通过旋转围压微调手柄来主动调节围压，使围压始终保持一致。 2 3 5 数据处理 按式( 2 1 ) 计算孔隙水压力系数： b ：塑 o 3 式中，“。在周围压力a ，下所