（岩土工程专业论文）粘土与加筋材料接触面力学特性研究与工程应用.pdf

摘要 加筋土是在土中加入加筋材料而形成的复合体。加筋土技术自6 0 年代初问世以来，以 其显著的经济效益越来越广泛地应用于土木工程中，同时加筋土技术本身也逐渐成熟起来。 国外许多学者( m y l e s ，1 9 8 2 ；w i l l i a m s ，1 9 8 6 ；k o u t s o u r a i s ，1 9 9 8 ；z h e n g g u iw a n ga n dw e m e r r i c h w i e n ，2 0 0 2 ) 利用直剪试验和拉拔试验研究土工合成材料与填料的界面作用特性，填料 主要是砂土，土工合成材料主要为土工织物。本文通过直剪试验和拉拔试验研究了粘土与筋 带之间的剪切特性，在此基础上，分析了3 1 2 国道宁镇公路南京段新庄立交桥桥头引道高路 堤直立式加筋土挡墙变形破坏原因。 利用直剪试验和拉拔试验，研究了粘性土作为填土材料时，填土和聚丙烯土工带、钢 丝外包塑料土工带、具有光滑接触面以及排水型材料之间的剪切变形机理和力学特性；采用 筋带一砂一粘土层状布置试验方案，研究了砂对粘性土加筋土工程中筋土接触面剪切特性的 改善情况。试验结果表明，含水量、剪切速率、接触面的粗糙度及接触面的导水性对筋土界 面相互作用均有较大的影响。粘土一砂一筋带层状布置对筋土界面剪切特性的改善十分显 著，在实际工程中是一种很好的设计方案。 基于试验结果，总结了三种筋土接触面通用模型，发现广义c l o u g h d u n c a n 模型能较好 的反应粘土与加筋材料接触面剪应力相对位移之间的关系，提出了筋土接触面似粘聚力和 似摩擦系数随含水量变化的模型，并与广义c l o u g h d u n c a n 模型相结合，能够反应重型击实 条件下，接触面剪切强度及切线刚度随含水量的变化趋势。 近年来已修建的加筋土挡墙大多数都能够很好的发挥其使用功能，但也有失败的例子。 本文对3 1 2 国道宁镇公路南京段新庄立交桥桥头引道高路堤直立式加筋土挡墙变形破坏的 情况进行了有限元分析，得出了该挡墙破坏的原因。提出规定的破裂面形式对刚度较小的土 工台成材料粘土加筋挡墙不再适用，尤其对于聚丙烯土工带这类柔性材料设计时采用 r a n k i n e 破裂面形式更为合理。并对粘土作为加筋土挡墙填土材料时，提出相关的改善措施 与建议。 关键词：加筋土；直剪试验；拉拔试验；筋带砂一粘土层状布置；有限元，接触面模型 破裂线 a b s t r a c t r e i n f o r e e de a r t hi s o n ek i n do fc o m p o s i t ee a r t hi nw h i c hs o m er e i n f o r c e m e n ti s a d d e d r e i n f o r c e de a r t ht e c h n i q u e ，c r e a t e di nt h e1 9 6 0 s ，i sw i d e l ya p p l i e dt ot h ec i v i le n g i n e e r i n g b e c a u s eo f i t sr e m a r k a b l ee c o n o m i cb e n e f i t ，a n dm e a n w h i l e ，t h et e c h n i q u ei t s e l f i sb e c o m i n gm o r e a n d m o r e m a t u r e m a n yr e s e a r c h e r s ( m y l e s 1 9 8 2 ；w i l l i a m s ，1 9 8 6 ：k o u t s o u r a i s ，1 9 9 8 ：z h e n g g u i w a n ga n dw e r n e rr i c h w i e n ，2 0 0 2 、a l la r o u n dt h ew o r l ds t u d i e dt h ei m e f f a c ec h a r a c t e r i s t i c s b e t w e e nt h es o i ia n dr e i n f o r c e m e n tt h r o u 曲d i r e c ts h e a rt e s ta n dp u l l o u tt e s ti nt h ep a s tt i m e ，b u t t h ef i l l e dm a t e r i a l sw e r em o s t l ys a n d ys o i la n dt h er e i n f o r c e m e n t sw e r eg e o t e x f i l eh it h i sp a p e r ， t h eb e h a v i o rb e t w e e nc l a ya n dr e i n f o r c e m e n tw a ss t u d i e dt h r o u g ls y s t e m a t i cd i r e c ts h e a rt e s ta n d p u l l o u tt e s t s b a s e do nw h i c hac a r t a i nd e s t r o y e dr e i n f o r e e de a r t hw a l li sd i s c u s s e d f o u rk i n d so fr e i n f o r c e m e n tm a t e r i a l s t h e ya r ep o l y p r o p y l e n eg e o s 仃i p ，p l a s t i cw r a p p i n g s t e e lw i r e ，g e o m e m b r a n c ea n dd r a i n a g eg e o f a b r i c ，a r ec h o s e nf o rd i r e c ts h e a rt e s ta n dp u l l o u tt e s t u n d e rd i t y e r e n tw a t e rc o n t e n ta n dd i f i e r e n ts h e a rs p e e dc o n d i t i o nt oc o m p a r ew i t he a c ho t h e ri n o r d e rt oa n a l y z et h eb e h a v i o rb e t w e e nc l a ya n dd i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n t s f u r t h e r m o r e ，t h e r e i n f o r c e m e n t s a n d c l a ye x p e r i m e n tm o d ei sd e s i g n e dt od i s c u s sh o w t h i sm o d ec a ni m p r o v et h e s h e a rb e h a v i o rb e t w e e nt h er e i n f o r c e m e n ta n dc l a y t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h es h e a r s t r e s sb e t w e e nt h ei n t e r f a c ew a si n f l u e n c e dg r e a t l y b yt h ew a t e rc o n t e n t 、s h e a rs p e e d 、c o a r s e n e s s a n dd r a i n a g eo fr e i n f o r c e m e n tm a t e r i a l s t h er e i n f o r c e m e n t s a n d c l a ye x p e r i m e n tm o d ec a n i r e p r o v et h es h e a rs t r e s sb e t w e e nt h ei n t e r f a c er e m a r k a b l y ，a n di ti sag o o dm o d ew es h o u l du s ei n d e s i g n b a g eo n 血et e s tr e s u l t s t h r e ed i f i e r e n tm o d e l sr e f l e c t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a rs t r e s s a n dr e l a t i v ed i s p l a c e m e n tw e r es u m m a r i z e d t h e l lf o u n dt h a te x t e n dc l o u g h d u n c a nm o d e lw a s p r e f e r a b l yf i tf o ri n t e r a c t i o nb e t w e e nc l a ya n dp o b 币r o p y l e n eg e o s 廿i p am o d e lw h i c hc a ns h o w t h ei n f l u e n c eo fc o h e s i o na n df r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nc l a ya n dg e t e x t i l eo r i g i n a t e db yw a t e r c o n t e n tw a na l s op r o p o s e dt of o r e c a s tt h es h e a rs t r e s sa n ds t i f f n e s so ft h ei n t e r f a c ea c c o r d i n gt o e x t e n dc l o u 血。d u n c a nm o d eu n d e rh e a v yc o m p a c t i o nc o n d i t i o n m o s to f r e i n f o r c e de a r t h w a l l sc r e a t e di nr e c e n ty e a rc a nw o r kf o f i n a l l y ，b u ts o m eo n e sf a i lt o w o r k 0 n ed e s 廿o y e dc l a yr e i n f o r c e de a r t hw a l 】i sa n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n ds o m e i m p o r t a n tr e a s o t i sa r ef o u n d b a s e do nt h ec a l c u l a t e d ，t h et r a d i t i o n a lc r a c k i n gl i n er e q u i r e di n c o d ew a sn o ta p p l i c a b l et oc l a yr e i n f o r e e de a r t hw a l lw i t h1 0 wr e i n f o r c e m e n tm o d u l u s ，a n dt h e e b n k i n ec r a c k i n gl i n ew a sm o r ep l a u s i b l ef o rc l a yr e i n f o r c e de a r t hw a l ld e s i g n i n g s o m ee s s e n t i a l a d v i s ea n dm e a s u r e st h a tc a nb eu s e dt or e s e a r c ha n dd e s i g nf o rt h ec l a y - f i l l e dr e i n f o r e e de a r t h w a l lw e r ea l s ob r o u g h if o r w a r d k e yw o r d s ：r e i n f o r c e de a c h ，d i r e c ts h e a rt e s t , p u i l o u tt e s t ，r e i n f o r c e m e n t s a n d c l a ye x p e r i m e n t m o d e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，i n t e r f a c em o d e ，c r a c k i n gl i n e 图表目录 图卜1 加筋土挡墙的主要组成l 图卜2 加筋土锚固系统示意图2 图13 微分段计算示意图2 图14 无筋砂及加筋砂强度分析2 图卜5 无筋砂及加筋砂强度曲线- 2 图1 - 6 土压力过大引起的墙体破坏6 图1 7 整个加筋体的变形失稳破坏6 图2 - 1 粘土含水量与干密度关系曲线t 8 圈2 - 2 偏差主应力与轴向应变9 图2 3 试验用加筋材料1 0 图2 4 东南大学岩土工程研究所土工合成材料综合测定仪1 l 图2 - 5 粘土一砂土一筋带成层层状布置体系一儿 图2 - 6 试样制备一1 2 图2 7 直剪试验示意图1 2 图2 - 8 拉拔试验示意图1 2 图2 - 9 接触面剪应力与相对位移关系曲线一1 3 图2 1 0 接触面剪应力与相对位移关系曲线- 1 3 图2 - 1 1 接触面剪应力与相对位移关系曲线1 3 图2 1 2 接触面剪应力与相对位移关系曲线1 4 图2 1 3 接触面剪应力与相对位移关系曲线，一1 4 图2 1 4 接触面剪应力与相对位移关系曲线】4 图2 1 5 接触面剪应力与相对位移关系曲线一1 5 图2 1 6 接触面剪应力与相对位移关系曲线- 1 5 图2 1 7 接触面剪应力与相对位移关系曲线- 一1 j 图2 - 18 接触面剪应力与相对位移关系曲线1 6 圈2 1 9 接触面剪应力与相对位移关系曲线1 6 图2 2 0 接触面剪应力与相对位移关系曲线1 6 图2 2 l 接触面剪应力与相对位移关系曲线，1 7 图2 2 2 接触面剪应力与相对位移关系曲线1 7 图2 2 3 接触面剪应力与相对位移关系由线1 7 图2 2 4 接触面剪应力与相对位移关系曲线1 8 图2 2 5 接触面剪应力与相对位移关系曲线1 8 图2 2 6 接触面剪应力与相对位移关系曲线- 1 8 图2 2 7 接触面剪应力与相对位移关系曲线一1 9 图2 2 8 接触面剪应力与相对位移关系曲线1 9 图2 2 9 接触面剪应力与相对位移关系曲线1 9 图2 3 0 接触面剪应力与相对位移关系曲线一2 0 图2 - 3 l 接触面剪应力与相对位移关系曲线一2 0 图2 3 2 接触面剪应力与相对位移关系曲线“2 0 图2 3 3 接触面剪应力与相对位移关系曲线一2 1 v 图2 3 4 接触面剪应力与相对位移关系曲线2 1 图2 3 5 接触面剪应力与相对位移关系曲线2 l 图2 3 6 剪应力与正应力关系曲线2 l 图2 3 7 剪应力与正应力关系曲线2 6 图2 3 8 剪应力与正应力关系曲线2 7 图2 3 9 剪应力与正应力关系曲线2 8 图2 - 4 0 剪应力与正应力关系曲线2 8 图2 4 i 剪应力与正应力关系曲线2 9 图2 4 2 剪应力与正应力关系曲线2 9 图2 _ 4 3 剪应力与正应力关系曲线一3 0 图2 - 4 4 剪应力与正应力关系曲线3 0 图2 4 5 剪应力与正应力关系曲线3 1 镯2 4 6 剪应力与正应力关系曲线一3 2 图3 - 1d e s a i s i r i w a r d a n c e 模型一3 5 图3 - 2b e k k e r 模型3 5 图3 3 广义c l o u g h d u n c a n 模型3 6 图3 - 4 参数a 、b “37 图3 - 5 含水量与似摩擦系数关系曲线3 8 图3 - 6 含水量与似摩擦系数关系曲线3 8 图4 - 1 填土筋带单元的离散体系 图4 - 2 ( d r l 一) 一占。关系曲线 图4 - 3 占。( 仃i 一仃3 ) 一f 。关系曲线一 图4 - 4l g ( e ，p 。) 一l g ( c r 3 p 。) 图4 - 5 摩尔应力圆 图4 - 6o o 。一( 一占，) 关系曲线 图4 7 ( 一，) 一f 。关系曲线 图4 - 8 ，- i g ( c r 3 p 。) 关系曲线 图4 - 9 四节点等参单元 图4 - 】0 土工合成材料的拉伸曲线 图4 - 1 l 接触面单元 图5 1 桥头南侧挡墙侧向位移5 1 图5 - 2 路基破坏状况5 z 图5 - 3 路面开裂状况5 2 图5 - 4 网格划分及边界条件5 4 图5 5 挡墙标准断面图5 4 图5 6 挡墙侧向位移5 5 图5 7 水平位移云图( 按设计指标计算) 5 5 图5 - 8 竖向位移云图( 按设计指标计算) 5 6 图5 - 9 填土及地基变形分布( 破坏后) 一5 6 图5 1 0 破裂面分布一一5 7 v i 们乾心鸽舛舛蚪蛎的 表2 - 1 1 试验用土的物理性质 表2 - i 一2 试验用砂的粒度成分 表2 2 填土不同含水量时的强度指标 表2 - 3 粘土固结不排水d u 】 c 如，c h a n g 模型材料参数 表2 4 土工合成材料的主要物理力学指标i 表2 - 5 土工合成材料的主要物理力学指标i i 表2 - 6 试验结果汇总( 聚丙希土工带，剪切速度0 3 3 r a m m i n ) 表2 - 7 试验结果汇总( 聚丙希土工带，剪切速度1 6 0 m m m h l ) 表2 - 8 试验结果汇总( 聚丙希土工带，剪切速度2 6 7 m m m i n ) 表2 - 9 试验结果汇总( 土工条，剪切速度1 6 0 m m m i n ) 表2 - 1 0 试验结果汇总( 粘土一砂筋带层层布置，剪切速度i6 0 r m l n j n ) 表2 - 1 i 试验结果汇总( 土工膜，剪切速度1 6 0 m m m i n ) 表2 - 1 2 试验结果汇总( 土工布，剪切速度i6 0 m m m i n ) 表2 - 1 3 试验结果汇总( 聚丙希土工带，拉拔速度1 6 0 m r r d m i n ) 表2 - 1 4 试验结果汇总( 土工条，拉拔速度1 6 0 m i r d m i n ) 表5 - 1 路堤内填土力学一眭质指标 川川哪哪咙屹啦哟嘲嘣嗡嗡嗡 东南大学学位论文独创性声明 本人声明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，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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。 研究生签名：张i 煌日期：也趁寥比 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，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，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一虢弛铷鹳严 哔 一 第一童绪论 第一章绪论 加筋土是在土中加入加筋材料而形成的复合体。在土中加j , j j n 筋材料可以提高土体强 度，增强土体稳定性。因此，凡在土中加入加筋材料而使整个土工系统的力学性能得到改善 和提高的土工加固法称为土工加筋技术，形成的结构称为加筋土结构，图l i 表示了加筋土 挡墙的主要组成部分。现代加筋土技术于2 0 世纪6 0 年代问世以来，以其显著的技术经济效 益受到国际土木工程界的青睐，并迅速得到广泛应用和发展。同时加筋土技术本身也逐渐地 完善成熟起来，加筋土结构的设计理论和设计方法的研究也越来越多地吸引起了人们的重 视。 图1 - 1 加筋土挡墙的主要组成 1 1 加筋土结构 1 1 1 加筋土的工作原理 试验证明，砂土加筋后所形成的复合体的力学性能和稳定性能比未加筋砂土有所改善和 提高。为了解释其中的原因，许多学者通过室内试验和现场测试试验提出了各种假说来解释 和阐述筋土之间的相互作用机理。根据迄今为止的研究成果，筋土相互之间的相互作用的基 本原理大致可归为两大类：是摩擦加筋原理，二是准粘聚力原理或似粘聚力原理。 1 1 1 1 摩擦加筋原理 摩擦加筋理论也称为锚固理论，其将加筋土视为锚固系统，如图1 2 所示。墙体破坏会 产生主动区与稳定区。破坏楔体a b c ( 主动区) 的水平推力被稳定区筋土之间的摩阻力所 平衡，整个土体的稳定性得以保证。取加筋土中微分段以来进行分析，如图1 3 。设由 土的水平推力在该微分段拉筋中引起的拉力为d t = 乃一t 2 ( 假定拉力沿拉筋长度呈非均匀分 布) ，压住拉筋的土重法向力为，土粒与拉筋之间的摩擦系数为厂，b 为拉筋的宽度。如果： 2 n f bd l d t ( 1 _ 1 ) 则筋土之间就不会产生相互滑动。如果每一层拉筋均能满足上式的要求，则整个加筋土结构 的内部稳定性就能得到保证，也就不会出现图示的破裂面b c 。 摩擦加筋原理由于概念明确、简单，在加筋土挡土墙的足尺寸试验中得到了较好的验证。 因此，在加筋土的实际工程中，特别是加筋土挡土墙工程中得到了广泛的应用。但是摩擦加 筋原理忽略了筋带在力作用下的变形，也来考虑土的非连续性和各项异性的特点，所以对高 模量的加筋材料比较适用。但对筋材本身模量较小、相对变形较大的合成材料，只能近似地 东南大学硕士学位论文 卜一垒旦一 图卜4 无筋砂及加筋砂强度分析 在低应力水平条件对应的边界破坏 加，即： 所以 图卜5 无筋砂及加筋砂强度曲线 加筋土的强度增长表现为复合体的内摩擦角的增 仃3 = qv a n 2 ( 4 5 0 一妒2 ) 一岛盯lt a l l 占= q ( k f ) 叫a n 2 ( a s o 一昝盯。篙 孵= s i n l f k 口一- 瓦f 一- 1 i j i 妒 其中f = p 2 t a l l 万，p 2 为综合系数。 在高应力水平对应的张拉破坏，加筋土的强度增长表现为复合体粘聚力的增加，即 o - 3 = q t a n 2 ( 4 5 。一妒2 ) 一岛瓦n = 吒t a n ( 4 5 0 l ；o 2 ) - 2 c ，k 。 所以 。= 丛些厄 2 第一章绪论 式甲 z 。一加筋材料的极限张拉强度( 力) ； 只一加筋材料设计张拉应力的分项修正系数； n 一综合系数。 可以说，加筋砂力学性能的改善，是由于新的复合体具有某种“粘聚力”的缘故。这个 “粘聚力”不是砂土原有的，而是加筋的结果，称为“准粘聚力”或“似粘聚力”。 1 1 1 3 其它加筋理论 ( 1 ) 均质等代理论 加筋土是由填土与加筋材料层层交替铺设而成的复合体，每一层加进材料和每一层填土 形成一个单元层。每层若相互平行且间距相等，则可将加筋体看成交替正交层状体系。加筋 体由许多单元层组成，加筋体的厚度与单元层相比要厚得多。假定加筋体为弹性体，各单元 层的分层界面上无相对位移，即土与加筋之间不产生相对滑动，每一层中三个均质材料的平 面垂直于一个直角坐标轴，而且层面必须平行于一个弹性对称面，那么这种交替正交体系可 用均质等代材料的理论来分析，以研究加筋土在工作荷载作用下的性状。均质等代材料分析 计算可采用有限元法、有限差分法、边界积分法或积分变换法来求解。从工程实践角度上讲， 未加筋体和加筋体的应力区比较判断还有一个判定标准问题要解决。其关键是确定等代的正 交材料的有关参数。 ( 2 )弹塑性层板理论 加筋体是填土与加筋层层铺设而成，把每一层加筋材料和填土看作一个“层板单元”， 整个加筋体就是由粘结在一起的层板单元的有限层组成。假定每一层单元有唯一确定的材料 性质，则可以用增量分析法计算层板单元在弹塑性状态下的位移和应力，从而对加筋体的应 力应变特性进行分析。弹性层板理论计算一般采用有限单元法进行计算，关键是要选择并确 定层板单元的弹塑性模型和相应的屈服准则。 ( 3 ) 弹性薄膜理论 在土工织物加固的实际计算中，现有的许多方法无法考虑土工织物与土体相互作用的特 性，有些可以求解此类问题的弹性理论方法由于方程的非线性而使求解过程非常困难。有人 提出用弹性薄膜来模拟土工织物，从弹性薄膜的普遍理论出发，导出了地基变形和土工织物 受力藕合的微分方程。由于薄膜不能受纵向的剪切力，且厚度很小，认为薄膜中的应力在厚 度方向是均匀的，使得方程的推导大为简化。假定土工织物是线弹性材料，地基反力满足文 克勒假设，则在平面应变的条件下可以对土工织物与土之间的相互作用进行研究，从而探讨 土工织物对地基的加固特性。 ( 4 ) 等效围压理论 y a n g ( 1 9 7 2 ) 提出“等效周围压力”的概念，把加筋土三轴试验中的筋材的作用当成一 个附加围压，认为土体之中加入筋材，宏观上相当于产生一个类似于侧向约束力的作用，或 者增加了一个似粘聚力，即准粘聚力理论。李广信( 1 9 9 4 ) 、介玉新( 1 9 9 9 ) 等在此基础上 提出了“等效附加应力法”，其基本思路是把加筋土中筋材的作用等效成沿筋材方向作用在 土骨架上的附加应力，在有限元计算中只出现素土单元，筋材的作用仅当成附加外力作用在 土体上，这样可直接引用现有土体的本构模型，而无需建立复合土体的模型。 1 2 加筋土技术的发展 加筋土技术的应用实际上已有悠久的历史，古人曾在民用建筑中掺入草筋泥壁，加入发 丝等筋料涂抹墙面等。但加筋土作为近代建筑技术加以研究和推广应用则是近三十年来的 事。6 0 年代初，法国的h e m iv d i a l 首先在试验中发现，当土中掺有纤维材料时土的强度会 东南大学硕士学位论文 提高，而后发表了其加筋土研究成果并提出了设计理论卉b 据试验结果提出了加筋土概念。 1 9 6 5 年在法国建成了第一座加筋土挡墙并获成功，于是这一具有许多优点的结构立即引起世 界的重视。从此，关于加筋土结构的研究和工程试验也日益发展起来。7 0 年代，各国开始 进行实验室试验研究。日本于1 9 6 7 年引进了该技术，并在7 0 年代初开始进行模型研究，专 门研究了其抗震性能，将其用于铁道建设中。美国在1 9 7 2 年修建加州3 9 号公路时开始使用 该项技术，并成立了专门的研究机构从事有关研究和应用工作，其研究和推广速度相当快。 其它国家也先后使用和推广了加筋土技术。加筋土工程已从加筋土挡墙发展并应用到护岸、 堤坝、桥台、铁路、公路路堤、建筑物基础、码头、防洪堤、水库、尾矿坝、储仓及核设施、 军用设施等多个领域，在1 9 8 1 年第十届国际土力学及基础工程会议的科技水平发展报告中 指出，自6 0 年代以来，岩土工程中重要的新进展之一就是加筋土和锚杆技术的广泛应用， 由此可见加筋土技术的重要性【2 。 为适应加筋土技术的推广应用，世界许多国家先后制定并颁发了有关加筋土工程的设 计、旋工规范和标准等。我国先后也制订和颁发了公路加筋土工程设计规范f g l 3 0 3 5 9 1 ) 、 公路加筋土工程麓工技术规范f j t j 0 1 5 ，9 1 ) 、土工合成材料应用技术规范( g b 0 2 9 0 9 8 ) 、 水运工程土工织物应用技术规程( j t j t 2 3 9 9 8 ) 、水利水电工程土工合成材料应用技术 规范( s l t 2 2 5 9 8 ) 、铁路路基土工台成材料应用技术规范( t b l 0 1 18 - 9 9 ) 、公路土工合 成材料应用技术规范( j t j t 0 1 9 ，9 8 ) 、加筋土挡墙工程图集f 人民交通出版社) 以及加筋 土工程设计与施工( 人民交通出版社) 等做为其技术支撑，这对我国加筋土技术的推广应用 起到了重大的推动作用。 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 年云南煤矿设计院在田 坝矿区建成了三座2 4 m 高的试验性加筋土挡土墙，这也是我国的第一座加筋土挡土墙。 19 8 0 年又在该矿区建成了一座长5 7 m 、高8 3 m 的加筋土挡土墙、效果良好。该工程的成功 使得加筋土技术随后在公路、铁路、水运、煤炭、林业、水利、城建等行业和部门迅速发展 和推广应用。迄今，我国己建成数千座加筋土工程，大部分用于公路和城市建设、水运和水 利工程。同时，全国采用土工合成材料的工程已逾一万多项，累计土工织物用量最近用量近 五亿平方米。重庆长江滨江路工程，长约6 公里，护岸挡土墙和公路挡土墙均采用加筋土结 构，墙最高处达到3 3 m ，加筋土挡土墙总面积约l1 0 0 0 0 m 2 ，它是目前我国也是世界上规模 最大的加筋土工程。在总投资1 5 5 亿元的长江口深水航道治理工程中，大量采用加筋、滤层 等土工织物新技术，仅一期工程就投资数亿元，功效提高约1 0 倍。目前，全国在高速公路 及一般公路的支挡结构以及软土地基处理方面越来越倚重于加筋土结构，土工技术有着非常 广阔的应用前景。 1 3 存在问题 虽然加筋土技术已取得很大的进步，但从已有的文献报道来看，还存在以下几个具有重 要理论意义和实际意义的问题： 1 3 1 填土的类型 目前为止，研究者采用的填土大多是砂性土，在这种情况下取得的结果与实测结果较相 吻合，但当填土为黄土、中低液限粘土及高液限粘土时加筋土挡墙失败的例子较多，粘性土 与筋带之间的剪切性能还没有得到足够的认识，含水量对粘性士筋土界面剪切性能的影响及 其变化规律也没有进行系统的分析，这些问题都有待于进一步的研究。 1 3 2 破裂面的形状 加筋体的潜在破裂面为拉筋最大拉力点的连线。国内外通过试验模型试验和现场足尺试 验获得大量资料，加筋土结构的破裂面位置和形状归纳起来大致有三种情况：一是按朗金一 4 第一章绪论 库伦土压力理论，土体的破裂面与水平面成4 5 。+ m 2 。二是加筋土结构的破裂面为对数螺旋 线面，其交顶面填土于距墙面板距离为：d ( 6 6 0 _ 审) h 1 0 0 ( 为填土的内摩擦角) 处。三是破 裂面在墙的下部按朗金理论破裂面，上部则与墙面平行交项面与距墙板0 3 f ( , 7 为墙高) 处， 但是这些破裂面都反映各自不同的试验条件，应根据具体情况而定。 对于粘性土加筋土挡墙，破裂面的形状如果按规范要求的进行设计，实测的破裂面形状 与规范假定的破裂面形状有很大的差距，这样，对粘性土加紧挡墙设计时所采取的破裂面形 状应进一步进行讨论。 1 3 3 似摩擦系数的确定 加筋土中的似摩擦系数广是填土与拉筋的滑动摩擦、土颗粒之间的相互咬合以及拉筋凹 凸引起的土抗拔力的综合。对似摩擦系数要考虑土的内摩擦角、土的密度、拉筋上的垂直压 力、结构的几何形状、拉筋长度、宽度以及粗糙程度等因素。室内实验的拉拔试验和剪切试 验似摩擦系数也有差异，加筋体结构在正常工作状态和极限平衡状态似摩擦系数的取值也不 是一样的。 粘性土与筋带之间得似摩擦系数随着含水量的变化要比砂性土大，似摩擦系数的取值直 接影响着加筋土结构的稳定性，因此，含水量对筋土界面似摩擦系数的影响需进一步研究。 1 3 4 土压力系数的取值 士压力系数的取值大小直接影响到拉筋拉力的大小和加筋的稳定性。目前，关于土压力 系数的取值由两种观点：一种是认为当加筋体墙面产生一定的侧向位移并使加筋体破坏时， 其破裂面是朗金一库伦破裂面，土体达到主动应力状态。这时，土压力系数为主动土压力系 数丘。另一种观点则认为要使土体处于主动状态，墙面需要有一定的位移。加筋挡土墙内由 于拉筋约束了墙面板的位移，且侧向应变随深度而增加，因此在墙顶处于静止土压力状态， 而在墙角处于近似主动状态，墙体中部处于静止土压力向主动土压力的过渡区。 由弹性理论可知，土压力系数取值与加筋土挡墙的侧向变形有关，粘性土加筋挡墙的侧 向变形较大，变形发生使土压力由静止向主动过程发展，发展程度的不同，土压力系数的取 值也不同。 1 3 5 土体强度取值 当粘土做为填料，由于加筋土结构物在环境潮湿及降雨的影响下，加之其旖工质量问题， 工后环境状态下的含水量较施工控制含水量有较大的增长，并且压实度及强度指标亦显著降 低。石名磊( 1 9 9 9 ) 提出加筋土采用粘性土填筑时土的强度取值应慎重分析，尤其是工后环 境状态轻度降低的影响。这领域的研究和完善，对粘性土应用于加筋土技术是非常重要的。 1 4 粘性土加筋土挡土墙的变形破坏类型及原因分析 近年来己修建的加筋土挡墙大多数都能够很好的发挥其使用功能，但也有失败的例子， 其中粘性土加筋挡墙占据多数。引起加筋土挡土墙破坏的因素很多其破坏形式也各不相同， 但归纳起来主要有以下几种： 1 4 1 土压力过大而引起的墙面“鼓肚”开裂破坏 这种变形破坏的特征是在距墙的1 3 高度附近墙面变形外鼓，严重的产生纵向裂缝。由 于粘土材料压实度不足或加筋体中加筋量不够，加筋土体产生较大的侧向土压力，使加筋产 生过大的蠕变，导致墙面产生过大的变形或开裂破坏，见图i - 6 。 东南大学硕士学位论文 蜃目 图1 - 6 土压力过大引起的墙体破坏 1 4 2 地基不均匀沉降变形引起的破坏 尽管加筋土挡墙对地基的承载力要求比重力式挡墙的要求低，地基承载力及其均匀性对 加筋土挡墙稳定性的影响是不能忽视的。地基不均匀沉降引起的加筋土挡墙变形破坏的主要 特征是墙面产生竖向裂缝。对于沿河路基的加筋挡墙，由于基础埋深不够，在河水长期冲刷 下使地基产生不均匀沉降变形导致墙体的开裂破坏；对于人工回填地基，由于压实不够，密 实度不均匀，挡墙基础未作加宽和配筋处理，则加筋土挡墙亦容易产生由于地基不均匀沉降 的破坏，对于采用桩基础的加筋土挡墙，若桩长设计不足或施工中未达到桩端设计标高，在 重力作用下桩基产生不均匀下沉，甚至桩体倾斜导致墙体变形破坏。 1 4 3 整个加筋体的变形失稳破坏 筋带与土体相互作用形成一个整体后，由于地基承载力不足，尤其是粘性土地基抗剪强 度低并且工后环境状态下的粘土加筋挡墙的含水量较施工控制含水量有较大的增长，加筋 土体的抗剪强度降低。加筋体及地基土体一起在地基深处发生深层次的剪切破坏，导致整个 加筋体的倾斜失稳( 图】一7 ) 。 图1 7 整个加筋体的变形失稳破坏 1 5 本文研究的内容： 在过去的几十年中，土与筋带接触面的力学特性研究取得了很大的进展，在试验研究、 本构模型和数值分析方面都取得了许多有意义的成果，为筋土接触面力学特性的研究奠定了 基础。 本文主要对粘土与筋带接触面的物理力学特性、本构模型和有限元分析等方面进行了深 入的探讨，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 粘土与筋带的摩擦性能与力学特性 研究典型土类一粘土作为填料，填土和聚丙烯土工带、钢丝外包塑料土工条、具有光滑 接触面以及导水型材料之间的剪切变形机理和力学特性；采用筋带一砂一粘土层状布置试验 方案，研究砂对粘性土加筋土工程中筋土界面的剪切特性的改善情况。主要包括： 1 通过室内拉拔试验和剪切试验来确定粘土与上述四种加筋材料之间的似摩擦系数 和似粘聚力，研究筋土之间的摩擦特性。 2 通过对比试验结果，研究含水量、剪切速率、接触面粗糙度、接触面透水对筋土接 第一章绪论 触面摩擦性能的影响； 3 研究透水性加筋材料及粘土一砂一筋带层状布置对粘土加筋的改善情况； ( 2 ) 接触面本构数学模型 基于c l o u g h 和d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 双曲模型，结台接触面的变形机理和试验结果，建立能 够反映含水量对筋土界面摩擦性能影响的剪应力相对位移模型。 ( 3 )工程应用 结合试验分析结果，对31 2 国道宁镇公路南京段新庄立交桥桥头引道高路堤直立式加筋 土挡墙变形破坏的情况进行全面分析。应用有限元计算方法对该破坏挡墙进行数值计算，分 析该挡墙破坏的原因，并对粘土作为加筋土挡墙填土材料时，提出相关的改善措施与建议。 通过有限元计算方法计算分析每一层加筋材料最大拉应力点的位置，从而确定粘性土作 为填料时破坏面的形状及特点，并与规范规定的破裂面形状进行对比分析，研究加筋材料刚 度对加筋土结构破裂面形状及位置的影响。 7 东南大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章土与筋带接触面试验研究 土工合成材料加筋土工程中，土工合成材料与填土的接触面作用特性直接决定加筋土工 程的内部稳定性，所以土工合成材料与填料的接触面作用特性指标是最关键的技术指标。国 外许多学者( m y l e s ，1 9 8 2 ；w i l l i a m s ，1 9 8 6 ；k o u t s o u r a i s ，1 9 9 8 ；z h e n 2 9 u iw a n ga n dw e m e r r i c h w i e n ，2 0 0 2 ) 利用直剪试验和拉拔试验研究土工合成材料与填料的接触面作用特性，填 料主要是砂土，土