（岩土工程专业论文）预应力加筋土挡墙试验研究与数值分析.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 现代加筋土技术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一项土体加固新技 术，由于加筋土挡土结构具有结构轻、适应性强、经济性好、对地基 承载力要求低的特点，因此在工程中应用相当广泛。随着加筋土技术 的发展，加筋土的形式也出现多样化，预应力加筋土就是一项新型的 加筋形式，但由于预应力加筋土在国内外研究较少，基本理论尚未形 成，需进一步研究与完善。本文对预应力加筋挡墙进行了初探，主要 的研究工作如下： ( 1 ) 对加筋土的基本性状及理论进行归纳与发展。 ( 2 ) 通过拉拔和剪切试验，研究了筋土界面的摩擦特性。 ( 3 ) 经过五组四个水平的多循环加一卸载试验，研究了筋材的变 形特性和筋材应力应变关系。 ( 4 ) 研究了预应力加筋土的基本理论与方法，提出了预应力加 筋土有限元的分析方法与分析过程。 ( 5 ) 研究了预应力加筋土土体本构模型、筋材本构模型、面板 模型及筋土界面模型，为预应力筋土模型提供基础。 ( 6 ) 通过工程实例一路堤式预应力加筋土挡土墙，计算了筋材在 相同荷载条件下变形相同时，筋材的用量以及在相同荷载、筋材间距 相同条件下墙面板的侧向变形的大小，为工程应用提供借鉴。 关键词预应力，加筋土，挡土墙，试验，数值分析，理论分析，有 限元 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n et e c h n o l o g yo fr e i n f o r c e ds o i li san e wd e v e l o p i n go n eo f e n h a n c i n gs o i li nt h es i x t i e so f 雠2 0 mc e n t u r y , w h i c hh a sm a n yg o o d c h a r a c t e r s ，s u c ha sl i g h ts t r u c t u r e ，s t r o n ga d a p t a b i l i t y ，e c o n o m ya n dl o w c a p a c i t yo ft h ef o u n d a t i o n s oi th a saw i d ea p p l i c a t i o ni np r o j e c t w i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fr e i n f o r c e ds o i l ，t h ef o r mo f r e i n f o r c e ds o i la l s o 卵p e a r st h ed i v e r s i f i c a t i o n ，a n dt h ep r e s t r e s s e d r e i n f o r c e de a r t hi san e wo n e a st h e r ei sf e w e rr e s e a r c ha b o u t p r e - s t r e s s e dr e i n f o r c e de a r t hi nt h ef o r e i g na n dd o m e s t i c 1 1 1 ee l e m e n t a r y t h e o r yo fp r e s 口e s s e dr e i n f o r c e de a r t hn o ty e tf o r m s ，s of u r t h e rs t u d ya n d t h ec o n s u m m a t i o na r en e e d e d t h ep a p e rd o e sp r i m a r ys t u d ya b o u t p r e - s t r e s s e dr e i n f o r c e de a r t h ，a n dt h em a i nr e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ( 1 ) s u mu pa n dd e v e l o p c h a r a c t e r sa n db a s i ct h e o r yo f r e i n f o r c e ds o i l ( 2 ) s t u d y i n t e r f a c ef r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s g e o g r i d sa n ds o i lt h r o u g h d r a w i n gt e s ta n ds h e a r i n gt e s t ( 3 ) s t u d yd e f o r m a t i o na n ds t i f fc h a n g eo fg e o g r i d st h r o u g hf i v eg r o u p c y c l ei n s t a l l i n g u n i n s t a l l i n gt e s tw h i c hh a sf o u rs t r e s s e s ( 4 ) s t u d yb a s i ct h e o r ya n dm e t h o d so fp r e - s t r e s s e dr e i n f o r c e de a r t h ，a n d p o i n to u tt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o da n da n a l y s i s p r o c e s sa b o u t p r e - s t r e s s e dr e i n f o r c e de a r t h ( 5 ) a n a l y s ea n ds t u d yt h ec o n s t r u c t i v em o d e lo fs o i l ，t h ec o n s t r u c t i v e m o d e lo fg e o g r i d s ，t h ec o n s t r u c t i v em o d e lo fp a n e l ，t h ec o n s t r u c t i v e m o d e lo fg e o g r i d sa n ds o i l si n t e r f a c e ，w h i c hp r o v i d e sf o u n d a t i o nf o r t h ec o n s t r u c t i v em o d e l o f p r e s t r e s s e dr e i n f o r c e de a r t h ( 6 ) t h r o u g ho n ed e t a i lp r o j e c t - e m b a n k m e n tr e i n f o r c e ds o i lw a l l ，t h e q u a n t i t yo fg e o g r i d si sc a l c u l a t e di nt h es a m ed e f o r m a t i o na n dt h e s a m el o a d a tt h es a m et i m e ，l a t e r a ld e f o r m a t i o no f p a n e li sc a l c u l a t e d i nt h es a m el o a da n dt h es a m es p a c eo fg e o g r i d s a n di tc a np r o v i d e s t h eh e l p n e s sf o rt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n k e y w o r d sp r e s t r e s s e d ，r e i n f o r c e ds o i l ，r e i n f o r c e ds o i lw a l l ，t e s t ， n u m e r i c a la n a l y s i s ，t h e o r ya n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：塑垄肇 日期：丛年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：磁兰纬导师签名立亟里丝日期：竺l 业月生日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 加筋土结构的发展及国内外研究动态 1 1 1 加筋土技术的发展 早在几千年前，中国劳动人民就用杂草和天然植物作为加筋材料用于房屋建 造中。在陕西半坡村发现的仰韶遗址中，有许多房屋其墙顶和墙壁都是用草泥修 筑而成，据估计距今已有有五、六千年的历史“1 ；在玉门一带，还保留用砂、砾 石和红柳或芦苇压叠而成的汉长城遗址；在近代，约1 8 2 2 年，c o l o n e lp l a s l e y 将加筋土引进了英国军队，新采用的加筋材料主要是帆布，这是加筋土技术的一 大进步脚。现代加筋土技术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一项土体加固新技术， 它是在土中埋设抗拉强度比较高的材料而形成的一种组合体胡。法国工程师 h e n r i v i d a l 于6 0 年代初根据三轴试验的结果提出了现代加筋土技术，他在模 型试验中发现，当土中掺入有机纤维材料后，其强度可明显提高，据此提出了加 筋土概念，并于1 9 6 3 年首先公布了其研究成果，提出了土的加筋方法和设计理 论。应用此理论，1 9 6 5 年法国在比利牛斯山的普拉聂尔斯修建了世界上第一座 加筋土挡墙w 。 v i d a l ( 1 9 6 0 年) 删在提出现代加筋土技术的同时阐述了其摩擦加固机制，之 后不久，v i d a l 和s c h l o s s e r ( 1 9 6 9 年) 进一步将加筋土挡墙设计分为内部稳定验 算和外部稳定验算；法国l c p c 实验室提出了经典的加筋土“粘聚力”设计理论 ( c o h e r e n tg r a v i t ym e t h o d s c h l o s s e ra n dl o n g ，1 9 7 3 ) ；英国南安普顿n s w 技 术学院( h a u s m a n n ，1 9 7 6 ) 提出了s i g m am o d e l ，模型中，以理想砂性土作填料， 依据静力平衡原理，可以得到加筋土的强度曲线t o 为一条折线。 2 0 世纪7 0 年代是加筋技术在世界范围传播、发展的阶段，相应的试验、研 究工作也同时进行。当时，研究最为活跃的当属法国桥梁道路中心、美国加州大 学、日本国铁和建设省等。日本于1 9 6 7 年引进该技术，并在7 0 年代初开始进行 模型研究，专门研究其抗震性能，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技术，并成立了专门的研究机构专门从事有关的研究 与应用，其研究和推广速度相当快”。在筋带拉力、墙背土压力的分布和计算， 以及破裂面的形态等方面，法国f s c h l o s s e r ，n c l o n g ，i j u r a n ，美国加州 大学k l l e e 以及d p m c k i t t r i c k 等学者作出了突出贡献。为了交流研究成果 硕士学位论文 第一章绪论 和实践经验，1 9 7 8 年和1 9 7 9 年先后在匹兹堡、悉尼和巴黎等地召开了加筋土技 术的国际性研讨会。“加筋土工程协会”和国际间的合作研究机构相继成立，法、 美、英、日、德等国也先后制定了有关加筋土工程的规程、条例和手册。 2 0 世纪8 0 年代，除了迸一步探讨加筋土结构的基本性状、完善设计计算理 论之外，许多国家还在拓宽填料、筋材的应用范围方面做了大量工作。美国联邦 公路管理局提供研究基金，以加州大学j k m i t c h e l l 为首，与英、法学者合作 的研究项目“加筋土坡和路堤”于1 9 8 7 年完成了研究报告。美、英学者r d h o l t z 和r a j e w e l l 等人开展的用土工合成材料稳定路堤、处理软弱地基方面的研究 也取得了重要成果。8 0 年代中期，美、法合作，利用离心机进行模拟试验，以 了解不同的筋材、面板刚度、地基土的压缩性以及不同的超载和填料对加筋土结 构内部稳定性的影响，并利用有限元法对加筋土结构的设计和试验成果进行数值 分析。 2 0 世纪9 0 年代加筋土的研究工作主要集中在如下几个方面：( 1 ) 完善设计 计算理论，进一步拓宽应用范围。并研究与其他加固技术的配合应用问题；( 2 ) 将加筋土体看成匀质“复合材料”，用有限元法和弹塑性理论进行分析；( 3 ) 进 行加筋带使用寿命的研究；( 4 ) 加筋土体变形的因素和计算方法；( 5 ) 外荷在加 筋体内的扩散及其对加筋土体内部稳定性的影响和加筋地基承载力计算等。 在加筋技术交流方面，四年一次的加筋土技术研讨会( i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u mo fe a r t hr e i n f o r c e m e n t ) 在日本连续举行四届。 2 0 世纪8 0 年代，也是我国试验、研究、应用和发展加筋技术的重要时期。 十年问，相继修建各类加筋土工程3 0 0 多座，突破了一些国家规范中对填料的限 制和筋材的应用范围，其中8 0 7 6 以上工程的筋材为聚合物。与此同时，广泛开展 了加筋技术的研究，从理论研究、模型试验和现场测试到机理分析，都取得了有 益的成果，使加筋土技术的应用得到了更好的推广，并且在设计计算理论的研究 方面也取得了进展。交通部制定的公路加筋土工程设计及施工规范1 ；长沙 铁道学院加筋土课题组主编的湖南省加筋土支挡结构设计及施工规程1 于 1 9 9 2 年颁布施行。 在工程应用方面，在重庆长江护岸工程中修建的加筋土挡墙，高8 2 8 米， 全长5 6 0 0 米；在陕西铜川公路上修建的加筋土挡土墙高达5 1 米。 全国先后共举行过六次( 武汉，1 9 8 2 年；昆明，1 9 8 6 年；重庆，1 9 9 0 ；济南， 1 9 9 4 ；泰安，1 9 9 8 ；西安，2 0 0 4 ) 全国加筋土技术经验交流会。 1 1 2 加筋土的试验研究方法 当加筋土的拉筋材料大部分采用土工合成材料后，以往的研究成果远远不能 2 硕士学位论文 第一章绪论 满足加筋土的工程设计要求，许多学者在这方面作了大量的努力。加筋土的试验 研究方法包括原型试验、模型试验、三轴压缩试验、直剪试验和拉拔试验，分别 叙述如下： ( 1 ) 原型试验 由于模型试验存在不能完全反映加筋土工程特性的局限性，因此近年来国内 外学者通过原型试验研究加筋陡坡、挡土墙、桥台和加固软土地基的性能“”叫2 匐， 虽然原型试验不太经济，但能够反映加筋工程的实际情况，有助于对加筋土挡墙 的性状及其加筋机理进行更深刻的认识。 ( 2 ) 离心模型试验 土工离心模型试验是目前较为完善的模型试验，它克服了静力模型试验不能 模拟原型重力场的缺陷，同时又自然满足许多相似准则。土工离心模拟试验的最 初设想是p h i l i p s 于1 8 6 9 年提出来的，本世纪3 0 年代，在美国和前苏联，这一 概念重新被提出，并开展了试验工作。 b o l t o ne ta l ( 1 9 7 8 ) 最早用离心模拟技术来研究加筋土挡墙。对于加筋 土，在模型与原型中不相等的无量纲万项包括：w d ，瓯，瓯，瓯1 t ，( f 叻( 巩，戌) 。 其中，w 为筋带宽：d 为填土粒径；瓯，瓦分别为筋带布置的水平、垂直间距；h 为墙高；t 为筋带厚度嘲。上海铁道大学在l 3 0 土工离心机上分别作了在刚性 和在软粘土地基上土工织物加筋土挡墙的离心模型试验；土工织物对偏心荷载刚 性基础下软粘土地基加固离心模型试验，得出了一些有益的结论伽。 根据加载方式的不同，可将模型试验概括为两大类：一类是在模型上施加面 力或集中力，a n d r a w e s & m c d o w 几、p a l m e i r a 、p a l m e i r a & g e o m e s 、w o n g & b r o m s 、 j u r a n 、王钊、邓卫东等渊呵“通过试验对加筋结构做了不同程度的研究；另一类 是在模型上施加体力，b o r o n 、p o r b a h a 、g o o d i n g s 、s p r i n g m a n 、s h a r m a 、候瑜 京、章为民、俞仲泉、丁金华、林开球、唐辉明、林广平、雷胜友、王岚、王孝 存、杨锡武等侧啼”国内外的学者与专家对加筋土挡墙、加筋土边坡、加筋地基 等各种加筋结构做了不同程度的研究与理论分析，对工程实践与理论研究具有重 要的作用。 ( 3 ) 三轴压缩试验 在三轴试验中，假设试样为均匀连续介质，通过施加围压和轴压来模拟土中 一点的应力状态以及所经历的应力路径，以研究土的变形与强度特性。目前国内 外学者主要利用三轴压缩试验研究加筋土的加筋机理，也有些学者采用平面应变 压缩仪、薄壁圆筒扭转仪进行试验研究。s c h l o s s e r 和l o n g ( 1 9 7 4 ) 首先用三轴 压缩试验研究金属条加筋砂土。后来，国内外许多学者利用三轴压缩试验研究土 工合成材料加筋砂土和加筋碎石土，加筋材料主要是土工织物，其次是塑料拉伸 硕士学位论文第一章绪论 土工格栅，同时提出了等效围压原理和准粘聚力原理。其中，重庆交通学院的杨 锡武、钟以明用大三轴试验研究了3 种构造形式筋材( 条带式、双向垂直条带式、 网格式) 的加筋土的抗剪强度参数，分析了筋材构造对其土体强度特性影响的机 理，并得出了3 种筋材的加筋土的本构模型参数。吴景海“2 1 进行的加筋砂土的三 轴试验研究得出：土工合成材料加筋砂具有准粘聚力，仍然符合莫尔库仑抗剪 强度理论。 对于平面加筋材料，试验以静三轴为主，但静三轴试验所得的参数不能直接 用于实际工程设计。室内动三轴试验，兰州铁道学院梁波旧1 等人从加筋机理入 手，建立了加筋强度的等效约束力模型，分析了粉煤灰静、动强度的拉力破坏和 粘着破坏两种情况下的强度指标，用窗纱和硬塑料板作模拟材料，作振动三轴试 验测得动内摩擦角和动内聚力两个强度指标；西南交通大学蔡英瞰1 等人针对路基 填土在列车荷载重复作用下产生永久变形的问题。利用三轴试验，研究了重复加 载条件下，土体的临界动应力和永久应变随加载次数、加载频率和周围压力变化 的规律，同样仅仅是针对路基而言，没有涉及到加筋挡墙问题：长沙铁路总公司 周卓强。”从动力学观点出发，采用三轴试验模拟列车荷载下基床土体的受力性 状，对裂土原状土和三种灰土的石灰土的动强度模量等动力特性进行了试验研 究。 ( 4 ) 直剪试验和拉拔试验 在土工合成材料加筋土工程中，土工合成材料与填料的界面摩擦特性直接影 响加筋土工程的内部稳定性，所以土工合成材料与填料的界面作用特性是关键的 技术指标。国外许多学者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，填料主要是砂和粘性土，土工合成材料包括有纺土工织物、无纺 工织物、塑料拉伸土工格栅，h a u s m a n n 和c l a r k e ”1 通过直剪试验和拉拔试验对塑 料拉伸土工格栅与粉煤灰的界面摩擦特性进行了初步研究。国内学者( 赵爱根等， 1 9 8 7 ；李海芳等，1 9 9 0 ：王吉力等，1 9 9 2 ) 利用直剪试验和拉拔试验研究国产土 工合成材料与填料的界面作用特性，土工合成材料仅限于土工织物。天津大学的 吴景海硎等以5 种不同种类的国产土工合成材料为加筋材料，以砂和石灰粉煤灰 为填料，通过直剪试验和拉拔试验比较各种国产土工合成材料与填料的界面作用 特性，得到一些有益的结论；华侨大学的施有志、马时冬1 专门研究了土工格栅 与砂砾石、粗砂、残积土的界面摩擦系数，并与有纺土工布的成果进行比较，得 出了可用于工程设计的成果；中南大学的杨果林教授呻1 通过对5 种筋材的拉拔试 验，得出了加筋土筋材在砂土中的摩擦特性规律和临界摩阻强度，对今后的筋材 拉拔试验及工程应用具有参考价值：马存明呻1 对塑料土工格栅进行拉拔试验研 究，提出提出将塑料土工格栅与土体之间摩擦应力的发展过程分为四个阶段的观 4 硕士学位论文第一章绪论 点，即起始阶段、发展阶段、局部屈服和完全屈服阶段；高江平、胡长顺“”通过 网格加筋土拉拔试验研究得出了网格加筋抗拔力的计算公式，并发现网格条带之 间存在“群筋效应”；张茹进行的土工带拉拔试验研究了应力应变关系，并对 工程填料的选择提出建议；丁建明、张波采用三种不同筋材在粘土中进行直剪 试验，得出了垂直度、含水量和筋材粗糙度对筋土之间的剪切性能影响规律；魏 红卫通过四种筋材研究了加筋层数、筋材拉伸模量、土体压实度及竖向压力等 对土体抗剪强度和应力一应变特性的影响；张波、石名磊”1 通过对比筋材在粘土 中的拉拔试验与剪切试验得出结论：在实际工程中，拉拔试验能更好的反映加筋 土真实的工作状态；文献删根据过已有研究成果提出了适用于大部分筋材设计的 计算公式；文献”3 根据大量的现场实测资料，调整现有的计算公式所得的筋材拉 力值和现场原位观测值相一致，得出了半经验半理论的计算公式，使计算更符合 实际情况，能更好的发挥筋材的作用；彭从文对国内外加筋土试验进行了简要 分析与介绍；长沙理工大学的杨和平教授侧对土工格栅拉拔试验进行了归纳与总 结，分析了现在拉拔试验存在的问题以及今后的发展方向。 1 1 3 加筋土设计方法的研究 在加筋土的设计方法上，仍以极限平衡法最为普遍，其次是有限元法。极限 平衡法是一种保守而安全的设计方法，迄今仍适用于各种土建类工程中，不过在 分析计算中未考虑土体变形，设计时要限制筋材的延伸长度。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。由于近期对土与加筋材料本构关系研 究的日益深入，有限元法的应用发展很快，尤其是对于比较重要的或对变形有严 格要求的建筑物，常常用有限元法进行核算。用有限元法分析加筋土时，通常有 三种思路：一是把土和筋材看作复合材料，按复合材料分析。土与筋材的相互作 用表现为内力，只对复合材料的性质产生影响，而不直接出现在应力应变的计算 中；二是把土和筋材分别考虑，加筋土看成由土与筋材两种不同性质的材料组成 的复合结构，两者通过界面相互影响、相互作用。这种计算思路符合人们的直观 感觉，比较常用；介于上述两种方法之间，有人提出了等效附加应力法叭1 【7 2 】。该 方法的基本思路是把加筋土中筋材的作用等效成附加应力沿筋材的方向加在骨 架上，取加筋土中的土体进行计算。在有限元计算中只出现土单元，计算量大大 减小。目前，有限元法已经成为许多学者研究加筋土机理和进行分析计算的主要 方法。 随着对土和筋材本构关系研究的日益深入，有限元法在加筋土设计施工中将 硕士学位论文第章绪论 变得越来越重要。h a r r i s o n 等人( 1 9 7 2 ) o ”将士与土工合成材料当作复合材料对 待，假定土和土工合成材料都是线弹性的，而复合材料为横观各向同性，有四个 参数，以，毛，e 属于线弹性模型。施祖元用非线性的横观各向同性模型计算加 筋土。法国的j g g o u r c 和p h d e l m a s 等人，在极限平衡法的基础上，引入了土与 筋的应变相容关系，于1 9 8 6 年提出了位移法( d i s p l a c e m e n tm e t h o d ) ( g o u r c 等， 1 9 8 6 ) 。这一方法已在法国开始应用，并在不断地改进。我国的刘祖德等人，曾 应用弹性理论预测陡坡极限平衡所需的加筋力和滑动面的位置，对极限平衡法进 行了改进( 刘祖德等，1 9 8 9 ) 。进入9 0 年代，在加筋土设计方面，有些国家的设 计人员，开始采用极限状态法( l i m i ts t a t em e t h o d ) ，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，但目前尚未被普遍使用( m c g o w n 等，1 9 9 8 ) 。李艳春 ( 1 9 9 6 ) 在土工格栅与土相互作用的分析中，将土工格栅的纵向肋与横向肋分 开来考虑，纵向肋起抗拉作用，纵向肋与土的相互作用采用无厚度g o o d m a n 单元 模拟；横向肋起抗挠作用，横向肋与土的相互作用采用两结点单元来模拟。张道 宽( 1 9 8 7 ) ”构造的土工合成材料与土相互作用单元是把两个无厚度的接触面单 元和模拟土工合成材料加筋的拉杆单元揉和在一起，组成了加筋系统有限元分析 的离散结构，能够很好地适应大转角和大位移，满足了大变形的要求。乐翠英等 ( 1 9 8 9 ) 采用横观各向同性模型计算加筋垫层处理油罐地基。介玉新( 1 9 9 8 ) m 1 提出等效附加应力的分析方法，把土工合成材料的加筋作用等效成附加应力，当 成外力沿着加筋的方向作用在土单元上，计算中只出现土单元，不出现土工合成 材料单元，同时也不存在土工合成材料与土的接触面单元。需要指出，不同学者 的有限元分析方法，除了一些相似之外，隐含在公式中的假设有时差别很大，特 别是在模拟非线性、塑性破坏、大变形以及接触面单元时，采用了不同的处理方 法和精度等级，从而导致有限元的计算结果存在差异。土本身的力学性质复杂多 变，而土工合成材料品种繁多，性能各异，并具有明显的蠕变性和温度效应，埋 在土体内的应力与应变关系不同于无侧限条件下的性状。此外，还要考虑土和筋 材介面的相互作用等，单纯靠分析手段来准确估计土与筋材受力是相当困难的。 因此，加筋土的设计尚未能完全依靠严密的理论分析方法去解决实际问题。所以， 在设计中，基本原则是以岩土力学原理为基础，结合加筋工程的具体条件建立实 用分析方法，配合工程实践得到的经验或半经验方法，或利用原型观测和试验以 解决实际问题。 1 1 4 预张拉加筋土的发展 6 硕士学位论文第一章绪论 预张拉加筋土用于加筋土中在国内和国外研究的比较少。杨果林教授通过多 次循环加一卸载后，消除筋材的塑性，通过现场预张拉产生一个初始弹性变形， 从而减少墙面板的水平侧向变形，为今后预应力加筋土的研究奠定基础。杜运 兴通过三轴试验提出了预应力c f r p 加筋土结构的基本原理，并提出了伪粘聚力的 概念，解释了预应力的作用，提出了预应力加筋土的强度计算公式，从理论上解 释了加筋土结构的基本原理。徐少曼等根据室内土工织物加筋软基模型试验， 对采用预应变加筋法加固软基方法进行了研究。试验表明，预应变加筋法可使筋 材受力尽量接近理想受力机制。同时提出了预应变值e 。的估算公式，并指出 r k r o w e 提出的容许相容应变计算法有时不符合工程实际删。 在工程应用方面，1 9 9 6 年日本福岗市完成了第一座预压预张力( p l p s ) 土工 格栅加筋土桥墩，用于支承长度为1 6 米的铁路桥钢梁，桥墩地基为软粘土，在 建墩前已用水泥加固，并建成一座土工格栅加筋土桥台支承钢梁的另一端。“。 1 1 5 土工合成材料加筋工程 加筋土是由一层或多层水平的加筋材料构件与填料交替铺设所组成的复合 体，加筋材料主要承受土体产生的侧向拉力。加筋土工程有多种类型和形式，按 其工作性质和设计计算理论假定，可分为加筋土挡墙、加筋陡坡和加筋热层三大 类。2 删。 ( 1 ) 加筋土挡墙 加筋土挡墙一般形式包括挡墙、桥台及岸边陡壁等，一般由面板、筋材和填 土组成。由于这类支挡结构是柔性的，较之传统的混凝土等刚性结构能更好的适 应地基变形，在软弱地基上采用更能显示其优越性。筋材由于其柔韧性和高弹模， 能更有效地吸收振动所传递的能量，具有良好抗震性能，而且价格低廉，便于施 工。 ( 2 ) 加筋陡坡 加筋陡坡主要用于解决以下工程问题：地基较好，要求土坡坡度尽量作陡； 地基一般，但要求土坡坡度比不加筋时要陡；或者原有土坡产生了滑动，希望 利用原来的坡土而不运新土来填筑修复，以节约工程造价；在填土坡坡肩铺设 筋材，使边坡处填土可更好地压实，防止以后产生表面坍滑或冲刷。 ( 3 ) 加筋垫层 加筋垫层可分为天然地基上的加筋垫层和复合地基上的加筋垫层：天然地 基上的加筋垫层：是在地基表面沿水平方向铺设一层或多层的加筋材料，并与填 料组成一定厚度的加筋复合土体，它的作用主要是提高地基的承载力，均化地基 应力，减少地基的不均匀沉降；复合地基上的加筋垫层：是在桩体复合地基上 7 硕士学位论文 第一章绪论 铺设加筋垫层，其主要作用是使荷载通过加筋垫层均匀传到复合地基土，发挥桩 和土的共同作用，提高软土地基的承载力。 1 1 6 加筋土技术的在工程中的新应用 由于我国城镇建设的日益发展，挡土墙、边坡防护等支挡结构日益增多。边 坡防护除了保证道路安全性的同时，必须要重视景观设计，将生态防护与城镇公 路工程措施相结合。若使用浆砌片石常规挡土墙将严重破坏沿线景观。目前国内 外城镇公路在支挡结构与边坡生态防护结合形式单一，受力的支挡结构其坡面难 以绿化的；不受力的坡面防护绿化效果较好而其受力性能较差，因此开发并应用 现代加筋结构新技术是十分有效的手段。 将加筋土结构和景观设计于一体的加筋土边坡防护新型支挡结构，是支挡防 护与生态防护设计理念上和结构形式上的重大创新，将真正实现边坡支护结构与 景观绿化和谐统一、人类社会与环境的和谐统一。下面是几种具有发展前景的新 型景观加筋技术： ( 1 ) 土工格栅( 土工格室或复合土工材料) 加筋挡土墙 a 、土工格栅加筋挡土墙 结合城镇公路路堤填筑技术，能有效收缩坡脚，节约用地，降低造价，有利 于阻隔地表水下渗，增强土体变形的侧压力。 b 、土工格室加筋挡土墙 结合路堤填筑技术，最大限度收缩坡脚( 1 ：o ) ，土工格室具有较独特的工 程特性，对路基填料的具有较好的适应性，在分级挡墙施工中优势更为明。 c 、土工格栅+ 钢筋网格挡土墙( m e c h a n i c a l l ys t a b i l i z e de a r t h 简称m s e 挡墙) 该结构整体性强，防护与生态结合效果好。研究表明，当路堤填土高度超过 l o m ，把土工格栅和钢筋网结合起来与各自单独使用相比，经济可行性优势更加 明显，一般可节约工程造价1 0 2 0 ，加快工程建设进度。 ( 2 ) 花梯型加筋挡土墙 该挡土结构考虑受力模式，其应用广泛。本结构与其它防护型式结合可应用 于不同地质情况，与支撑沟、树根桩、锚杆、锚索、各种型式的护坡等灵活组合， 其结构调整方便，适用面广。 ( 3 ) 自嵌式加筋挡土墙 自嵌式加筋景观挡土结构是以预制混凝土块为建筑材料的新型挡土结构，此 结构依靠带有后缘的块与块之间嵌锁作用和重量来防止滑动倾覆；挡土块依靠水 平放置的拉接网片共同使用来增大墙体结构的有效宽度和重量；应用多层拉接网 8 硕士学位论文第一章绪论 片按设计的标高和长度在挡土块块间分层布置，与挡土块牢固地连接在一起并延 伸到土体中，适用于城镇居民区附近、服务区、观景台等地段。 ( 4 ) 雷诺花台式景观挡土墙 为了防止水土流失、保护耕地、减少工程建设资金。利用加筋技术研究解决 取弃土场恢复植被和坡面防护二者相结合的关键技术问题；研究开发能使植被四 季常青、自然生长，且具有抗旱性、抗逆性和互补性强的混合植绿种子配方。 1 2 研究的目的和意义 预应力加筋土技术是加筋土领域的一项新型技术，目前加筋土的理论、技术 以及施工方法都不健全与完善，需要更多的研究与分析。 加筋土是一种柔性结构，其基本原理是粘聚力的增加。对于普通加筋土而言， 它的准粘聚力的增加要靠竖向荷载或竖向变形，没有竖向荷载或竖向变形，就不 存在粘聚力，即只有在加筋与土之间产生相对位移的情况下，才能使加筋与土之 间的摩擦机制、剪胀机制得以发挥，发挥加筋的作用。而预应力加筋土由于筋材 的预张拉，即使没有竖向荷载或竖向位移，筋土界面也会产生一定的摩擦，即产 生一个伪粘聚力，从而抑止土体的侧向位移，随着上部荷载的增大，粘聚力也会 相应的增大，所以此时预应力加筋土的粘聚力就包括两方面：由预张拉产生的伪 粘聚力和加筋产生的准粘聚力；另一方面，由于加筋土挡墙的应用主要集中在铁 路、公路领域，在市政工程中由于要求面板表面美观平整、侧向变形要求小，不 能有鼓肚现象，所以应用较少。预应力加筋土技术可以让加筋技术更好的在市政 领域得到应用，通过筋材的多循环加卸载消除筋材的一部分塑性变形，或者在施 工中对筋材进行预张拉，使筋材产生一个初始应变，这样挡墙在正式运营前就已 基本完成了塑性变形和部分弹性变形，可以大大降低筋材在实际受力过程中的变 形，使墙面板的侧向变形大大减小，即提高筋材的强度特性也满足美观的要求。 但由于预应力加筋土的研究比较少，其理论与技术需进一步完善与发展，本 文通过摩擦试验研究了筋土界面摩擦系数的变化，通过几组循环加卸载试验研究 了筋材的弹塑性变形及应力应变关系，为预应力加筋土的研究奠定基础，并通过 预应力加筋土挡墙工程实例对预应力加筋技术在实际工程应用提供借鉴。 1 。3 本文的主要工作 ( 1 ) 通过查阅大量资料，分析加筋土的基本理论性状，包括强度理论、破坏 理论、变形理论以及计算方法等。 9 硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 对拉拔试验和剪切试验进行分析，研究摩阻力一位移关系，确定强度参 数c 、庐值及含有粘聚力因素的似摩擦系数厂，确定几种筋材在不同填料作用下 摩擦系数的变化；同时经过剪切试验研究几种土和筋材剪应力随竖向压力的变化 及其界面摩擦系数的变化。 ( 3 ) 通过筋材的循环加卸载试验，研究筋材的应力应变关系以及弹塑性变 形特性并提出筋材在实际土体中受拉状态下的约束条件的变形方程。 ( 4 ) 对预应力加筋土进行理论分析及有限元计算，并与理论计算进行对比 分析。 ( 5 ) 通过实际工程加筋土挡墙的设计与施工，对预应力筋材在加筋土中的应 用进行计算与分析，分析在相同荷载、筋材间距的条件下，墙面板侧向变形的大小 以及在墙面板侧向变形相同的条件下所需筋材的多少，通过对比分析，得出预应 力加筋土的优点。 ( 6 ) 通过旖加预应力及不施加预应力的筋材在挡土墙中的受力情况，得出 预应力加筋土能给实际施工带来的好处，能为今后具体工程提供借鉴。 1 0 硕士学位论文 第二章加筋土结构基本性状理论研究 2 1 概述 第二章加筋土结构基本性状理论研究 加筋土的基本性状主要取决于填料( 如物理力学性质、水力学性质) 、加筋 材料( 如筋材受力变形特性、布置方案、筋土界面特性) 、面板( 如面板刚度、 面板与筋材的连接方式) 、地基( 如刚度) 、外加荷载。自本世纪6 0 年代v i d a l 提出加筋土的概念以来，许多人致力于加筋土结构的研究，目前对加筋土性状的 研究主要集中在加筋土的破坏形式、变形、强度、筋材内拉力分布、土压力分布 以及筋材、填料、面板、地基、施工碾压对加筋土稳定性的影响。预应力加筋土 的基本性状与加筋土的基本性状基本相同，只是筋材的刚度有所变化。下面就加 筋土的加筋机理，基本特性及计算方法做如下分析。 2 2 加筋土挡墙基本原理分析 2 2 1 概述 加筋土挡土结构主要由筋材、填土、面板、基础和冒石等几部分组成，其挡 土原理就是通过筋材与土体的相互摩擦作用以及特殊嵌锁、咬合作用( 如土工格 栅、土工格室) ，并以基础、面板、冒石、拉筋和填料等组成符合结构来限制其 上下土体的变形，平衡土体的土压力，增加土体的稳定性，以及弥补土体抗拔性 的不足，从而保证挡土墙的稳定。在这方面，加筋机理有点与钢筋混凝土相似， 加筋抗拉强度的提高或者说土体自立稳定性的增加，其基本原理在于筋土的相互 作用。为了弄清砂土加筋后复合体强度和稳定性提高的原因，v i d a l 等人进行了 加筋土相互作用机理得到研究，后来的学者也对加筋土的加筋机理作了一些研 究。 2 2 2 加筋土的加筋机理 ( 1 ) 摩擦加筋理论 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，存在着将拉筋从土中拔出的可能。而 拉筋又被土压住，于是填土与拉筋之间的摩擦力拉筋被拔出。因此，只要拉筋具 有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则加筋的土体就可以保持稳定。设由 硕士学位论文第二章加筋土结构基本性状理论研究 土的水平推力在该微分段所引起的拉力d r = 正一五( 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竖向力n ，拉力与土之间的摩擦系数为厂， 拉筋宽度为b ，作用于长d 1 的拉筋条上下两面垂直力为2 n b d l ，拉筋与土体之间的 摩擦阻力为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相互滑动删，如图 2 - 1 所示。如果每一层加筋能满足上式要求，则整个加筋土结构的内部稳定性就 能得到保障。 n i 哿一藏o o o oooooo 可蓬麟 n i 图2 - i 摩擦加筋原理图2 - 2 加筋问的承压拱作用 加筋土结构中的筋带通常呈水平状，相间、成层的铺设在需要加固的土体中。 如果土体密实，筋带布置的竖向间距较小，那么上下筋带间的土体受到筋带对土 体摩擦阻力的作用和竖向压力的作用，这两方面作用在土体中形成承压拱的效 应，如图2 2 所示。这时，在上下筋带之间的土体，除端部的土体不稳定外，将 形成一个稳定的整体。 摩擦加筋原理由于概念明确、简单，在加筋土挡墙的足尺试验中得到较好的 验证。因此，在加筋土的实际工程中，特别是加筋土挡墙工程中得到较为广泛的 应用。但是，加筋摩擦原理忽略了荔带在力作用下的变形，也未考虑土是非连续 介质、具有各向异性的性质。所以，对高模量的加筋材料比较适应，对加筋材料 本身模量较小、相对变形较大的合成材料，其结果较为近似。 ( 2 ) 准粘聚力理论 加筋土结构被认为是各向异性的复合材料，通常采用的筋带，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，使得带有拉筋的填土的强度明显提高。加筋土 的基本应力状态如图2 3 所示，在没有拉筋的土体中，在竖向应力仉的作用下， 土体产生竖向压缩变形。随着竖向应力的加大，压缩变形和侧向变形也随之加大， 直到破坏。如果土体中设置了水平方向的拉筋，则在同样的竖向应力作用下， 其侧向变形则会大大减少，如图2 - 3 ( b ) 所示。 1 2 硕士学位论文第二章加筋土结构基本性状理论研究 oio - ( a )( b ) 图2 - 3 加筋土的基本应力状态 蛋 这是由于水平拉筋与土体之间产生了摩擦作用，将引起侧向膨胀的拉力传递 给拉筋，使土体侧向变形受到约束。拉筋的约束力盯。相当于在土体侧向施加了 一个侧压力a o ，其关系可用奠尔圆表示，如图2 4 ( a ) 所示。莫尔圆i 为土体未 破坏时的弹性应力状态；圆i i 则是未加筋土体的极限应力状态：圆i 是加筋土体 的应力状态，土体加入高模量的筋带后，筋带对土体提供了一个约束力口。即水 平应力增量a o ，( = 盯。) ，使得侧压力减小，亦即在相同的轴向变形条件下，加筋 土能承受较大的主应力差。这还可以通过常规三轴试验中的应力变化情况来表 示，如图2 4 ( b ) 所示，图中圆为无筋土极限状态时的莫尔圆，圆为加筋土 的莫尔圆，圆的盯，与圆的相等，而最小主应力却减少了a o 3 ，上述分析说明， 加筋土体的强度有了增加，应有一条新的抗剪强度线来反映这种关系，如图2 4 ( c ) 所示。 0 b 趔卜一 ( b ) 硕士学位论文 第二章加筋土结构基本性状理论研究 c p 0 图2 - 4 美尔一库仑理论 这已经被试验所证实1 ，如图2 5 所示。加筋砂与未加筋砂的强度曲线几乎 完全平行，说明砂的内摩擦角在加筋后基本不变，加筋砂的力学性能的改善是由 于新的复合土体( 即加筋砂) 具有“粘聚力”的缘故，“粘聚力”不是砂土固有的， 而是加筋的结果，所以称为准粘聚力嗍。准粘聚力可根据莫尔一库仑定律求得， 由图2 - 4 ( c ) 可知 0 1 = a 3 l t 9 2 ( 4 5 。+ 矿2 ) = ( 0 - 3 十盯3 k 2 ( 4 5 。+ 2 ) ( 2 1 ) 加筋后，土体处于新的极限平衡状态，即 0 - l - - - - 0 - 3 t 9 2 ( 4 5 4 + 尹2 ) + 2 c ，, g ( 4 s 。+ 0 2 ) ( 2 2 ) 比较( 2 - 2 ) 与( 2 - 1 ) 可得 a 0 3 t 9 2 ( 4 5 。+ 矽2 ) = 2 c p 辔( 4 5 。+ 2 ) ( 2 3 ) 因此，由于拉筋作用产生的准粘聚力为 巳= c r 3 辔【4 5 + 2 j ( 2 4 ) 0 图2 - 5 加筋砂与未加筋砂的强度曲线 上式是建立在拉筋部出现断裂或滑动，同时也部分考虑拉筋受力作用后产生 拉伸变形的条件下得出的。显然这只适用于高抗拉强度和高模量的拉筋材料，如 1 4 硕士学位论文第二章加筋土结构基本性状理论研究 钢带、钢索和高强度、高模量的加筋塑料带等。对于低模量、大延伸率的土工合 成材料的加筋作用机理，不考虑其变形的影响是不符合实际的。为了考虑筋带的