（道路与铁道工程专业论文）包裹式加筋土挡墙有限元分析及应用.pdf

摘要 摘要 土工合成材料应用于岩土工程是近几十年来发展起来的一门技术，并已在 水利、交通、港口和建筑工程加以应用，在土中加入抗拉材料形成加筋土，可 以改善土的工程性质。由于土工材料的特殊性及它与土体相互作用机理的复杂 性，该技术正处于发展阶段，其机理有待于进一步深入研究，设计、试验方法 及数值处理有待于进一步完善。 本文利用自动动态增量非线性分析软件a d i n a ，取赣龙铁路路基的一个断 面的部分结构来建立包裹式加筋土挡墙有限元模型，针对包裹式加筋土挡墙的 特点，对土工格栅加筋的力学性状，用无量纲分析和有限元计算，在数值模拟 方面进行了一些探讨。 然后结合实际工程，以赣龙铁路g d k l 4 4 + 1 0 0 g d k l 4 4 + 1 6 5 段加筋土挡墙 修建为背景，对包裹式加筋土挡墙试验段路基的一个全断面建立有限元模型， 针对包裹式加荔土挡墙的特定形式，对其土体及筋材受力和变形的情况进行数 值模拟。利用实测数据对计算结果进行验证，从计算结果来看，相同部位的应 力、应变实测值比二维模型计算值离散，但是在趋势上二者相同，验证了这种 有限元方法的可行性，从而为包裹式加筋土挡墙设计和施工提供技术参考。 关键词：土工合成材料，加筋土，包裹法，数值模拟，有限元法 a b s t r a c t a b s t r a c t g e o s y n t h e t i c s ，an e wm a t e r i a l ，h a sb e e nu s e di ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n o w , t h i s t e c h n o l o g y h a s g a i ne x t e n s i v ea c c e p t a n c e i n h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ，t r a f f i c ， h a r b o r sa n db u i l d i n ge n g i n e e r i n gs oo n o n eo fi t s f u n c t i o n ，a i m e dt oi m p r o v es o i l m e c h a n i c a lp r o p e r t y , i sp u t t i n gg e o s y n t h e t i c sw h i c hc a nr e s i s tp u l ls t r o n g l yi n t os o i l b e c a u s eo ft h i sm a t e r i a l s s p e c i a l t ya n dc o m p l e x i t yo fi n t e r a c t i o nm e c h a n i s m ，t h i s n e wt e c h n o l o g yi so nt h es t a g eo f d e v e l o p m e n t t h em e c h a n i s mo f r e i n f o r c e e a r t h r e m a i n st ob ef u r t h e rs t u d i e d t h em e t h o d so fd e s i g n ，e x p e r i m e n t ，a n dn u m b e r s i m u l a t i o nr e m a i nt ob e p e r f e c t e d 1 1 1 i sp a p e rf o c u so nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nt h ew r a p - f a c e dr e i n f o r c e d s o i lr e t a i nw a l l r 1 1 e nu s i n gt h ea d 玎q a p r o g r a m a u t o m a t i cd y n a m i c si n c r e m e n t a l n o n l i n e a ra n a l y s i s ，t oa n a l y z eam o d e lw h i c hc o m i n gf r o mas e c t i o no fg a n l o n g r a i l w a yr o a d b e d ，f i r s ts e l e c t i n gp a r t o ft h er o a d b e dt oe l e c tt h em o d ew h i c hu s e g e e g r i dr e t u ma s w a l l s s u r f a c e b yd i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e ra n a l y s i s a n df i n i t e e l e m e n tm e t h o dc a l c u l a t i o n ，s o m es t u a yo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg e o g f i d e n f o r c e d s o i lw a l li sd o n e o nt h eb a s eo fw r a p f a c e dr e i n f o r c e d s o i lw a l lw h i c hl i ei ng a n l o n gr a i l w a y g d k l 4 4 + 1 0 啦g d k l 4 4 + 1 6 5 ，t h em o d e ls e l e c t af u l ls e c t i o nt h er o a d b e d b y c o m p a r i n gt h ef e m c a l c u l a t e dr e s u l t sa n dt h er e s u l t so ft h ei ns i t um e a s u r e m e n t ，i t c a nb ef i n dt h a tt h em e a s u r ed a t ad i s p e r s ea r o u n dt h ec a l c u l a t e dr e s m ti nt h es a m e p o s i t i o n b u t t 1 1 et r e n d sa l es a m e n l i sp r o v e st h er e s u l to ff e m n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i sa c c e p t a b l ea n dc a nb er e f e r e n c e di nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t h ew r a p - f a c e d r e i n f o r c e d s o i lw a l l k e yw o r d s ：g e o s y n t h e t i c s ，r e i n f o r c e d - s o i l ，w r a p f a c e dm e t h o d ，n u m e r i c a l s i m u l a t i n g ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的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，除了文中特另m j d n 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 获得石家庄铁道学院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。 签名：壶建日期：趔蛆哆 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复7 1 j 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，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：密建导师签名：锄 日期：堡堕：坐 第一章综述 第一章综述 1 1 国内外加筋土发展现状 加筋土是在填土中加入筋带、纤维材料或网状材料，它们藉摩擦力将自身 的抗拉强度与土体的抗压强度结合起来，加强土体的稳定性，使土体的整体强 度得以提高，可用来建筑路基、挡墙、桥台、堤坝等工程。 土体具有一定的抗压和抗剪强度，而抗拉强度却很低，在士内掺入或铺设 适量的筋材后，可以不同程度地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，还增 加土体和其它材料之间的摩阻力，提高土体及有关建筑物的稳定性。由法国工 程师h e n r iv i d a l 于2 0 世纪6 0 年代初提出的现代加筋土技术是一项土体加固新 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， 据此提出了加筋土的概念，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土墙( v i d a l ，1 9 6 9 ) 。由于法国在加筋土技术上的成功， 引起了世界各国工程界、学术界的重视，其发展速度相当快，应用范围也日益 广泛。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，前西德地下建设杂志( 1 9 7 9 年) 曾誉之为“继钢筋混凝土之后又一造福 人类的复合材料”【2 j 。 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。为了交流研究成果和实践经验，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组织相继成立，法、美、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p 1 。 2 0 世纪8 0 年代，除了进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 第一章综述 邦公路管理局提供研究基金，以加州大学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”1 9 8 7 年完成了研究报告。美英学者h o i t z 和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。 我国是加筋土的故乡，自古以来，筑土墙加草筋或竹筋，用柴排处理软弱 地基，用土袋或树枝压条加固堤岸等等，都是应用加筋土的例子。现代加筋土 技术引入我国是在七十年代后期，1 9 7 9 年云南省煤炭设计院在云南田坝矿区建 成了我国第一座加筋土挡墙储煤仓【3 】，其挡墙部分长8 0 m ，高2 3 8 3 m ，由填 土和布置在填土中的筋带及墙面板三部分组成。该挡墙的建造成功引起了土木 建筑行业技术人员的兴趣，因为这种结构不仅施工容易，而且具有一定的经济 性。与传统的砌石挡墙相比，加筋土挡墙的造价较低。从技术上看，加筋土是 柔性结构，对地基承载力的要求较低，易于处理，施工也无需专用机具和特别 技术，工效高，易于推广，外形平整美观。因此很多人对这种结构进行了深入 研究并迅速推广应用，各省市修建的加筋土工程已逾千项，砌墙面积超过7 0 万 m 2 。在大量工程实践的基础上，随着经验的积累，创造了符合我国国情的加筋 土技术。 加筋土挡墙由填土、面板( 包括基础) 和筋材组成，是三者的结合体。挡墙 常用条带式和包裹式两种方式。前者是将高强度、高模量、表面加糙的刚性加 筋带，在填土中按一定问距排列，一端与面板联结，另一端往土中延伸一定长 度。后者现常采用柔性的机织工织物在土体内满铺，每铺一层在其上填土压 实，将外端部织物卷回一定长度，然后再在其上铺放一层织物。每层填土压实 后为1 5 2 0c m ，直至墙顶。国外采用的筋材多为土工格栅。两种方法一般在外 侧设置面板。和一般挡土墙一样，排水设备应予重视，排水能减小挡墙后水压 力，从而保证挡墙稳定。 还有的像“包裹式加筋土”一样，用土工布代面板。已有人在进行“零土 压力墙，的研究，他们发现如果在填土中加筋的同时，再在墙背处设置可压缩 的土工夹层，墙背处的土压力就可减小9 0 以上，甚至趋向于零，造成加筋土 体独立于墙面板的形态，被称作“零土压力墙”。这个原理对“无面板加筋土墙” 及新型的“整体独立面板加筋土墙”的设计具有重要意义，同时也是对传统土 2 一 第一章综述 压力计算方法的一种挑战。但是这种结构的长期性能，其土工夹层的不可恢复 的变形对土压力以及整个加筋土体的影响还需作进一步的研究1 4 】。 1 2 土工合成材料简介 土工合成材料是岩土工程应用合成材料产品的总称，是一种新型的岩土工 程材料。它是以人工合成的聚合物，如化纤、塑料、合成像胶等为原料，制成 各种类型的产品，置于土体内部或表面，发挥保护或加强土体的作用。土工合 成材料的品种甚多，如土工织物、土工薄膜、特殊土工合成材料和复合土工合 成材料等。这些产品能满足各种工程需要的性能，可以制成各种符合实用目的 的产品，具有质量轻、施工简易、运输方便、价格低廉，料源丰富等优点，为 岩土工程提供了一种崭新的较为理想的材料，并由此带来一种实施简便和经济 有效的技求途径。已广泛应用于水刺、水利、水电、公路、铁路、海港、建筑、 采矿及军工等工程的各个领域。 1 2 1 土工合成材料的分类 土工合成材料的分类，目前尚无统一的标准。1 9 7 7 年，g i r o u d 和p e f e t t i 建 议将土工合成材料分为两大类：土工织物( g e o t e x t i l e s ) 和土工膜( g e o m e m b r a n e ) 【外。由于新产品不断涌现，超出了旧的分类体系，因此，1 9 8 3 年g i r o u d 和c a r o l l 提出将土工合成材料分为土工织物和相关产( g e o t e x t i l e sa n d r e l a t e dp r o d u c t s ) 一1 这一分类不包括土工膜，且用土工织物相关产品也不确切。在中国，许多专家 建议将土工合成材料划分为四大类：土工织物，土工膜，土工特种材料和土工 复合材料i t , s 1 。这一分类体系主要是依据产品功能与制造工艺的不同，它基本上 纳入了现有的产品。 第一章综述 土工合成材料 i 土工织物i i 土工膜 i 土工复合材料 l 土工特种材料 织造 i 非织造j l 机织 针织 针刺 热粘结 化学粘结 复合土工膜 复合土织物 复合排水材料：排水带、排水管 土工格栅、土工带 土工格室、土工网垫、土工网 土工模袋、土工织物膨润土垫 聚苯乙烯板块等 土工合成材料最常用的高分子聚合物有： ( 1 ) 聚乙烯( p o l y e t h y l e n e ，缩写p e ) ； ( 2 ) 聚丙烯( p o l y p r o p y l e n e ，缩写p p ) ； ( 3 ) 聚脂( p o l y e s t e r ，缩写p e t ) ； ( 4 ) 聚酰胺( p o l y a r n i d e ，缩写p a ) ： ( 5 ) 聚乙烯醇( p o l y v i n y la l c o h o l ，缩写p v a ) ； ( 6 ) 聚氯乙烯( p o l y v i n y lc h l o r i d e ，缩写p v c ) ； ( 7 ) 聚苯乙烯( p o l y s t y r e n e ，缩写p s ) 等。 纤维分天然纤维和化学纤维。天然纤维包括棉、毛、丝、麻等。化学纤维 是由各种不同原料经过化学处理和机械加工而成，包括人造纤维和合成纤维。 合成纤维以聚合物为原料，经过熔融或溶解成为粘稠纺丝液，在一定压力下由 喷丝头喷丝，并经加工制成。合成纤维与人造纤维相比，强度较高，吸湿性较 ，j 、。 商业上把人造纤维的短纤维称纤；合成纤维的短纤维称纶：人造纤维和合 成纤维的长丝统称为丝。商业产品名称，统一将聚脂纤维称为涤纶：聚乙烯醇 纤维称为维纶：聚丙烯腈纤维称为腈纶( 有不怕日晒之意，因这种纤维耐阳光是 z l 第一章综述 所有纤维中最好的) ；聚乙烯纤维为氯纶：聚丙烯纤维为丙纶。有时，在品名后 加一个脂字就是指纤维上加了树脂以防缩、防水等。有时为了增加弹性也添加 些塑性树脂。 1 2 2 土工合成材料的主要种类功能 土工合成材料具有多方面的功能，一种土工合成材料往往就兼有数种功能。 随着土工合成材料的发展，所兼有的功能就更多。总的说来，土工合成材料的 功能可归纳为六类，即加筋、反滤、排水、隔离、防渗和防护功能。现分述如 下。 ( 1 ) 加筋功能 利用土工织物的高强度、韧性等力学性能，可分散荷载，增大土体的剐度 模量，改善土体或作为筋材构成加筋土以及各种复合土工结构。 r 2 ) 1 i 织物用于加固补强地基 当地基可能产生冲切( 楔入) 破坏时，铺设的土工织物将阻止破坏圆的出现， 从而提高承载力。当土工织物受集中荷载作用时，在较大的荷载下，高模量的 土工织物受力后将产生垂直反力，抵消部分荷载。当在可能产主很大变形的软 基上铺设土工织物时，由于荷载主要由织物来承受，且土与织物之间的摩擦力 起到了限制土的侧向变形的作用，故大大增加了地基的稳定性。 ( 3 1 土工织物用于加筋土 加筋土是一种由土和抗拉筋材的组合体。通过土与加筋之问的摩擦力使之 成为一个整体。 对于一般无加筋的无粘性半无限土体，随着横向变形的逐渐增大，土楔体 从静止状态变为主动状态而破坏。如果在水平方向埋设有拉筋，则拉筋之间的 土层上下被拉筋压紧，土和拉筋充分作用；如果拉筋间距较小，则土的横向变 形就和拉筋的变形相等。一般拉筋的弹性模量要比土的模量大许多倍，所以横 向变形甚小，可以忽略不计。只要拉筋不发生破坏，土体内部应力状态几乎不 变，于是，无粘性土在加筋方向获得与拉筋的抗拉强度相适应的表观粘聚力， 如对应于荷载条件适当地配置加筋，加筋土就成为能够同时支承外力和自重的 结构体。 土工织物作为加筋，一般要求有一定的刚度，新发展的土工格栅能够很好 地与土相结合，是一种好的加筋材料。与金属筋材相比，土工织物不会因腐蚀 第一章综述 而失效，它在桥台、挡墙、海岸、码头支护建筑物中得到了成功的应用。 ( 4 ) 反滤功能 在有渗流的情况下，利用一定规格的土工合成材料铺设在被保护的土上， 可起到与一般砂砾反滤层同样的作用，既允许水流畅通，同时又能阻止移动从 而防止发主流土、管涌和堵塞。 从对土工织物滤层作用机理的研究表明：多数透水性土工织物在单向渗流 的情况下，初期紧贴土工织物的土体中发生细粒逐渐向滤层移动，同时还有部 分细粒通过土工织物被带走，留下较粗的颗粒；继而与滤层相邻的一定厚度的 土层逐渐自然形成一个反滤带和一层骨架网，阻止土粒的继续流失；最后趋向 于稳定平衡。靠近织物层的土体透水性增大，土工织物本身的透水性会有某种 程度降低。结果土工织物与其相接触的部分土层共同形成一个完整的反滤体系， 有效地起到反滤作用。 这种反滤体系的构成和效果是有一定条件的。它取决于如下四个因素： 土工织物的物理性质( 孔隙大小和分布、开孔率、织物厚度和织物的压缩性) 被 保护土的性质( 粒径和级配、孔隙率、渗透系数、粘聚力) ；反滤体的应力和应 变状态；水力条件( 层流、紊流、单向渗流和反复渗流) 。 应该注意，正、逆两向渗流和紊流会破坏骨架网和反滤体系的形成，使土 粒移动加剧。 ( 5 ) 排水功能 某些有一定厚度的土工织物具有良好的三维透水特性，利用这种特性除了 可以透水反滤外，还可使水经过土工织物的平面迅速地沿平面方向排走，且不 会堵塞，构成水平排水层。此外，它还可以与其它排水材料( 如粗粒料、排水管、 塑料排水板等) 共同构成排水系统或深层排水井。 土工织物作为排水层的效果，取决于其在相应的受力条件下导水性的大小 f 导水性等于水平向渗透系数与厚度的乘积) 及其所需排水量和所接触土层的土 质条件。 f 6 1 隔离功能 土工织物设置在两种不同土或材料之间，或者土与其它材料之间把它们相 互隔开，避免混杂产生不良的效果。其作用机理是依靠土工织物的高抗拉、抗 顶穿及撕裂强度，整体连续性和广泛的柔韧性以及良好的耐酸碱性、生物侵蚀 性等，适应受力、变形和各种环境变化的影响而不破损。土工织物用于受力的 一6 一 第一章综述 结构体，必将有助于结构状态的稳定和设计功能的加强；用于储存堆放可以避 免材料损失和劣化， 作为用于隔离的土工织物，其渗透性应大于所隔离土的渗透性且不被堵塞， 在受力条件下还要具备足够的耐磨性，当被隔离的材料或土层之间无水流作用 时，不透水土工薄膜同样可起到隔离的作用。 ( 7 ) 肪渗功能 土工薄膜防渗主要在于它的渗透系数甚小，一般为1 0 1 1 1 0 _ 2c m s ，这 样低的透水性，若以透水量来计，则相当于5 0m 水头差通过厚为lm y n 、面积 为 1 0 0c m 2 的土工薄膜的水量，约为4 、3 2 0 4 3 2c m 3 d ：若折合粘性土，则等价 于渗透系数为i o 丙c n d s 时厚度为1 0 0 10 0 0m 的粘土。故它是一种颇为理想的 防渗材料。 单一土工薄膜除在储运过程中可能造成穿刺和撕裂等破坏外，在工程中可 能发生以下集中破坏情况：遭受石块和其它尖棱物的穿刺；承受水压力和 土压力时没有局部约束而被挤破；受到下层气体或液体的顶托：铺设在支 承土与混凝土面板之间的土工薄膜由于温度、重力、体位移、浪击和水位变 化等因素，可能引起界面滑动，土工薄膜将承受过度伸长、撕裂或擦伤；斜 面上用土和混凝土板保护士工薄膜的情况，当水位骤降，土中孔隙水压力与库 水位失去平衡，土体失稳而滑动。 由于土工薄膜在工程中可能受到以上几种情况的破坏，因此，根据不同情 况需要在土工簿膜上面或下面，或者上下两面船以保护，搿土工织纺则是最佳 的保护材料。此时，土工织物能起到排水排气以缓冲受力的作用，若使土工织 物与土工薄膜复合成一体，则既能弥补薄膜自身强度的不足，又能改善接触界 两的摩擦特性。 国内外己趋向将土丁织物和土工薄膜在工厂通过挤压、滚压以及喷涂等工 艺制造成整体结构的复合土工薄膜。复合土工薄膜可改善薄膜的工程性能，简 化施工程序，保证施工质量，是一种较为理想的防渗材料。 ( 8 1 防护功能 土工合成材料在防护方面的应用很广，如防冲、防沙、防震、保温、植生 绿化、环境保护等。常用的防护材料包括软体排、土工袋、土工模袋、土工网 垫、土工网、聚苯乙烯板块等， 事实上，工程中用的土工合成材料，只利用其一种功能的是少见的，通常 7 第一章综述 是相互补充兼顾利用其他几种功能。 1 3 加筋土工程的基本理论 在工程实践中，我们知道松散的砂土可堆成具有天然休止角的砂堆，粘性 土体可开挖出一定高度的垂直坡面。如果在砂土中分层埋设水平向的加筋材 料则这种由砂土和加筋材料形成的筋土复合体就可保持一定的高度和直立状 态而不塌为斜坡，它与粘性土体相类似。这表明砂土加筋后所形成的复合体的 力学性能和稳定性比未加筋前有所改善和提高。如果利用加筋后的复合体来建 筑某种建筑物，如挡土墙、边坡等，则加筋技术就具有一定的工程实际意义， 并有可能获得一定的经济效果。加筋土技术的提出、应用正是从这一思路出发 两发展起来的。 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 ( 1 9 6 9 ) 1 】分别进 行了三轴试验和现场试验测试，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结果，筋一土间相互作用的基本原理大致可归 纳为两大类：一是摩擦加筋原理，二是准粘聚力原理，或似粘聚力原理。 1 3 1 摩擦加筋原理 根据加筋土复合体中筋一土 之间的基本构造，从加筋体中取 出一微段如图1 - 1 所示，微元体 长为d ，拉筋左截面受力为乃，! ! 有截面受力为乃，压住拉筋的法 向应力为仃，略去筋带重量和微 元体土体重量。设拉筋与土粒之 间的摩擦系数为f b 为筋带宽度。 由于土的水平推力在该微元段拉 筋中所引起的拉力为d t ， d 产n 乃，。设d f 为土粒与拉筋 在该微元段上产生的总摩擦力，则有 d f = 2 0 f b d l 一8 图1 - 1 摩擦加筋原理 第一章综述 根据对该微元体的受力分析，可知：如果 e l f d t ( 1 - 2 ) 则筋一土之间就小会产生相互错动，换句话说，土的水平推力被筋一土之 间的摩擦力所克服，微元体保持稳定，反之则不能保持稳定。 从式( 1 一1 ) 和式( 1 2 ) 可知，拉筋材料要满足两点：一是表面要粗糙，能使筋 一土之间产生足够的摩擦力：二是要有足够的强度和弹性模量，前者保证在筋 一土之间产生带动前拉筋不被拉出，后者保证拉筋的变形与士体的变形大致相 同。 在加筋土挡墙中，墙体由于受土体的 推力产生破坏时( 暂将加筋土体看成无筋 土体1 ，依据朗金理论，沿主动破裂面b c 将墙休分为主动区和稳定区，见图l 一2 。 下滑土棱体a b c 自重产生的水平推力对 每一层拉筋形成拉力，欲将拉筋从土中拔 出，而稳定区土体与筋带的摩擦阻力阻止 拉筋被拔出。如果每一层拉筋与土体的摩 擦阻力均能抵抗相应的土推力，则整个墙 体就不会出现b c 滑动面，加筋土体的内 部稳定就有保证。 b 图卜2 加筋挡墙的受力分析 设每层筋带所受的土体的水平推力为n 那么 t | 2 0 i l e d l ( 1 - 3 ) 岛 式中，仃压住拉筋的法向应力； 卜一筋带长度； f 一拉筋与土粒间的摩擦系数； 6 一拉筋筋带宽度； 工：拉筋在稳定区的长度。 式( 1 3 ) 为判定加筋体稳定与否的必要条件，为工程中的实际计算提供了思路。 按上述的摩擦加筋原理分析，拉筋的工作类似于通过筋带结构锚围在稳定 土体中，所以，稳定区又称为锚固区，拉筋在稳定区的长度l 2 称为锚固段长度 或有效长度。 9 第一章综述 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，也未考虑土是连 续介质、具有各向异性的特点。所以，对高模量的加筋材料，如金属加筋材料 比较适用，对加筋材料本身模量较小、相对变形较大的合成材料( 如塑料等) ，其 结果则是比较近似的。 1 3 2 准粘聚力原理 加筋土结构可看作是各向异性的复合材料，一般情况下拉筋的弹性模量远 远大于填土的弹性模量，拉筋与填土共同工作，包括了填土的抗剪力、填土与 拉筋的摩阻力和拉筋的抗拉力的共同作用，使得加筋土的强度明显提高。这一 点在加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样三轴对比试验中得到验证。 砂土试样在单轴压力下受到压密，土样侧向在侧压力作用下发生侧向应变。 如在土中布置了拉筋，由于拉筋对土体的摩擦阻力当土体受到垂直应力作用 时，在拉筋中将产生一个轴向力，起着限制土体侧向变形的作用，相当于在土 中增加了一个对侧压力的反力，使土的强度提高了。根据v i d a l ( 1 9 6 9 ) 【l 】等人的 试验，加筋土的强度与土的抗剪强度、土和拉筋间的摩擦系数、拉筋的抗拉强 度、拉筋数量等有关。加筋土在受力变形过程中可能出现拉筋抗拉极限状态、 拉筋与填土间摩擦一粘着极限状态以及填土抗剪极限状态。加筋土的强度分析 主要针对前两种，第三种只有当拉筋与填土的弹性模量相近时才会出现。 加筋砂样比无筋砂样强度提高，可根据库仑理论和摩尔破坏准则来加以阐 明。 根据库仑理论，土的极限强度为 ，= o - t a n f o + c ( 1 - 4 ) 式中，f f 土的极限抗剪强度； 盯土体上受到的正应力； c 上的粘聚力； 土的内摩擦角。 当c = o 时为砂土，c 0 时为粘性土。 设盯i f 为土样破坏时的最大主应力，盯3 为土样侧面的最小主应力，根据土 1 0 第一章综述 样破坏时摩尔圆与土样的库仑强度线相切的条件，可得 盯lr = 仃3t a n 2 ( 4 5 0 + 妒2 ) + 2 c o t 2 ( 4 5 。+ 9 2 ) f l 一5 1 在三轴对比试验中，如果未加筋砂土样在盯l 、盯3 作用下达到极限平衡f 见 图1 3 ，( 1 ) 为未破坏时的应力状态，( 2 ) 为未加筋砂极限破坏状态) ，保持仃3 不变， 则加筋砂在相同应力状态下未破坏，而是仃3 增至盯1 f 时才达到极限破坏状态， 如摩尔圆( 3 ) 所示。砂样在加筋前后的( p 值不变，加筋后土的强度提高了，它应 有一条新的强度线来反映这些关系。 b 0 310 1 仃1r 仃 i 一超且 - i 图1 - - 3 无筋及加筋砂强度分析 5 。 4 。 日3 0 萼z 。 1 0 024681 0 0 3 k - p a 图1 - 4 无加筋砂及加筋砂强度曲线 比较未加筋砂和加筋砂试验的极限平衡条件，加筋砂多了一项由c 引起的 强度增加或者说承载力增加。从三轴对比试验的结果来看( 见图l 一4 ) ，加筋砂 与未加筋砂的强度线几乎完全平行，说明加筋前后砂样妒值基本不变，但加筋 砂的强度曲线不通过盯一f 坐标原点，而与纵坐标f 相截，其截距c 相当于式( 1 5 ) 中的c ，或者说，式( 1 5 ) 或式( 1 4 ) 对加筋砂土是成立的。因此，有入认为，加筋 砂土力学性能的改善是出于新的复合土体具有某种“粘聚力”的缘故。砂土本 身是没有这个“粘聚力”的，而是砂土加筋后的结果。在试验中对加筋砂样施 加的侧向力为盯3 ，而实际上砂样受到的侧压力是仃3 + a 盯3 ，而a 盯3 正是出于 砂与拉筋间的摩阻而产生的，但在最后结果的表述中却被“c ”所代替。事实上 它不是粘聚力，而应是加筋土的强度增量。为表述方便，我们将这个“粘聚力” 称为“准粘聚力”或“似粘聚力”，它反映了加筋土这个复合体本身的材料特性。 1 4 加筋土的性状 第一章综述 加筋土的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、筋一土界面特性) ，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2 0 世纪6 0 年代法国学者提出加 筋土的概念以来，许多人致力于加筋土结构的研究，目前对撕筋土性状的研究 主要集中在加筋土的破坏形式、变形，筋材内的拉力分布，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。 1 4 1 加筋土的破坏形式 加筋土的破坏形式可归纳为三大类，即内部稳定性破坏、面板破坏、外部稳 定性破坏( b a n l u r s t ，1 9 9 4 ) f 9 1 。 1 4 ，1 1 内部稳定性破坏 内部稳定性破坏一般表现为筋材拉断、拔出( 筋一土相对滑动) ，或者变形过 大。 加筋土内筋材的作用是通过筋一土界面摩擦约束土的侧向变形，同时在筋 材内引起拉伸变形。筋材拉断或变形过大一般发生在加筋材料强度低、刚度小 的情况t j u r a n ，1 9 8 9 ) 1 1 0 】；筋材拔出则表明筋一土界面摩擦小，或筋材锚固长度 不够。筋材拔出破坏形式主要发生在条带筋材的情况下，而对于幅状筋材，如 土工织物、土工格栅，当筋材长度较小时，加筋土整体滑动破坏的可能性一般 大于筋材拔出破坏的可能性( w o n g ) j 。 加筋土体内的破裂面可通过破坏试验直接观测得到，对于未达破坏状态的 试验，则假设各层筋材上最大拉力点的连线为潜在破裂面。破裂面的发展与配 筋情况、面板形式、试验条件密切相关。大致有以下三种情况： ( 1 ) 破裂面( 或潜在破裂面) 从墙底开始，贯穿整个加筋土体。破裂面形状与筋 材刚度、配筋率有关。对于筋材刚度和配筋率较小的情况，筋材对填土的约束 作用小，破裂面有可能褥到充分发展，其形状接近于经典的朗金或库仑理论破 裂面( j u r a n 。1 9 8 9 ) v o ；反之，加筋土则表现为粘聚重力式结构，破裂面呈对数螺 旋线，顶端与墙面的距离约为墙高的0 3 倍( 张师德、吴邦颖，1 9 8 6 ) 1 1 2 , p o r b a h a ( 1 9 9 6 1 【1 3 】在离心模拟实验中发现的筋材长度与墙高之比越小，则破裂面顶端到 墙面的距离越小。 ( 2 ) 滑楔体破坏，即破裂面从墙顶开始，只贯穿墙身上部几层加筋土，使楔 1 2 第一章综述 体塌落产生下滑( p o r b a l l a ，19 9 6 ” ；m a t i c h a r d ，19 9 4 1 4 j ) 。 ( 3 ) 双楔体破坏，破裂面为折线型，然后延伸到加筋土体外，形成两个破坏 楔体( j e w e1 9 8 4 ；k u t a r a ，1 9 9 0 1 1 6 l ；t h a m m ，1 9 9 0 1 7 1 ) 。如果筋材有较高的强度和 刚度，不容易被切断，那么，在加筋土体内，滑动面有可能沿着加筋层之间发 展，这种破坏形式曾多次在试验中被观察至l j ( h o l t z ，1 9 7 7 1 8 】：n i e h o l l s 1 9 8 1 t 1 9 1 ) 。 1 4 1 2 面板破坏 面板破坏包括：面板塌落、面板凸鼓、面板错位引起漏砂现象、面板与筋 材连接破坏。面板与筋材的连接破坏主要是由面板与填料的不均匀沉降引起的。 对于粘性填土，有时虽然部分面板脱落了，但加筋土体仍能保持整体稳定。 1 4 1 3 外部稳定性破坏 外部稳定性破坏包括：加筋土体水平滑动、倾覆，地基承载破坏、地基深 层破坏。加筋土体的水平滑动、倾覆是在外加荷载以及墙背土压力的作用下发 生的。一般情况下，加长筋材可防止这两种破坏。由于地基土的约束作用，加 筋土体有时不是沿着其基底滑动，而是沿着某一层筋- - - i - 薄弱面滑动( w o n g ， 1 9 9 4 ) 【1 l 】。w o n g ( 1 9 9 4 ) f l l 】认为，对于砂性填料，加筋土体实际上不是刚体，倾 覆破坏的可能性很小。地基承载破坏、地基深层滑动破坏一般在地基较弱的情 况下发生。 1 4 2 加筋土的变形 影响加筋土变形的主要因素包括：填土刚度、地基剐度、筋一土之间的剪 切刚度，筋材抗拉刚度，筋材的长度。 加筋土体的剪切变形主要是由作用于其背面上的土压力引起的，筋材越长， 则加筋土体越厚，该剪切变形也就越d , ( w o n g ，1 9 9 4 ) 1 1 1 , p a l m e i r a ( 1 9 9 4 ) 2 0 l 在模型试验中观测到，对于各层筋材不等长的情况下，在较短的地方，面板的 水平位移较大；但在加筋土体内部，对于同一水平面，各点的水平位移几乎相 等。 建于坚固地基上加筋土结构，由于地基的约束作用，当面板为刚性时，其 位移模式为绕墙趾转动；当面板为柔性时，常出现凸鼓现象，或者下部分绕墙 趾转动，而上部分刚体平移( w 缸g ，1 9 9 4 t 2 1 1 ；c h r i s t o p h e r1 9 9 4 口2 1 ；m i y a t a ，1 9 9 4 2 3 1 ) 。 第一章综述 建于软土地基上的加筋土结构，由于地基变形的影响，其墙面位移一般为绕墙 顶转r 功( w u ，1 9 9 4 ) i 2 4 。 1 4 3 筋材内的拉力 筋土之间通过界面摩擦传递剪应力，并在筋材内产生拉力。拉力的大小及 分布与筋材刚度、加筋土体内的位移场有关。 k o n a m i ( 1 9 9 4 ) 肛5 】在原型试验中发现，越往下靠近底层，筋材的最大拉力值 越大，而且筋材上的最大拉力点越靠近，各层筋材上最大拉力点的连线接近0 3 日型潜在破裂面。w o n g ( 1 9 9 4 ) ”1 】在模型试验中，以聚丙烯带加固细砂、粉土观 测到各层筋带拉力在与面板相接处最大，距面板越远，拉力越小。t a t s u o k af 1 9 9 4 1 口6 j 在分析面板刚度对加筋土稳定性影响时，认为在加筋土的下部如果面板有足 够的刚度使面板上承担一定的土压力，那么筋材与面板连接处的拉力就q t i d , ， 筋材上最大拉力力点与面板的距离较大。 综上所述，筋材内的拉力大小及分布受诸多因素的影响，不同试验者的观 测结果有一定的差异，尤其是关于筋老才上最大拉力点的位置。此外，即使对于 同一加筋土结构，在工作应力状态下与极限状态下的筋材拉力分布规律也会有 所不同。 e h r i c hf 1 9 9 4 ) 1 2 7 1 在计算筋材最大拉力值时，考虑了施工中碾压的影响。他们 认为，筋材刚度越大，筋材相应的拉应力也越大，对于浅层筋层，碾压可能是 产生筋材拉力的主要因素。 1 4 4 土压力 f 1 ) 面板上的侧向土压力 面板上的侧向土压力常用于计算面板的受力以及检算面板与筋材之间的连 接强度( 连接强度的检算还应考虑到面板与填土不均匀沉降产生的连接处应力集 中1 。由于筋材的侧向约束作用，面板上的侧向土压力大大减小了。 ( 2 ) 加筋土体内的侧向士压力状态 处于极限状态的加筋土体以潜在破裂面为分界线，可划分为主动区和被动 区，这时破裂面处的侧向土压力状态是计算筋材内最大拉力值的依据。加筋土 体内的侧向土压力状态与其内部变形有关，一般情况下处于主动土压力状态和 1 4 第一章综述 静止土压力状态之间。侧向土压力状态的主要影响因素包括：筋材刚度、配筋 率、面板刚度和旋工中的填土碾压。 ( 3 ) 加筋土体背部的土压力 加筋土体背部的土压力一般用于检算加筋土的外部稳定性。可按主动土压 力计算，墙背上的摩擦角有的假设为0 ，有的假设为等于墙背填料的内摩擦角。 ( 4 ) 基底竖向应力 从加筋土的整体受力平衡来分析，若不考虑地基变形的影响，由加筋土自 重引起的基底竖向反力应当是均匀分布的：而墙背上的土压力以及墙顶超载将 会引起一定程度的基底应力偏心。此外，对于刚性面板，面板与填土的不均匀 沉降会影响到基底竖向应力的分布( c h r i s t o p h e r , 1 9 9 4 1 【2 2 】。 1 4 5 地基、墙面、施工碾压对加筋土性状的影响 除了筋材、填料之外，加筋土性状的因素还有地基、墙面、旌工碾压等等。 ( 1 ) 地基刚度的影响 g o o d i n g s ( 1 9 8 9 ) 2 s 】通过离心试验，对铝、砂和粘土三种不同刚度的地基进 行了比较，发现较软的粘土地基有利于提高加筋土结构的稳定性，可能是地基 的适当变形使加筋土体内发生应力重分布的缘故。p o r b a h a ( 1 9 9 6 ) 口9 】在离心模拟 试验中也观察到了相似的现象，同时他们还发现，对于非加筋土，在刚性地基 与允许产生一定变形的稳定地基这两种情况下，其稳定性能差不多。w u ( 1 9 9 4 ) 睇4 j 在有限元分析中比较了四种不同性质的地基土，发现对于刚性地基，由于地基 的约束作用，加筋土的变形为绕墙趾转动，最大侧向位移为墙高的o 7 ；而对 于软土地基，由于地基变形过大，导致加筋土绕墙顶转动，最大侧向位移为墙 高的3 。 f 2 ) 面板刚度的影响 根据v i d a l ( 1 9 6 9 ) 1 1 】的加筋土理论，作用于面板上的土压力很小，面板的作 用只是装饰和阻止加筋士外缘土粒的散落；整个加筋结构具有良好的柔韧性， 能适应较大地基变形。而t a t s u o k a ( 1 9 9 2 ) 3 0 】提出作用于拼装式面板上的土压力接 近于主动土压力；其次，对于重要的永久性结构，应该有足够的刚度，而不能 一味地追求柔性以适应地基变形，太软的地基应事先予以处理。 在日本，为克服传统的柔性面板加筋土过柔的缺点，有人提出了一种“短 筋刚面式加筋土结构，并作了一系列研究。这种加筋土结构的特点是：筋 1 5 一 第一章综述 材短，在日本的有关设计规范中取0 3 5h 与1 5m 中的较大值，其中h 为墙高： 面板刚度较大；施工分两阶段，先建好加筋土体部分( 包裹式墙面) ，待加筋 土及地基的主要变形完成后，再现场整体浇注混凝土面板。这种加筋土结构的 主要优点可归纳为以下几点： 对于拼装式面板，为维系平衡，每层筋材部必须有足够的锚团长度；而 对于整体刚性面板，由于面板可以将部分侧向土压力从高层传递到较低层，较 高层的筋材可以不必延伸出破裂面之外，也能保持结构的稳定性( t a t s u k a ，1 9 9 2 ) 【30 】。 当面板顶或靠近面板处的墙顶上作用有集中荷载时( 包括水平集中荷载) ， 对于刚性面板，该集中荷载可分布到整个墙高上。 通常，面板与填土的不均匀沉降会导致筋材与墙面连接处应力集中。对 于“短筋刚面”墙，由于面板是在加筋土及地基变形基本稳定后才现场浇注的， 因此不存在这种问题。 刚性面板有利于靠近面板处填土的压实，而对于拼装式面板则比较困难， 因此加筋土的工后变形较为严重。 ( 3 ) 施工碾压的影响 碾压引起土体内侧向土压力的增加。当施加碾压力时，土体内的竖向压力 和侧向压力都增大了；撤除碾压力后，竖向压力减小到原来的状态，而侧压力 虽然也有所减小，但仍高于碾压前的状态。对于刚性结构，碾压引起的残余土 压力有可能比静止土压力大好几倍，甚至达到被动土压力状态( t e r z a g h i ， 1 9 3 4 t 3 1 】：b r o m s ，1 9 7 1 3 邛。对于加筋土结构，许多学者也注意到了碾压对侧向压 力状态的影