（道路与铁道工程专业论文）土工格栅减小软基路面车辙的应用研究.pdf

摘要 近年来，土工格栅在水利、铁路、公路、港口和建筑工程中已得到了广泛的 应用，利用土工格栅加固公路软土路基的工程也比较多。但对土工格栅是如何减 小软基路面车辙的作用却不十分清楚，计算方法不完善，不能满足实际工程的需 要。因此，结合土工试验和具体的车辙试验，对土工格栅加固软基提高抗车辙能 力做进一步深入系统的研究，为合理运用土工格栅在加固软土路基的设计和施工 中提供理论依据是非常必要的。 首先，对试验材料( 软土、级配碎石和土工格栅) 进行实验研究，并且对不 同结构、材料、生产工艺的格栅和未加格栅的情况进行对比车辙试验。试验结果 表明，加筋后路面车辙变形与未加筋时比较最多能减小2 3 。对比不同格栅的作 用效果，其中抗拉强度最低的三角形网格格栅t x l 7 0 ，对减小软基路面车辙具有 最好的效果，因为其本身的结构与级配碎石之间形成的嵌挤结构能更有效的发挥 格栅本身的性能，所以表现出最好的抗车辙能力。 其次，本论文针对车辙试验，在原有试验数据的基础上建立有限元分析模型。 通过有限元分析更进一步验证了土工格栅减小软基路面车辙试验的结果，得到了 试验中无法实测的各个部分的应力和位移，更能对模型在荷载作用下受力、变形 的特性进行直观分析。同时，通过对不同因素的分析，总结出各种因素对车辙的 影响规律。主要证实提高格栅的模量对于减小软基路面车辙作用效果不显著，所 以在设计土工格栅时总是强调提高模量不完全正确。 最后，在实验研究和有限元分析的基础上，通过机理分析研究本次实验状态 下车辙的来源和形成过程，并且总结了加筋土基的承载力和变形的不同作用机理， 选择出比较适合本次研究的改进的太沙基极限承载力理论，此理论可以证明土工 格栅在处理软基时增加了地基承载力。通过进一步研究筋土之间相互作用和土工 格栅的加固机理，得出土工格栅加筋作用主要依靠土体与格栅之间的嵌锁效应、 摩擦效应和波纹效应，从而使软基路面车辙减小。 关键词：土工格栅；软土路基；车辙；实验研究；机理分析；有限元分析 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，g e o g r i dh a sb e e nw i d e l yu s e di nw a t e rc o n s e r v a n c y , r a i l w a y s ， h i g h w a y s ，p o r t sa n dc o n s t r u c t i o np r o j e c t s ，a n dt h e r ea r ea l s om a n yp r o j e c t sc o n c e r n e d w i t ht h eu s eo fg e o g r i dt or e i n f o r c es o f ts o i lr o a d b e do fh i g h w a y b u tt h er o l eg e o g r i d p l a y si nr e d u c i n gr u to ns o f tf o u n d a t i o n sp a v e m e n ti sn o tv e r yc l e a ra n dm e t h o d so f c a l c u l a t i o na r ei m p e r f e c ta n dc a n n o tm e e tt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s i n o r d e rt op r o v i d et h e o r i e sf o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs o f tf o u n d a t i o nb y r e a s o n a b l yu s i n gg e o g r i d ，i ti so fg r e a tn e c e s s i t y t h e r e f o r e ，t od oaf u r t h e rs y s t e m a t i c s t u d yo ng e o g r i d sr e i n f o r c e m e n to fs o f tf o u n d a t i o nt oi n c r e a s ei t sa n t i r u t t i n ga b i l i t y t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs o i lt e s t sa n dr u t t i n gt e s t f i r s t l y , t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t so nt e s tm a t e r i a l s ( s o f ts o i l ，g r a d e dg r a v e la n d g e o g r i d ) ，a n dr u t t i n gt e s t sb e t w e e nn o n - g e o g r i ds o f tf o u n d a t i o na n ds o f tf o u n d a t i o n s r e i n f o r c e db yg e o g r i di nd i f f e r e n ts t r u c t u r e s ，m a t e r i a l sa n dp r o d u c i n gt e c h n o l o g i e s ， s h o wt h a t ，d e f o r m a t i o n d e g r e eo fr u t s o nr e i n f o r c e dp a v e m e n tr e d u c e db y2 3 c o m p a r e dw i t hu n r e i n f o r c e do n e s c o m p a r i n gt h ee f f e c to fd i f f e r e n tg e o g r i d s ，t h em e s h t r i a n g u l a rg e o g r i do ft h el o w e s tt e n s i l es t r e n g t h ，t x l7 0 ，h a st h eb e s ta n t i r u t t i n ge f f e c t w h i c hi sb e c a u s et h ee m b e d d e da n ds q u e e z e ds t r u c t u r ef o r m e db e t w e e ni t ss t r u c t u r e a n dt h eg r a d e dg r a v e lc a np e r f o r mt h ef u n c t i o no fg e o g r i dm o r e e f f e c t i v e l y s e c o n d l y , o nt h eb a s i so fo r i g i n a le x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ep a p e rd e v e l o p saf i n i t e e l e m e n tm o d e l t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf u r t h e rp r o v e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f g e o g r i d si nr e d u c i n gt h ee f f e c to fr u t so ns o f tf o u n d m i o n ，a n dg e t sv a r i o u sp a n s s t r e s s a n dd i s p l a c e m e n tw h i c ha r eu n a b l et ob em e a s u r e di ne x p e r i m e n t sa n di ti se a s i e rt o m a k ev i s u a la n a l y s i so fm o d e l s s t r e s sa n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c su n d e rl o a d m e a n w h i l e ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd i f f e r e n tf a c t o r s ，t h ep a p e ra l s os u m m a r i z e st h e i m p a c t i n gl a w sv a r i o u sf a c t o r so nr u t t i n g ，m a i n l yp r o v e st h a ts i m p l ei n c r e a s i n gt h e m o d u l u so fg e o g r i dh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nr e d u c i n gt h ee f f e c to fr u t s0 1 1s o f tp a v e m e n t a n de v e r l a s t i n ge m p h a s i so ni n c r e a s i n gq u a n t i t yi sn o ta l w a y sc o r r e c t f i n a l l y , b a s e do ne x p e r i m e n t sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ep a p e rk n o w st h e o r i g i na n df o r m a t i o no fr u t si nt h e t e s tb ym e c h a n i s ma n a l y s i s ，s u m m a r i z e st h e d i f f e r e n tw o r k i n gm e c h a n i s mt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e ds o i la n dd e f o r m a t i o n ， c h o o s eam o r es u i t a b l et h e o r yf o rt h i s s t u d y - - - i m p r o v e dt e r z a g h iu l t i m a t e l o a d - c a r r y i n gc a p a c i t yt h e o r yw h i c hc a l le f f e c t i v e l yp r o v et h a ti nd e a l i n gw i t ht h es o f t f o u n d a t i o ng e o g r i dh a sa d d e daf o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t y v i af u r t h e rs t u d yo nt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e ng e o g r i da n ds o i l ，a n dg e o g r i d sr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ，t h e p a p e rr e s e a r c h e st h a tt h ee f f e c t so fg e o g r i dr e l ym a i n l yo nt h ei n t e r l o c k i n ge f f e c t ，t h e f r i c t i o ne f f e c ta n dt h ew a v ee f f e c tb e t w e e ns o i la n dg e o g r i d ，a n dc o n s e q u e n t l y g e o g r i d c a nr e d u c et h ee f f e c to fr u t t i n go i ls o f tf o u n d a t i o n k e yw o r d s ：g e o g r i d ；s o f tf o u n d a t i o n ；r u t ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ；m e c h a n i s m a n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刮十 日期：钐，矿年尹月7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：孑忤 日期：伽f 口年f 月呵日 指导教师签名：彳 只期：加f o 年r只 7h f 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：孑+ 哥一 日期：“年铲月f 7 日 指导教师签名： 日期：钿p 年牛月f 7 日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早三百v 匕 软土地基一般是指主要由细粒土组成的空隙比大( e 1 0 ) 、天然含水量高、压 缩性高、渗透性差、强度低和具有灵敏结构的土层。然而，在公路路基中，虽然 有些天然地基不具备这种软土地基概念的特征，但为满足车辆荷载的要求，可以 把不能满足车辆荷载要求的那一类地基归属于软土，即把这种“软土 定义为“广 义软土( 基) ”。事实上，这种广义的软土在公路工程中并不罕见。例如，在平原 地区，一般路基填方高度较小( 小于o 5 m ) ，车辆荷载将部分作用于自然的原地基 上，但由于原地基为自然固结土，压实度较低，很难达到9 5 的压实度要求，因此， 可以把承受车辆荷载作用但又不能满足路基压实度要求的这种原地面土层称为 “软基 。 随着我国基础建设的发展，在这种“广义软基”上兴建公路同益增加。但这 种路基上修建低等级公路或临时道路时，由于其特殊的工程性质，所以路面车辙 现象较为显著，相应地对软基在交通荷载作用下受力变形的研究也就成了工程中 的主要问题。因此在软土地基上修建低等级公路除了要保证稳定性，还必须限制 车辙变形。因为各方面原因引起的车辙变形，将会严重影响公路的正常使用。 目前公路大量修建，其中有些低等级公路由于修建在软土层厚度不等的路基 上，软土层厚的部分压缩性大，软土层薄或非软土段压缩性小，造成公路纵向车 辙变形不均，路面平整性受到影响，汽车无法舒适行驶。此外，地下水位高、地 面潮湿、强度低、压实度低的草原牧区公路路基原地面，以及在春天路基含水量 增大、强度降低、常产生冻胀翻浆病害的季节性冰冻地区公路路基，在车辆荷载 作用下容易产生车辙、坑凼等变形破坏。还有在一些低填浅挖、填挖结合段，为 使路基工作区具有足够的强度，在o 8 米的路基工作区深度范围内压实度达到9 5 的要求，通常的做法是采取换填或对原地面进行压实的措旌，然后再在上面填筑 路基，修筑路面，以避免由于原地面压实不足引起的路面车辙。然而，在换填或 对原地面进行压实的处理方法中，换填的成本太高，对原地面压实的效果有限， 在后期仍会产生由于路基压实引起的车辙。因此如何经济合理地避免或减小修筑 在以上路基上的路面车辙是值得研究的课题。 2 第一章绪论 1 2 研究背景 1 2 1 土工材料的发展历史和工程应用概况 土工材料是一种新型岩土工程材料，它以人工合成的聚合物，如塑料、化纤、 合成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置予土体内部、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。土工格栅就属于特种土工合成材料的一 种。目前已广泛应用与水利、电力、公路、铁路、建筑、海港、采矿、军工等工 程领域。 近代土工个合成材料的发展是建立在合成材料一塑料的基础之上。硝化纤维是 第一个商品化的合成材料。随着各种塑料产品的研制成功，不同类型的合成纤维 也投入了生产。近代合成材料开始应用于土工建筑上的确切年代，已难以考证， 根据c w s t a f f 的推测，约2 0 实际3 0 年代末或4 0 年代初，聚乙烯薄膜首先应用与 游泳池的防渗，大量塑料防渗薄膜的应用开始与灌溉工程，以后发展到水闸、土 石坝和其他建筑物。合成纤维在土工中的应用开始与5 0 年代术期，1 9 5 8 年 r j b a r r e t 在美国佛罗里达州利用聚氯乙烯织物作为海岸块石护坡的垫层，一般认 为是应用现代合成材料的开端。1 9 5 9 年意大利的c o n t r a d as o b e t a 堆石坝使用聚乙 烯合成橡胶薄膜。1 9 6 0 年捷克的d o s i n a 堆石坝使用聚氯乙烯薄膜。在6 0 年代， 合成纤维织物在美国、欧洲和r 本逐渐推广。所用的土工织物主要是机制型的( 俗 称有纺织物) ，大部分用于护岸防冲等工程。由于机织土工织物的强度具有很大的 方向性，而且价格较高，限制了它的发展。非织造型织物( 俗称无纺布) 的应用 给土工织物带来了新的生命。其特点是把纤维做成多方面的或任意的排列，故强 调没有显著的方向性。厚的织物不但可以作为滤层，还可以用作导水体，因此更 适用于各种土建工程。随着化纤工业的发展，相继出现了多种土工合成材料产品， 土工合成材料逐渐被应用与加筋土工程，部分代替了金属材料。非织造型土工织 物在6 0 年代末开始应用于欧洲，1 9 6 1 年 1 9 7 0 年相继用于法国和英国的无路面 道路、德国的护岸工程、法国的v a l c r o s 土坝的下游排水反滤和上游护坡垫层和德 国的一座隧洞。在7 0 年代，这种土工织物很快从欧洲传播到美洲、西美洲和澳洲， 最后传播到亚洲。 从二十世纪7 0 年代后期，美国等国家采用土工网或土工织物作为加筋材料， 进行了包裹加筋挡土墙的实验研究，m i c h e l l 和v i l l e t 首先试验包裹加筋挡土墙， 美国林业部( u s f o r e s ts e r v i c e ) 分别在s i s k i y o u ( 1 9 7 4 年) 和奥林匹克国家公园 ( o l y m p i c n a t i o n a lf o r e s t s ，1 9 7 5 年) 修建了包裹式加筋挡土墙，然后制定了设计 第一章绪论 和施工指南。在美国联邦公路局( f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ，f h w a ) 的倡 导下，n e w y o r k 、c o l o r a d o 等洲的公路部门与二十世纪8 0 年代修建了包裹式加筋 挡土墙，从1 9 8 4 年开始将t e n s a r t m 塑料拉伸土工格栅引入加筋土，原材料为聚 乙烯( p o l y e t h y l e n e ，p e ) 。从1 9 8 6 年，土工合成材料加筋土( m e c h a n i c a l l ys t a b i l i z e d e a r t h ，m s e ) 在美国迅速普及，用于加筋挡土墙( m e c h a n i c a l l ys t a b i l i z e de a r t hw a l l s ， m s e w ) 、加筋陡坡( r e i n f o r c e ds o i ls l o p e s ，r s s ) 、软基上加筋路堤( r e i n f o r c e d e m b a n k e m e n t so v e rs o f tf o u n d a t i o n s ，r e s f ) 。目前土工合成材料加筋土工程在欧美 国家应用比较广泛。 近年来，新型材料和复合型材料的问世进一步推动了土工合成材料的发展和应 用。国外以美国，尤以北美发展较快，欧洲则以德国、法国、荷兰、意大利等西 欧国家发展较快，亚洲主要是日本、马来西亚、韩国发展较快，国外产品类型、 品种较多，规格齐全，以非织造型、合成型、复合型所占比例较大，而非织造型 以纺粘法涤纶长丝产品为主，其中薄型非织造布主要用作复合产品。厚型非织造 布主要用作滤层材料，合成型和复合型产品主要用作加筋材料、防渗材料。 土工合成材料的应用，在我国的起步较晚，但发展很快。1 9 7 6 年江苏省长江 嘶马护岸工程中，首先使用由聚丙烯扁丝织成的编织袋，结合聚氯乙烯绳网和混 凝土块压重，组成软体排，防止河岸的冲刷。9 0 年代，特别是1 9 9 8 年我国遭受特 大洪水灾害以后，由于国家领导及各有关部门的重视，使土工合成材料的生产、 应用、研究等各个方面都发生了巨大的变化，工程应用范围不断扩大，测试技术、 施工水平、理论研究、技术创新等方面的发展更为显著。 在土建工程应用方面，从8 0 年代初开始将土工合成材料应用于加筋土工程， 起初主要采用无纺针刺土工织物和塑料排水带，如京津塘高速公路的应用。二十 世纪9 0 年代中期开始，国产的土工合成材料种类迅速增多，相继出现了单向和双 向塑料拉伸土工格栅、涤纶纤维经编土工格栅、玻璃纤维经编土工格栅和土工网 等，在材料种类增多的同时，产品也逐渐系列化，再加上国家基础设施的投资力 度加大，土工合成材料加筋土工程有了大发展，取得了可喜的成果，但主要用于 铁路、公路的软基处理，土工合成材料加筋土挡土墙、加筋土桥台、加筋路堤特 别是加筋高填方路堤才刚刚兴起。 借鉴国内外的先进经验，利用土工合成材料处治公路病害是目前有效的途径之 一。1 9 9 6 年交通部曾组织联合公关项目，对土工合成材料应用于公路路基、路面、 防护、排水等项目进行了研究，并编制了土工合成材料应用技术规范。目前，在 新建、改扩建公路中，土工合成材料得到了广泛应用，但缺乏系统研究，尤其是 在西部黄土地区的应用。 由于国外的理论研究、测试技术、设计准则、施工方法等都比较完善，因而土 4 第一章绪论 工合成材料在工程中应用较为普及。我国土工合成材料的生产和应用较晚，但发 展较快，目前，国内外对土工合成材料的功能进行了归纳和总结，其一致看法是， 将土工合成材料的功能归纳为以下六大类： 过滤作用：土工合成材料( 土工织物置于土体表面或相邻土层之间) 可以 有效地阻止土颗粒通过，从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。同 时允许土体中的水或气体通过织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造成 土体的失稳等不利后果。 排水作用：无纺织物是良好的透水材料，无论是织物的法向或水平向，均 有较好的排水能力，能将土体内的水积聚到织物内部，形成排水通道，排出土体 ( 土工合成材料现己广泛应用于土坝、路基、挡土墙、以及软土地基的排水固结 等方面) 。 隔离作用：有些土工合成材料能够把两种不同粒径的土、砂、石料，或把 土、砂、石料与地基或其他建筑物隔离开来，以免相互混杂，失去各种材料和结 构的完整性，或发生土粒流失现象。土工织物和土工膜都可以起隔离作用。他们 可用于道路基层与路基之间或路基与地基之间的隔离层，在土石混合坝中隔离不 同的筑坝材料，用作坝体与地基之间的隔离体，堆场与地基间的隔离层等。 加筋作用：土工合成材料可作为软弱地基的加固补强材料。由于土工合成 材料具有较高的抗拉强度，将其埋置在土体之中，可增加地基的承载力，同时可 改善土体的整体受力条件，提高整体强度和建筑结构的稳定性，较多地应用于软 弱地基处理、陡坡、挡土墙等边坡稳定方面。 防护作用：土工合成材料可以将比较集中的应力扩散开，也可以将应力由 一种物体传递到另一物体，使应力分解，防止土体受外力作用破坏，起到防护作 用，主要应用于河道整治、护岸、护堤工程，以及海岸防潮、道路破面防护等工 程方面。防护分两种情况：一是表面防护，即是将土工合成材料放置于土体表面， 保护土体不受外力影响而破坏：二是内部接触面保护，即是将土工合成材料置于 两种材料之间，当一种材料受集中应力作用时，而不使另一种材料破坏。 防渗作用：将土工合成材料表面涂一层树脂或橡胶等防水材料，或将土工 合成材料与塑料薄膜复合较多，按工程需要可制成一布一膜、二布一膜或三布一 膜等，所选用的无纺布与薄膜厚度也可按需要而定，也可选用较厚的无纺布与薄 膜复合。其中薄膜起防水、防渗作用，而无纺布则起导水作用，一举两得。 必须指出，上述土工合成材料的六个功能并不是绝对独立的，有时一种土工 合成材料应用于某一项工程中，同时具备上述的几种功能，有的是主要的，有的 是次要的，例如在公路路堤底部的碎石层和软土地基之间放置土工合成材料，就 同时具有“加筋 、“隔离”、“过滤 和“排水”的作用，其中“加筋 和“隔离 第一章绪论 作用是主要的，其他则次之。正是土工合成材料具有的这些多种功能，目前。国 内外，土工台成材料在包括公路工程在内的土木工程各个领域得到了大量应用。 由于工程的需要，土工合成材料在公路工程中的应用深度和广度在不断发展变化 之中。 1 2 2 国内外研究概况 1 9 8 0 年在欧洲，土工格栅首次成功地设应用于加筋土质边坡的滑坡处治后， 1 9 8 1 年在北美洲也开始得到工程界的重视和应用，之后便在欧洲及北美国家推广 应用，广泛用于路基加固，软基处理及堤坝的防护等工程。自从二十世纪九十年 代初以柬，国内对土工格栅进行了大量的应用研究工作，使土工格栅在我国高等 级公路建设工程中得到普遍的重视和应川。但是国内对于使用土工格栅减小软基 路面车辙的研究一直是一个空白，并且对于不同类型土工格栅加筋效果的研究也 鲜有涉及。这是一种既不同于在边坡或支挡结构中的应用，也不同于在纯粹软基 处理巾的应用，因为在减小软基路面车辙的应用中，作用在格栅加筋上的荷载是 重复作用的车辆荷载。 国外在上世纪9 0 年代就埘加筋减小软基路面车辙进行了大量的室内试验和现 场试验，并取得了较好的效果。在研究方而，1 9 9 2 年美国工程兵团选取了不同的 双向加筋上工合成材料组成不 同的试验断面，在试验路上用 1 3 t 的飞机轮载来回行进。测量 各断面上车辙深度与轮载行车 次数之问的关系曲线。在试验 后，由美国工程兵团提出了影 响格栅加筋效果的因素，其中 包括格栅肋条形状，网孔刚度， 节点强度等，但没有格栅肋条 强度这一项；2 0 0 0 年英国交通 部行车实验室( t r l ) 针对土 工格栅的应用，做了大量的试 图11 英国交通部行车实验室的车辙试验 f i g1 1r m t i n g t e s t i nc a r 8 t o u n d so f m i n i s t r yo f c o m m u n i c a t i o no f t h e u k 验研究，以2 0 0 0 年的试验为例，他们选择了冲孔拉伸型格栅( t e n s a rs s 3 0 ，s s 4 0 ) ， 挤出拉伸型格栅( t e l l a xl b 0 3 3 0 ) 、焊接格栅( s e c i i 鲥d ( p e t 或p p ) ) ，聚酯经编 格栅( t e l e g r i d ) ，经编后再热融的格栅( e n k a g r i d t r c ) 进行了其减小软基路面车 辙的室内对比试验，结果分析显示，各个断面的填料顶部和底部随着行车次数的 第一章绪论 增加，车辙深度增加的情况，拉伸型格栅的效果明显好于焊接格栅和经编格栅。荷 兰c r o w 报告相当于格栅工程应用的指南，是荷兰政府针对市场上的土工合成材 料研究后的报告，报告中关于格栅减小软基路面车辙的内容表明，以地基土c b r 值为2 为例，冲孔拉伸型的坦萨s s 3 0 格栅可以减少底基层厚度达5 0 。 在工程应用方面，如图12 和图13 所示瑞典把格栅用于 林区重交通道路的修复，瑞典 的u p p s a l a 地区的林区道路在 2 0 0 3 年维修期间，采取在原路 面顶面加铺一层坦萨格栅机械 稳定层，然后再在上面铺一层 高质量的碎石层的方案。为验 证加铺结构的效果，在修复前 后分别刚f w d ( 落锤式弯沉 仪) 对路面强度和刚度进行了 圄12 格栅用于减小填土较低的林区道路路面车辅 f i g l2 g e o g r i d i nr e d u c i n g r i l t $ o n f o r e s t t o a d w h i c hh a s b e e n t a m p e d w i t h l o w e r l e v e lo f e a r t h 测试。测试结粜表明，加铺以后，原道路的刚度和平粘度得到犬幅度提高。浅道 路修复在2 0 0 3 年进行，在其后3 年的时间里它承受了4 5 0 0 次载重6 0 吨的木材 的卡车作用，并且在这3 年中大量的交通出现在春融季节和秋季。项目经理 s k o g f o r s k 评价| 兑“我们进行了这项现场验证工程，并看到它在车辆作片j 下和全年 都表现出良好的性能，在与我们情况相似地区，这对乡村公路的改善升级是一个 可靠的方法”。 如图1 4 所示，在澳大利亚的s a m p h i r e ，为在河滩上建陆军营地，需要在红树 遮盖的湿地上建重载道路，为了减小在红树区和淹没区的址实震动，要求建的低 路堤他们采用坦萨格栅和无纺土工织物以形成一个下部的工作平台和下部支撑 分布基础，以控制不均匀沉蛑，为此设计在路堤范围内采用双层双向坦萨格栅 下部的土工格栅与土工织物和过滤层一起放在地基上，路面设计采用沥青面层的 柔性路面，在后来2 0 0 6 年对珐路面评估表明了其良好的行驶质量。为了对该评估 定量，邀请了有关路而顾问对路面平整度进行了测量，结果表明，浚修筑在软基 上的低填方道路在使用十年后，经过各种军车的碾压、潮涨时对道路的浸泡以后， 行驶质量和道路状况仍然很好，未发现明显的车辙，并且沉降也很均匀，未看到 不均匀沉降，只要作很小养护。t o w n s v i l l ec i t i w o r k s 道路养护部的负责人说： “s a m p h i r e d r i v e 路的服务时间己超过1 0 年，在这时问里这条路承受了连续不 断的重交通作用由于不均匀沉降和潮水的影响，在邻近桥台的地方需要用沥青 去填平，来自澳大利亚土工织物公司生产的土工合成材料产品在c 1 t i w o r k s 类 第一章绪论 似的工程中已经得到了使用，井取得了非常好的效果”。 匪戤 加铺结掏设* 鼍r 鲞蕾i 3 ) i l l 镕镕m 托融平节的j h 用状 2 ) n l 铺镕使月触果 图l3 土工格栅用于林区路面加铺修复 f i 9 13 g e o g r i d w e d i n p a v i n ga n dr e p a i r i n g f o r e s tr o a d 图14 土工格栅用于处治河滩软土路基 f i gl4 g e o g r i du s e d i n d e a l i n g w i t hh i r s ts o f t f o u n d a t i o n 英国坦萨公司为了对比研究加筋减小路面车辙的效果和为加筋减小路面车辙 的设计提供试验参数，在挪威费伦布鲁克的某采石场修筑了试验路，试验路段主 要目的是研究三向格栅的稳定性能，特别是位于反复冻融区的试验段三向格栅的 稳定性能，并取得其基本性能设计参数，试验方案是首先修筑均匀一致的路基， 然后再在路基上修筑各种加筋对比试验段，试验段左右路基两侧的排水情况不同， 左边设置很差的路肩边缘排水设施，右边是敞开的边沟排水设施，试验段修完以 第苹绪沧 后让大量的车辆从试验段上经过，观测时间持续四年以上。试验在2 0 0 4 2 0 0 8 年 期白j 进行，分两阶段进行：第一阶段( 2 0 0 5 2 0 0 7 年) 研究坦萨双向格栅的性能； 第二阶段( 2 0 0 7 年以后) 研究坦萨三向格栅的性能，两试验段都承受重型卡车， 到2 0 0 7 年8 月对记录的车辆的数的分析表明，车辆荷载数量大约是2 4 4 0 0 0 次以 上。用车辙深度测量仪测量路面车辙。观测结果表明，未加筋的对比段在承受9 3 0 0 0 次的标准轴载后就产生了破坏，车辙深度达到3 0 m m ，井产生了大量的裂缝。而到 2 0 0 8 年1 0 月，加三向格栅的试验段已承受2 7 3 0 0 0 次的轴载作用，继续表现良好， 有较小车辙，但没有开裂，行车使用寿命系数已达到3 年，比预期的提高了一倍 以上。 圈i6 采用t x 格棚处理软基 f i g i6 t xg e o g r i du s e d i ns o f t f o u n d a t i o n 荷兰的c r o w 报告是荷兰政府针对市场上的土工合成材料研究后的报告，返 第一章绪论 9 是相当于土工织物应用的指南，其中涉及了关于土工格栅在减小路基沉降、减小 软基路面车辙方面的应用成果。【2 】 下面再简要的介绍一下国内外加筋土的设计方法和试验研究方法。 1 2 3 加筋土的设计方法 极限平衡法( 1 i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ) 目前，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( t i e - b a c kw e d g em e t h o d ) 。由于加筋的存在，限制了墙面板 的侧向位移，所以关于侧向土压力的计算不宜采用传统的r a n k i n e 、c o u l o m b 理论。 不同的设计规范、规程、指南确定的加筋长期允许设计强度( 1 0 n gt e r ma l l o w a b l e d e s i g ns t r e n g t h ，l t a d s ) 和计算土压力差异较大。计算土压力时有采用静止土压力、 有采用主动土压力、有采用( 1 0 1 5 ) 主动土压力、有采用r a n k i n e 公式、也有 采用c o u l o m b 公式，造成计算土压力相差有时高达1 0 0 ，其中现行的f h w a ( e l i a s c h r i s t o p h e r ，1 9 9 7 ) 【3 】和a a s h t o ( 1 9 9 7 ) 【4 】指南还是比较保守的( b e r g , 1 9 9 8 ) 【5 】。 我国公路部门采用变系数法，即在土压力计算公式oh i _ yk i h 中，土压力系数k i 随深度的变化而变化，k i 的数值介于主动土压力系数k a 和静止土压力系数l ( o 之间， 而我国铁路上则采用了“0 3 h 法 ( 杨广庆，2 0 0 0 ) 1 6 。 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。抗滑力矩取决于加筋拉力的大小和 方向，对于加筋拉力的大小有三种耿值方法：极限抗拉强度、长期允许设计强度 和对应于一定应变的强度；对于加筋拉力的方向，种假定为水平方向，将加筋 材料当作刚性平板，称为瑞典法，一种假定与滑弧相切，将加筋材料当作柔性板， 称为荷兰法。国内学者徐少曼掣7 】认为圆弧滑动分析计算安全系数既要考虑筋土界 面的摩阻力，又要考虑加筋垫层的应力扩散作用，土条底面应力应为地基部分自 重应力和附加应力之和，其中附加应力由弹性力学方法计算：徐少曼【8 】根据若干 工程实测资料堤坝下软基加筋土工织物破坏时的应变很小，一般为4 6 ，在正 常工作状态下土工织物的应变更小，而土工织物的极限应变很大，为了充分发挥 土工织物的作用，提出“预应变加筋法”。目前，土工合成材料加固软土地基的极 限平衡法限于定性分析，远未达到实用程度，仍是许多学者研究的热点。 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 1 0 第一章绪论 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。通过积累工程经验和进行试验研究、理论研究，对极限平衡 法进行合理的修正，使其更接近工程实际。 极限状态法( 1 i m i ts t a t ea p p r o a c h ) 二十世纪8 0 年代在结构工程中开始采用极限状态法，9 0 年代在岩土工程得到 应用。在极限状态法中，一个特点是同时考虑强度和变形，即承载力极限状态 ( u l t i m a t el i m i ts t a t e ，u l s ) 和正常使用极限状态( s e r v i c e a b i l i t yl i m i t s t a t e ，s l s ) 。另 一个特点是引入风险系数，即分项系数，来代替整体安全系数。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。在 上述标准中，采用了三类分项系数，分别为：材料分项系数、荷载分项系数、破 坏模式分项系数( i n g o l d ，1 9 9 8 ；m c g o w n ，1 9 9 8 ；b s i ，1 9 9 5 ；c e n ，1 9 9 4 ) 【9 】 1 2 】。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 有限元在二十世纪5 0 年代首先应用于飞机制造业，目的是取得精确的计算结 果，达到尽量减少机身的重量。c l o u g h 和w o o d w a r d ( 1 9 6 7 ) 【l3 j 首先将有限元引入 岩土工程领域，分析土坝的应力和位移，计算中模拟了分层填筑的施工工程，使 用的是结构分析中的通用程序。1 9 6 9 年d u n c a n 等人按照非线性弹性模型计算土坝 的应力，并编制了第一个土坝应力和变形的专用计算程序，而d u n c a n c h a n g 完整 的非线性弹性双曲线模型是在1 9 7 0 年发表洲m 】1 1 6 】。 土工合成材料加筋土工程的计算分析是一个十分复杂的问题，涉及到填料、 土工合成材料、地基以及土工合成材料与填料和土工合成材料与地基的相互作用 等因素。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 将士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。土单元、土工合成材料单元、 接触面单元采用不同类型的单元和不同的本构关系也构成了有限元法的区别，土 单元主要采用非线性弹性或弹塑性模型，一般都采用比较成熟的模型进行计算， 如非线性弹性的d u n c a n c h a n g 模型和弹塑性的d r u c k e r - p r a g e r 模型等；土工合成 材料单元采用线弹性模型和折线型、双曲线型、多项式型、幂函数型非线性弹性 模型；土工合成材料与土接触面单元常采用无厚度g o o d m a n 单元。a n d r a w e s ，k z 等人( 19 8 2 ) 【1 刀【1 3 1 对土单元采用d u n c a n - c h a n g 的e 、v 双曲线非线性弹性模型， 土与土工合成材料的接触面单元采用双曲线非线性弹性摩擦模型，土工合成材料 单元采用多项式表示的非线性弹性模型。李艳春( 1 9 9 6 ) 【1 9 】在土工格栅与土相互 第一章绪论 作用的分析中，将土工格栅的纵向肋与横肋分开来考虑，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 ) 1 2 0 】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。h a r r i s o n 等人( 1 9 7 2 ) 【2 1 】将土与土工合成材料 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vh 、vv 、e h 、e v ，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。乐翠英等( 19 8 9 ) 2 2 】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( 19