（岩土工程专业论文）土工格栅加筋膨胀土边坡的效果分析.pdf

摘要 采用室内大型拉拔试验研究格栅与膨胀土界面的摩擦特性，提出了土工格 栅与压实膨胀土的简化界面模型及其参数，结合膨胀土三轴试验结果，采用 f l a c 3 d 有限差分程序，对坡率为1 ：1 、高为2 0 m 的膨胀土边坡应力与变形进行 数值分析，探讨不同加筋方式对边坡的加固效果以及吸湿和风化作用对边坡稳 定性的影响，主要研究结论如下： ( 1 ) 筋土相对位移达到1 一2 e m 时，界面摩阻力出现峰值，峰值后界面平 均摩阻力没有明显的软化现象。筋土界面平均摩阻力一相对位移曲线呈理想弹 塑性特征。 ( 2 ) 膨胀土的含水量对筋土界面的似粘聚力有显著影响，随含水量升高， 似粘聚力急剧降低；而含水量对界面似摩擦系数影响不显著。膨胀土的压实干 密度显著影响筋土界面的似摩擦系数，而对似粘聚力的影响不显著；界面似摩 擦系数随压实干密度增大而显著提高。 ( 3 ) 选取风化层厚度4 m 进行边坡加筋效果分析，计算表明：格栅处理深 度应穿透大气长期影响的风化层，否则加固作用不明显；当处理深度超过风化 层厚度时，增大格栅处理深度对边坡的应力及位移抑制作用增强，边坡安全系 数提高5 2 ，关键滑弧位置向土坡深层移动。 ( 4 ) 当格栅穿透风化层且处理深度在2 m 以内时，土工格栅竖向间距对加 筋区应力状态的影响明显，格栅布置越密，加筋区附近的剪应力越小，水平变 形也越小。与未加筋相比，加筋间距0 4 m 和1 2 m 时时边坡安全系数分别提高 约3 6 、2 8 。格栅处理深度超过2 m 时，竖向间距对边坡稳定性影响不大。 ( 5 ) 膨胀土吸湿膨胀能引起坡面较大的水平位移，当吸湿宽度3 m 时，吸 湿区深度越大，边坡水平变形越大。吸湿膨胀过程中边坡剪应力均有一定的增 大，其中入渗影响区内增大较明显，并且分布向坡脚处集中，坡面中间部位剪 应力等值线大致平行于坡面。 ( 6 ) 边坡坡面表层吸湿时，土工格栅对边坡水平位移的侧限作用随加筋长 度的增大而增大。加筋长度越长筋土界面摩阻力越小，格栅对土体的水平侧限 作用也增强。筋土界面摩擦应力与格栅长度成反比，加筋层界面发生屈服的位 置均位于吸湿区含水量趋于饱和的位置。 关键字：膨胀土，土工格栅，拉拔试验，边坡稳定，数值分析 a b s t r a c t l a r g es c a l ep u l l o u tt e s t sa r ea d o p t e df i r s tt os t u d yt h ef r i c t i o n a lc h a r a t e r i s t i c so f g e o g r i da n de x p a n s i v es o i l ，a n das i m p l i f i e d i n t e r f a c em o d e lo fg e o g r i da n d c o m p a c t e de x p a n s i v es o i li ss u g g e s t e da n d t h er e l a t e dp a r a m e t e r sa r eg i v e n b a s e do n t h et r i a x i a lt e s tr e s u l t s f l a c 3 di s a p p l i e dt on u m e r i c a l l ya n a l y s i z e s t r e s sa n d d e f o r m a t i o no ft h ee x p a n s i v es o i ls l o p ew i t hs l o p er a t eo f1 ：1a n dh e i g h to f2 0 m t h e e f f e c to f g e o g r i dd i s t r i b u t i o n ，m o i s t u r ea b s o r p t i o n a n dw e a t h e r i n go ns l o p e r e i n f o r c e m e n ta n ds t a b i l i t yi sd i s c u s s e d ，s o m ei m p o r t a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei n t e r f a c ef r i c t i o n a lf o r c ec a r lr e a c hp e a kv a l u ew h e nt h ed i s p l a c e m e n to f g e o g r i dr e l a t i v et os o i la r r i v e sa t1 2 e r a ，a n dn oc l e a rs o f t e n i n go c c u r r e da f t e rp e a k f r i c t i o n t h ec u r v e so fa v e r a g ef r i c t i o nf o r c ea n dr e l a t i v ed i s p l a c e m e n ta ti n t e r f a c e r e p r e s e n te l a s t i cp e r f e c t l yp l a s t i cb e h a v i o r s ( 2 ) t h ew a t e rc o n t e n to fe x p a n s i v es o i lh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ei n t e r f a c e q u a s i c o h e s i o nw h i c hs h a r p l yr e d u c e sa u st h ei n c r e a s eo fw a t e rc o n t e n t b u tn o to n q u a s i - f r i c t i o nc o e f f i c i e n t t h ed r yd e n s i t ys i g n i f i c a n t l yi m p a c t so nt h ei n t e r f a c e q u a s i f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，b u tn o to nq u a s i c o h e s i o n t h ei n t e r f a c eq u a s i f r i c t i o n c o e 伍c i e n ti n c r e a s e sa st h ei n c r e a s e so fd r yd e n s i t y ( 3 ) g e o g r i ds h o u l dp e n e t r a t et h ew e a t h e r e dl a y e r , o t h e r w i s et h er e i n f o r c e m e n t e f f e c ti sn o tr e m a r k a b l e w h e ng e o g r i de x c e e d st h ed e p t ho fw e a t h e r e dl a y e r , t o i n c r e a s et h el e n g t ho fg e o g r i dc a l lr a i s et h er e s t r i c t i o no fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t t h e s a f e t yf a c t o ro fs l o p ei sr a i s e d5 2 ，a n dc r i t i c a ls l i ps u r f a c em o v e st o w a r dd e e pz o n e o fs l o p e ( 4 ) w h e ng e o g r i dr e a c h e st h eb o u n d a r yo fw e a t h e r e dl a y e r , t h es t r e s ss t a t eo f r e i n f o r c e dz o n ei sr e m a r k a b l ya f f e c t e db yv e r t i c a li n t e r v a l so fg e o g r i d s t h es h e a r s t r e s so fr e i n f o r c e dz o n er e d u c e sw i t ht h ed e c r e a s eo fg e o g r i dv e r t i c a li n t e r v a l s a n d t h eh o r i z o nd e f o r m a t i o no fs l o p er e d u c e s c o m p a r e dw i t hu n t r e a t e ds l o p e ，t h es a f e t y c o e f f i c i e n to fs l o p e sw i t h g e o g r i dv e r t i c a l i n t e r v a lo f0 4 ma n d1 2 mr a i s e s r e s p e c t i v e l y35 6 a n d2 8 b u tw h e nt h eg e o g r i di sl o n ge n o u g h ，a c t u a l l yl o n g e r t h a n6 m ，t h ec h a n g eo fv e r t i c a li n t e r v a l sh a sl i t t l ei m p a c to nt h es t a b i l i t yo fs l o p e ( 5 ) m o i s t u r ea b s o r p t i o no fe x p a n s i v es o i lc a nc a u s eg r e a th o r i z o n t a ld i s t o r t i o n w h e nt h em o i s t u r ea b s o r p t i o ns c o p ei sf i x e da n dt h em o i s t u r ea b s o r p t i o na r e ai s d e e p e r , t h es l o p eh o r i z o n t a ld i s t o r t i o ni sg r e a t e r i nt h ep r o c e s so fm o i s t u r ea b s o r p t i o n s w e l l i n g ，t h es h e a rs t r e s so fs l o p eh a si n c r e a s et oac e r t a i ne x t e n t ，e s p e c i a l l yi nt h e i n f i l t r a t i o ni n f l u e n c ez o n e t h el o c a t i o nw h e r es h e a rs t r e s si n c r e a s e sc o n v e r g e st ot h e t o eo fs l o p e ，a n da b o v et h es l o p et o e ，t h es h e a rs t r e s se q u i v a l e n tl i n ed i s t r i b u t e s a p p r o x i m a t e l yp a r a l l e lt ot h es l o p es u r f a c e ( 6 ) w h e nm o i s t u r ea b s o r p t i o no c c u r sa tt h es u r f a c eo fs l o p e t h eh o r i z o n t a l r e s t r a i ne f f e c to fg e o g r i dt oe x p a n s i v es o i la m p l i f i e sw i t hi n c r e a s eo fr e i n f o r c i n g l e n g t h t h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c es t r e s so nt h ei n t e r f a c eb e t w e e ng e o g r i da n de x p a n s i v e s o i ld e c r e a s e sa st h eg e o g r i dl e n g t hi n c r e a s e s ，a n dt h eh o r i z o n t a lr e s t r a i ni se n h a n c e d t h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c es t r e s so ni n t e r f a c ei si nr e v e r s ep r o p o r t i o nw i t ht h eg e o g r i d l e n g t h t h ey i e l d i n g p o s i t i o no ni n t e r f a c ei n r e i n f o r c e m e n tz o n el o c a t e sa tt h e m o i s t u r ea b s o r p t i o na r e aw h e r ew a t e rc o n t e n tt e n d st ot h es a t u r a t e ds t a t e k e yw o r d ：e x p a n s i v es o i l ，g e o g r i d ，p u l l o u tt e s t ，s l o p es t a b i l i t y ，n u m e r i ca n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明，所璺交的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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 枕构的学位或证书蔼使用过酶材料。与虢一同工作的目志对本研究新徽的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理王大学有关保留、使羽学位论文的规定，即：学校有 权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 和借阕。本入授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部起容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学谈可的国家有关机构或论文数据库使糟或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 施哥耘 导师( 签名) ：塑至日期：翌兰：岁 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 选题依据及研究意义 膨胀土是一种特殊软岩，具有遇水膨胀、软化，失水收缩、崩解等工程特 性。在这种地区建设工程往往会带来一系列的问题和事故，如地基隆起、路基 开裂、边坡失稳等，造成了巨大的损失。据统计，每年全世界因膨胀土造成的 经济损失，已经超出了台风、地震等自然灾害之和。膨胀土在我国分布极为广 泛，遍及西南、中南、华南、华东以及华北等地，达二十多个省及直辖市。我 国由于膨胀土地基致害的面积达1 0 0 0 万m 2 左右，影响人口达到3 亿以上。膨 胀土所引发的对人类社会发展和经济建设的危害不仅是世界范围内普遍关注的 重要问题，也是一个世界性的难题【l 卅。 在建的南水北调中线工程累计约3 8 0 k m 长的渠道通过膨胀土地区，膨胀土 渠坡的稳定问题对工程的正常运行至关重要。鉴于近年土工格栅加筋膨胀土开 挖弃料填筑堤坝己在国内成功应用【5 】，南水北调中线工程拟采用土工格栅加筋膨 胀土开挖弃料填筑渠道及处理开挖渠坡。因此，研究非饱和膨胀加筋边坡的工 作性状及破坏模式具有重要的工程意义及理论价值。 1 2 膨胀土边坡研究现状 一般认为膨胀土边坡失稳主要是由土体内的裂隙发展致使其抗剪强度降低 而造成的，因此造成裂隙张开、延伸、扩展、贯通的各种因素就是导致滑坡的 因素【5 】。从膨胀土边坡失稳的外部因素分析，气候变化是诱发条件和主导因素， 气候的季节性循环和周期性变化，致使膨胀土抗剪强度呈明显下降趋势和变动 性。根据现场观测表明，膨胀土滑坡具有浅层性、渐进性和长期性。浅层性即 膨胀土滑坡的深度一般仅2 m 左右，最深不过4 m 6 1 。这与裂隙的开展深度和受 气候影响的风化深度有关。滑坡往往从底部开始，从底向上发展，逐渐形成渐 进性滑坡。滑坡的长期性主要与膨胀土裂隙的发育过程、膨胀土的软化过程和 蠕变的发展等因素相关。 卫军等【j 7 】( 2 0 0 4 ) 应用非饱和土力学基本原理，在将膨胀土边坡抗剪强度考 武汉理工大学硕士学位论文 虑为分布变化场的情况下，对一实际膨胀土边坡进行了稳定性分析。从中找出 滑面圆心位置与安全系数k 的分布规律，验证了膨胀土边坡破坏的浅层性。 郭璇，赵成刚等【8 】( 2 0 0 5 ) 认为，非饱和土滑坡失稳的主要影响因素有坡度、 滑动面平均倾角、滑动面形态、降雨类型、暴雨强度( 以过程降雨量) 、降雨持 时、防渗护面的渗透系数、坡顶垂直裂缝、基质吸力以及暂态渗流场。并认为 常规的土坡稳定性分析方法不能反映以上基质吸力、暂态渗流、裂隙渐进性等 因素的影响。建议采用修正极限平衡法分析考虑降雨影响的非饱和土坡稳定性。 陈守义等人【9 】( 1 9 9 7 ) 建议了一个降雨条件下土坡稳定性的预测预报方法， 通过考虑土坡中的水分及抗剪强度参数为一分布变化场，介绍了一个改进的土 坡稳定性分析的极限平衡法，该方法的基本思路是：运用非饱和土壤水分运动 的研究方法，求解给定入渗和蒸发边界条件下的斜坡土体的瞬态含水率分布； 并假定非饱和土体抗剪强度与饱和度之间存在一定的函数关系，从而将瞬态含 水率分布换算成斜坡土体瞬态抗剪强度参数分布，在此基础上使用改进的常规 土坡稳定性分析方法可计算土坡瞬态安全因素。 陈善雄等人【l 叫l 】( 2 0 0 1 ) 根据极限平衡条件，考虑稳定安全系数f ，提出 了简化j a n b u 法计算土坡稳定安全系数的方程如下( 必须迭代求解) ： f ：兰( 鱼刍兰塑丝! ! 竺：堡! f ! 塑堡竺丝! 互!( 1 1 )r = - - - 二- - - - - - - - - - - - - ：- - - - - - - - - - ；：- - - - - - - - - - - - - - - - 二il ij 彬t a n 谚 。 式中：w 值，为受降雨影响的非饱和土的重度，必须考虑由于水分入渗而引起 的土的重度的增加。 詹良通【1 2 13 1 ( 2 0 0 3 ，2 0 0 5 ) 为了探讨非饱和膨胀土中强烈土水相互作用对 边坡稳定的影响，进行了大型现场降雨入渗模拟试验和土水特征曲线测试、胀 缩试验和吸湿软化等室内试验。试验成果表明，在干湿季节循环过程中，非饱 和膨胀土中水分、吸力、变形、应力和抗剪强度之间发生强烈耦合作用，膨胀 土的丰富裂隙在土水相互作用中起关键作用，它直接破坏了土体的完整性，并 显著增加了表层土的入渗速率。降雨入渗使得浅层的非饱和膨胀土体发生吸水 膨胀而软化，还造成浅层土体中水平应力显著增加，这可能导致土体发生局部 被动破坏。季节性干湿循环使得边坡浅层土体逐渐发生向坡下蠕变，以致边坡 发生渐进累积破坏。 吴礼舟【 1 5 】( 2 0 0 5 ) 等通过现场监测，研究了膨胀土开挖边坡吸力和饱和 2 武汉理工大学硕士学位论文 度的变化规律。结果表明，开挖边坡更易受大气影响，其基质吸力比自然边坡 的基质吸力变化幅度大、分散性大、规律性差，利用开挖边坡的水土特征曲线 能求解非饱和膨胀土的强度和渗透系数。 袁俊平、殷宗泽等【l6 】( 2 0 0 4 ) 采用常规试验测定非饱和膨胀土时程曲线， 定量地描述了膨胀土中裂隙在入渗过程中逐渐愈合的特征，建立了考虑裂隙的 非饱和膨胀土边坡入渗的数学模型；用有限元数值模拟方法分析了边坡地形、 裂隙位置、裂隙开展深度及裂隙渗透特性等对边坡降雨入渗的影响。模拟结果 表明，坡上位置的裂隙对边坡入渗影响较大；裂隙对边坡入渗的影响随裂隙深 度的增大而增大，且存在一最大的影响度。 1 3 膨胀土边坡防护方法研究现状 针对膨胀土工程性状和气候环境的影响，结合膨胀土边坡各部位可能产生 的应力种类和大小，采取相应的处理、预防措施，从防水、防风化、防反复胀 缩循环和防强度衰减等角度出发对膨胀土边坡进行综合治理【1 7 2 2 1 是非常必要 的。 膨胀土边坡防护与加固措施，可以分为表水防护，坡面防护和支挡防护三 类，工程中大多是三种方法结合使用。 ( 1 ) 表水防护 表水防护主要是设置各种排水沟，建立地表排水网系，截排坡面水流，使 表水不致渗入土体和冲蚀坡面。 归纳膨胀土滑坡整治中采用的各种设施，包括防渗和截水的天沟、吊沟、 侧沟、排水沟；有疏导相结合的支撑渗沟、渗水井、渗水暗沟，挡墙后盲沟和 排水隧洞等。 ( 2 ) 坡面防护加固 膨胀土边坡因开挖而产生的施工效应特别明显，挖方使原来处于稳定的膨 胀土裸露，大大降低了浅层土体的上覆压力，坡面土体的风化和胀缩变形易引 起边坡的灾变，这比其它任何土质边坡都表现得更加普遍和严重，因此，对膨 胀土坡面进行防护加固显得特别重要。坡面防护的类型很多，主要应根据边坡 膨胀土类别及风化程度合理选择。坡面防护的方式主要包括骨架护坡、片石护 坡、植被护坡、水泥土护坡。 武汉理工大学硕士学位论文 骨架防护主要作用是防止坡面表土风化，同时对强风化层内土体进行支撑 稳固。这实际上是一种将长大坡面，分割为由若干骨架支撑的小块土坡，进行 分而治之的措施。在膨胀土边坡防护加固中，常用的骨架护坡形式主要有方格 架护坡和拱形骨架护坡，此外还有“人 字形骨架护坡等。 片石护坡主要用于整治局部己产生溜塌变形的边坡。片石护坡可分为干砌 片石护坡和浆砌片石护坡两类。 植被护坡常见的方法有种草、撒草籽、铺草皮和种树等。植被防护的意义 在于，可以通过植被对水分的存储和蒸发、蒸腾作用，调节边坡中土体的湿度， 增加坡面防冲刷、防变形能力，植被防护的方法造价低、可以净化空气、恢复 因修建道路而破坏了原地表植被，有利于水土保持。 水泥土护坡是用无机土按比例掺入硅酸盐水泥和水，均匀搅拌，捶实成形， 经过适当养护，硬化而成的一种新型建筑材料。它的机理是无机颗粒与土粒间 发生化学反应，产生新的化合物，其凝结与硬化有三种成因：1 ) 水泥的水解和 水化反应；2 ) 离子交换和团粒作用；3 ) 硬凝反应。水泥土的凝结，是大量硅 酸盐水泥与水化合生成的硅酸钙、硅铝酸钙水化物，以纤维状微粒构成的凝胶 而结合，与混凝土的凝结机理相似。工程实践证明，水泥土的变形和强度、耐 久性、抗干湿循环、抗渗性、抗冲耐磨性等都达到工程要求。 ( 3 ) 支挡结构 支挡结构主要应用于两方面：对于强中膨胀土的开挖边坡进行预防，以 便防止滑坡的发生；对于己发生滑动的边坡进行治理，使工程运行正常。关于 支挡结构类型的选择，要根据边坡滑动推力的计算结果和滑动面或软弱结构层 的位置而定。或者说，按照地形地貌、土层结构与性质、边坡高度、滑体的大 小与厚度，以及受力条件和危害程度而采取相应的结构形式进行治理。 支挡方法主要包括挡土墙、加筋挡土墙、土钉墙、抗滑桩、锚杆钢筋网 喷射混凝护坡、框锚结构等方式。 挡土墙分坡脚墙、坡腰墙和坡顶墙等几种形式。加筋挡土墙则由填料、加 筋、面板三部分组成。土钉是一种加固原位土体的方法，用以形成挡土墙结构 物和边坡加固。 若路堑边坡已经产生滑动，采用多级抗滑挡墙无法阻止，或因施工困难， 如挖基很深，边挖边塌，并能造成更大的滑动趋势者，应酌情考虑改用抗滑桩。 用抗滑桩来阻抗边坡土体下滑和治理滑坡，具有破坏滑体少、施工方便、工期 4 武汉理工大学硕士学位论文 短、省工省料等优点，是治理深层滑坡的有效方法。 对于强膨胀土边坡，可采用锚杆、钢筋网和喷射混凝土护坡。当地质条件 复杂时，边坡也可以采用框锚结构的方式防护。 植被防护是膨胀土边坡防护的重要措施之一，植物的生长使得边坡表层土 壤成为一个整体，在膨胀土干缩湿胀的过程中，这种柔性结构可以承载较小的 位移。但是植被防护的作用也有其局限性，植物根系一般较浅，所以只能防止 坡面冲蚀和表层土体的溜塌，在坡体不稳定或存在集中水流的情况下，边坡仍 可能发生塌滑和水毁现象。所以植被防护必须在边坡稳定的基础上使用，或者 与其它工程防护方式相结合。 在膨胀土边坡的防护过程中，既需要清楚边坡灾变的机理又需要知道每种 防护方法的工作特性，鉴于膨胀土独特的工程性状，对于膨胀土边坡的防护通 常采取的是综合治理的措施。 1 4 加筋土结构界面特性研究现状 加筋土结构的设计需要了解筋土界面特性，其中筋土界面摩擦力的大小及 变化是进行结构稳定分析最重要的参数。目前，国内外对于加筋土的界面特性 试验仍以直剪与拉拔试验为主。有关文献介绍了减荷自由延伸试验，该试验能 以最少的边界效应模拟土工织物加筋土的实际受荷情况，是一种研究加筋土特 性的新技术。 k d e i g e n b r o d 和j g l o c k e r l 2 3 】( 1 9 8 7 ) 采用四种类型粘性土、十九种土工 织物以及两种土工膜进行直剪试验，发现土与土工格栅间的摩擦角小于土本身 的摩擦角。k d w i l l i a m s 2 4 】等人得出了同样的观测结果，同时发现密实砂与土工 合成材料反复剪切后，所发挥的摩阻力与疏松状态下所获得的值相同。 e c l a u s e 和m d e r m a t h 2 5 】( 1 9 8 6 ) 通过大型剪切试验和拉拔试验对比，得 出结论：在所有试验情况下，拉拔试验所获得的界面参数小于剪切试验所获得 的值；土工织物自身的特性对界面的剪切强度有影响，其主要影响因素是织物 的孔径和变形模量。 t i n g o l d t 2 6 1 ( 1 9 8 3 ) 、梁波【2 7 】( 1 9 9 2 ) 对饱和粘性加筋土的抗剪强度特性作 了研究，认为粘性土加筋也可以得到较好的加筋效果。 赵爱根【2 8 】( 1 9 8 7 ) 在土工材料与高岭土和标准中砂的试验中发现，土与土 武汉理工大学硕士学位论文 工合成材料界面的剪应力剪切位移曲线呈非线性，界面剪应力的发挥需产生一 定的相对位移；影响界面参数的主要因素是材料的物理力学性质以及上腹土体 法向应力和剪切速率。 姚代裂2 9 】( 1 9 8 9 ) 在研究加筋挡土墙筋材与土的摩擦特性时发现：加筋与 土之间的摩阻力比原压实土的剪阻力有所减低，但加筋却增加了土的整体强度； 土与加筋的摩擦性质是线性关系，符合摩尔库仑强度包线的直线表达式。建 议在加筋土挡墙的设计中，对粘性填土要考虑粘着力作用。 j u r a n l 3 0 】( 1 9 8 9 ) 采用三种不同的土工合成材料进行室内模型试验，以研究 加筋土的应力应变特性，并通过拉拔试验确定筋土之间的摩擦系数。 王吉力和马时东【3 l 】( 1 9 9 2 ) 通过拉拔试验和直剪试验研究了土与土工织物 接触界面间摩擦特性，获得以下成果：砂与土工织物的共同作用产生不为零的 凝聚力，其大小随着砂密度的增加而增大。砂与土工织物之间的摩擦角小于砂 本身的摩擦角；在所有情况下拉拔试验所获得的土与土工织物之间的相关系数 皆小于直剪试验所获得的值；在加筋土工程中，土与筋材间有剪切( 粘结) 和 拉拔( 锚固) 两种形式，设计时要针对不同的工程问题，选用剪切参量和拉拔 作用参量。 台湾大学的r h c h e n 和c c c h e n 3 2 】( 1 9 9 5 ) 研究发现，土工格栅与土之间 的摩擦比土体本身的被动阻力更重要，且刚性格栅的拉拔阻力高于柔性格栅的 拉拔阻力。 闰澍旺【3 3 3 4 】( 1 9 9 7 ) 按欧洲标准进行了小型格栅拉拔试验和大型格栅拉拔 试验，发现土对处于拉拔状态的格栅的阻力由两部分组成：接触表面阻力和土 对横肋的阻力，其发挥程度与格栅变形大小有关。摩阻力在较小变形时即已达 到峰值，此后横肋阻力随格栅变形的进一步增加而逐渐占主导地位。 吴景海【3 5 】( 2 0 0 1 ) 通过格栅拉拔试验得出类似结论；不同填料、不同土工 合成材料拉拔系数相差较大，具体工程的拉拔系数必须通过拉拔试验确定。 杨广庆【3 6 】( 2 0 0 6 ) 从试验方法、加载方式、边界效应等方面进行了土工格 栅在砂砾料和粘性土中的拉拔试验和直剪试验，认为土工格栅与砂砾料接触面 抗剪强度较与粘土接触面抗剪强度高；由于土工格栅的空隙和厚度因素影响， 用直剪试验确定接触面的抗剪强度不合理。 从以上国内外对筋土相互作用的拉拔试验和直剪试验研究来看，筋土界面 特性研究主要为拉拔试验的影响因素、直剪试验与拉拔试验所得界面关系的对 6 武汉理工大学硕士学位论文 比、不同填料与筋材的试验以及试验的尺寸效应等。一般认为，直剪试验所得 界面强度参数大于拉拔试验值；筋材与填料间的“似摩擦角”小于填料自身摩 擦角；格栅等筋材与砂砾等接触面的抗剪强度大于与粘性土的界面抗剪强度等。 在直剪与拉拔试验中，加载方式、试件盒的边界与尺寸效应、筋材的夹持 及填料的压实等均会对试验结果产生一定影响。包承纲【3 7 】( 2 0 0 6 ) 试验表明， 土工织物对变形率并不敏感，但对于土工格栅，情况正相反；界面的摩擦特性 还与填料的压实度有关，密实的填料与筋材直剪的摩擦力较大，疏松的填料与 筋材间的摩擦力随着动摩擦过程逐渐增强，但对于同一种土样所制备的不同压 实度试件，他们的残余强度趋于一致；刚性盒壁的摩擦力会对作用在界面上的 正压力有影响，通过润滑盒壁，将试件装在柔性薄膜内或控制试样和试件盒的 宽度比以使筋材远离试件盒侧壁可以减少影响，因此试件盒的尺寸应足够大， 以保证筋材远离两侧盒壁。 张嘎、张建民 3 8 】( 2 0 0 3 ) ，s h e nzj 3 9 1 ( 1 9 9 8 ) 认为，直剪与拉拔试验的机 理不同，试验结果常存在一些差异。直剪试验能模拟加筋土局部剪应力与位移 关系，而拉拔试验能反映沿筋材剪应力与位移间的变化关系。且直剪试验不能 较好的模拟承受拉伸荷载的筋材的受力机制，因此采用拉拔试验更合适。 以往对一般土的格栅加筋研究较多，对膨胀土的格栅加筋研究较少，可供 参考的文献不多。土工格栅或土工织物等加筋材料与土体的拉拔试验研究已有 很多，但大多针对砂砾土，且有试验尺寸小、竖向应力小等局限性。本文采用 由大型单剪试验仪改装而成的仪器进行格栅膨胀土界面特性的拉拔试验。试样 尺寸较大( 6 0 0 m m 6 0 0 m m 6 0 0 m m ) ，所得到的试验数据具有较好的代表性。 1 5 论文的主要研究内容 本文结合国家“十一五科技支撑计划“南水北调工程若干关键技术研究 与应用”重大项目之一膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究对土工格 栅加筋膨胀土边坡的工作性状及失稳机理进行研究，主要研究包内容如下： 1 、土工格栅加筋膨胀土拉拔试验研究。采用南水北调中线工程河南新乡渠 段的膨胀性泥灰岩风化土为填料，高密度聚乙烯单向、双向拉伸土工格栅为加 筋体，采用填土尺寸为6 0 0 x 6 0 0 x 6 0 0 m m 的大型叠环式剪切试验机对其界面特性 进行拉拔试验，并研究上覆荷载和干密度对筋土界面特性的影响； 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 、以不同含水量和不同压实干密度膨胀土与格栅界面的摩阻力一相对位 移、强度曲线特征为依据，建立土工格栅与压实膨胀土的简化界面模型； 3 、探讨利用f l a c 3 d 程序中的温度应力分析功能模块模拟边坡中的湿度应 力场的可行性和具体方法等； 4 、根据试验结果确定填土及其与土工格栅接触面的本构模型与参数，应用 有限差分数值分析程序f l a c 3 d ，分别对风化作用下不同加筋型式及不同吸湿形 式下的土工格栅加筋膨胀土边坡的应力场、变形场、筋带拉力及塑性区分布等 进行研究；分析加筋参数对开挖边坡的应力变形与稳定性的影响。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章膨胀土与土工格栅及其界面特性 2 1 膨胀土样物理特性 试验所用填土为南水北调中线工程新乡渠段的灰白色中弱膨胀泥灰岩风化 土。经长江科学院岩土力学重点实验室的系列室内及现场试验测定，其蒙脱石 含量1 5 ，绿泥石含量1 0 ，伊利石含量1 0 。其天然含水率1 4 7 1 5 8 ， 湿密度1 9 5 9 c r n 3 2 1 7 9 e r a 3 ，干密度1 7 6 9 e m 3 - 1 8 9 9 e m 3 ，孔隙比o 4 3 8 o 4 7 2 ， 塑性指数1 7 0 - - , 3 5 6 ，粘粒含量3 0 9 - - 4 9 4 ，胶粒含量1 9 3 0 o - 2 1 1 ，主要颗粒 成分为粉粒和粘粒，占到总质量的6 5 4 9 7 2 ，自由膨胀率变化范围为4 9 “9 。其物理特性见表2 1 。 表2 - 1 膨胀土的物理特性参数 2 1 1 膨胀土击实试验 为了研究膨胀土过不同粒径筛的土料压实特性，长江科学院岩土力学重点 实验室进行了过5 m m 筛与2 0 m m 筛的土料的标准击实试验。同时进行了相同过 筛粒径土料不同击实功能的击实试验研究，通过一系列试验得到以下结论： 采用过5 m m 筛的风干样进行标准击实试验时，泥灰岩的最优含水率1 8 5 ，最大干密度1 7 1 9 c m 3 ，低于原状膨胀岩土的天然干密度( 1 8 5g e m 3 ) ； 采用过2 0 m m 筛的风干样进行标准击实试验时，泥灰岩的最优含水率1 5 0 ，最大干密度1 8 5 9 c r n 3 ，接近于原状膨胀岩土的天然干密度( 1 8 5e d c r n 3 ) ； 采用过2 0 m m 筛的风干样进行重型击实的最优含水率平均值为1 3 o ，最 大干密度平均值为1 9 7 9 c m 3 ，高于原状泥灰岩的天然干密度( 1 7 6 1 8 9e , e r n 3 ) ： 重型击实比轻型击实的最优含水率低1 1 , - - , 2 9 ( 差值) ，但最大干密度 却大4 3 7 4 ( 比值) 。 击实试验结果数据见表2 2 ，膨胀土轻型击实曲线见图2 1 ，重型击实试验 9 武汉理工大学硕士学位论文 见图2 2 。 表2 - 2 膨胀土击实试验 掣 e 蜊 翻 m l | 7 8 1 7 6 1 7 4 1 7 2 嚣1 7 0 h - 1 6 8 1 6 6 1 6 4 1 6 2 2 l2 32 5”2 93 1 图2 1 膨胀土的标准击实曲线 图2 - 2 膨胀土的重型击实曲线 1 0 2 5 含水率 船卯硒贷舅舄皿列卯神船盯 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 ，2 膨胀土三轴压缩试验 2 1 2 1 膨胀土原状样三轴固结排水试验 长江科学院岩土力学重点实验室进行了膨胀土原状样三轴固结排水试验。 原状样含水量w = 18 5 ，干密度p d = 1 7 5 9 e r a 3 。试验采用应变式三轴压缩仪来进 行加筋膨胀土的三轴固结排水( c d ) 剪切试验，试样尺寸为0 1 0 1 m m x 2 0 0 m m 。 三轴仪压力室如图2 3 所示。分别在1 0 0 k p a 、2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 周围压力下固结 排水，试验剪切速率为0 0 0 4 8 m m m i n 。采用邓肯一张非线弹性e “模型和e b 模型对试验数据进行拟合，得到e - l , 和五一b 非线弹性模型的参数，见表2 3 ，试 样剪切破坏形式见图2 4 所示，应力应变、体变应变关系及强度包落线见图 2 5 、图2 6 。 图2 3 三轴压力室剖面图 表2 - 3 膨胀土d u n c a n - c h a n g 模型参数 武汉理1 ：大学硕士学位论文 8 0 0 6 0 0 藿薹氢 型2 0 二轴i 州结排水( c d ) 试验剪后试样 蝌2 - 5 膨胀+ 偏廊力轴廊变关系曲线刚2 - 6 膨胀十三轴剪切试验强度包线 2122 膨胀土扰动样三轴固结排水试验 膨胀土扰动样制作了了i7 0 9 e r a 3 ，含水率为1 63 的制各样，试样进行抽 气饱和浸泡1 0 天后进行试验，试样尺寸为州o l m m x 2 0 0 m m ，试验结果数据列 于表2 - 4 ，试样应力一应变及强度包落线见图2 - 7 、圈2 - 8 。 表2 - 4 重塑样膨胀十d u n e 删c h a n g 模1 4 参数 武汉理工大学硕士学位论文 4 0 0 2 0 0 0 0 1 图2 - 7膨胀土偏应力一轴应变关系曲线 图2 8 膨胀土三轴剪切试验强度包线 2 2 土工格栅特性 试验所用土工格栅为湖北力特土工材料公司的h d p e 单向土工格栅p e 8 0 。 其几何特征见表2 5 。对土工格栅进行条带拉伸试样后得到土工格栅的应力应变 特性，见图2 - 9 ，相关力学性能指标见表2 5 、表2 - 6 。 表2 - 5 土工格栅的几何特征 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 0 芒1 8 0 羔 杂1 2 0 毯 6 0 o o51 01 5 应变 图2 - 9p e 8 0 单向格栅的应力应变曲线 2 3 土工格栅与膨胀土界面拉拔试验 土工格栅与回填土之间接触面的摩擦系数是加筋效果分析的最重要参数。 分析接触面上的受力变形机理以及剪切破坏的发展特征，并在计算中正确地模 拟是十分重要的。目前，国内外对于加筋土的界面特性试验仍以直剪与拉拔试 验为主m 4 2 1 。本文选用后者，通过大型拉拔试验及对筋土相互作用分析，提出 基于f 幽d 的筋土简化界面模型并确定其参数。 2 3 1 试验原理和方法 采用d h j 6 0 大型叠环式剪切仪进行拉拔试验，其工作原理见图2 1 0 。该设 备主要包括加载系统、剪切盒、数据采集系统等。采用油压千斤顶，通过透水 钢板和土工布施加竖向荷载于填土，横梁和框架提供反力。采用应变控制式施 加拉拔荷载，可实现拉拔速率0 2 2 0 o m m m i n 之间的无级调速。剪切盒填土尺 寸6 0 0 x 6 0 0 x 6 0 0 m m ，上剪切盒由8 个厚度为3 0 m m 、1 个厚度为6 0 m m 的方形 叠环组成，叠环间垫滚动轴排时，上部填土可自由变形。叠环剪切试验仪主要 性能指标见表2 7 。 1 4 武汉理l 大学硕士学位论文 f ；器。卜匿亟j “i 篙4 、国 幽2 1 0 试验装置原理图 表2 - 7d h j 6 0 型盏环剪切试验仪主要性能指标 采用荷载传感嚣对竖向和拉拔荷载进行检测，电阻式位移计( l v d t ) 测格 栅的水平位移。位移测点布置在埋入的三根等问距横肋上，各横肋布置2 个测 点。测点稚置及装盟见图2 - 1 1 及图2 - 1 2 。其中横肋a 为自由端，其位移代表土 工格栅的剐体平动。位移计固定于下拉拔盒，下盒及填土不发生位移，土工格 栅的位移即是筋十相对位移。试样每产生剪切位移o2 04 r a m 删记测力计及位 移读数，当拉拔力超过峰值后，继续剪切至位移达8 1 0 m m 停止剪切。 f 4 。 _ i * 。； 磺骷位 t l b 1 c - 1 a - 2 z t # * 图2 测点布置示意图r a m 醛一 武汉理f 大学硕士学位论文 a ) 位移量测袈置( b ) 测点布置 图2 。1 2 位移餐测装置及测点布置 232 拉拔试验方案 按设定的含水量分层填土压实至预设的干密度。在设定的竖向荷载下使 填土固结，至沉降速率小于0 0 0 5 m m h ，保持竖向荷载恒定，以o 3 m m m i n 的速 率施加拉拔力，试验方案见表2 8 ，本文主要考虑土工格栅弹性模量、膨胀土含 水量与压实干密度的影响。 表2 - 8 拉拔试验方案 2 4 筋土界面强度变形特性 241 筋土界面强度特性 界面摩阻力m 4 6 坛照通常的分析方法定义，即界面平均摩阻力，见式( 2 1 ) 。 r ： ! ( 2 - 1 ) 2 f 上+ ，1 其中f 为单宽拉拔力( k n m ) ，格栅横肋间距为l 2 ，肋图2 一1 1 中横肋1 位 置到拉拔箱自“壁内侧的距离，( l + ，) 为格栅埋八长度。 由于土工格栅变形的影响，筋土相对位移沿格栅埋入长度有所变化，此处 武汉理工大学硕士学位论文 相对位移采用相对位移，定义为图2 1 1 中横肋1 与横肋3 位置处筋土相对位移 的均值。土工格栅性质如前所述。 当压实膨胀土样含水量为1 4 、干密度为1 6 5 9 e r a 3 时，在不同上覆压力下 土工格栅与压实膨胀土的界面摩阻力相对位移曲线如图2 1 3 所示；界面峰值强 度曲线如图2 1 4 所示。从图中可见，界面摩阻力一相对位移呈理想弹塑性特征， 上覆荷载较小时更偏于理想刚塑性特征