（岩土工程专业论文）加筋土动力特性试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 加筋土动力特性试验研究 摘要 加筋土技术是通过在土中埋设抗拉强度比较大的材料，从而使土体的抗 拉性能和强度得到提高，进而达到改善土体工程性质的技术。加筋土结构 是伴随着铁路运输、公路运输、市政建设和港口等基础设施的建设应运而 生的。其理论一般认为是由法国工程师h e n r iv i d a l 于1 9 6 5 年提出的。加筋 土结构作为一种新颖的完整结构物，从诞生之日起，就因其显著的经济性、 广泛的适用性和技术上的优越性，得到世界各国工程界、学术界的重视， 发展速度相当快，甚至有人将加筋土称为“造福于人类的复合材料”。 尽管加筋土结构的应用已引起国内外岩土工程界人士的极大关注，但 是，加筋土的理论研究滞后于工程实践是不争的事实，现阶段人们对加筋 土的研究很多还处于原始资料的积累之中。随着加筋土技术应用领域的拓 宽，对加筋土技术进行动力方面的研究，了解加筋土的动力特性已成为一 个不可回避的重要课题。然而现有文献对加筋土的动力特性研究大多局限 于加筋土挡土墙，并且只做了数值模拟，试验研究相对较少，这对于全面 认识加筋土的工程性质无论在深度上还是在宽度上都远远不够。 正是基于以上的考虑，本文利用d d s 7 0 微机控制电磁式振动三轴仪， 并选用窗纱作为加筋材料，进行了两种土体密实度，两种加筋形式，三种 筋材的加筋土动力试验研究。主要工作涉及三个方面：加筋土动弹性模量 的测试与分析；加筋土阻尼比的测试与分析；加筋土的动强度研究。通过 上述试验对加筋土的动力特性有了一定的了解，并且得到了如下一些结论： 1 加筋土的动力特性与加筋土的密实度、加筋层数、围压和加筋材料有 关。 2 土体加筋后动应力一应变关系与素土的动应力一应变关系相似，均符合 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 双曲线模型，筋材类型对动应力一应变关系的影响不明显。 3 加筋土的动弹性模量随动应变的增加而减小，其变化呈指数衰减；动 弹性模量随围压增大而增大。 4 加筋土的阻尼比与加筋层数和土的密实度有关。一层加筋的阻尼比比 两层加筋的阻尼比要大；土体的密实度对阻尼比有较为明显的影响，密实 度越大阻尼比越大。 5 加筋后，土的动粘聚力明显提高，动内摩擦角基本不变。同时一层加 筋的加筋土其动粘聚力要高于两层加筋的。 6 加筋材料的类型对加筋土的动强度有明显的影响，在项目研究中：软 钢丝的加筋效果最好，塑料次之，硬钢丝最差。但是加筋材料的类型对加 筋土的最大动弹性模量和阻尼比的影响不具规律性。 关键词：加筋土，动三轴，动弹性模量，阻尼比，动强度 太原理：人学硕十研究生学位论文 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ed y n a m i cb e h a v i o r o fr e i n f o r c e ds o i l a b s t r a c t t h er e i n f o r c e d - s o i li sak i n do ft e c h n o l o g yt oi m p r o v es o i l se n g i n e e r i n g p r o p e r t y ，s u c ha sa n t i p u l lp r o p e r t yb ye m b e d d i n gm a t e r i a l w i t hh i i 曲t e n s i o n s t r e n g t h r e i n f o r c e d - s o i ls t r u c t u r ei st h ec o n s t r u c t i o nt h a te m e r g e da c c o m p a n i e s w i t hi n f r a s t r u c t u r e s ，s u c ha sr a i l r o a dc o n v e y a n c e ，h i g h w a yc o n v e y a n c e ，t h e c i v i c i s mc o n s t r u c t i o na n dp o r t e t c g e n e r a l l y s p e a k s ，i t st h e o r yw a sp u t f o r w a r di n19 6 5b yh e n r iv i d a l ，af r e n c he n g i n e e r f r o mi t sb i r t hd a y ， r e i n f o r c e d s o i ls t r u c t u r e ，ak i n do fn o v da n dc o m p l e t es t r u c t u r eg o tt h ev a l u eo f i n t e m a t i o n a le n g i n e e r i n gf i e l d ，a c a d e m i cc i r c l e sa n dd e v e l o p e dv e r yq u i c k i t h a sb e e nc a l l e d ”c o m p o u n dm a t e r i a lt h a tb r i n gb e n e f i tt ot h em a n k i n d s ”， b e c a u s eo fi t sn o t a b l ee c o n o m y ，e x t e n s i v ea p p l i c a b i l i t ya n db e t t e rt e c h n i q u e t h o u g ht h ea p p l i c a t i o no ft h er e i n f o r c e d - s o i ls t r u c t u r eh a sa l r e a d yc a u s e d t h ep e r s o n a g ep a y st h eb i g g e s ta t t e n t i o na tt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gf i e l d ，t h ef a c ti su n d i s p u t a b l et h a ti t st h e o r yr e s e a r c hi s l a g g e di t se n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h es t u d yi s s t i l lo nt h es t a g et oa c c u m u l a t e o r i g i n a ld a t a t h es t u d yo nd y n a m i cb e h a v i o ro fr e i n f o r c e d - s o i li so fi m p o r t a n c e w i t hi t sw i d e l ya p p l i c a t i o n h o w e v e r ，t h ee x i s t i n gl i t e r a t u r ea b o u tt h ed y n a m i c b e h a v i o ro fr e i n f o r c e d - s o i lm o s t l yl i m i t si nt h a to ft h er e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n g w a l lw h i c hi sj u s ta l ln u m e r i c a la n a l y s i s ，t h et e s ts t u d yi sh a r dt os e e n i si sn o t e n o u g h i n d e p t ha n dw i d t ht o o v e r a l l u n d e r s t a n d i n g t h er e i n f o r c e d - s o i l s t r u c t u r a l a c c o r d i n gt oa b o v ec o n s i d e r a t i o n ，ad d s 一7 0d y n a m i ct r i a x i a la p p a r a t u si s u s e dt oi n v e s t i g a t et h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h er e i n f o r c e d - s o i l sw i t hv a r i o u s r e i n f o r c i n gm a t e r i a l ，m e t h o d s ，a n dd e n s i t i e s t h em a i nw o r ki n v o l v e st h r e e i i i 奎堕里三奎兰婴主堕壅圭兰垡堡奎 a s p e c t s ：t e s t i n ga n da n a l y z i n gt h ed y n a m i ce l a s t i cm o d u l u so fr e i n f o r c e d 。s o i l ； t e s t i n ga n da n a l y z i n gt h ed a m p i n g r a t i oo fr e i n f o r c e d s o i l ；t e s t i n ga n da n a l y z i n g t h e d y n a m i cs t r e n g t hp r o p e r t y o fr e i n f o r c e d s o i l s o m ec o n c l u s i o n sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ed y n a m i cb e h a v i o ro fr e i n f o r e e d l s o i li sr e l a t i o nw i t hs o i ld e n s i t y ， c o n f i n i n gp r e s s u r e ，r e i n f o r c i n gp a t t e r na n d t h er e i n f o r c i n gm a t e r i a l 2 t h er e l a t i o n so fd y n a m i cs t r e s sa n dd y n a m i cs t r a i no fr e i n f o r c e d s o i li s s i m i l a rt ot h a to fp u r es o i l ，t h e ya r ea g r e ew e l lw i t ht h eh y p e r b o l am o d e l t h e t y p eo f r e i n f o r c i n gm a t e r i a l s ，s h o wn oo b v i o u se f f e c t i o no nt h er e l a t i o n s h i p 3 t h ed y n a m i ce l a s t i cm o d u l u so ft h er e i n f o r c e d - s o i ld e c r e a s e sw i t hs t r a i n i n c r e a s i n g ，a n di n c r e a s e s w i t hc o n f i n i n gp r e s s u r e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n m o d u l u sa n ds t r a i ni se x p o n e n t i a ld e c a y 4 t h ed a m p i n gr a t i oo fo n el a y e rr e i n f o r c e d - s o i li sl a r g e rt h a nt h a to ft w o l a y e r sr e i n f o r c e ds o i l a n dt h ed a m p i n g r a t i oi n c r e a s e sw i t hd e n s i t i e s 5 t h ed y n a m i cc o h e s i o no fr e i n f c l r e e d - s o i li n c r e a s e so b v i o u s l y ，b u ti t s d y n a m i ci n t e r n a l f r i c t i o n a n g l ei su n c h a n g e dc o m p a r e dw i t hp u r es o i l t h e d y n a m i cc o h e s i o no fo n el a y e rr e i n f o r c e d s o i l i s h i g h e rt h a to ft w ol a y e r r e i n f o r c e d s o i l 6 t h ed y n a m i cs t r e n g t ho fr e i n f o r c e d s o i li si n f l u e n c e do b v i o u s l yb yt y p e o f r e i n f o r c i n gm a t e r i a l t h et e s t i n gr e s u l t ss h o w t h a tt h ed y n a m i cs t r e n g t ho ft h e s o i lr e i n f o r c e db ys o f ts t e e li st h eh i g h e s ta n dt h a tr e i n f o r c e db yh a r ds t e e li st h e l o w e s ta m o n gt h et h r e er e i n f o r c i n gm a t e r i a l s h o w e v e r ，t h em a x i m u md y n a m i c e l a s t i cm o d u l u sa n dd a m p i n gr a t i oo fr e i n f o r c e d s o i ld o n ts h o ws o m er e l a t i o n w i t ht h et y p eo fr e i n f o r c i n gm a t e r i a l s k e yw o r d s ：r e i n f o r c e ds o i l ，d y n a m i ct r i a x i a lt e s t ，d y n a m i ce l a s t i cm o d u l u s ， d a m p i n gr a t i o ，d y n a m i cs t r e n g t h i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：圣 ：受 e t i 莩i ：缨笙塑 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：叠受 日期：竺丕笙丝 导师签名：逊i 二日期：塑z ：兰：三 太原理i ：大学硕十研究生学位论文 1 1 加筋土研究 第一章绪论 人类社会的发展过程是人类对自然界认识不断深化的过程。岩土工程问题是一个古 老的问题，因为人类改造自然最初的改造对象就是岩土介质材料，而岩土工程又是- - i 1 年轻的学科。沈珠江曾指出，以人生成长的道路作比喻，岩土工程学科的发展已走过 小学和中学阶段，到达大学阶段，但是离“三十而立”恐怕还有一段距离。其原因有两 点：第一，岩土工程的两大基本支柱理论岩石力学和土力学理论至今仍然不成熟， 真正符合岩土介质材料本质特征的岩土力学尚未建立起来。正如t e r z a g l l i 在上世纪5 0 年 代说过，土力学是一门艺术( a r t ) ，这就意味着当时人们主要还是依靠经验解决岩土工程 问题。可以说这种情况到今天还未根本改变；第二，岩土工程的基本理论研究以及工程 实践目前仍然十分活跃，一些先进的计算手段、试验测试方法以及研究理论都纷纷被拿 来研究岩土介质材料。 众所周知，土体都具有一定的抗压和抗剪强度，而它们的抗拉强度却极低。在土内 掺入或铺设适当的加筋材料，可以不同程度地改善土体的强度与变形形态。这一感性认 识早为古代劳动人民所掌握，并应用于实践。例如，公元前2 5 0 0 年古罗马人就用编织的 芦苇在软基上筑路；中国汉武帝时用草和树枝混杂在土内筑造长城；劳动人民将草、麻拌 在土体内夯实成土墙的技术甚至流传至今【2 1 。可见，土的“加筋”概念由来已久，而“加 筋”概念上升为理论，则要归功于2 0 世纪6 0 年代初法国的工程师h e 埘v i d a l 。他开创了 “加筋+ ( r e i n f o r c e de a r t h ) ”技术，分析了加筋机理，并为土的加筋提供了一套分析计 算方法，从而为加筋技术开辟了广阔的道路1 3 1 。 加筋土是一层或多层水平加筋构件与填土交替铺设而形成的复合土体，它使筋材的 抗拉强度和土体的抗压强度结合起来，从而提高了土体的整体强度、加强了土体的稳定 性。目前在工程中应用较多的是加筋土挡墙、加筋土边坡、加筋土地基以及加筋路面。 由于加筋土技术上的优越性、显著的经济性和广泛的适用性，其发展速度较快，2 0 世纪 7 0 年代，各国开始进行实验室试验研究。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i n - 程中重要的新进展之一就是加筋土和 太原理工大学硕士研究生学位论文 锚杆技术的广泛应用，由此可见这项技术的重要性。 与许多岩土工程课题相似，加筋土的理论研究发展过程同样经过了工程实践一理论 研究一工程实践的过程。纵观加筋土技术的发展，可以划分出两个明显的发展阶段：早 期，以粒状土填料、金属条带以及墙面板组成的加筋挡土结构，在经济和技术上逐渐显 示出其优越性，众多工程纷纷仿效，于是，学者们对这种新型结构的理论研究产生极大 兴趣和广泛关注；后期，随着现代土工合成材料的发展，各种不同类型的新型加筋材料 不断涌现并得以应用，从而又带动了加筋土理论研究新的浪潮。总之，随着工程经验的 不断积累和理论研究的不断深入，有关加筋土结构的试验研究、筋土的作用机理以及加 筋土的分析理论、本构关系和数值分析等方面的研究也在不断深化，总体总结如下： 1 1 1 加筋土的应用和技术的发展 1 9 6 5 年在法国南部的门特市，建起了世界上第一座加筋土挡土墙。相对传统的挡土 墙，加筋土挡土墙既安全又经济，因此这种新技术立即引起了世界各地的土木界工程师 们的关注，从而在世界范围内传广开来。日本对加筋土技术的研究和应用也比较早。在 h e n r i v i d a l 申请专利后的第2 年( 1 9 6 7 年) ，日本将该技术正式公布为“补强土工法”，并 在许多公路、城市道路、边坡等工程中广泛应用。在西班牙，1 9 7 1 年建造了第一座加筋 土挡墙，随后的发展和推广应用也相当快。美国1 9 7 2 年修建加州3 9 号公路时开始使用加 筋土结构，联邦公路局专门有班子从事有关研究和应用工作，并于1 9 7 2 年建造了世界上 第一座金属加筋土挡土墙。上世纪仅仅在美国就修建了2 万多座加筋土结构【4 1 。其它许多 国家也先后使用和推广了加筋土技术，据1 9 8 2 年发表的资料( 不完全统计) ，世界上有3 7 个国家建成了大约5 0 0 0 多项加筋土工程，加筋土工程已从加筋土挡墙发展应用到桥台、 护岸、堤坝、建筑物基础、铁路路堤、码头、防波堤、水库、尾矿坝、储仓及核设施、 军用设施等多个领域睁j 。 1 9 7 8 年我国才在云南建成第一座加筋土挡土墙。1 9 8 4 - - 1 9 8 5 年间，重庆交通学院在 重庆长寿白沙湾长江北岸设计并成功建造了一座高近2 6 m ，长1 1 0 0 余m 的加筋土码头， 是当时世界上最高的加筋土码头工程。重庆长江滨江路工程长约6 k m ，其中护岸挡墙和 公路挡墙均采用加筋土结构，墙最高处达3 3 m ，加筋土挡墙面积约1 1 0 0 0 m 2 ，它是世界 上目前规模最大的加筋土工程。截止1 9 8 9 年的不完全统计，当时我国己建成的加筋土 工程3 l l 项，其中公路占8 5 ，铁路占6 ，迄今，全国已建筑数千座加筋土工程，大 2 太原理l ：人学硕+ 研究生学位论文 部分应用于公路和城市建设、水运和水利工程1 6 1 。另外，加筋土在填方工程中也得至r j - j 普遍应用【7 】。在重视人文环境的今天，人们将植物用于加筋土工程，开发出“草砼”三 维加筋土。文献【8 】中，在开孔的绞链式混凝土块铺面系统中种植香根草，通过其根系的 蔓延，使土体成为与草根的复合材料，草根可视为三维加筋材料，同时草根还可以通过 吸收和蒸腾坡体内水分，提高土体的抗剪强度，还可控制水土流失，可谓“一石多鸟”。 进入2 0 世纪8 0 年代，对于加筋土的研究，除了进一步探讨加筋土结构的基本性状、 工作机理、完善设计计算理论之外，许多国家还在拓宽填料、筋带的应用范围方面做了 大量工作。研究表明，加筋土中的加筋材料影响着加筋土的力学性能以及筋材的作用。 m c g o w n a 9 1 将筋材的种类分为了两类：理想的不可拉伸材料和理想的可拉伸材料。此 前十年，加筋土的研究主要针对高弹性模量加筋材料( 如金属、混凝土等) ；而这一时期， 新型加筋材料不断出现，这些材料多为低弹性模量材料，分为纺织或无纺的土工材料( 如 聚乙烯、聚氯乙烯土工膜、土工隔栅等) 。加筋材料的丰富使加筋土技术的研究内容进 一步发展。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始将土工合成材料用于加筋土工程，但主要用于软基处 理。土工织物的研究和开发是在2 0 世纪8 0 年代中叶才开始。之后许多学者在加筋材料的 应用与发展及加筋方式方面进行了研究。杨果林提出了由纵横筋组成的平面网格式加筋 - 1 4 10 】：谢文东提出了加筋环新型加筋型式1 ：张孟掣1 习首次提出t - f - r 体加筋的概念， 并进行了两种不同筋材立体加筋砂土的三轴试验，探讨了不同加筋方式的强度及破坏机 理。这些新型加筋方式的研究对加筋土技术的发展起着积极推动作用。 上世纪中期将预应力的理论运用于加筋土工程，引发了不少相关的研究，也使加筋 土有了新的气息和发展。第一座预应力加筋土结构建于1 9 9 6 年( 日本) 1 1 3 1 。以湖南大学尚 守平教授i l4 j 为主的一批人提出了采用c f r p 材料( 纤维增强聚合物c a r b o nf i b e r r e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称c f r p ) 作为加筋材料辅以预应力技术的新型加筋土结构，并且 对其进行了理论和实验的研究，既提高了加筋土的强度，又有效改进了筋材的耐久性， 为加筋土技术的进一步完善和发展作出了有益尝试。而在美国、日本、加拿大、西欧等 国随着碳纤维布技术的成熟均已有了标准规范。 1 1 2 加筋土静力强度理论的发展【9 l 1 5 1 加筋土的研究中，筋土相互作用的基本原理有：摩擦加筋原理、准粘聚力原理。 3 太原理j = 大学硕士研究生学位论文 摩擦加筋理论认为：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，土压力通过墙面板传递给与墙面板连接的筋带上，此时在筋带上产生拉力。而筋带 同时又受到填土的压力，填土与筋带之间的摩擦力阻止筋带被拉出。因此，只要筋带材 料具有足够的强度，并与土产生足够的摩擦力，则加筋的土体就可保持稳定。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 忽略了筋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。 准粘聚力理论认为：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。加筋土内部存在筋带与填土的共同作用，这些作用包括填土的 剪切力、填土与筋带的摩擦阻力及筋带的抗拉力，从而使加筋土的强度明显提高，筋带 的约束力盯。相当于在土体侧向施加了一个侧向压力吒。其原理可用摩尔应力圆来解 释。如图1 1 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 i 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 供了一个约束力即水平应力增量砚( = ) ，使得侧向压力减小，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。上述分析说明，土体加筋后强度有了增加， 应有一条新的抗剪强度曲线来反映这种关系，如1 1 b 所示试验表明，加筋砂与未加筋 砂的强度曲线几乎完全平行，如图1 2 所示。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。准粘聚力可根据莫尔一库 仑定律求得。 图l - i 摩尔库仑应力圆1 9 l f i g 1 1 m o h r - c o u l o m bs t r e s sc i r c l e l 9 l 4 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 f i g , 1 - 2s t e n g t hc b f c e s 【1 ” 把加筋土的三轴试验当作无筋土试验，相应的吒用c r 3 + 吒代替，则有 q = q ，t 9 2 ( 4 5 。+ 2 ) = ( 吒+ a o 3 ) t 9 2 ( 4 5 。+ 2 ) ( 1 - 2 ) 加筋前，土体处于极限平衡状态，即 o i = 盯3 t 9 2 ( 4 5 。+ 2 ) + 2 c t g ( 4 5 。+ 2 ) 0-3) 比较式( 1 2 ) 和( 1 3 ) ，可得 a o 3 t 9 2 ( 4 5 。+ 2 ) = 2 c t g ( 4 5 。+ 2 ) 0 - 4 ) 因此，由于筋带作用产生的“准粘聚力”为 c = 毒q 留( 4 5 。+ 2 ) ( 1 - 5 ) 目前，对加筋土的计算分析主要是采用有限元方法进行数值模拟，它通过应用表示 材料的本构模型和有限元基本方法相结合，对加筋土结构的应力和应变关系进行细致的 研究。在加筋土结构设计中应用有限元法开始是由美国的c h 如gj c 、b a n e r j e ep k 、n a y l o r d j 、s a l o m o n em a 等人f 7 0 年代初相继提出【4 】。加筋土结构在荷载作用下，水平向增强 体复合地基中的应力和变形分析有三种处理方法：( 1 ) “分离式”有限元分析法：把加筋 土看成由土与筋材两种不同性质的材料组成，两者通过界面相互影响、相互作用，即分 别建立土的本构模型、土与筋材之间的界面单元模型和筋材模型来考虑。界面单元的认 识和选取有g o o d m a n ( 1 9 6 8 年) 四节点单元，d e s a i ( 1 9 8 5 年) 薄单元等；土采用平面三角 形单元、四边形单元等。土与结构接触面采用的g o o d m a n 岩石节理单元为零厚度的一维 四节点单元，其较好的模拟了接触面上的错动滑移和张开，并能考虑接触面变形的非线 性特征。但不足是：a ) 单元厚度，在受压时就会使两侧的二维单元相重叠；b ) 法向劲 度系数k 。任取一个大值，只要法向相对位移有微小的误差，就会使o 。有较大误差，计算 不合理。( 2 ) “复合模量”有限元分析：是把加筋土看成宏观上均匀的复合材料( 这种复 合材料一般为各向异性的) ，土与筋材的相互作用表现为内力，只对复合材料的性质产 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 生影响，而不直接出现在应力应变的计算中，即建立一个复合材料本构模型来考虑，采 取试验确定其本构模型参数或者借用复合材料理论来研究加筋土整体的变形规律。前者 将加筋土结构离散成由土层、土工合成材料以及两者之间的接触界面组成的连续体系， 不同部分采用合理的本构模型来模拟，考虑其组成材料的非线性特性，该方法概念明确， 方法直观，各模型参数均可通过试验分别确定，可以较好地模拟结构的工作性能。后者 把加筋土视为一种复合体，作为一个整体加以分析，原则上能够简化分析过程，但是， 如何较准确地确定复合体的物理力学参数、本构模型和屈服准则，至今仍然是一个关键 点和难点，而且这种理论无法反映土和筋材界面的非线性特性，并且忽略了土层与筋材 之间可能存在的相对位移。加之，加筋土复合材料本构模型的发展相对较缓慢( 大致经 历了从弹性、弹性非线性到弹塑性乃至流变模型的发展过程o r l ，目前加筋土的本构模型 研究主要集中在非线性弹性模型和弹塑性模型方面) ，因此其应用受到了限制。近年来， 刘华北1 1 8 】应用广义塑性模型模拟加筋土土体，以此来分析加筋土挡墙的动力特性，该模 型共需1 5 个参数，可由单调和反复受载三轴压缩试验来确定，此法己显示出很好的实用 性。( 3 ) 经验分析法，与第二种类似，在此不再赘述。 1 1 3 加筋土静力试验研究进尉3 l 【1 9 】 关于加筋土的试验研究主要有筋材物理力学性质测定、土筋界面相互作用试验、三 轴剪切试验、模型试验、离心机试验及原位试验。 1 1 3 1 界面特性试验研究 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然以直剪试 验与拉拔试验为主。我国吴景海、欧阳仲春、张达德等采用大比例直剪试验与拉拔试验 进行了筋土界面特性研究。对于常规直剪试验，k m l e e l 2 0 l 认为有以下缺点：( 1 ) 在法向 应力作用下，土工织物会下陷，即存在一碗状拱面，这样会导致筋材与土体界面应力不 均匀分布，剪应力非平面，( 2 ) 由于对土工织物没有有效的支撑与锚固，剪切试验时， 土工织物会发生滑移与变形，( 3 ) 剪切试验时，土工织物与土界面面积不断减少，( 4 ) 由于剪切位移有限，不能得到准确的残余应力值。为此，他对常规直剪试验仪器进行了 改进：剪切盒平面尺寸为3 0 0 x 3 0 0m i l l ，下盒为一刚性块体，长4 2 0 m m ，试验行程为9 0 m m ， 6 太原理r 人学硕十研究生学位论文 土工织物与之相固定，这样能保证剪切试验时，土工织物不会发生变形或滑移，并且试 验中界面面积不变。 直剪试验能模拟加筋土局部剪应力与位移关系，但不能够较好地模拟承受拉伸荷载 的筋材的受力机制；与直剪试验不同，拉拔试验能反映筋材整体沿界面剪应力与位移间 的变化关系。周志刚认为若能预估实际工程填土和织物可能出现的相对位移，则直剪试 验较为合适，若双面均与土发生相对位移，则拉拔试验更宜。另外，对于刚度较小的土 工合成材料，直剪试验较为符合实际情况，对刚度大的材料，则拉拔试验更好。 对于界面的摩擦特性，通过大量试验得到了如下的结论：土工合成材料的直剪系数 一般低于1 0 ，不同填料、不同土工合成材料的直剪系数相差很小，国内推荐采用0 7 加8 ， 国外也有人推荐0 6 5 左右；在剪应力一应变关系上，砂与粘性土表现的特征不一样，砂愈 紧，峰值愈显著，峰值摩擦力也愈大；而粘性土则整个曲线几乎没有峰值。 1 1 3 2 加筋机理试验研究 一般可分为静态模型【2 1 。2 1 与离心模型试验。y a l l g 与s c h l o s s e r 和l o n g 首先利用三轴试 验研究了加筋土的机理。h a u s m a n n ( 1 9 7 6 ) 指出在低应力阶段，加筋土出现滑移破坏，并 且没有明显的粘聚力，仅提高了内摩擦角。i n g o l d ( 1 9 8 3 ) 认为加筋能提高侧限力与粘结 力。目前为止，仍然没有突破准粘聚力理论与似摩擦加筋理论。 近年来国内学者对影响加筋土力学特性的不同因素进行了试验研究，得到如下一些 定性的看法：( 1 ) 筋材作用的发挥与其本身的变形有关，只有当加筋土体发生一定的侧 向位移时，加筋体刊会发挥其作用，( 2 ) 筋材能降低地基中的附加竖向应力、均化应力， 提高承载力，( 3 ) 加筋能有效减少侧向与竖向沉降，( 4 ) 加筋效果还与织物边界条件有关， 比如织物平铺与卷边对加筋土的性能也有一定影响。 l 三轴试验 在三轴试验中，假定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 应力状态及所经历的路径，来研究加筋土体的变形和强度特征。1 9 6 9 年，h e n r iv i d a l 和 f r a n c o i ss c h l o s s e r 最先发表了他们在l a b o r a t o i r ec e n t r a ld e sp o n t se tc h a u s s e e s ( l c p c ) 试 验场地的轴对称应力条件下的加筋土三轴试验结果。该结果显示加筋确实改善了土的受 力性能，即加筋土的粘聚力增大了。t a k a y a h i g u c h i 2 3 l 利用大型平面应变压缩仪对加筋 土( 土工格栅、砂) 的变形与强度进行了研究，仪器中试样盒尺寸为2 1 4 m m 深、2 4 4 m m 宽、 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 7 0 m m 高。大主应力由轴向力产生，小主应力在水平方向，由橡皮囊控制，中主应力 也在水平方向，但由于与刚性板接触，因此位移为零，由此形成平面应变。结果表明： ( 1 ) 加筋量( 间距与层数) 对加筋土破坏模式有影响。当加筋土中筋材量较少时，土体破 坏对整体破坏起控制作用；当筋材量加大时，土体破坏时筋材破坏逐渐起控制作用。( 2 ) 筋材的类型对加筋土的侧向变形有很大影响。 由于加筋土及加筋土结构物的受力状态多属平面应变状态。对加筋土强度特性的试 验研究，多数均在常规三轴剪力仪上进行。吴景海f 驯等人通过三轴试验对5 种国产土工 合成材料的加筋效果作了对比研究，并且得出结论：土工合成材料加筋砂具有准粘聚力， 它仍符合m o h r c o u l o m b 抗剪强度理论，并对土工合成材料的选型问题进行了有益的探 讨。袁雪圳2 5 1 等人用常规三轴仪，研究了巫山县集仙中路1 号c a t 3 0 0 2 0 型复合拉筋带加 筋土挡墙在不固结、不排水条件下的变形破坏机理和抗剪强度性质。吴雄志、熊正洪利 用应变控制式三轴仪进行了加筋土强度模型应力应变特性研究，提出了加筋土强度模型， 该模型包括两种破坏形式( 摩擦型破坏与断裂型破坏) 的极限平衡条件的表达式及破坏 类型的判别准则；邓容基2 6 j 在改装过的简易平面应变仪上对加筋土进行了研究，从中导 出了加筋土强度提高的数学表达式及加筋土强度增长系数。黄仙枝【2 7 h 3 0 l 利用大直径三 轴实验机和现场大尺寸原位静载荷试验，确定了加筋层数对复合土体强度及变形的影 响，找出了加筋垫层底土压力分布规律和应力扩散特点并提出了最优加筋参数。杨锡武 【引】研究了筋材结构对加筋土强度特性的影响，此研究有利于工程实践中根据加筋体特点 合理选择筋材类型。同时孙丽梅掣3 2 对不同布筋方式下加筋土强度特性进行了研究，并 得到一些有益的结论。 2 离心模型试验 ， 土工离心模型试验技术研究地震动力问题最先卣英国剑桥大学在2 0 世纪7 0 年代末 进行。离心模型试验原理是根据相似理论，借助离心机产生离心加速度来模拟重力场( 体 积力) ，使模型具有与原形相似的边界条件和受力状态。当重力加速度增至n g ( g 曼j 重力 加速度) 时，模型尺寸可缩小为原型的1 n ，固结时间缩短为原型的1 n 2 。近年来随着激 振技术的不断改进和提高，它已逐步成为岩土工程研究领域的重要手段之一，不仅可以 用于解决常规的土力学问题，如土石坝、边坡、挡土墙、桩基、深基坑、地下洞室等，而 且利用离心机可以模拟原型应力的特点，研究人员将离心机用于冻土力学、环境土力学、 土工抗震研究以及爆破工程研究等领域。黄文熙院士曾称土工离心机是岩土工程发展的 一个里程碑旧。 8 太原理1 = 大学硕士研究生学位论文 张师德和杜鸿梁【3 4 】在包裹式挡墙的离心模型试验中，发现包裹面内的实测土压力值 大于主动土压力，土压力最大值位于墙高中部；当墙顶有均布超载时，侧压力系数接近 1 。如墙顶无超载，则墙面土压力分布为上小下大，沿墙高近似线形分布( k o n a m i ，1 9 9 4 ) t 3 5 】 或抛物线分布( w o n g ，e ta l ，1 9 9 4 ) 。 黄广军1 3 6 j 通过离心模型试验研究了影响加筋土挡墙性状的因素，包括填土、面板和 筋材等，并且结合量纲分析法，较明确地给出了刚性墙面、柔性墙面、刚性筋材和柔性 筋材的定义。 章为民等口7 】通过离心模型试验研究了加筋土挡土墙的主要破坏形式、破坏机理以及 主要加筋设计参数对加筋土挡土墙墙体的影响。研究表明：随着筋材强度的增加、布筋 密度的加大，墙体的整体刚度与强度也相应增加；软基础对墙体应变分布无明显的不利 影响。 3 原位试验 原位试验又称现场足尺试验( f u l ls c a l et e s 0 。尽管不太经济，但能够反映加筋土工 程的实际情况，有助于对加筋土的性状及加筋机理进行更深刻的认识。 c h r i s t o p h e r , e ta 1 ( 1 9 9 4 ) 在挡土墙足尺试验中发现，当筋材与面板间为刚性连接时， 面板上的侧向土压力接近主动土压力；为柔性连接时，则小于主动土压力。还有一些实 测数据表明面板上的侧向土压力小于朗肯或库伦土压力。 k o n a m i ( 1 9 9 4 ) 在挡土墙原型试验中发现，越靠近底层，筋材最大拉力越大，且最大 拉力点越靠近墙面，上层的最大拉力值则变小，且向墙体内部移动，各层筋材最大拉力 点连线接近0 3 h 型的潜在破裂面。但也有不少学者发现，当筋材刚度很大，面板刚度相 对较小时，各层筋材的最大拉力点均在筋材与面板连接处。 黄仙枝 3 0 】在现场原位土工带加筋垫层试验研究中发现，碎石垫层加筋后，垫层刚度 增大，加筋垫层与其下软弱土层的性质差异增大，加筋垫层应力扩散明显增强，并且建 议土工带加筋垫层的应力角可不受建筑地基基础设计规范f g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中， z b 乃。，吼= ( q 。+ 吒。) 2 时，在4 5 。面上的法向应力吒= c r o ， 切向应力= r o = ( 0 i ，一码。) 2 ；施加动荷载作用时q 。= q 。2 ，码。= 码。2 ， 4 5 。面上的法向应力吒= o - o ，切向应力t = = 乃2 。这种应力状态很容易用双向激 振器的三轴仪来实现。同样，也可以用单向激振的三轴仪采用类似水平地面情况时的方 法模拟，但需进行偏压固结，即q 。 吗。和c r o = ( q 。+ q 。) 2 。此时在4 5 0 面上，巳= ， t = r o = ( q 。一乃。) 2 ：施加动荷载时，试验的外加应力为0 i ，= o i 。乃，乃，= 0 3 。，不 直接施加的均等应力为+ 1 2 盯a ，此时在4 5 0 面上的最终应力为t = c r o ， t t = t 0 t t o d f 2 。 2 1 5 2 不规则动荷的动三轴试验分析【5 5 】1 5 7 l 不规则动荷过程一般频率不变，但各个应力脉冲的大小不同，大小排列的波序不同， 对它的描述包括：频率、幅值分布、波序特征及持续时间。已有的研究大体上可以分为 直接输入法、分类对比法和波序叠加法三类。 直接输入法是将某种可能的不规则动荷过程，通过计算机模拟直接旌加到土试样 上，测记其动应力动孔压和动应变的反应过程，作为土性规律分析的基础，兰州地震所 的处理即属此类。输入动荷的方法有两种：一是限定动荷的波形和持续时间不变，只是 逐级改变动应力的幅值，按动应力的峰值代表动荷过程的应力，用反应动孔压和动应变 的累计值代表该动应力的动荷过程所对应的动孔压和动应变来整理资料，建立各种关 系；二是将一定频幅、波形及持续时间的动荷过程，多次重复地施加到土试样上，每一 】7 太原理工大学硕士研究生学位论文 次的作用记为一个振次，实际上变成了以一个特定波形作用为振次单位的周期性变化荷 载，不同的试验可改变不规则动荷过程的幅值。整理分析资料时同样以动应力峰值代表 动应力，作出动孔压和动应变随振次单位变化的关系，分析其土性规律的变化。上述方 法的第一种比较接近于单脉冲的爆炸、海浪或地震的动荷