（岩土工程专业论文）交通荷载作用下软土地基动力特性及加筋道路动力响应研究.pdf

浙江大学申请博士学位论文交通荷载作用下软土地基动力特性及加筋道路动力响应研究 交通荷载作用下软土地基动力特性及加筋 道路动力响应研究 摘要 本文针对交通荷载作用下软土地基的动力特点，通过室内动三轴试验详细研 究了循环荷载作用下软土的动力特性，并采用有限元和半解析的方法研究了循环 荷载和移动荷载作用下加筋道路的动力响应。 首先采用英国g d s 公司研制生产的高精度动静三轴试验设备，对杭州地区 饱和软粘土进行了应力控制的循环三轴试验，详细研究了饱和软粘土在循环荷载 作用下的应变、孔压等特性，分析了各种因素对软土动力特性的影响，重点研究 了偏移应力的大小、荷载频率、超固结比、循环应力比等因素对软土动弹性模量 衰减的影响，并经过回归分析得到了反映动弹性模量衰减规律的经验公式。 然后编制了用户子程序将该公式导入有限元分析软件a b a q u s 中，采用 a b a q u s 对软基加筋与不加筋道路在交通荷载作用下的动力响应进行了对比分 析，研究了动荷载作用下软基加筋道路的作用机理。结果表明，软土的软化特性 对软基加筋和不加筋道路的动力响应有明显影响，同时，加筋可以使土体应力均 化，约束土体的水平变形，减小道路的整体沉降，并减少道路的不均匀沉降。之 后又详细研究了荷载形式、荷载频率、筋材模量、加筋位置、加筋层数、软土层 厚度等对加筋效果的影响。 最后将多层筋材加筋的路堤看成宏观上的横观各向同性体，用半解析法分别 对移动条形荷载作用下未铺面层的饱和加筋路堤和铺设面层的饱和软基加筋道 路系统的动力响应问题进行了研究。对于未铺面层的饱和加筋路堤，由忽略土粒 压缩和土体自重的b l o t 波动方程出发，对荷载进行f o u r i e r 级数展开，假设了响 应函数的级数形式，结合边界条件，由待定系数法求解了考虑固液耦合作用的饱 和加筋复合土体在移动荷载作用下的土体位移及孔压表达式。对于铺设面层的饱 和软基加筋道路系统，将加筋道路的面层简化为弹性梁，加筋路堤作为横观各向 同性体，同时考虑了下卧土层孔隙水的影响，由忽略土粒压缩和土体自重的b i o t 波动方程出发，结合边界条件，由待定系数法求解了考虑固液耦合作用的软基加 筋道路系统在移动荷载作用下的土体位移及孔压表达式。最后，结合算例分析了 加筋率、筋材模量、荷载移动速度等对加筋道路竖向位移和孔压的影响。 关键词：交通荷载；软土；动三轴试验；加筋道路；弹性模量衰减：有限元；动力响应； 横观各向同性；移动荷载 浙江大学申请博士学位论文摘要 s t u d yo nd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs o f t c l a ya n dd y n a m i cr e s p o n s eo fr e i n f o r c e d p a m e n t su n d e rt r a f f i cl o a d i n g a b s t r a c t as e r i e so fu n d r a i n e dc y c l i ct r i a x i a it e s t sw e r ec o n d u c t e d0 1 1t y p i c a lh a n g z h o u s o f tc l a yt os t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fs o f tc l a yu n d e rt r a f f i cl o a d i n g t h ef e aa n d s e m i a n a l y t i c a lm e t h o d sw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t ed y n a m i cr e s p o n s e so fr e i n f o r c e d p a v e m e n t su n d e rc y c l i cl o a d sa n dm o v i n gl o a d s f i r s t l y , i no r d e rt os t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fs o f tc l a yu n d e rc y c l i cl o a d i n g ，a s e r i e so f u n d r a i n e dc y c l i ct r i a x i a lt e s t sw e r ep e r f o r m e do n t y p i c a lh a n g z h o us o f tc l a y b yg d sd y n a m i ct r i a x i a ls y s t e m t h ee f f e c t so fi n i t i a ld e v i a t o rs t r e s s ，l o a d i n g f r e q u e n c y ，o v e r c o m o l i d a t i o nr a t i o ，a n dc y c l i cs t r e s sr a t i oo nd y n a m i ce l a s t i cm o d u l u s w e r ei n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so fi n i t i a ld e v i a t o rs t r e s sa n do v e r c o n s o l i d a t i o nr a t i oo n d e g r a d a t i o ni ss i g n i f i c a n t h o w e v e r ，t h ec h a n g e so ft h ef r e q u e n c i e sa n dc y c l i cs t r e s s r a t i oh a v el i t t l ee f f e c to nt h ed e g r a d a t i o n t h ee m p i r i c a le q u a t i o nf o rt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nd e g r a d a t i o no fd y n a m i cm o d u l u sa n ds t r a i nw a sp r o p o s e db yr e g r e s s i o n a n a l y s i sm e t h o d t h e nt h ee m p i r i c a le q u a t i o nw a si m p o t t e di n t of e mp r o g r a ma b a q u s t h r o u g h c o m p i l e ds u b r o u t i n e d y n a m i cr e s p o n s eo fu n r e i n f o r c e da n dg e o g r i dr e i n f o r c e d p a v e m e n t sw a ss t u d i e db ya b a q u si n o r d e rt o i n v e s t i g a t em e c h a n i s m so f r e i n f o r c e m e n t f e ar e s u l t si n d i c a t e dt h a ts o f t e n i n gb e h a v i o ro f c l a yh a dv i s i b l ee f f e c t o nt h ep e r f o r m a n c eo f u n r e i n f o r e e da n dr e i n f o r c e dp a v e m e n t s g e o 鲥dr e i n f o r c e m e n t c a np r o v i d el a t e r a lc o n f i n e m e n ta tt h eb o t t o mo f t h eb a s el a y e rb yi m p r o v i n gi n t e r f a c e s h e a rr e s i s t a n c ea n di m p r o v es t r e s sd i s t r i b u t i o no ns u b g r a d el a y e r t h ee f f e c to f g e o g r i dr e i n f o r c e m e n tw a s a l s os h o w nt or e d u c es u r f a c ed e f o r m a t i o na n dn o n u n i f o r m s e t t l e m e n t as e r i e so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw e r ec a r r i e dt oi n v e s t i g a t et h e b e n e f i c i a le f f e c t so fg e o g r i dr e i n f o r c e m e n tt ot h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n t , a n dh o ws u c h e f f e c t sw e r ei n f l u e n c e db yt h el o a d i n gf o r m s ，l o a d i n gf r e q u e n c y , g e o g r i dm o d u l u s ， g e o 西dl o c a t i o n , g e o g r i dl a y e r sa n ds u b g r a d et h i c k n e s se t c f i n a l l y ，b yu s i n gt h eh o m o g e n i z e dt a n s v e r s e l yi s o l r o p i cc o n c e p t ，t h ed y n a m i c r e s p o n s e s o fu n p a v e dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t o v e r l a y i n g b e d r o c ka n dp a v e d r e i n f o r c e d p a v e m e n t ss y s t e ms u b j e c t e d t o m o v i n g l o a d sw e r es t u d i e d a n a l y t i t a l l y n u m e r i c a l l yu n d e rc o n d i t i o n so fp l a n es t r a i n f o ru n p a v e dr e i n f o r c e d e m b a n k m e n t , t h ef u l ld y n a m i cp o r o e l a s t i ct h e o r yo fb i o tw a se m p l o y e d ，u n d e rt h e a s s u m p t i o no f a ni n c o m p r e s s i b l es o l i dg r a i na n dn e g l e c t i n gt h ea p p a r e n tm a s sd e n s i t y t h el o a d i n gf u n c t i o nw a sp r e s e n t e db yaf o u r i e rs e r i e s e x p a n s i o n b yu s i n gt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n , t h eg o v e r n i n ge q u a t i o n so fm o t i o nw g r et h e ns o l v e d t h e i i 浙江大学申请博士学位论文交通荷载作用下软土地基动力特性及加筋道路动力响戍研究 m e c h a n i c a lb e h a v i o ro fr e i n f o r c e dc o m p o s i t ew a si n v e s f i g a t e dt h r o u g hv a r y i n gt h e r e i n f o r c e dr a t i o ，e l a s t i cm o d u l 惜o fr c i n f o r c e m e n ta n dl o a ds p e e d f o rp a v e d r e i n f o r c e dp a v e m e n t ss y s t e m , t h ec o n c r e t ep a v e m e n to fr e i n f o r c e dp a v e m e n t sw a s s i m p l i f i e da sae l a s t i cb e a ma n dr e i n f o r c e db a s ew a st r e a t e da sat r a n s v e r s e l yi s n t r o p i c l a y e r t h ei n f l u e n c eo fp o r ew a t e ri nt h es u b g r a d ew a st a k e ni n t oa c c o u n ta n dt h e d y n a m i cr e s p o n s eo fr e i n f o r c c ap a v e m e n t ss u b j e c t e dt om o v i n gl o a d sw a ss t u d i e d a n a l y t i c a l l y n u m e r i c a l l y u n d e rc o n d i t i o n so fp l a n es t r a i n t h ef u l l d y n a m i c p o r o e l a s t i ct h e o r yo fb i n tw a se m p l o y e d ，u n d e rt h ea s s u m p t i o no fa ni n c o m p r e s s i b l e s o l i dg r a i na n dn e g l e c t i n gt h ea p p a r e n tm a s sd e n s i t y 1 1 l el o a d i n gf u n c t i o nw a s p r e m e db yaf o u r i e rs e r i e se x p a n s i o n b yu s i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n , t h e g o v e r n i n ge q u a t i o n so fm o t i o nw e r et h e ns o l v e d t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eb e a m a n dt h ep a v e m e n tw a sc o n s i d e r e da n dt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h eb e a ma n dt h e p a v e m e n ta tt h ei m e 如c ew a sa s s u m e dt ob ei d e n t i c a l n l em e c h a n i c a lb e h a v i o ro f t h er e i n f o r c e dp a v e m e n t sw a si n v e s t i g a t e dt h r o u g hv a r y i n gt h er e i n f o r c e dr a t i o ，e l a s t i c m o d u l u so f r e i n f o r c e m e n ta n dl o a ds p e e d k e yw o r d s ：t r a f f i cl o a d s ；s o f tc l a y ；d y n a m i ct r i a x i a lt e s t s ；r e i n f o r c e dp a v e m e n t s ； d e g r a d a t i o no fd y n a m i c e l a s t i c m o d u l u s ；f e a ；d y n a m i cr e s p o n s e ；t r a n s v e r s e l y i s o t r o p i cm e d i u m ；m o v i n gl o a d s i i i 浙江大学申请博士学位论文 交通荷载作用下软土地基动力特性及加筋道路动力响应研究 本论文得到国家自然科学基金( 批准号5 0 4 7 8 0 8 1 ) 资助】 作者娥名：刘飞禹 学科专业：岩土工程 指导教师：蔡袁强教授 浙江大学建筑工程学院 2 0 0 7 年1 月 浙江大学申请博士学位论文交通荷载作用下软士地基动力特性及加筋道路动力响应研究 第1 章绪论 1 1 问题的提出 目前，我国的交通基础设施建设已进入大发展时期，许多高速公路、高速铁 路及地下铁路已经或即将在软土地区建设。“九五”期间，我国在东南沿海深厚软 土地基上建成了许多重要交通基础设施，例如，我国首次在软土地基上建成的大 型机场跑道一温州机场跑道；在软土地基上修建的最长的高速公路一杭甬高速公 路等。这些交通设施为我国的经济发展发挥了重要作用，但在工程建设和运行过 程中也发现了一些技术问题。如温州机场建成后的工后沉降已经达到1 6 c m ，杭 甬高速公路的沉降至今还在发展，上海地铁一号线的长期沉降监测资料表明， 1 9 9 3 年1 月一1 9 9 5 年4 月，地铁一号线尚未通车，在这2 年3 个月内绝大部分 沉降点的总沉降量在2 - - 6 m m 。自1 9 9 5 年4 月试运营以后，沉降速率急剧加大， 到1 9 9 5 年1 2 月，在8 个月内陕西南路站以北的总沉降量达到了3 0 - - 6 0 m m ，到 1 9 9 9 年部分沉降点的累计沉降甚至达到了1 4 0 m m 。引起上述工程工后沉降的因 素较多，但交通荷载的往复作用对软土沉降特性的影响起到了非常重要的作用。 尤其是上海地铁一号线，在建成未通车的2 到3 个月内沉降基本没有发展，但通 车后8 个月内沉降却达到了3 - - 6 c m ，4 年内甚至达到了1 4 c m 。说明在交通荷载 引起的动应力作用下，软土地基的长期附加沉降是非常可观的，而这种长期沉降 又与软土在交通荷载作用下的软化特性有很重要的关系【l 】。 动荷载作用下软土的软化特性一直受到人们的关注，很多学者进行了这方面 的研究 2 , 3 , 4 , 5 1 。但由于软化涉及到试验因素、试验方法和条件、荷载因素等很多 因素的影响，不同试样、试验方法和研究侧重点就会有不同的结论。因此有待于 根据交通荷载的实际情况有针对性的设计模拟试验，研究软土在交通荷载作用下 的软化特性。 在软土地基上采用加筋的方法建设道路，可以明显改善道路的力学性能，减 小路面的沉降和差异沉降，延长道路的使用寿命，并具有显著的技术经济效益1 6 1 ， 因此加筋技术在道路工程中被广泛使用。随着大量交通基础设施在软土地区的建 设，工程上迫切需要研究在长期交通荷载作用下软基加筋道路的动力特性，寻找 控制和减少沉降的有效方法。然而，目前虽然已有很多学者对加筋道路的性能进 行了研究【7 ，8 ，9 1 0 , i i , 1 2 1 ，但从研究方法上看，还是以加筋道路的静力特性研究为主， 对交通荷载作用下加筋道路的动力响应，基本上是试验方面的研究，理论分析很 少，而且在理论分析中都没有考虑软土在交通荷载作用下的软化特性；从研究结 果上看，由于研究者的方法不一样，得到的结论也不尽相同，有的结论甚至是相 互矛盾的，因此对于加筋道路的研究，目前还没有形成统一的认识，理论的研究 远落后于实践，对加筋机理的认识正在深化过程中。 浙江大学申请博士学位论文第1 章绪论 由于交通荷载是一种动荷载，其大小随时间变化，在这种荷载的长期作用下， 软土地基的长期沉降是非常可观的，甚至可能直接影响道路的安全性。因此，研 究软基加筋道路的长期动力响应，预测软基加筋道路的长期沉降，对道路的合理、 经济设计，保证道路的运营安全都具有重要的理论和现实意义。 此外，由于交通荷载的复杂性，目前对于交通荷载作用下加筋道路的动力响 应研究，实际上大多只考虑了交通荷载的循环效应，而很少考虑交通荷载的移动 特性。这也是目前加筋道路研究中的一个亟待解决的问题。 基于以上所述，本论文以软土地基上的加筋道路系统为研究对象，首先通过 试验研究了饱和软土在循环荷载作用下的变形、强度特性，并得到了软土动模量 衰减的经验公式；然后通过有限元的方法研究了循环荷载作用下考虑软土动模量 衰减的加筋与不加筋道路的沉降特性，并分析了影响加筋效果的诸多因素；最后 通过数值计算的方法，采用将加筋道路等效为横观各向同性体的方法，研究了在 移动荷载作用下加筋道路的动力响应问题。 1 2 软土地基加筋道路系统 软土地基i i f 基岩 图1 - 1 软土地基加筋道路系统示意图 软土地基加筋道路系统主要由软土地基、基层( 路堤) 、加筋材料和面层( 路 面) 组成，如图1 1 所示。 1 2 1 面层 面层一般分为柔性面层和刚性面层两种，柔性面层由沥青材料和骨料的混合 物组成，刚性面层则是指水泥混凝土面层。面层的主要功能是提供平坦、安全的 交通运行，并把施加的荷载分布到下面各层去。由于面层的变形相对于基层和软 土地基的变形而言较小，因此在分析中一般把面层作为弹性或粘弹性层处理，不 考虑其塑性变形。 浙江大学申请博士学位论文交通荷载作用下软土地基动力特性及加筋道路动力响应研究 1 2 2 基层 基层位于软土地基之上、面层之下，有时候还有一层底基层。基层和底基层 一般都是由粗颗粒土，碎石或水泥土等构成。基层能增强道路的强度和抵抗疲劳 的能力，减少了传递给软土地基的应力，有时候还可以兼起导水层的作用。 1 2 3 软土地基 在交通荷载的往复作用下，饱和软粘土的强度将产生软化，从而导致土体结 构破坏，这种循环软化作用的影响取决于粘土本身的稳定性及所具有的结构。 c s d e s a i 等【1 3 】提出考虑各种影响因素，综合反映土体循环特性的本构模型，但 参数太多，不易确定。l e f e b v r eg 等 1 4 1 研究了循环荷载下应变速率对土体的影响， 表明加载速率也将影响土体的软化。h y d e 等【2 】通过对重塑粉质粘土的应力控制 式低频循环荷载试验与流变试验结果的对比，指出两种试验中孔隙水压力和塑性 应变的发展规律是相似的，并进一步给出了孔压发展速率与振动次数的关系式。 h y o d o 掣”】通过对饱和软粘土的应力控制式低频循环荷载试验结果的分析，引入 相对循环应力比的概念，提出预测周期荷载作用下残余孔隙水压力和残余应变的 计算模式。周建等1 1 6 j 通过对正常固结饱和软粘土的循环三轴试验，利用衰减指数 考虑了循环弱化。但已有的室内动三轴试验多是针对波浪荷载和地震荷载作用下 土体动力特性的研究，而交通荷载作用下软土的动力特性研究较少。本文将针对 交通荷载的特点和道路的实际情况，系统地研究路堤施加的初始偏移应力、超固 结比、循环应力比、频率等对软土的软化特性影响。 1 2 4 加筋材料 目前在加筋道路中用得最多的加筋材料是土工合成材料。土工合成材料是一 种新型的岩土工程材料，它是以人工合成的聚合物如塑料、化纤、合成橡胶等为 原料制成的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护士体的 作用。1 9 8 3 年，j p ig i r o u d 和r gc a r o l l 提出了土工合成材料的分类，见图1 2 。 但该分类未纳入土工膜，把格栅等材料概括为土工织物相关产品也不确切。1 9 9 4 年1 1 月，由中国建筑工业出版社的土工合成材料工程应用手册将土工合成 材料分为四大类，即土工织物、土工膜、特种土工合成材料、复合型土工合成材 料。其中特种土工合成材料包括土工格栅、土工网、土工垫、土工格室、土工模 袋、土工泡沫塑料等。复合型土工合成材料是由上述各种材料复合而成，如复合 土工膜、土工复合排水材料等。 在加筋机理的研究过程中，人们还发现加筋效果与土工合成材料的种类、使 用条件有密切关系。土工格栅总体上可以获得良好的加筋效果。土工织物、复合 土工膜等柔性材料虽有一定的加筋能力，但在路面结构层中主要作为隔离层使 用。目前，与土工合成材料加筋作用相关的研究成果相当丰富，但争议也较多， 3 浙江大学申请博士学位论文第1 章绪论 对加筋机理的认识还不统一，理论研究与工程实际相差较大，还需要进行深入的 研究。 图1 2 土工合成材料的分类 1 3 加筋道路的试验研究 1 3 1 室内试验 h a s s i l 7 】将土工格栅加筋材料放置在沥青面层下，研究了不同厚度的沥青层在 软弱地基和坚实地基上的加筋效果，比较了加筋和不加筋情况下沥青面层表面的 竖向变形和沥青面层底部裂缝的发展情况。结果表明，加筋比不加筋可以减少沥 青面层底部3 0 的拉应变，可以使地基层顶部的最大竖向应力减少2 0 一4 0 ， 同时，h a s s 从试验中还发现，采用土工格栅加筋可以比不加筋的情况节省 5 0 1 0 0 m m 的沥青面层厚度。h a s s 没有考虑土工格栅强度和道路基层厚度的影响。 h a s s 等人【1 s 】又进一步研究了格栅和加筋位置的影响。当以2 0 3 c m 作为破坏的标 准时，h a s s 的试验表明通过加筋基层的厚度可以被缩减2 5 5 0 。在经过1 0 0 0 0 个循环后，沥青面层表面的沉降从不加筋的2 0 3 c m 减少到了加筋的1 1 6 c m ，并 且软弱的地基比坚实的地基加筋的效果会更好，尤其是当格栅放置于基层和地基 之间的时候，格栅与土体之间的嵌锁作用使格栅的加筋效应能更好的发挥。另外 还发现，当将格栅铺设在基层中间部位时，只有发生较大的变形，格栅的加筋效 果才能发挥出来。h a s s 没有考虑沥青层和基层弹性模量对加筋效果的影响。 m i u r a 等i l 埘以路面的沉降为比较的依据，对土工合成材料在道路中的应用进 行了全面的研究，得到了以下的结论：当把格栅铺设在基层和地基之间时，在加 荷板中心位置下的格栅应变是最大的，高强度格栅中的拉力比低强度格栅中的拉 4 渐江大学申请博士学位论文 交通荷载作用下软土地基动力特性及加筋道路动力响应研究 力大，并且高强度格栅对抑制路面沉降所起的作用也更大；如果格栅铺设在沥青 面层的底面，当格栅和沥青面层结合的较紧密的时候，沥青路面的性能就能得到 提高；在动荷载作用下，性能能得到更大的提高。 b a r k s d a l e 等人1 9 1 通过对加筋土的试验发现，对于强度较大的路面，铺设在基 层底面下的格栅并没有产生明显的加筋效应。他们的结果表明，将土工格栅铺设 在基层中间或者基层底部时的加筋效果比用土工织物的要好，即使格栅的强度比 土工织物低，这种现象在加荷开始的1 05 个循环内尤其明显。同时，将士工格栅 铺设在基层中间时会导致基层顶部的水平应力有点增大，对于相对厚一点的基 层来说，嵌锁作用只有在较大变形出现的时候才会起明显的作用，而这个时候薄 膜效应也才会更有效。 h a e r i 等【2 0 】通过三轴压缩试验研究了加筋层数，围压，土工织物的类型和布 筋方式对加筋砂试样的应力应变关系的影响。a l a w a j i e 2 1 l 通过模型试验研究了可 压缩性软土上土工格栅加筋砂的沉降和承载力特性。m o g h a d d a s 和s m a l l l 2 2 】研究 了传统的加筋道路系统，发现路面的竖向位移明显减小主要是由筋材与其附近的 土体发生嵌锁作用而产生。h o e 掣1 1 , 2 3 1 将土工格栅先贴在沥青混凝土面层上，然 后再将它们一起置于o t t a w a 砂上，他们研究了聚酯格栅和聚丙烯格栅在单一加 载和循环加载作用下的加筋效果。在达到破坏之前，加筋和不加筋模型的应力和 位移关系差不多都是线性的；在线性阶段，未加筋模型的强度是加筋模型的6 0 。 在循环荷载作用下，采用聚丙烯格栅加筋的系统的强度是不加筋系统强度的3 倍，并且在格栅和沥青混凝土面层之间没观察到脱离现象。这种情况在用聚酯格 栅加筋的系统中没有出现。在未加筋系统中，破坏首先出现在沿着加载基础边缘 的沥青层，接着在砂层出现了剪切破坏现象。 p e r k i n s 2 4 1 通过试验研究了加筋位置、筋材强度、基层厚度以及地基的强度等 因素对加筋效果的影响。他的研究表明，在静态荷载作用下加筋和不加筋道路的 差别很小，但在动态荷载作用下，加筋与不加筋的道路沉降值差别很大。他发现 当把筋材铺设在基层和强度较大的地基之间时，加筋的影响很小。对于强度较小 的地基，当筋材铺设在基层中央的时候，在1 0 0 0 0 个循环时，加筋路面的变形比 不加筋的要减少5 0 ，并且随着加载次数的增加，这种减小的趋势还在增大。 p e r k i n s 还发现，同样的格栅，当它被铺设在基层中央时的加筋效果要好于把格 栅铺设在基层和地基之间的情况；同时，格栅的加筋效果比土工织物的加筋效果 要好。 。g o b e l 等人 2 5 1 的室内试验采用长1 4 m 、宽1 m 、高1 m 的模型箱，模型箱四 周由多层方形框叠成，在高度范围内分别模拟基床上层、道渣层，中间加入土工 格栅层，为了模拟时速为1 6 0 k m h 的列车，采用振动频率为7 1 2 h z ，加载5 1 0 6 次，最大荷载值为7 6 k n 来模拟一年的交通量，用来测试土工格栅的合理加筋位 置，比较加筋与不加筋时，承载力的增加及沉降的减小量。 s 浙江大学申请博士学位论文 第1 章绪论 m a h e r1 2 6 j 通过对纤维加筋砂样的动力试验提出：筋体的存在对于砂的动模量 和阻尼有很明显的影响，应变增大时，加筋对提高砂的动模量更有效，但减少了 对阻尼的影响；围压增大时，加筋提高砂的动模量有效程度减小，但对阻尼的影 响不显著。s h e w b f i d g e 等人【27 】通过动剪试验对单向加筋和双向加筋砂样进行了 研究，认为围压和应变水平影响加筋砂样和未加筋砂样的动模量和阻尼比，而频 率的影响不显著。y e g i a n 2 s 1 研究了动荷载下土工织物接触面的特性，提出了将土 工织物衬垫的非线性用等效土层的线弹性性质来代替的方法。 i h g l l i 等【2 9 j 利用拉拔试验对拉拔力作用下砂中土工格栅的行为进行了研究， 并将试验结果与有限元计算结果进行了对比分析。试验中土工格栅在拉拔力作用 下表现出三类破坏：土工格栅的拔出、拉断以及土工格栅纵肋与横肋之间联结的 破坏。研究指出土工格栅受拉方向的拉伸性能、横向筋肋的柔韧度以及纵横筋肋 之间联结传递荷载的能力等对土中土工格栅的拉拔性能有显著影响。1 9 9 5 年 r a g u i 等【3 0 j 又对土工格栅在砂中的短期拉拔和长期拉拔( 1 0 0 0 小时) 性能进行了试 验研究，试验表明土工格栅在砂中长期拉拔的最大拉拔力与短期拉拔时基本相 等。 g e r a l d 3 u 通过试验研究发现，循环荷载作用下加筋砂垫层中筋材的位置与下 卧层的压缩性对加筋复合地基的沉降及承载力有很大影响。g e r a l d l 3 2 l 又通过室内 模型试验和现场试验证明，在1 0 0 0 0 次循环荷载作用后，加筋道碴比未加筋道碴 可以减少至少5 0 的沉降，并且发现软土层的厚度对加筋效果也有明显的影响。 国内也有不少研究者采用室内试验的方法对加筋土的特性进行了研究。吴景 海等p 习对五种不同的土工合成材料加筋砂土进行了三轴试验研究。指出土工合成 材料加筋砂土具有准粘聚力，加筋砂土仍符合m o h r - c o u l o m b 抗剪强度理论。无 纺土工织物、双向土工格栅和土工网加筋砂土的摩擦角与纯砂的摩擦角基本相 同；经编土工格栅和玻璃纤维土工格栅加筋砂土的摩擦角与纯砂的摩擦角不同。 无纺土工织物、双向土工格栅和土工网加筋砂土的破坏由砂土破坏控制；经编土 工格栅和玻璃纤维土工格栅加筋砂土破坏由加筋的纵、横向筋条结点的抗剪强度 控制。在加筋砂土中，砂土会限制土工合成材料的侧向收缩，导致土工合成材料 的抗拉模量增加，但砂土对各种土工合成材料侧向收缩约束作用程度是有差异 的，对易于“颈缩”的土工合成材料效果显著。加筋土工程中需要考虑填料对土工 合成材料侧向收缩的约束作用。 王伟1 3 4 j 通过模型试验，指出土工织物加筋复合地基能提高地基承载力，减少 地基的沉降，使加筋垫层底部应力均化，避免了应力集中现象的发生。杨锡武1 3 5 】 等利用大三轴试验研究了不同结构加筋材料对加筋土强度特性的影响，试验中考 虑了条带式、双向垂直条带式、网等三种不同结构的加筋材料。指出加筋后土体 粘聚力的变化与加筋材料的结构和数量有关，加筋的效用与侧向应力水平有关， 在较大围压下加筋的作用才能得到充分发挥。同时还指出加筋土的应力应变关系 6 浙江大学申请博士学位论文交通荷载作用下软土地基动力特性及加筋道路动力响应研究 曲线呈双曲线形，加筋材料结构对其影响不明显，加筋的破坏形式为硬化型，可 用双曲线数学模型作为加筋土的本构模型，并给出可供参考的本构模型参数。张 小江口6 】采用自制单轴静、动拉压试验仪研究了纤维加筋土的动力性能，结果表明： 加筋后土的动模量增加，承受拉应变的能力明显加强。梁波等人【3 7 1 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，得出了动内摩擦角和动内聚力两个强度指标。 张孟喜等人 3 8 1 选用窗纱、土工织物、橡胶等到加筋材料，填料采用砂黏土进 行不同围压条件下的三轴试验，得出了窗纱加筋土及土工织物加筋土的应变硬化 一软化的应力一应变三轴试验结果从应力应变曲线看，随着荷载的增加，应力 应变表现为曲线形式，为弹性非线件变形，在此阶段，土体不断被压密，随着荷 载的增加，土体的变形一方面呈增大的趋势，另一方面加筋又限制土体的变形， 使得加筋土的强度提高。在峰值强度之后，加筋土表现为塑性变形，出现负坡度 的变形曲线，并逐渐达到流动状态，此时表现为一水平线。l i 掣3 9 】通过动三轴 试验研究了循环荷载作用下纤维加筋土的动力特性，他们将加筋复合体作为一个 整体研究，分别考虑了加筋量，围压，循环次数等因素对加筋效果的影响，并建 立了加筋土应力应变关系的非线性弹性模型。 表1 - 1 部分文献中实验设施和荷载值 参考文献试验设备设施荷载情况 h a a s e t a l 试验槽周期荷载，压力为5 5 0 l 【p a ，圆板直 ( 1 9 8 8 )4 5 + 1 8 * 0 9 m 径为3 0 0 m m ，频率8 h z m i u r a e ta i 试验槽周期荷载，压力为2 0 0 k p a ，圆板直 ( 1 9 8 8 )1 5 + i 5 + 1 0 m 径为2 0 0 m m ，频率o 1 8 h z b a r k s d a l ee ta 1 室内大型试验轨道多轨道测试，随机施加循环荷载， ( 1 9 8 9 ) 1 4 * 0 5 * 0 8 m 压力4 6 0 5 0 0 k p a ，半径6 8 7 6 m m ， 速度3 2 - 4 8 k m h s m a l la n dn e j a d 室内大型试验轨道移动的单轮和多轮荷载，压力 ( 1 9 9 6 ) 1 4 * 0 5 * 0 8 m 2 1 0 k p a ，半径2 3 0 m m ，速度o 1 8 m s p e r k i n s 室内大型试验轨道圆形钢板施加的移动单轮荷载，压 ( 1 9 9 9 ) 2 + 2 + 1 5 m 力5 5 0 k p a ，半径3 0 5 m m ，速度 0 6 7 m s 7 浙江大学申请博士学位论文 第1 章绪论 表1 - 2 部分文献中格栅和道路各层的信息 参考层厚( m m )力学性质格栅类型 文献面层基层 地基面层基层地基 和位置 h a s se t7 5 1 0 0 1 5 0g w s p , a 3t e n s a r , b x l1 0 0 ， a 1 1 0 0 2 0 0 。2 5 0a 1 b c b r = 8 ，3 5 ， 位于基层底部、 ( 1 9 8 8 ) 3 0 0 1 。饱和 中间、顶面 m i u r ae t5 01 5 06 0 0e = 5 0 0e = 2 5 0 e = 2 0 k g e m 2t e n s a r , b x l 2 0 0 ， a 1 k g c m 2 k g c m 2 t = 0 4 7位于地基顶面 ( 1 9 8 8 ) 2 0 0 “= o 4 3 = o 4 3 和基层顶面： t e n s a r , b x l3 0 0 ， 位于地基顶面 b a r k s d a l e3 22 0 84 2 5e = 2 8 7 4e - - 2 1 1c b r - 2 6 t e n s a r , b x l l 0 0 ， e t 1 0 0 0 ( k p a )( 即a ) c b r i l 5 位于基层底面， a 1 ( 1 9 8 外= 0 4 3 = o 4 3预拉时位于基 层中间 s m a l l2 04 0s ps p t e n s a r , b x l 2 0 0 ， a n d a 1 aa 3 位于地基和基 n e j a d 层交界处和基 ( 1 9 9 6 ) 层中间 p e r k i n s7 52 0 01 0 4 53 4 0 0a 1 a o r c b r = 1 5 ，t e n s a r , b x l1 0 0 ， ( 1 9 9 9 ) g w1 5 位于地基和基 3 0 01 1 2 8 3 9 2 0 口一4 8 。 层交界处、距界 面以上4 0 m m 3 7 59 7 01 7 1 0 和基层中间： t e n s a r , b x l 2 0 0 ， 位于地基和基 层交界处 1 3 2 现场试验及观测 l o c k e r 和m a t t o x 4 0 j 在美国阿拉巴马州，修建了一条6 6 2 米高、1 5 9 米宽、 边坡坡度为1 ：3 的桥的入口段，路堤建造于软弱的沼泽沉积土上，其施工采用了 5 种不同的土工合成材料，用了6 层高密度的聚乙烯单向土工格栅来加筋路堤， 从而使得全路堤高度的施工一次完成，避免了分阶段施工。地基包括一软淤泥粘 土层，其下为淤泥砂层和粘质砂层。淤泥粘土层厚度在2 7 4 米到5 1 8 米之间， 天然含水量为4 5 ，1 0 5 ，液限为3 2 5 5 ，塑限为9 3 0 。这一层土的不排水抗 剪强度在顶部的8 k p a 到底部的l l k p a 间变化。研究结果发现：相比传统的改善 土体的方法，采用加筋的方法，为项目带来了显著的经济效益，同时，采用加筋 免去了分段施工。混合运用加筋结构和竖直排水极大的改善了路堤的性能。 m a a o x 和f u g u a 4 q 对一建于红树湿地上的公路路堤进行了观测研究。该湿地 由高度有机土组成，路堤的红树地基包括上层4 米厚的低塑性砂质粘土( 液限 浙江大学申请博士学位论文交通荷载作用下软土地基动力特性及加筋道路动力响应研究 5 6 ，塑限3 2 ) 和下部1 3 5 米厚的塑性更高的有机质粘土( 平均液限7 6 ，塑限 2 9 的。设计在含4 米厚的粗粒填土上，再加上1 5 米的路堤，分两阶段施工。由 于该地以前曾有一非加筋路堤在6 米高度时破坏，因此采用从历史破坏路堤回算 得到土性参数的方法进行了稳定性分析，结果表明要提供可接受的安全系数，需 要三层单向土工格栅( j 5 = 1 0 8 0 k n m ) 。在实际施工过程中，第一阶段路堤填筑 厚度在3 1 2 米3 4 米之间，结果由于超孔隙水压力比预计的消散快，5 0 天( 原计 划是1 3 0 天) 之后便填筑了第二阶段1 2 4 米1 8 4 米左右厚度的土层。这表明运用 土工格栅加筋，同时采用每层控制填筑速度的分阶段施工，能保证在先前建造非 加筋路堤失败的软沉积土上成功完成路堤建筑。另外，第一阶段施工中量测到的 孔隙水压力比设计计算时预测的明显更小，这是由于设计中固结系数选取得倾于 保守所致。 h a s h i z u m e l 4 2 1 在日本s h i m a n t o 地区，在1 5 米厚的软土地基上，用8 个月的 时间建造了一条1 3 2 米高的加筋路堤。观测到加筋拉力( 大约6 0 k n m ) 只是设计 值的1 3 。施工期末的最大水平位移和沉降分别为2 5 c m 和8 0 c m 。通过现场的 观测资料，h a s h i z u m e 等认为，由于设计中的简化和假设，加筋路堤的实地性能