（道路与铁道工程专业论文）加筋膨胀土路堑边坡变形行为分析.pdf

摘要 膨胀土是一种特殊的粘性土，其特殊性表现在：吸水膨胀软化，失水收缩干 裂，强度随含水量的变化波动幅度大，并且峰值强度高、残余强度低，同时具有 超固结性和多裂隙性，其矿物成分以强亲水的蒙脱石和伊利石为主。由于膨胀土 这种随含水量变化而显著的胀缩特性，使得膨胀土地区的建筑、铁路、公路、机 场和水利等工程建设受到巨大的威胁，同时这种威胁随着工程建设事业的迅速发 展而变得更加严重，因此引起了岩土工程界科技人员的极大关注，并使膨胀土的 工程问题是成为我国今后工程地质和岩土工程领域的重要研究课题之一。 本文根据膨胀土膨胀变形试验和抗剪强度试验两个方面研究膨胀土变形参数 和抗剪强度参数的变化规律。 根据膨胀土试验数据的拟合公式，结合湿度应力场理论，利用f l a c 软件首 先研究了无加筋情况下膨胀土路堑边坡破坏模式及变形行为；然后研究了加筋竖 向布置间距分别为o 5 米及l 米两种加筋类型下加筋膨胀土路堑边坡的表面的水平 位移、内部土体的位移、筋材的力学响应，得出有无膨胀力两种情况下加筋膨胀 土路堑边坡变形特性，本文还考虑了筋材拉伸模量因素对膨胀土加筋路堑边坡的 影响，得出了利用格栅加筋膨胀土可以有效地提高膨胀土路堑边坡的稳定性，防 止膨胀土路颦边坡浅层牵引式破坏。 关键词：膨胀土；土工格栅；湿度场；路堑边坡；数值分析 a b s t r a c t e x p a n s i v es o i l i sas p e c i a lc l a ys o i l ，i t sp a r t i c u l a r i t yd i s p l a y si n ：w a t e rs w e l l i n g s o f t e n i n g w a t e r l e s ss h r i n k i n gc r a c k ，a n dt h es t r e n g t hf l u c t u a t e dv e r yb i ga l o n g w i t h m o i s t u r ec o n t e n t a n dh i g hp e a ks t r e n g t h 、l o wr e s i d u a ls t r e n g t h ，m e a n w h i l e h o l d i n g ( p o s s e s s ) o v e r c o n s o l i d a t i o na n dm o r ef i s s u r e i t sm i n e r a li n g r e d i e n ti sm a i n l y i n c l u d e ds t r o n g l vh y d r o p h i l i am o n t o n o r i l l o n i t ea n di l l i t e d u et o t h es i g n i f i c a n t s w e l l s h r i n kc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x p e n s i v es o i la l o n gw i t hm o i s t u r ec o n t e n tc h a n g e ， i tc a u s eh u g ht h r e a to nt h ea s p e c to fc o n s t r u c t i o n ，r a i l r o a d ，a i r p o r t 、a n dh y d r a u l i cw o r k i nt h ee x p a n s i v es o i la r e a s i m u l t a n e o u s l yt h i st h r e a tb e c o m e sm o r es e r i o u sa l o n g w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n t h e r e f o r ei th a sa r o u s e de n o r m o u s i n t e r e s ti nr o c ka n ds o i lf i e l da n db e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c t h ed e f o m a t i o na n ds h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so fe x p a n s i v es o i la r es t u d i e df r o m t w ok i n d so fe x p e r i m e n tt h a ti se x p a n s i v ed e f o r m a t i o ne x p e r i m e n ta n ds h e a rs t r e n g t h e x p e r i m e n t d e s t r e u t i o nm o d ea n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o r so fe x p a n s i v es o i lc u t t i n gs l o p ea r e s t u d i e db yf l a cs o f t w a r e ，c o m b i n e dw i t hm o i s t u r ef i e l ds t r e s st h e o r y ，a c c o r d i n g t o f i t t e de q u a t i o no fe x p a n g i v es o i lt e s td a t a t h i sa r t i c l ea n a l y s et h ed e s t r u c t i v em o d ea n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o ru n d e r t h en o r e i n f b r c 啪e n tc o n d i t i o nf i r s t l ya c c o r d i n gt of i t t e de q u a t i o no fe x p a n s i v es o i lt e s td a t a ， u s i n gm o i s t u r es t r e s sf i e l dt h e o r ya n df l a cs o f t w a r e ；t h e na n a l y z i n gt h e s u r f a c e h o r i z o n t a id i s p l a c e m e n t 、i n t e r n a ld i s p l a c e m e n t 、t e n s i o no fg r a t eo ft h er e i n f o r c e d e x p a n s i v es o i lc u t t i n gs l o p e ，g e t t i n g t h ec o n c l u s i o na b o u td e f o r m a t i o nc h a r a c t e r u n d e rh a v ea n dn os w e l l i n gp o w e r ，t h i sa r t i c l ea l s oc o n s i d e r e dt h ee f f e c to f r e i n f o r c e d e x p a n s i v es o i lc u t t i n gs l o p eu n d e rd i f f e r e n tm o d u l u sf a c t o r o fg r a t ea n dg e t t e dt h e c o n c l u s i o nt h a tu s i n gg e o g r i dg r i l l er e i n f o r c e m e n te x p a n s i v es o i l c a ni n c r e a s et h e s t a b i l i t vo ft h ee x p a n s i v es o i lc u t t i n gs l o p ea n dp r e v e n ts u p e r f i c i a ll a y e rp u l l - t y p e d e s t r u c t i o n k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i l ； g e o g r i dg r i l l e h u m i d i t yf i e l d ；m o a ts l o p e ； n u m e r i c a la n a l y s i s n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名：冀两t 仰c 怎 j 1 日期：1 了睁f 月心日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：c 0 西。节 日期：v 彤年r 月j _ 日 导师签名： 日挑产厂月叮日 1 1 引言 第一章绪论弟一早瑁下匕 膨胀土是一种以强亲水的蒙脱石或伊利石为主要矿物成分的高液限 粘性土，其特性主要表现在：吸水膨胀软化，失水收缩干裂，强度随含 水量的变化波动幅度大，并且峰值强度高、残余强度低，同时具有超固 结性和多裂隙性。其中胀缩特性是造成膨胀土路堑边坡破坏的主要肇因。 膨胀土随含水量变化而引起的胀缩特性，使得膨胀土地区的建筑、铁路、 公路、机场和水利等工程建设受到巨大的威胁，同时这种威胁随着工程 建设事业的迅速发展而变得更加严重，因此引起了岩土工程界科技人员 的极大关注，使膨胀土的工程问题是成为我国今后工程地质和岩土工程 领域的重要研究课题之一。 膨胀土路堑边坡的破坏有着与其它路堑边坡不同的特性，在干旱季 节，水份蒸发，膨胀土收缩而产生许多裂缝。这一方面使其失去了强度， 因为裂缝中是没有抗剪强度的；另一方面，成了水的通道和水的存储器。 雨季水通过裂缝渗入内部，就使内部一定范围内土的强度降低。内部没 有裂缝的部分渗透性又低，水就保持在裂隙中，对裂缝的两侧面作用有 水压力，增加了引起滑动的力。失去和减小强度，同时增加了滑动力矩， 这都是对路堑稳定性不利的；其次，膨胀土边坡的上覆压力越大，其膨 胀性越大，通常坡脚的膨胀性比坡顶要大得多。再次，膨胀土由于其超固 结性，在边坡开挖过程中，随着上覆土层重量的卸除，引起土体结构松 弛和超固结应力释放，使得开挖土体在湿度影响范围内产生膨胀变形， 局部松动，随着开挖的不断进行，上部的松动对下覆土层会产生牵引力， 这样一级一级的下去，形成膨胀土边坡的渐进破坏。 由于膨胀土路堑边坡破坏具有胀缩性、裂隙性和超固结性等特性， 其引发的工程灾害普遍具有长期性、反复性和潜在性的特点，工程师及 学者目前非常重视膨胀土边坡的处治，并针对不同的工程问题提出了各 种防治边坡病害的措施。本文认为膨胀土边坡的处理不能简单的依靠削 坡减载或刚性支挡或全封闭来处理，而应该充分了解膨胀土的工程特性、 工程地质条件、大气影响深度及土体的结构性能，选择合理有效节约的 加固防护方案， 对膨胀土边坡做过很多处治方法的研究，目前国内在膨胀土边坡中 主要的处治技术有： l ( 1 ) 铁道部门的处治技术 在国内，铁道部门较早地开展了膨胀土路堑边坡防护加固的技术研 究，采用最多的是刚性支护和坡面全封闭措施。 焦柳铁路与汉宜公路交汇处( 雅雀岭段) 铁路路堑边坡发生大面积 滑坡后重新采取了系统的滑坡处治设计，其设计思路是在放缓边坡的同 时采用大直径抗滑桩及重力式挡墙抵抗主滑坡体，坡面采用分级窗式骨 架护坡，并在主滑坡体的第一级坡面上采用浆砌片石全封闭护坡，一方 面阻止坡面土体的膨胀变形，另一方面是阻止雨水沿坡面下渗，减少抗 滑桩的受力。在路堑顶部用浆砌片石配合水泥砂浆抹面( 宽度大于5 米) 封顶，结合天沟截、排水。这是一个采用重力式结构的综合处治系统成 功应用于膨胀土路堑滑坡的典型例子，尽管处治效果是令人满意的，但 其技术经济性是否合理，还值得商榷。 南昆铁路林逢车站某路堑防护与加固方式( 挡土墙+ 分级浆砌片石护 坡) 和南昆铁路林逢车站k 135 + 38 0 右路堑边坡挂网喷浆，这两种结构 在铁路沿线采用最普遍，也是属于典型的全封闭支护措施，其效果究竟 如何，铁道部第二勘测设计院科研所在关于南昆铁路膨胀岩路堑边坡 设计原则的探讨一文中曾指出：采用浆砌片石的侧沟、天沟截排地表 水，侧沟平台和堑坡平台以混凝土封顶，堑顶设浆砌片石和石灰土护裙 防止地表水下渗( 护裙最宽达10 m ) ，并与全封闭护坡结合，组成完整的 防排水系统，实践表明这些措施并不能收到预期的效果，甚至适得其反， 有必要对防排水工程措施加以重新认识。 南昆铁路林逢车站附近一段膨胀土矮路堑采用桩板式挡土墙，此处 边坡很缓( 坡率小于l ：8 ) 且高度不超过2 m ，但是仍采用大直径的抗滑 桩构成的桩板式挡土墙进行支护，这种处治措施是否合理也值得思考。 ( 2 ) 公路部门的处治技术 公路部门对膨胀土路堑边坡采取的支护措旌，尤其是对大型膨胀土 滑坡的处治，最初主要也是沿用铁路部门的已有的做法。 如云南楚大路k 39 + 3 3 2 k 3 9 + 6 8 4 段深路堑边坡全封闭处置措施( 矮 挡墙+ 分级浆砌片石护坡，坡率1 ：4 ) ，在19 9 6 年路堑开挖施工过程中两 侧边坡出现多次垮塌，经过几次整治，最后将边坡放缓至l ：4 ，并采用两 级平台，设置了平台截水沟的全封闭方案处治方式，耗资近千万，后来 仍有局部发生破坏，经修补基本保持整体稳定。 南宁市人民公园膨胀土路堑滑塌后采用圆柱形抗滑桩+ 拱形挡墙+ 坡 面浆砌片石封闭的措施来处治，这种处治方式也是沿用铁路部门的做法， 主要的设计尺寸为桩径1 5 m ，桩的间距为3 5 m ，桩与桩之间用浆砌拱墙 2 相连，每幅拱墙设3 个泄水孔，孔径5 l0 c m 。目前，该边坡已稳定运 营了十多年，是一个成功的处治例子。 正在建设中的云南平远街立交桥处强膨胀土矮路堑处治方案( 抗滑 矮挡墙+ 浆砌片石护面) ，它也是类似于铁路部门的做法，本来墙后土体 自然坡率很缓，但仍采用足够厚的浆砌片石进行坡面封闭，这种处治方 法显得有些过于保守。 广西南潭路( 在建) k 10 + 30 0 高边坡坡面封闭施工( 两布一膜+ 拱形 排水骨架+ 矮挡墙) 和广西水南路路堑边坡防护( “两布一膜”+ 拱形排水 骨架) ，这种方案是公路部门近年逐渐发展起来一种新的防护形式，此防 护形式较为经济，主要适用于高液限红黏土路堑边坡。 广西南柳高速宾南路段路堑处治措施( 矮脚挡墙+ 无砂大孔+ d a h 表 面土质改良) ，这也是公路部门自主研究出的一种新的防护形式，通过 d a h 进行坡面土质改良，有较好的防护效果，尤其适合于以收缩开裂为 主的高液限土边坡。 ( 3 ) 水利部门的处治技术 2 0 0 4 年水利部门在修筑南阳市引丹灌区时，对膨胀土与土壤固化剂 混合后的固化土进行了物理力学性能试验，并用固化土修建了土工格栅 加筋土坡，以之对引丹干渠桩号k 0 + 9 7 7 k l + 0 2 7 右岸滑坡进行治理， 取得了成功。其设计方法是：修筑3 6 m 、坡率为l ：2 的加筋土坡对高度 为6 m 的滑坍边坡进行支护，上部2 4 m 边坡采用l ：1 5 的坡率且不做处理， 下部1 8 m 加筋土坡深度范围内，利用滑坡体的土料加8 的土壤固化剂 混合后做填料，并铺设长度为8 5 m 、型号为t g d g s 0 的土工格栅，中部 1 8 m 范围内用滑坡体的土料做填料，加筋的长度为6 5 m ，加筋间距均采 用6 0 e m ，其加筋土坡是按：水利水电工程土工合成材料应用技术规范 进行设计的。 加筋土可以协调膨胀土的胀缩变形，并且处治费用低，施工简单。 虽然水利部门用加筋土坡成功地处治了膨胀土边坡的滑坍，但是，由于 对膨胀土加筋边坡的破坏机理的认识不够深入，使得这一技术的推广应 用比较缓慢。为此，需要对在吸湿情况下膨胀土路堑边坡的应力及应变 规律进行研究。 1 2 膨胀土湿度场模拟方法及大气影响深度研究现状 膨胀土体遇水作用后主要有两个方面的因素造成其体内的应力和应 变场发生变化：其一，由于体积膨胀变形受到外部约束和体内各部分之 间的相互约束，不能自由发生所引起；其二，由于局部受湿度场影响， 3 导致土性的软化所造成。因此，在膨胀土工程中，除了要研究膨胀土体 自身应力和开挖等因素引起围岩中的应力和位移变化外，还要研究遇水 作用引起的应力和位移变化。在一定的水源作用下，边坡中各点含水率 将随其位置而发生变化，称之为湿度场的变化，而由于温度场的变化而 引起的应力场变化就称为温度应力场。 目前，有不少分析和计算膨胀土遇水作用问题的理论和方法。例如： 一维膨胀理论及三维膨胀理论、流变本构方程型膨胀理论等。但是，这 些理论都建立在特定的膨胀土实验模型基础上，因而都限于某种特定的 环境因素。受温度应力场理论的启发，缪协兴提出了一种新的温度应力 场理论。 缪协兴提出的湿度场理论，其基本思想是： ( 1 ) 膨胀岩吸水后产生体积膨胀和软化，恰好类似材料的温度效应。 一般材料当温度升高时会产生体积膨胀和软化。 ( 2 ) 当物体上受到某个热源作用时，体内会形成一个热传导方程控 制的温度变化场。而当围岩受到某个水源( 或湿空气) 作用时，围岩内 也会形成一个受水分扩散方程控制的湿度( 含水率) 变化场。 由于温度场的研究已经较为成熟，因此将膨胀土吸湿引起的强度软 化和膨胀等效成变温引起的物性变化，将由水入渗引起的湿度场等效成 由温度变化引起的温度场，这两者的应力应变场的控制方程相似，数值 计算方法相似。 但是温度等效湿度问题仍需要解决两方面问题：( 1 ) 膨胀土的湿度 场变化；( 2 ) 湿度向温度的转化计算。 大气影响深度在土木工程实践中尤其是建筑工程中已经得到广泛应 用，并形成了各种膨胀土行业规范，大量的研究表明膨胀土的胀缩作用 主要发生地表2 3 m 左右，当然也受降雨时间和地下水位的控制。一些 学者对此也进行了研究，姚海林h ，通过现场测试得到湖北某高速公路，路 堑雨季土层湿度沿垂直深度的变化，陈善雄得到的降雨后的含水率变化 ，膨胀岩的含水量变化主要集中在2 m 范围内，且含水量变化右上到下 逐渐变小，变化呈双曲线型。对于第二个问题，可以通过膨胀土的原位 或室内试验来确定膨胀系数、渗流参数等与温度场相关的参数。 1 3加筋挡土墙国内外研究现状 1 3 1土工合成材料加筋土简述 在国外，随着化纤工业的发展，相继出现了多种土工合成材料产品， 4 土工合成材料逐渐被应用于加筋土工程，部分代替了金属材料。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 行了包裹式加筋挡土墙的试验研究，m i c h e l l 和v i l l e t 首先试验包裹式加 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 ( 19 7 4 年) 和奥林匹克国家公园( o l y m p i cn a t i o n a lf o r e s t s ，19 75 年) 修建了包裹式 加筋挡土墙，然后制定了设计和施工指南。在美国联邦公路局( f e d e r a l h 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 wy o r k 、c o l o r a d o 等洲 的公路部门也于二十世纪8 0 年代修建了包裹式加筋挡土墙，从l9 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。从l9 8 6 年，土工合成材料加筋土在美国迅速普及，用于加筋挡土墙、加筋陡坡、 软基上加筋路堤。目前土工合成材料加筋土工程在欧美国家应用比较广 泛。 在我国，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。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，加上 国家加大基础设施的投资，土工合成材料加筋土工程有了大发展，取得 了可喜的成果；但主要应用于铁路、公路的软基处理，土工合成材料加 筋土挡土墙、加筋土桥台、加筋陡坡等才刚刚兴起。需要指出，我国土 工合成材料加筋土技术起步与国外几乎同步，但由于我国重应用，轻现 场观测、模型试验和理论研究，同时应用领域比较单一，导致目前我国 土工合成材料加筋土技术研究水平与国外的差距比较大。 1 3 2土工格栅加筋机理的研究 对土工格栅加筋机理，国内外开展了许多研究，并取得了一些成果。 这些研究主要集中在以下三个方面： ( 1 ) 土与土工格栅加筋机理的试验研究回顾 在加筋土结构中，筋土界面的相互作用性状异常复杂，土工布、土 工织物、土工格栅等土工合成材料的测试手段和分析方法近一、二十年 来发展很快，成果极丰富，有一定代表性的成果有( a l f a r d o e t a le t a l ， l9 9 5 ；b a u e r ，g e a n dz h a o ，y 1 ( 19 9 3 ，c h a n d a ng h o s h & a m i tb h a s i n ， 19 9 6 1 ，d t b e r g a d oa n dj c c h a i 。，h 0e h i a i “1 ，j e w e l l e t a l 2 ”， w i l s o nf a h m y e t a l ，19 9 4 a 、b 2 2 23 1 ：r o w e ，e ta 1 【2 4 、25 1 ，r m ，k o e r n e r ， e ta 1 似”圳) 。为保证加筋土结构内部稳定性，要求加筋土结构筋土界面不 5 发生筋材的拉断破坏、拔出破坏；所以，已经有许多测试方法，包括加 筋材料的性能试验、筋土界面特性试验、模型试验、现场测试试验和实 际工程工作状态监测；其中，筋土界面相互作用机理研究和性状的试验 方法可归纳为二种： 1 ) 直接剪切试验法：早期研究为筋土界面相互作用机理及获取筋土 界面的抗剪切强度，即筋土界面的粘结力和摩擦角或视摩阻力系数，后 期研究则侧重于局部剪应力一剪应变之间的关系研究( c h a n d a ng h o s he t - a l1 9 9 6 。1 ) 。a b r a m e n t o & w h i t t l w ( 1 9 9 5 a 19 9 5 b ) 尝试用s h e a r 1 0 9 剪应 力对数坐标分析和解释加筋土结构设计和测试的试验结果。 2 ) 拉拔试验法：为了工程设计需要，早期研究的目标搞清筋土界面 相互作用机理及筋土界面的摩擦力系数，以确定合理的锚固长度，并进 行稳定性分析；后期则注重研究筋土界面剪应力随筋土界面相对位移的 变化规律，拉拔试验已经被广泛地应用于研究加筋土挡墙和边坡、加筋 地基等加筋土工程。( j u r a ne ta 1 19 8 8 旧引；p a l m e i r aa n dm i l l i g a nl9 8 9 ) 。 ( 2 ) 土与土工格栅相互作用机理 以下简要介绍数值仿真技术在土与土工格栅相互作用机理方面的研 究成果，数值仿真的关键问题在于土工格栅与土相互作用的模拟。早期 的有限元模型常利用弹簧单元模型模拟筋土之间的相互作用( 19 9 6 年， 李艳春等阳) ，这一方法简便，但较为粗略。l9 9 7 年闰澍旺纠等结合拉拔 试验建立了土工格栅在拉拔状态下与土相互作用的有限元分析模型，试 验与计算的对比分析表明，土对处于拉拔状态下土工格栅的阻力由土与土 工格栅的表面摩阻力以及土对横肋的阻力两部分构成，其发挥程度与土工 格栅变形的大小有关。摩阻力在较小的变形时即已达到峰值，此后横肋 阻力随土工格栅变形的进一步增加而逐渐占主导地位，承担着9 0 左右 的荷载。随着超载压力的增加，拉拔状态下土工格栅在土中产生变形部 分的长度将减小。土工格栅在土的阻力全部发挥之前即已破坏。2 0 0 1 年 张兴强等建立了解决平面问题的土工格栅与土相互作用的动力有限元分 析模型，模型分别采用不同的本构关系模拟土工格栅纵肋、横肋与土的 动力相互作用，并基于该模型编制了加筋土的动力有限元分析程序，应 用于道路加筋工程的分析之中。 ( 3 ) 土工格栅加筋土强度性能 一般认为，加筋土强度的提高或者说加筋体内部稳定性的增加，其 基本原理存在于筋一土之间的相互摩阻联结之中。筋一土之间相互作用 的基本原理一般可归结为两大类：1 摩擦加筋原理；2 准粘聚力原理， 或似粘聚力原理，按摩擦加筋原理，每一层拉筋的锚固长度上与稳定区 6 土体之间所产生的摩擦阻力要均能抵抗相应的土推力。整个加筋体的内 部稳定性就能得到保证。摩擦加筋理论由于概念明确、简单，因此在高 拉伸模量( 如金属加筋) 加筋土的实际工程中得到较广泛的应用。而粘 聚力理论认为加筋土体强度的提高，可看作是加筋提高了土体的粘聚力， 而并未提高土体的内摩擦角，但在文献认为加筋不但提高了土体的粘聚 力，而且也提高了土体的内摩擦角；3 均质等代材料原理，可将加筋体 看成为交替正交层系，要求加筋体应在工作荷载条件下而不能在极限荷 载条件下，均质等代材料分析计算可采用有限元法、有限差分法、边界 积分法或积分变换法来求解；4 弹塑性层板理论，把整个加筋体看成由 粘结在一起的层板单元的有限层组成。假定每一层单元具有惟一的确定 的材料性质，则可用增量法计算层板单元在弹塑性状态下的位移和应力， 从而对加筋体的应力一应变特性进行分析。弹性层板理论计算一般采用 有限元法进行计算，关键是要选择并确定层板单元的弹一塑性模型和相 应的屈服准则；5 数值分析方法，包括有限元分析方法，有限差分法等。 1 3 3 对膨胀土灾害和加筋处治的研究成果回顾 目前，在膨胀土的评价、工程地质特性、胀缩机理、试验技术、变 形与强度特征、地基和边坡的工程实践等方面，国内外工程界已取得了 一定水平的研究成果。 下面简要回顾一下国内使用土工合成材料处治膨胀土的室内试验及 试验路段成果：针对加筋挡墙的处治，许岩通过模型试验，以土工格栅 为筋材，以中等膨胀土为填料，考虑含水量和密实度对膨胀土工程性质 的影响，采用对比试验的方法研究含水率和密实度对挡墙承载力、变形 的影响。l9 8 9 年王钊教授等在引丹五干渠用土工织物回填当地膨胀土进 行渠道滑坡治理，工程运行至今，渠坡稳定性很好。曹永和针对铁路工 程中的膨胀土进行了土工合成材料加固路堤的施工技术研究。甘单宁探 讨膨胀土柔性边坡挡墙设计原理、施工技术以及施工中的质量控制。针 对“南友 边坡的实际情况，长沙理工大学课题组在总结近十多年膨胀 土工程处治技术的基础上创造性的提出了土工格栅柔性支护的处治方法 并修筑了试验边坡，取得了较好的处治效果。常德一张家界高速公路部 分通过膨胀土地区的试验路段也采用了加筋的处治方法，膨胀土路段路 堤没有出现膨胀现象。正在设计的南水北调中线工程约有3 4 0 k m 长的总干 渠通过膨胀岩土地段，其边坡拟采用土工格栅加筋开挖料处理。 膨胀土的以上处治为我们了解加筋技术对膨胀土的适用性获取了大 量的宝贵经验，但膨胀土复杂的特性给工程处治的研究仍带来了许多困 7 难，以致目前对加筋膨胀土加筋机理及加固效果的研究仍不成熟。 1 3 4加筋土数值分析的研究现状 加筋土结构的有限单元分析起步较晚，7 0 年代后开始运用该方法预 测加筋土结构的变形及内部稳定性分析。如张佑启( 19 7 4 ) 、b a n e r i e e p k ( 19 7 5 ) 、n a y l o r d j ( 19 7 8 ) 和s a l o m o n e m a ( 19 78 ) 等人提出用有限 元法预测加筋土结构的内部稳定性。有限单元分析的优越性是将加筋土 体结构的变形协调性和应力平衡结合在一起，克服了传统极限平衡理论 将两者完全分开的局限，并且可以模拟某些复杂性质及过程( 如加筋土 结构的施工过程) ，能够考虑岩土材料的非线性、层状体系及筋土之间的 非线性相互影响等因素，能够模拟不同工况下加筋土结构的工作机理与 破坏性状，具有极高的经济性，在一定条件下也具有极高的可靠性，是 现阶段岩土工程数值模拟中最通用的方法。有限单元分析为加筋土技术 在重大结构中的应用提供了理论上支持。 用数值分析加筋土结构目前存在三种模式： 一是采用复合材料的观点和方法，通过一定的力学公式，根据土与 筋条各自的参数，将加筋土转化为一种等价的匀质材料，采用均质材料 的数值分析方法求解。加筋土结构由于其主要组成材料( 筋材和土体) 的工程力学性质具有巨大的差异性，因此展示出强烈的各向异性，这在 用相应的网格离散数值模拟这种结构的力学行为时，将带来处理上的困 难，或者在计算时间的消耗上将大大增加。因此，可供选择的方法较多 的归诸于均质化方法，从各个组成部分导出复合土结构的宏观特性。在 加筋土的复合材料方法计算中，通常假定加筋土的宏观应力。由素土的 仃。和筋材的盯。两个微观应力组成： p = r ，p ， + ，7 窖 o r 譬j ( 1 1 ) 然后据此构造复合材料的模型( 其中r ，和r 。分别为素土和筋材的体 积分数) 。 加筋土的复合材料计算模型经历了从弹性、弹性非线性到弹塑性乃 至流交模型的发展过程。早在l9 7 2 年，h a r r i s o nw j & g e r r a r dc m 提 出把正交各向异性材料的弹性理论用于加筋土”。假定加筋土是由无限 薄、刚度无限大的紧密布设平行材料加筋的软土层，该理论是建立在 w e s t e r g a a r d 提出的加筋媒体的等效特性和s a l a m o n 发展的有关等效均匀 材料的弹性特性的计算方法的基础之上，采用半空间正交各向异性材料 在点荷载、带状荷载和循环荷载作用的已知解就可求得加筋体系中的应 力和位移。但这种方法假定土和筋材都是线弹性体，其计算结果与实际 情况相比有较大差异。l9 8 2 年，g e r r a r dc m 将加筋土当作层状j 下交均质 加筋体，进一步发展了上述等效材料模型“，但在模型中假定加筋结构 体符合半无限条件，许多加筋土结构，如加筋土挡墙就不满足这个条件。 19 7 6 年，r o m s t a dk m 和s h e nc k 等人h5 - 考虑加筋土体内的摩擦特 性，把加筋土体看成一种正交的复合材料，并提出了“单位单元 和“代 表单元 的概念，认为加筋土体由完全能够代表材料的复合特性的“单 位单元 组成，“单位单元”面上的应力和应变分布的平均值就等于等效 复合材料的应力和应变。因此，通过简单复合体的应力应变状态和“单 位单元 的近似应力应变关系，就可确定整个加筋土体的应力应变关系。 这种关系考虑了复合材料的非线性弹性性质，但没有考虑到土的塑性性 质，是一个非线性弹性模型。 l9 9 3 年，d ip r i s c oc & n o v ar 将加筋土看作由未加筋土和只能承 受拉力的摩擦介质两种连续体组成，并且两种连续体平行作用且应变相 同，应力叠加，由两种连续体的本构关系就可推出加筋土的非线性本构 关系；但这种模型不能反映应力峰值，并且也不能正确地反映体变趋势。 19 9 4 年，s h u k l as k & c h a n d r as 将加筋土的各个部分简化成一 般的力学单元，例如可延伸的粗糙的弹性膜、剪切层、弹簧和阻尼器等， 提出了软土地基上土工合成材料加筋土的沉降计算普遍力学模型。此模 型考虑了多个控制因素，例如粒状填料的压缩性、压实特性，软土的时 间相关特性以及合成材料加筋体的预应力，还有材料和筋土界面特性。 但此模型是一个一维模型，只能考虑沉降方向的变形，对二维或三维问 题不能求解。19 9 7 年，殷建华进一步发展了这一模型，将土体和弹簧 模型都假设为双曲线函数来代表粒状填料的非线性剪应力一应变关系和 软土的非线性性质。 2 0 0 0 年陈( c h e n ) 等利用均质横观各向同性的概念，建立了加筋 土的非线性均质模型。此模型假设土和加筋材料都是各向同性的，在土 和加筋材料的交界面上为完全约束条件，把加筋土看作等效均质材料， 通过切线拉伸模量和泊松比的不同来考虑其水平和竖向的异性性质，同 时还考虑了加筋土的剪切特性。 以上这些学者的研究工作仅限于弹性范围。但由于土是一种弹塑性 材料，加筋土体也应是弹塑性体。2 0 0 0 年，n e ja de n s a nm & s h a h r o u r1 1 假设土和筋材都为弹塑性材料提出了一个简化的弹塑性宏观模型。在 模型中，加筋材料的特性由轴向刚度和强度来反映。土的特性由拉伸模 量、泊松比、屈服函数和塑性势来控制，在模型的应力一应变关系中假 设土和筋材的变形是完全一致的。此模型的主要优点是在数值分析计算 9 中的积分可以简化，但它不能考虑土和筋材分离的情况，并且还需要实 验结果的进一步验证。同年，张孟喜和孙钧，在土工合成材料加筋土应 变软化试验研究的基础上，提出了适合加筋砂粘土特性的三段式弹塑性 计算模型，并对加筋土挡墙进行了弹塑性有限元分析。此模型虽然采用 了若干不同的土工合成材料加筋，但只对砂粘土进行了研究，是否适用 于其它的土类，还有待迸一步验证。 许多加筋材料都具有蠕变特性，如土工合成材料。如果考虑加筋土 体的应力、应变随时间的变化，就应采用与时间相关的流变模型。19 9 9 年，s a w i c k ia 一a ，等建立了适用于土工合成材料加筋土的流变模型。该 模型建立在连续介质的基础上，模型中假设土工合成材料是粘弹性体， 土是弹塑性体，把加筋土的整个应力一应变关系分成弹性和塑性两个阶 段，分别建立两个阶段的模型方程。在弹性阶段中，筋材的初应力减小， 致使土体中宏观应力重组，直到土体达到屈服条件。在塑性阶段中，筋 材的宏观应力保持为常数，但由于筋材的蠕变特性，加筋土单元的总应 变增大。由于此模型考虑了土工合成材料的蠕变性质，模型方程较复杂， 目前应用尚不多见。对于纤维加筋土，由于难以分离出筋与土的作用界 面，这时用复合材料的分析方法就更为合适些。v i l l a r d 等把连续纤维加 筋土分成交织在一起的两部分：粒状集合体和连续丝网络，二者分别用 弹塑性和非线性模型表示，将二者刚度矩阵叠加，可以得到复合体的刚 度矩阵。c1a u d i od ip r i s e o ，等则进了一步把纤维当成一种只能承受拉力、 各向同性的虚拟介质，与土骨架占有同样的空间，两者应变处处相等， 由此可推导出纤维加筋土的柔度矩阵。但它难以应用于有限元分析、只 能用于解释三轴试验中的一些规律。 二是将士、筋条分开来考虑，将加筋土视为有多种材料组成的结构 ( 组合结构) ，采用一定的有限元方法进行分析。分析理论有假定筋条与 土之间无相对位移的准粘聚力理论，有假定土与筋条之间有相对位移的 摩擦加筋理论；筋带采用线弹性杆单元，结构中不同材料之间引入接触 面单元，土体本构关系采用非线性弹性或弹塑性模型，土体破坏准则常 采用莫尔一库仑准则。 基于组合结构的加筋土挡墙有限元分析，关键在于筋一土相互作用 的理论研究。对于不同介质的相互作用问题，许多学者进行了富有价值 的探讨和研究，先后基于不同的观点提出了各种接触面本构模型与计算 模型。如g o o d m a nr f ( 19 6 8 ) 等采用弹簧刚度概念提出了用于模拟节 理岩体的无厚度接触面单元至今仍得到了广泛应用；c l o u g hg w & d u n c a nj m ( 19 71 ) - 通过实验提出了剪应力f 。与相对错动位移毗之间 1 0 的双曲线关系模型，既适用于有厚度的接触单元也可以应用于无厚度的 接触单元；d e s a ic s & z a m a nm m ( 19 8 4 ) 酬提出了有厚度的非线性 薄层单元，在一定程度上克服了g o o d m a n 接触面单元的缺点；陈慧远 ( 19 8 5 ) 提出了弹性一理想塑性模型的无厚度摩擦接触面单元，对于 界面非线性与材料非线性问题提出了双重迭代求解方法，能较客观地反 映接触面特性；b o u l o nm & n o v ar ( 19 9 0 ) 提出了接触面弹塑性模 型，但是由于较复杂而未能得到推广应用；殷宗泽等( 19 9 4 ) ，利用大 尺寸直剪试验提出了接触面的刚塑性模型；张冬霁等( 19 9 8 ) ，在实验 基础上提出了剪切错动带单元；卢廷浩等( 2 0 0 0 ) 基于剪切错动带概 念提出了接触面上法向刚度与切向刚度相耦合的非线性本构模型，同时 高俊合等( 2 0 0 0 ) 2 等通过大型单剪试验提出了有厚度剪切滑移薄层单 元；安关峰等( 2 0 01 ) 引提出了接触面的三维弹粘塑性模型。 利用提出的接触面模型，许多学者基于组合结构对加筋土挡墙进行 了有限元分析研究。张道宽，把两个无厚度的接触面单元和模拟筋材的 拉杆单元揉和在一起，组成了加筋系统有限元分析的离散化结构，从而 解决了接触面单元法向刚度取值会带来数值求解麻烦的问题，能够很好 地适应大转角和大位移，满足加筋路堤上大变形分析的需要石名磊、 姚代禄5 1 利用g o o d m a n 一维摩擦单元模拟筋土相互作用，对加筋土挡墙 进行了数值分析。李艳春，等在土工格栅与土的相互作用分析中，将单 元格栅的纵肋和横肋分开考虑：纵肋抗拉，与土之间的相互作用用 g o o d m a n 无厚度单元来模拟；横肋抗挠，与土之间的相互作用用两结点 单元来模拟。张兴强5 等用非线性弹簧一粘滞器单元模型模拟土工格栅 与土的动力相互作用，对交通荷载作用下土工格栅加筋路基进行了弹塑 性分析。刘华北、l i n gh i ，应用弹塑性有限元法研究了土工格栅加筋 土挡墙的不同材料间的接触面参数对挡墙结构特性的影响。 三是等效附加应力法。介玉新、李广信提出等效附加应力法，即 把加筋土中筋材的作用等效成附加应力，并沿着筋材的方向作用在土骨 架上，然后对加筋土体进行计算。这样，在有限元的分析计算中仅出现 土体单元，可选用土体单元的适当模型，而筋材单元和接触面单元并不 出现，筋材的作用被当作外力作用于土体单元上，使分析计算大大简化。 就目前计算情况看，对纤维加筋土的计算能够让人满意，但对于分层加 筋土，应变比例系数如何选取仍有待进一步研究。此外，吕文良，闫澍旺， 刘润等提出了等效弹簧法，这实际上是等效附加应力法的一种变体。 但必须注意到，尽管有限元法有很多优点，但这种方法在设计中应 用尚不多见，其主要原因是计算中需要的加筋体的本构关系和相应参数 l l 的确定还很困难。因此，目前对于一般工程主要是以极限平衡原理为基 础，结合加筋土工程的具体边界条件建立的半理论半经验实用分析方法 进行设计；对于比较复杂或特殊的工程则用岩土力学有限元分析原理， 考虑筋材的性质和界面反应或复合材料性质进行分析，同时应用观测和 模型试验配合分析验算。 1 4膨胀土加筋土挡墙目前存在的主要问题 在现有的加筋土挡土结构数值分析中均将土体视为单一连续材料， 采用一定的土体本构模型加以研究，土体和筋材的相互作用采用一定的 力学模型加以模拟，研究中均没有考虑水和土体及筋一土复合体的相互 作用。这是由于自加筋土技术在二十世纪六十年代问世以来，填料的选 用大多被局限在粒状土范围内。其理由是认为粒状土具有较大的内摩擦 角和良好的排水性，以及与加筋材料问能有较大的摩擦阻力等优良的工 程力学性质。因此，早期国内外对加筋土挡墙填料的技术指标或使用要 求都作了明确规定见表1 2 及图1 1 ，但对于粘性土填料却一概予以否认。 表1 。2 国外对加筋区填料的要求 n o t e s ：f h w a 。美国联邦公路局：n c m a ，t h en a tio n al c o n c r e t em a s o n r y a ss o cia tio na p pr o a c h 美国混凝土污工联合会 1 2 厂磊t 二蔓：二 豸i 正 i 一 72 0 0 4 2 t 1 5 “7 5 10 1 直径 图1 1 土工合成材料加筋土挡墙加筋区填料的级配要求 由于理论上的缺陷，在目前的膨胀土边坡加筋土挡墙结构设计中， 同样很少考虑湿度场与筋土复合体的相互作用，使膨胀土加筋土挡墙在 应用中出现种种问题，如变形过大，甚至破坏。 对于膨胀土的膨胀力，它不能简单的当作外部荷载加在结构上那么 简单，膨胀土增湿后，土体在筋材的作用下会产生较大的膨胀力，使挡 墙内部的土体应力、应变发生较大变化，筋材的受力特征在有湿度场的 作用下也会产生与普通加筋土挡墙不同的特性，同时当前的加筋土膨胀 土结构加筋机理及设计方法也不完善，有待进一步改进。 因此，对加筋膨胀土挡墙中结构与湿度场进行耦合分析是进一步认 识加筋膨胀土结构的力学行为、完善加筋膨胀土理论体系及的不可缺少 的研究内容之一。 1 5 论文的