（岩土工程专业论文）土工格栅加筋昔格达填料路堤离心模型试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 昔格达组泥岩在四川境内的西昌、攀枝花地区分布广泛。在为重型建筑、 桥梁和水工建筑等选择持力层时，必须充分地考虑到该地层强度较低，在水 的作用下。易滑、易于崩解、强度会大幅度降低的特点，而该地层用于高速 公路建设更是空白。 西攀高速公路是交通部规划的八条西部大通道之一的甘肃兰州至云南磨 憨口岸公路的重要组成部分。虽选线时进行了有效的绕避，但据不完全统计， 西攀高速公路沿线共开挖近百万立方昔格达地层极软岩。如何加以合理利用 是修建西攀高速公路必须解决的问题。 在昔格达组路堤中分层铺设土工格栅是解决上述问题的一种有意义的尝 试。在西攀路已设计土工格栅加固路堤的段落较多，但是目前对于土工格栅 的研究还不是很充分，还存在许多理论上和实践上的问题，其应用仍是建立 在经验、试探和尝试性的基础之上。其中最基本的是土与聚合物之间的相互 作用机理以及计算模式还不是十分清楚，对大部分的应用还缺乏分析理论和 可靠的设计方法。 本论文结合交通部西部交通建设科技项目“昔格达组地层路基土工格栅 材料应用研究”，以西攀高速公路k 4 9 + 7 6 0 k 4 9 + 8 2 0 段为原型，共进行六组 离心模型试验，其中三组不加土工格栅，三组加土工格栅。通过测定模型顶 面的沉降、模型内部的水平土压力和竖向土压力，得出不同情况下路堤的变 形及堤内土压力的分布形式。对比分析加与不加土工格栅时，路堤受力和变 形规律的差异，对高填方路堤中士工格栅的作用效果进行分析和研究。通过 对试验数据的分析，总结士工格栅对高填方路堤的影响及作用，为土工格栅 与昔格达填土间相互作用机理的研究奠定基础和累积资料。论文概括了前人 对昔格达土的工程性质和土工格栅的性能及功能研究成果，介绍了目前高填 方路堤中土工格栅加筋的应用与研究进展。详细阐述了离心模型试验的原理、 试验设计、模型的制作、量测系统的设计、测试元件的安装和试验结果。 关键词：昔格达；土工格栅；路堤；加筋；离心模型试验 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l | 页 a b s tr a c t t h ex i g e d as t r a t ai sw i d e l yd i s t r i b u t e di nx i c h a n ga n dp a n z h i h u aa r e ao f s i c h u a np r o v i n c e t h es t r a t ah a ss o m es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so f t ob em a s h e da n d e x t r e m e l ys o f t e n e db yw a t e r ，b r e a k i n gw h e nd e h y d r a t e da n d s oo n s ot h e s ep o o r e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c ss h o u l d b e c a r e f u l l y c o n s i d e r e dw h e n c h o o s i n g f o u n d a t i o ns o i lf o rh e a v yb u i l d i n g s ，b r i d g e sa n dh y d r a u l i cs t r u c t u r e s a n dt h i s k i n do f s o f t r o c kh a sn o tb e e nt l s e df o re x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o ny e t t h ex i p a n e x p r e s s w a y i sa m a j o rp a r to f t h el a n z h o uo fg a n s ut om o h a np o r t s o fy u n n a ne x p r e s s w a y , w h i c hi so n eo ft h ee i g h tw e s t e r na c c e s s e sp l a n e db y m i n i s t r yo f c o m m u n i c a t i o n so fc h i n a w i t hi n c o m p l e t es t a t i s t i c ，t h e r ea r en e a r l y o n em i n i o ns t e r e so fx i g e d as t r a t an e e dt ob ee x c a v a t e da l o n gt h ew a y , t h o u g h g r e a te f f o r t sh a v eb e e nm a d e t oa v o i df r o mt h i ss o f t - r o c k s oh o wt ot a k eu s eo f x i g e d as t r a t a f o rf r e e w a yc o n s t r u c t i o ni sa ni n e v i t a b l ep r o b l e mf u rt h ex i p a n e x p r e s s w a y g e o g r i d s r e i n f o r c e m e n ti s as i g n i f i e a t i v ea t t e m p tt or e s o l v et h i sp r o b l e ma n d t h i sh a sa l r e a d yb e e na p p l i e di nt h ed e s i g no fs e v e r a lp a r t so ft h er o a d b u tt h e r e s e a r c hw o r k so n g e o g r i d s a r e u n s a t i s f y i n g a n dt h e r ea r c m a n yu n s o l v e d p r o b l e m sb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h ea p p l i c a t i o ni sb a s e d o ne x p e r i e n c ea n d t e n t a t i v e o n eb a s i cp r o b l e mi st h em e c h a n i s mo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es o i l a n dp o l y m e ri su n c l e a r , n e i t h e rt h en u m e r i c a lm o d e l f o rm o s t a p p l i c a t i o n s ，t h e r e i sn o a n a l y s i st h e o r y o rc r e d i b l ed e s i g nm e t h o d s t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c to f ”r e s e a r c ho nt h eg e o g r i d s r e i n f o r e e d x i g e d a s t r a t a h i g h w a ye m b a n k m e n t s “，a w e s tc o m m u n i c a t i o nc o n s t r u c t i o n p r o j e c tf r o mm i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n s s i xg r o u p so fc e n t r i f u g a lm o d e lt e s t s h a v eb e e nd o n ew i t ht h r e e g r o u p s a r e g e o g r i d s r e i n f o r e d t h r e e a r en o t t h e p r o t o t y p e i sk 4 9 + 7 6 0 k 4 9 + 8 2 0o fx i p a ne x p r e s s w a y w em e a s u r e dt h e s e t t l e m e n t so f t h e t o po f t h em o d e l ，t h eh o r i z o n t a la n dt h ev e r t i c a le a r t hp r e s s u r ei n t h em o d e l t r y i n gt of i n do u tt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo ft h ed e f o r m a t i o na n de a r t h p r e s s u r eo f t h ee m b a n k m e n tu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s w ea l s ot r yt of i n do u tt h e e f f e c to ft h eg e o g r i d se m b e d d e di nt h ee m b a n k m e n tb yc o n t r a s t i n gt h ep r e s s u r e t r a n s f e ra n dd e f o r m a t i o nb e t w e e nt h er e i n f o r c e de m b a n k m e n ta n dt h eu n r e i f o r c e d o n e t h e s ew o r k sa r ef o u n d a t i o n so ft h er e s e a r c ho nt h e m e c h a n i s mo ft h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es o i la n d g e o g r i d s t h et h e s i sh a ss u m m a r i z e d t h er e s e a r c h w o r ko nt h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ex i g e d as t r a t aa n dg e o g r i d s t h e d e v e l o p m e n to nb o t h t h e t h e o r y a n dp r a c t i c eo fg e o g r i d s r e i n f o r c e d h i g h w a y e m b a n k m e n ta r ei n t r o d u c e da l s o t h et h e o r yo f c e n t r i f u g a lm o d e l l i n g i sd i s c u s s e d d e t a i l e d l ya sw e l la st h ed e s i g na n dm a k i n go f t h em o d e l ，t h em e a s u r e s y s t e ma n d t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：x i g e d as t r a t u m ；g e o g r i d ；e m b a n k m e n t ；r e i n f o r c e m e n t ； c e n t r i f u g a lm o d e lt e s t 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 昔格达组泥岩概述 1 1 1 昔格达组泥岩的地质特征 所谓营格达组，系目前西攀地区( 即四川境内的西昌、攀枝花地区) 的 土木工程技术人员，对昔格达地层的统称。昔格达组原名“混旦组”，1 9 5 8 年才根据其实际出露地点昔格达村而改称“昔格达层”。其后，在区域地质调 查中昔格达组被广泛用来代表安宁河、金沙江、大渡河、雅砻江河谷覆盖 在第三系之上的一套河湖相地层。昔格达组的时代归属目前尚待解决，不过 在一般的工程地质报告中，现在几乎都已把昔格达组明确地划归第四纪更新 统( q j ) ；另外的观点则是把昔格达组划归上新统( n 2 ) 。这两种认识虽对昔格 达组的地层年代划分有所不同，但一般都认为该组为河湖相静水沉积，呈半 成岩状态。 昔格达组的相变呈过渡型交替，上覆第四纪坡积洪积的砂粘土加碎 石卵石，或第四纪冲积洪积的卵石砾石土，底部多分布有不同厚度的卵 石、砾石层( 或底砾层) ，与下伏地层( 中生界砂岩页岩、古生界灰岩、晋宁 期花岗或前震旦系变质岩等) 呈不整合接触。昔格达组产状平缓，一般为 n 5 0 8 0 。e 1 2 。5 n w ，因受新构造运动的影响，局部产生了平缓的褶曲或断 裂，个别地段岩层倾角可陡达4 5 。陡倾节理( 倾角6 5 。8 5 。) 较发育， 主要有两组，走向n 3 0 + 6 0 。e 及n 3 5 8 5 w 。昔格达组成岩作用较差，受构 造应力作用后易产生塑变故一般节理不密集，属封闭型构造节理。 昔格达组为由灰黄、灰白、青灰等色的粘土、淤泥质粘土、砂粘土、细 砂和粉砂相互沉积而成，总厚度由几十米至三百米，其完整层序可分为三部： ( 1 ) 下部：卵石、砾石层或砂砾层，属河流相沉积。由砂、砾石、卵石 ( 局部夹漂石、块石) 夹棕褐色砂粘土组成，半胶结状，有的所夹粘土或砂 层呈透镜状分布，与下伏地层呈不整合接触。以富林、老台子梁岗剖面为代 表，厚1 0 余米。 ( 2 ) 中部：深灰、灰黄、灰绿色粉砂岩夹页岩。属湖相沉积。以块状或 厚层粉砂岩为主，结构中密或较疏松，近似粉砂，多为泥质胶结，局部钙质 膣结：盒迭丞缝擅! 这屋王盟筮坚焦：亘壹硅盛捡型丛：遏盟醛至堡蘸童蚩 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 石表面则呈凹状，吸水性较好。以富林、清香坪剖面为代表，厚5 0 7 5 米。 ( 3 ) 上部：淡灰或灰黄色粘土质页岩为主，夹少量中层粉砂岩，也属湖 相沉积。页岩具微层理，结构致密，薄中层或板状。手摸有滑感，渗水性弱， 受水浸泡易软化而强度显著降低。该层常含管状腐植物的根孔。本段在炳草 岗出露厚度约7 0 米。 在金沙江沿岸的弄弄坪、炳草岗、高粱坪雅砻江沿岸的牙谷台子、南 坝、冷家坪子和安宁河沿岸泸沽、德昌等地，出露最高的昔格达组之上有砾 石层、红土砾石层覆盖构成v 、级阶地。该砾石层厚3 1 8 米，砾石成 分复杂。红土砾石层自地面向下红土含量减少，含沙量增多，颜色由棕色渐 变为黄红，系原冲积层经过湿热化作用的残积物。它们与下伏昔格达组呈不 整合接触。其时代归属中更新世。在其上，很多地方还零星地分布有冰碛层 及其它第四系沉积物。 在昔格达组之下，常有很薄的红土层，随后即见玄武岩或石英闪长岩、 花岗岩、灰岩，或紫红色泥岩等基岩。昔格达组属半成岩，按岩性可分为粘 土岩、砂岩( 也有文细分为：泥岩、页岩、粉砂岩及细砂岩等) 。其粘土岩较 致密，砂岩较疏松。粘土岩矿物成分以伊利石为主，绿泥石次之，针铁矿少 量。砂岩的碎屑成分主要为斜长石，少量为方解石、石英、黑云母等。粘土 泥岩具微细层理，浸水后容易崩解成鳞片状；砂岩半胶结状，胶结物为泥质 或钙质。 1 1 2 昔格达组泥岩的工程性质 就岩性、岩体的物理力学性质、承载力而言，对于般性的工民建建筑 营格达组地层是较为良好的地基持力层。这已为西攀地区近三十年来的大量 工程实践所证实。但值得特别指出的是：昔格达组地层也确实具有不可忽视 的不良地质因素。这些不良地质因素，主要可归纳为以下几个方面： 1 昔格达组地层尽管经受了一定的成岩作用，但比起前三系的成岩程度 有天壤之别，因此强度较低。特别是在水的作用下，承载性能和抗剪强度都 会大幅度降低( 有关文献指出，这种情况尤其表现在临塑状态之后) 。 2 昔格达层中页岩、泥岩具有微细的层理，在风干后，特别是反复浸水， 极易崩解。 3 由于昔格达组为砂( 粉砂) 岩、泥( 页) 岩互层，岩体中常有软弱的 沉积结构面，特别是所谓“红层”( 很薄的红土层) 等。这些软弱结构面及昔 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 格达组层与上覆松散堆积层的接触界面、与下伏地层的界面，是在该地层上 容易产生滑坡、塌方的主要不良结构面。 4 由于在西攀地区新构造运动强烈，岩体中常存有断裂和构造裂隙为主 的破裂结构面。这显然也是在工民建、道路与桥梁、水利工程等的建设中须 十分注意的不良结构面之一。 因此，在为重型建筑、水工建筑等基础选择持力层时，对昔格达组地层 必须充分地考虑到该地层强度较低，特别是在水的作用下，易滑、易于崩解、 强度会大幅度降低等重要属性。 营格达层作为路基填料是否合适昵? 由于特殊的沉积地质环境，昔格达 层作为填料为具有复杂介质特征的混合填料。昔格达层为多岩性组合，其用 作填料则为多相体系的混合填料。含水量对混合填料工程地质特性起着重要 的作用，它不仅决定着昔格达土填料的压实效果，而且对昔格达土填料的强 度有着重要的影响。对于昔格达土混合填料，最大干密度风。，、压实度及强 度( c 、妒值) 都与含水量存在一致的相关性，即存在一个最优含水量。这 个最优含水量接近随机混合的昔格达填料的天然含水量1 9 。这正说明天然昔 格达混合填料是适合于用作路基、坝基填料的。营格达土混合填料的含水量 主要受各岩性组合及其百分含量的控制。由于沉积地质环境的差异，不同沉 积相单元的昔格达地层中各组分含量变化较大，因而含水量变化也较大。利 用适合于用作工程填料的昔格达土混合填料的含水量范围，可以较为方便地 圈定合适的用料场地“。 1 2 土工格栅及其应用 早在5 0 年代，西方一些国家已经开始使用土工格栅，并逐步在公路工程 建设中广泛应用。聚合物格栅在国外作为一种性能独特的材料，广泛应用于 公路、铁路、水利、房建等土建工程。我国在土工合成材料的应用方面起步 较晚，但发展速度很快。1 9 7 4 年，在江苏省长江嘶马护岸工程中，首先使用 由聚丙烯扁丝编织布为排体，结合聚氯乙烯绳网和混凝土块压重组成软体沉 排，防止河岸冲刷。8 0 年代以后，土工织物的应用日渐增多应在储灰坝、尾 矿坝、港口码头、海岸护坡及储油罐等地基处理等方面，应用涵盖了高速公 路、铁路、飞机场、电厂、民用建筑等几乎所有的土建工程行业。据初步统 计，到1 9 9 5 年，我国应用土工织物的工程项目累计超过1 万个，使用土工织物 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 近5 亿平方米。目前国内已有多家厂商拥有土工格栅生产线，能够生产各种规 格的土工格栅产品。 1 2 1 土工格栅的分类与规格 1 整体成型格栅 主要原材料为聚乙烯( p p ) 塑料，通过塑料挤出机挤出成薄片材冲孔、 整体拉伸成网格状，称为整体成型格栅，如图1 1 所示。 自奄宙 ( a ) 单向拉伸土工格栅( t g d g 系列) ( b ) 双向拉伸土工格栅( t g s g 系列) 图卜l 整体成型格栅 2 焊接成型格栅 主要原材料为聚乙烯( p p ) 塑料，通过塑料挤出机，挤成高强抗拉条带， 然后纵横组合交叉，焊接成网格状，称为组合式焊接成型格栅，如图卜2 所 示。 3 钢塑格栅 主要原材料为钢丝及包裹的塑料复合成钢塑带，然后组合焊接成网格状， 称为钢塑格栅，如图卜3 所示。 4 玻纤格栅 主要原材料为玻璃纤维( 或混合化学纤维) ，纺织成带，精编而成网格状， 称为玻纤格栅，如图卜4 所示。 i蚓 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 横向 p p i 工楠栅 墨z 争口盘争曩一 横带双堀央台撵 驻z z 羽 肿士工带截面 图1 - 2 组合式焊接格栅 纵 向 垡堕 加舫式锕翘士= 【格栅 岂垒i 芦 加筋式锕夔土工帮截面 闰卜3 钢塑复合式焊接格栅 糕 图卜4 玻璃纤维土工格栅 1 2 2 土工格栅的性能及功能 在工地上裸露使用土工格栅时，其使用寿命为2 0 年，最长可达3 0 年；如 加土覆盖或加保护层，使用寿命可达1 0 0 年以上”。土工格栅是采用聚合物材 料经过连续积压而成型，不会发生网眼断裂，因其纵向、横向强度均匀，耐 久性好。土工格栅具有很高的抗拉强度、柔性、延展性和高抗疲劳性能，它 还具有很强的抗土和地下水的化学腐蚀性，耐霉性等特点。由于网眼的作用， 它与颗粒材料间的连锁能力很强，并能制约颗粒材料的横向移动。各种土工 格栅性能比较见表卜1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 表卜1 各种格栅性能比较 产品类别整体拉伸成型均质塑料拉伸组合钢塑复合焊接 玻纤( 或化纤混 名称格栅式焊接格栅 格栅合料) 格栅 塑料包裹层耐耐腐蚀，不老 稳定性耐腐蚀，黑色屏蔽紫外线腐蚀。如露钢丝化。化学性能稳 将生锈定 由于设备限由于分步生产单 抗拉力制，拉伸强度带强度高，大于钢丝的延伸率延伸率小，抗拉 状况不足，产品型2 5 删p a ，可以产出小，强度高强度高 号小高型号至1 8 0 k n m 被动阻抗 节点拉伸不 l 及嵌锁作 足单肋纤细，开孔大，表面有粗糙压纹，阻抗，嵌 因编织节点不 开孔小，阻抗锁作用强 牢，阻抗嵌锁作 用 用欠佳 嵌锁作用欠佳 对填料的要求填料粒径要求填料粒径 选择性小，较均匀 对填料粒径选择性不高，粗细均可 小 施工的耐 在碾压中，肋单肋强度高，碾压靠钢丝承担拉细小纤维组成， 根部节点处拉不断极限断裂起力，施工中包裹节点松动脆性， 碾压性 伸不足易断麻丝状塑料易被破坏不耐碾压 荷载较小的边对要求变形小 适应工程坡，挡墙，软 荷载大的高边坡 挡墙及软基工程 的直立挡墙工沥青路面工程 基工程程 土工格栅的功能主要表现在以下几个方面： 1 加筋作用 工格栅具有较高的抗拉强度和张拉模量，因此能将荷载或应力均匀地 扩散在较大的面积范围内。对于软弱地基而言，可大大减少作用于软基上的 荷载压力：对于沥青结构面层而言，可大大减少沥青路面结构层产生的徐变 作用，最终达到防止沥青路面开裂的目的。由于土工格栅对压力具有均匀扩 散性，因而铺于沥青面层中能大大减小面层的车辙深度。 2 压实作用 由于格栅约束层的网孔具有同一形状，这样上下层颗粒之间剪切阻力不 鐾墅堕! 旦鳖塑塑型壅，抗拉强度，网孔的嵌锁作用三者相互复杂作用，阻 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 止了因荷载的压实而引起的局部位移变形，从而加强了颗粒材料的压实作用。 3 抗变形作用 非均布的局部外力作用于格栅时，网孔就会相应变形，其约束作用也显 示出来，因而土工格栅对非均布荷载的适应性较好并将其均匀传递。 4 可以阻止不同路面材料相互掺杂或原地基与路基材料的相互掺杂。 5 土工格栅的网状结构可使i l 隙水压力更快消散。这对于加固软粘土地 基是非常重要的。 6 凭借网面层的高摩阻力而产生的高抗拉强度增加结构层材料的剪切 强度和整体性”1 。 1 2 3 土工格栅的应用 我国铁路、公路、市政、水利、机场、码头等土建工程，自2 0 世纪7 0 年 代开始广泛应用土工合成材料，取得了显著的效果。其中，土工格栅材料的 应用技术较成熟，应用范围较广。主要应用在以下3 个领域。 1 土工格栅作为加筋补强材料，分层铺设在铁路、公路的路基和水利工 程的堤坝中，以提高堤坝自身和边坡的稳定性。 2 高强度土工格栅可作为加筋土挡墙的拉筋，以取代钢筋或钢筋混凝土 拉筋。 3 各类土工格栅可以铺设在软土地基的底部起加筋补强功能。约束地基 侧向变形，均化基底应力分布，增强软土地区堤坝的抗滑稳定性，并可提高 地基承载力。根据已完成的多项工程分析，这项新技术具有显著的经济效益 和社会效益。 1 3 本文的选题背景及研究内容 1 3 1 选题背景 随着我国西部大开发战略的实施，交通基础设施建设呈现出高投入的趋 势高等级公路的规划建设已经成为基础设施建设的重要组成部分。茜攀高 速公路作为交通部规划的八条西部大通道之一的甘肃兰州至云南磨憨1 ：3 岸公 路的重要组成部分，是四川省高速公路网中的主干线之一，也是i 四) l l 省通往 云南昆明的主要通道。西攀高速公路在进行初步设计时，已注意到沿线昔格 - - _ _ _ _ - _ - - _ - - _ - - _ _ _ _ - - 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 达分布情况并在选线时进行了有效的绕避，但由于地形、地质条件的复杂， 且在仅有的安宁河谷走廊内成昆铁路己占据地质条件较好的一岸等因素，线 路仍不同程度地分布于营格达地层。西攀高速公路建设之前，享有“地质博 物馆”之称的成昆铁路的建设者们在建设过程中针对昔格达地层作了大量的 研究工作，给后来的工程建设留下了很多宝贵的经验，但并无利用昔格达地 层作路基填筑材料方面的研究。 据不完全统计，西攀高速公路沿线共开挖近百万立方昔格达地层极软岩， 如果加以合理利用，可以节省建设投资，少占农业耕地，同时为攀西地区乃 至其余昔格达分布地区公路建设积累经验，填补昔格达地层用于高速公路建 设的空白。 另一方面，近年来土工合成材料在水电、铁路、机场、港口及公路建 设中得到广泛的应用并发挥了重要作用；其中，土工格栅因具有良好的抗拉、 抗剪、尺寸稳定性等特点，而在高速公路建设中用于路基地基加固、路基防 护，它能有效地分配荷载，约束侧向变形，提高路基强度，限制不均匀沉降， 提高路基的稳定性。 在高等级公路的建设中出现许多高填方路基工程，而多年来高填方路基 沉陷的问题却未能得到很好的解决。借鉴欧美等发达国家的经验，在离填方 路段分层铺设高强土工格栅，对于解决路基沉陷问题能起到很好的作用。但 是，在近些年的实践中。目前，对昔格达土填料与各土工格栅问相互作用的 研究完全是空白，对其作用机理缺乏了解，并缺少设计所需的基本的材料参 数，有必要进行深入探讨。本论文结台我校岩土所参与的，由四川i 省交通厅 公路规划勘察设计研究院主持的交通部西部交通建设科技项目( 课题) “昔格 达组地层路基土工格栅材料应用研究”，研究土工格栅与昔格达填土间相互作 用的机理，确定相应的材料参数，分析研究士工格栅用于昔格达填土路堤的 强度和变形等问题，为设计、施工等提供依据。 1 3 2 立题意义和研究内容 在西攀路已设计土工格栅加固路堤的段落较多。但是，目前对于土工格 栅的研究还不是很充分，还存在许多理论上和实践上的问题，其应用仍是建 立在经验、试探和尝试性的基础之上。其中最基本的是土与聚合物之间的相 互作用机理以及计算模式还不是十分清楚，对大部分的应用还缺乏分析理论 和可靠的设计方法，对土工格栅和别的士工聚合物在实际工作条件下的性能 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 试验和测试手段还缺乏统的标准，测试仪器也不尽一致。对土工格栅加筋 受力机理，在路堤中的作用以及施工工艺等方面进行研究，有利于优化设计， 节省投资，确保质量。 本次离心模型试验以现场试验为原型，通过六组离心模型试验分别对无 土工格栅时以及有土工格栅时的路堤进行研究。通过试验，得出不同情况下 路堤的变形及堤内的竖向应力的分布形式。对比分析加与不加土工格栅时， 路堤受力和变形规律的差异，对高填方路堤中土工格栅的作用进行分析和研 究。为土工格栅与昔格达填土间相互作用机理的研究奠定基础和累积资料。 论文概况了前人对昔格达土的工程性质和土工格栅的性能及功能研究成 果，总结了高填方路堤中土工格栅加筋的应用与研究进展。详细阐述了离心模 型试验的试验设计和试验结果。通过对试验数据的分析，总结了土工格栅对 高填方路堤的影响及作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 第2 章高填方路基 2 1 路基的性能要求 路基是道路的主要工程结构物之一，它是在地表按道路的线型( 位置) 和断面( 几何尺寸) 的要求开挖或堆填而成的岩土结构物。路基结构物为实 观车辆能在道路上行驶提供基本的条件。同时，它也是路面的支承结构物， 对路面的使用性能有重要的影响。因而，对路基的性能要求主要有下述两方 面。 1 整体稳定 在地表上开挖或填筑路基，必然会改变原地层( 上层或岩层) 的受力状 态。原先处于稳定状态的地层，有可能由于填筑或开挖而引起不平衡，导致 路基失稳。例如，在软土地层上填筑高路堤，或是在岩质或土质山坡上开挖 深路堑时，有可能由于填土的附加应力超出了软土路基的承载能力，或者使 上侧坡体失去支承，而出现路堤沉落或坡体坍塌被坏。路线如果选在不稳定 的地层上，则填筑或开挖路基会加剧滑坡或坍塌等病害的出现。路基的失稳 会导致交通阻断，乃至引发交通事故。因而，为保证道路畅通和行车安全， 必须采取有关排水、防护和加固或支挡等工程措施，以确保路基在不利的环 境( 地质、水文和气候) 条件下具有足够的整体稳定性。 2 变形小 路基和路基下的地基，在自重和车辆荷载作用下会产生变形。地基软弱、 填土疏松或过分潮湿时，所产生的沉陷或固结变形和不均匀变形，会导致路 基出现过量的变形和应力增大，促使路面过早损坏并影响行驶舒适性。为此， 应采取选择合适填料，进行充分压实，改善水文状况，加固软弱地基等措施， 以控制路基和地基的变形量，给路面以坚实的支承，保证其使用寿命和服务 水平。 填方路基( 路堤) 是用填料在地表面以上填筑起来的带状路基，是公路 建筑工程中重要的组成部分。虽然填方路基的施工工艺比较简单，但其工程 数量却相当庞大，费工费时，在公路的总造价中占有很大比重。加之路基又 长期暴露在自然环境中，受气候条件影响很大，所以路基抵御各种自然条件 侵蚀的能力，即路基的质量好坏，就是一个非常重要的间题。随着公路技术 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 等级的不断提高，路基质量就越显得突出了，因此，不论在设计或施工方面 都应当十分重视路基的填筑质量。 高速公路作为专供汽车分向、分车道行驶并全都控制出入的干线公路， 其路基宽、占地大，对原有自然环境改变很大，还可能引起地形、植被、水 系、地基荷载等方面的破坏。因此，为了达到相应的行车速度和通行能力， 并有效的降低事故、保证安全、提高运输效益，高速公路路基的性能要求更 为严格。对于高速公路的填方路基，应通过各种技术措施确保路基具有要求 的强度和稳定性，使路基达到高标准、高质量保证高速公路常年畅通无阻。 即使在百年一遇洪水侵烛、风雪严寒、地震灾害等特殊情况下。也不致发生 大的变形和破坏。 2 2 填方路基常见的变形破坏形式 总结过去已建成的各条高速公路，在填方路基段常发生这样或那样的 病害，影响车辆通行，这与设计与施工都有密切关系。常见的病害有： 1 填方路基产生过量沉陷，如图2 1 所示。其主要原因是填筑时压实不 足、填料不良和填筑方法不当所致。如使用不良土质如淤泥、冻土块、含水 量过大的土等，压实度达不到要求，施工中用性质不同的土混杂填筑。多年 来高填方路堤沉陷的问题却未能得到很好的解决。借鉴欧美等发达国家的经 验，在高填方路段分层铺设高强土工格栅，对于解决路基沉陷问题能起到较 好的作用。 图2 一l填方路基沉陷示意图 图2 - 2 地基沉陷示意图 2 基底发生大量沉陷，如图2 2 所示。其主要原因是地基士软弱，承载 力不足。如基底为软土、流砂、垃圾等，或者基底有土洞、暗穴采空区，在 勘察阶段未发现，在填筑时处治不彻底，因而造成基底大量沉陷，路基也随 之下沉。 3 边坡表层滑移，如图2 3 所示。其主要原因是边坡被雨水侵蚀，含水 量过大，使边坡表层部分随雨水冲刷下滑冲走。 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 图2 3 边坡层滑移破坏 4 填方路基局部滑坍，如图2 4 所示。其主要原因是边坡太陡，压实度 不足，基底承载力不够，或填料过湿，土的抗剪强度降低，使部分路基沿滑 动面下滑而破坏。 、 5 整个路基沿基底面滑动，如图2 5 所示。其主要原因是基底面横坡过 陡，排水不良，水流渗入地基，致使整个路基沿基底面向下滑动。 纠，一 图2 路基边坡滑坍示意图 图2 5 路基沿山坡滑动示意图 针对上述填方路基的常见破坏形式，为保证填方路基的稳定，可因地制 宜选用不同的处治措施，但其原则归纳起来主要有以下几个方面，这些措施 通常相互配合综合采用。 ( 1 ) 正确选择路基横断面形式，主要是边坡和坡率： ( 2 ) 认真处理好基底，特别是软弱不良路基和陡坡地段： ( 3 ) 优选填料； ( 4 ) 采用正确的填筑方法，分层填筑，充分碾压： ( 5 ) 做好排水设计，保持路基经常处于干燥、稳定状态： ( 6 ) 做好填方路基边坡防护和加固。 2 3 填方路基典型横断面形式 路基是路面的基础，直接承受本身和路面的重量，以及由路面传递而来的 行车荷载，所以路基是公路的承重主体。 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 路基是线形结构物，由于自然地面起伏不平，为达到顶面平顺，就出现了 填方路基、挖方路基和填挖结合路基( 也称半填半挖路基) 三种类型。高于 原地面的填方路基称之为路堤，其横断面由路基顶宽、边坡、边沟以及可能 有的支挡结构、坡面防护、护坡道和取土坑等部分组成，如图2 6 ( a ) 所示； 全部低于原地面的开挖路基称为路堑，其横断面由路基顶宽、挖方边坡、边 沟截水沟、以及可能有的支挡结构、坡面防护、视距台、碎落平台和弃土堆 等部分组成，如图2 6 ( b ) 所示；部分开挖部分填方的路基称为半填半挖路 基，它兼有上述路堤和路堑的构造特点。 ( b ) 图2 - 6 路基典型断面构造 低矮路堤的边坡采用单坡形式。高路堤和沿河流水路堤的边坡，则采用上 陡下缓的折线形式，或者台阶形式，在边坡中部设置宽l 米以上的平台( 称 为护坡道) 。低矮路堤的两侧设置边沟，以拦截和排除流向路堤的她表迳流。 路堤由两侧取土坑填筑而路基边缘与取士坑底的离差大于2 米时，在路堤坡 脚处设置宽1 米以上的护坡道。高路堤或浸水路堤的边坡，为防止水流侵蚀 和冲刷其坡面，须采取适当的坡面防护和加固设施，如铺草皮、砌石等。为 收缩高路堤的坡脚以减少填方数量或少占用土地，可设置支挡结构物。横坡 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 较陡的地面上填筑的路堤，也需设置支挡结构物以防止路堤下滑。 对于高速公路而言，其填方路基横断面形式、各部名称、功能与一般公路 基本上相同。 2 4 填方路基的受力状态与分析 从路堤受力情况分析，路堤承受自重、路面结构重和行车荷载，并将这 些荷载传递到地基中。经过对路堤受力状况的研究表明，路堤和路面重量为 静荷载，为便于计算常将路面重量换算成等量土柱，平均单位重，表示，则因 静载引起的垂直应力口_ 只与路基深度z 成正比例，即： 2 7 z ( 2 - 1 ) 而行车荷载( 动荷载所引起的垂直应力则随深度z 的增加而减小，与 深度z 的平方成反比例，即： = k 参 2 ) 式中| p 一作用在路面上的行车荷载：足一应力系数。 由此可见，在路堤高度一定时，盯# 只随y 变化，则随z 的增大而迅速 减小，当z 达到某深度时，盯自与盯_ 的比值就变得很小，一般规定当二= 或 刀5 去时就可以将动载影响略去不计，丽此时的深度就称为路基工作区深度。为 了使路基士，特别是工作区内的路基土在车辆通过时只产生弹性变形，所 以对路基工作区内的填土要求均高于其它部分，以使其强度与稳定性高于其 它部分。 1 9 9 5 年修订发布的公路路基设汁规范( j t j 0 1 3 - 9 5 ) 把填方路基进一 步划分为路床和路堤两部分。路床指路面底以下，o 8 0 c m 范围内的填方都分。 结构上又分为上路床( o 3 0 c m ) 和下路床( 3 0 c m 8 0 c m ) ，路床压实度要求 达到9 5 以上。路床以下的填方路基则称为路堤。其作用是支承路床和路面。 路堤也分为上、下两层，上路堤( 8 0 c m 1 5 0 c m ) ，其下路堤均称为下路堤( 1 5 0 c m 以下) ，其压实度要求分别9 3 和i 9 0 。这种压实度自上而下、逐步减小 的要求与路基受力状态是一致的。这说明为什么高速公路设计中要求根据不 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 同的结构层选择填料，把工程力学性质好的土填筑在压实度要求高的部分， 而把质量较差的上用于压实度要求较低的部分。如果在施工中不注意这一点。 不做选择随挖随填，把好土用在底层而把差一些的土用于路床都分，很 可能达不到压实度要求而不得不采取一些额外的处治措施。 2 5 路基填土与压实 ( 一) 路基填上 路基填料可以用土，也可以用石，在有工业废渣地区也可以采用各种工 业废渣加粉煤灰等填筑。但在大多数情况或在平原微丘区还是以填土为主， 所以在路基填方的讨论中主要还应解决土质填料问题。 填方路基要求有足够的强度和稳定性，这是保证路面强度和稳定性的基 本条件。但是影响路堤强度和稳定性的因素很多，而关键在于填料、地基、 压实三个方面。 1 土的路用性质 原则上讲，各类土都可以用作路基填料。只是有些土具有良好的工程力 学性质，可以直接填筑，并能收到很好的效果。而有些土因其工程力学性质 较差或很差，不宜直接用于路基填筑，而需要经过事先采取一些处治措施才 能使用，致使经济上不合算，效果也受至一定影响，所以对作为路基填料的 “土”必须进行选择。 2 土的强度指标 作为路基填料的路基土( 粗、细粒上) 的压实指标是指路基的压实度， 路面对路基的强度要求则为回弹模量。公路路基设计规范( j t j 0 1 3 9 5 ) 中 对路基填料的强度提出了c b r ( 加州承载比) 指标。c b r 是国外比较通用的测 试路基用土和路面材料强度的指标，目前在我国高速公路建设中还较少使用， 仍沿用压实度和回弹模量值控制。但随着国际交流日益开展，在交通建设项 目中引进外资和承担国外公路建设项目等，c b r 值已经有越来越多地应用。为 了使我国高速公路设计与施工与国外通用方法接轨，规范列出了路基填料的 c b r 指标，供设计时选用。 ( 二) 地基选择 路堤应坐落在具有足够承载力和低压缩性的地基上，以免基底由现剪切 破坏而危及路堤的稳定性，或者路堤出现过量的沉降而影响路面的行驶质量。 西南交通大学硕士学位论文 第1 6 页 根据经验，基岩、砾石土或一般砂土和粘性土地基，基本上符合支承路堤的 要求。而对于比较潮湿的粘性土地基，其粘聚力小于2 0 4 0 k p a 时，往往会 出现承载力不足的问题。这时，应对地基进行钻探取样，确定软弱地基承载 能力及其物理力学性质，据此判断对路堤的支承能力和沉降量。 ( 三) 路堤压实 路堤压实是填方路基填筑中最重要的工序，对路基的质量起着决定性的 影响。土是三相体，其中土颗粒是骨架，颗粒之间的空隙被承和气体所充填。 碾压时，在外力作用下，使颗粒重新组合彼此挤紧，空隙缩小，空隙中的 水和气体被挤出，土体便形成密实整体。填方路基施工实践证明，经过充分 压实的路基，其塑性变形、渗透系数、毛细水上升高度、隔温、隔水性能都 有明显的改善。可以说，填方路基质量的优劣，主要取决于压实质量，这对 高速公路路基填筑尤为显著。因此，在填料选定之后，压实就是最为重要的 问题。 1 影响压实度的主要因素 ( 1 ) 土质。土的性质不同，其干容重( h ) 和含水量( ) 就不同。对 粘性较大的土，值较高而值较低，而粘性差一些的土则相反，所以粘性 差的砂类土的压实性就比粘质好。因此土颗粒中，粗粒含量越多的土，压 实往往就越好，这就是为什么要求把易于压实的、土颗粒偏粗的砂类土填在 路基上层，特别是路床部分的原因。 ( 2 ) 土的含水量。一般说，土中气体与土颗粒之间作用不大，而水与上 颗粒间的作用就十分重要。土中的水分大致可分为结合水和自由水两种，结 合水是经过复杂的表面活动粘在土颗粒表面形成一层水膜，用机械的方法难 以去掉；而自由水则和普通水一样，在重力和表面张力作用下，可以在土中 自由活动。当土中含水量较小时，水主要为结合水，包裹在上粒外围，因水 膜很薄，土粒间的阻力较大，固而土粒难以挤密，就呈现出不易压实的现象； 当含承量逐渐增加，水在土粒间起着润滑作用，就呈现出土易于压实的情况。 若土中含水量进一步增大，土中自由水充盈，压实荷载的一部分由孔隙中自 由水所承受，土粒的有效应力相应减小，压实效果反而降低，甚至出现“弹 簧”现象。所以只有在能使上体产生最大干密度时的含水量最适合得到最好 的压实效果，这时的称为最佳合水量。换句话说，只有在最佳含水量的情 况下，才能将土压实到最大干密度。 然而，对粘性大的土，在含水量较小时，因土体之间的引力较大虽然 王窒堕亟查垄型曼盔! 但基塑鏖亘壁! ! 在最佳含水量时还要高。但因其未达 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 到最大干密度，孔隙多，经饱水其强度会急剧下降。所以只有在最佳含水 量情况下压实的土体，其浸水强度最大，即水稳定性最好。 2 压实标准 压实标准也称击实标准，是以压实度表示的。现行压实标准是按公路 土工试验规程( j t j0 5 1 - 9 3 ) 重型击实方法求得的最大干密实度的压实度， 简称为重型击实标准。现行规范规定的高速公路路基压实度标准如表2