（水工结构工程专业论文）土工合成材料加筋地基承载力的研究.pdf

原创 l 生声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 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 包含任何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 究作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责任由本人承担 论文作者签名 芝生堑雪 日期 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留或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 本人授权山东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 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 皇纽导师签名 组日 期 盘堕 查 山东大掌硕士掌位论文 摘要 摘要 土工合成材料加筋地基及挡土墙结构在近十年应用越来越广泛 加筋是土 工合成材料首要功能 对于土工合成材料加筋地基 可以提高地基承载力 提高土体 的稳定性 具有施工简便 无污染 造价低 工期短 适用性强 效果好等优点 因 而具有广阔的发展前景 本文依据现有的试验资料和加筋地基理论 对土工合成材料加筋地基的极限承载 力进行了深入的研究 本文通过分析比较目前常用的各种土工合成材料加筋地基承载 力计算方法 探讨了各种计算方法所反映的加筋机理 对现有计算公式中存在的问题 进行分析 针对常见的加筋土工程的平面应变问题 本文利用半无限体内受水平集中 力作用的e m e l a n 公式 求解当筋 土界面应力为水平矩形均布荷载r 时 在地基内 部产生的附加土中应力 7 盯 并分析筋 土界面应力对地基内的应力场影响 本 文依据现有的关于条形基础下的加筋砂土地基的试验资料和塑性理论 提出条形基础 下的加筋砂土地基的滑裂面为对数螺面 运用极限平衡理论的上限原理推导出条形基 础下加筋砂土地基承载力的上限解 并探讨了各种因素对加筋砂土地基承载力的影 响 用该公式计算的结果与已发表的加筋的砂土地基的模型试验结果基本一致 土工合成加筋材料大多是高分子聚合物 因此土工合成材料具有明显的蠕变 应 力松弛的特性 因为在加筋地基中的土工合成材料在地基中长期处于受拉状态 目前 通常采用的考虑筋材蠕变的设计方法是将筋材的极限抗拉强度除以2 5 的折减系 数 虽然这种方法简单实用 但不符合实际情况 本文在已有的关于h d p e 单向土工 格栅的蠕变和应力松弛的试验资料的基础上 研究h d p e 单向土工格栅的蠕变和应力 松弛特性 建立了h d p e 单向土工格栅的线性流变模型 将加筋土视为由筋 土组成 的均匀材料 建立单向土工格栅加筋土体的流变本构模型 并求得地基中筋材应力随 时间变化的公式 分析表明 在承受长期荷载作用的加筋土的本构关系中 必须考虑 由聚合物为原料制作的筋材所具有的明显时问相关的力学行为 关键词 土工合成材料加筋地基 地基承载力 上限解 h d p e 单向土工格栅 流变本构模型 山东大掌硕士学位r e 文 s t u d yo nb e a 砒n gc a p a c i t yo fs a n df o i 脚a t i o n r e i n f o r c e db yg e o s y n t h e t i c s a b s t r a c t t h eu s eo f g e o s y n t h e t i c s i nt h e d e s i g n a n dc o n s t r u c t i o no f e a r t h s u p p o r t e da n de a r t h r e t a i n i n gs t r u c t u r eh a si n c r e a s e dg r e a t l yd u r i n gt h ep a s td e c a d e r e i n f o r c e m e n ti st h ep r i m a r yf u n c t i o no f g e o s y n t h e t i c s i ta p p e a r sh o w e v e rt h a tt h e yc a n a l s ob eu s e dt or e i n f o r c et h es o i l s u p p o r t i n g t h es h a l l o wf o u n d a t i o n st oi n c r e a s et h e u l t i m a t ea n da l l o w a b l eb e a r i n gc a p a c i t y a n dt h es t a b i l i t yo f s o i lm a s st h i st e c h n o l o g yh a s t h ea d v a n t a g e so fb e i n ge a s yf o rp r a c t i c e c o n v e n i e n tf o rc o n s t r u c t i o n u n c o n t a m i n a t i o n l o wc o s t s h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o da n dq u a l i t yb e i n gg u a r a n t e e de a s i l y t h e r ei sab r o a d p r o s p e c to f i t sd e v e l o p m e n t b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n dm o d e lt e s tr e s u l t so fr e i n f o r c e df o u n d a t i o n t h eb e a r i n g c a p a c i t yo ff o u n d a t i o n i ss t u d i e d d e e p l y w i t ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s o fm e t h o d sf o r d e t e r m i n i n gg e o s y n t h e t i c r e i n f o r c e df o u n d a t i o n t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e i n f o r c e d s o i l i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mw h i c ht h em e t h o d sp r o p o s e d t h r o u 曲i n t r o d u c t i o no ft h em e l a n s o l u t i o nt op l a ns t a i np r o b l e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam o r es u i t a b l er e i n f o r c e m e n t s o i l i n t e r a c t i o nm e c h a n i s maf o r m u l ao f a o zi sd e r i v e df o rc a l c u l a t i n gt h ea d d i t i o n a ls t r e s s u n d e rt h eo fh o r i z o n t a ls t r e s si ng e o s y n t h e t i c r e i n f o r c e df o u n d a t i o na n dt h ee f f e c to ft h e a d d i t i o n a ls t r e s so nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o ni sd i s c u s s e dc o m p l e t e l ya n db a s e d o nt h et h e o r e t i c a la n dm o d e it e s tr e s u l t so f r e i n f o r c e df o u n d a t i o n as i m p l i f i e du p p e b b o u n d f a i l u r em e c h a n i s mi sp r o p o s e dt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t ye q u a t i o ni sd e r i v e di no r d e r t oe v a l u a t eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e df o u n d a t i o n sa n dt h ee f f e c to ft h e p a r a m e t e r s o f 门 b da n d 毋o n i sd i s c u s s e di ti ss h o w nt h a tt h ec a l c u l a t e d u p p e r b o u n ds o l u t i o n so f t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t i e sa r ei nr e a s o n a b l ea g r e e m e n tw i t h t h em o d e lt e s tr e s u l t s g e n e r a l l yg e o s y n t h e t i c s i sm a d ef r o m h i g hp o l y m e rw h i c h h a st h e r h e o l o g i c a i p r o p e r t i e s s u c ha sc r e e pa n d s t r e s sr e l a x a t i o nc u r r e n td e s i g np r o c e d u r e se m p l o yal a r g e r e d u c t i o nf a c t o r r a n g i n gf r o ma b o u t2t o5 d e p e n d i n g u p o n t h et y p eo fp o l y m e r a p p l i e d t ot h es h o r tt e r mu l t i m a t e s t r e n g t h o ft h em a t e r i a l c l e a r l y s u c h a n a p p r o a c h i s 2 山东大掌硕士掌位 b e 文 s t r a i g h t f o r w a r d i t d o e sn o t h o w e v e r n e c e s s a r i l yr e f l e c t r e a l i t y b a s e do nm o d e lt e s t r e s u l t so fr h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o fh d p eu n i g e o g r i d t h i s p a p e r i n t r o d u c e sal i n e a r r h e o l o g i c a lm o d e l t oa n a l o g yt h eo ft h ep r o p e r t i e so f c r e e pa n ds t r e s sr e l a x a t i o no fh d p e u n i g e o g r i d i t i sa s s u m e dt h a tr e i n f o r c e ds o i l c a nb et r e a t e da sa m a c r o s c o p i c a l l y h o m o g e n o u sc o m p o s i t e m a t e r i a lal i n e a rr h e o l o g i c a lm o d e lo fs a n dr e i n f o r c e dw i t hh d p e u n i g e o g r i di sp r o p o s e d t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so f g e o s y n t h e t i c sm a d e f r o mp o l y m e r s s h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n tb e c a u s e t h e y i n f l u e n c et h e l o n g t e r mb e h a v i o ro fe a r t h s t i l l c t u r er e i n f o r c e dw i t ht h e m k e y w o r d s g e o s y n t h e t i c r e i n f o r c e df o u n d a t i o n b e a r i n gc a p a c i t y u p p e r b o u n ds o l u t i o n s h d p eu n i g e o g r i d r h e o l o g i c a lm o d e l 3 一山东大学硕士学位论文 符号说明 6 基础的宽度 m 加筋的层数 筋材的铺设长度 m 第 层筋材到基底的距离 m d 筋材间距 i t i 筋材的埋置深度 m 妒 地基土的内摩擦角 y 地基土的容重 k n m 3 5 基础的沉降量 m c 地基土的枯聚力 l c p a k 承载力安全系数 锄 加筋地基的极限承载力 心a m 承载力因数 无量纲 承载力因数 无量纲 眠 承载力因数 无量纲 筋材的拉力 k n m 筋材的拉力与水平面的夹角 基础两侧地基土隆起的假想圆半径 m 岛 被动土压力系数 挣 地基土的压力扩散角 u 孔隙压力 k p a y 土的泊松比 4 山东大掌硕士掌位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 土体具有一定抗压强度和抗剪强度 而它们的抗拉强度却很低 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强度与变形的性态 2 0 世纪6 0 年代初 法国工程师h e n r iv s d a l 在模型试验中发现 当在土中掺入有机纤维材料后 其强度 可明显提高 据此提出现代 加筋土 r e i n f o r c e de a r t h 的概念 并于1 9 6 3 年首先 公布了其研究成果 提出了加筋的方法和设计理论 从而为加筋技术开辟了广阔前景 被誉为 岩土工程界的一场革命 和 继钢筋混凝土之后又一造福人类的复合材料 加筋土具有施工简便 无污染 造价低 工期短 适用性强等优点 因此应用广 泛 土工合成材料加筋技术在水利 铁路 公路 港口和建筑工程中己得到大量应用 目前广泛应用子l j 支挡结构 包括挡墙 桥台及岸边陡壁等工程中 主要是将加筋材埋在填土 中 依靠它们来平衡土压力 陈德平等 2 0 0 0 年 在株六铁路增建第二线k 3 6 7 5 1 4 6 6 0 工程中 采用加筋土路堤挡墙 筋材为钢塑复合拉筋带 墙面板为c 2 钢筋混凝 土矩形槽板i 陡坡工程 一般在每层边缘1 2 m 范围内铺设土工格栅或其它适当筋材 起 到防止土料侧向位移 改善压实质量的作用 软土地基上筑堤 由于填土中的侧向土压力 使地基面承受水平剪应力 导 致堤身向两侧位移 很容易造成堤身失稳 利用土工合成材料加筋地基就是在堤身底 部铺设单层或多层高模量的土工织物或土工格栅 限制地基土的侧位移 另外公路路面工程中 在路基基层上与路面之间铺设一层土工织物 作为加 筋层 防止路面裂缝等 工业及民用建筑工程中 主要利用土工合成材料加筋地基 就是在浅基础下 的一定深度范围土体的拉伸变形区内 水平铺设适当的抗拉加筋材料如土工织物 土 工格栅等 可以改变土体内的应力场 应变场 可以不同程度地改善土体的强度和变 形特征 铺设在土体中的筋材 可以扩散土体的应力 增加土体模量 传递拉应力 山东大掌硕 学位论文 提高地基承载力 限制土体侧向位移 提高土体的稳定性 在桩基工程中 利用加筋 土垫层或土工垫作为柔性筏基承受上部建筑物荷载 提高桩基的桩土共同作用 目前 加筋地基主要应用于堤的软基加筋 油 气 水罐和条形基础的地基加筋 王铁儒等 1 9 8 6 年 在杭州印染厂利用土工编织物加筋处理了汽柜软基 在提高地 基承载力 调整不均匀沉降方面均取得显著的效果 1 9 8 8 年在金陵石油化工公司炼 油厂石埠桥码头油罐区5 原油罐中 利用土工织物加筋垫层和排水固结联合作用处理 了五座2 0 0 0 m 3 油罐软基1 4 i 工程实践说明 土工织物加筋垫层和其他地基处理方法 联合使用可以应用于大型工程 林晓玲 5 1 9 9 4 年 在杭州和绍兴利用长管碎石袋和 土工织物加筋砂垫层 处理砖混结构和框架结构下的淤泥质软基等 获得良好的工程 效果 王钊等 6 1 1 9 9 9 采用土工织物加筋粘土垫层处理泵站的钢筋混凝土管填土地 基 加筋地基中使用的土工加筋材料主要有 7 1 天然植物 如竹 柳条 金属 如不锈钢 镀锌钢 碳素钢 合成材料 如聚丙烯 聚乙烯 聚酯 尼龙 玻璃纤 维等 钢筋混凝土等 目前常用的用于加筋的土工合成材料产品主要有 筋材产品 包括土工格栅 g e o g r i d 土工网 g e o n e c 土工垫 g e o m a t 土 工格室 g e o c e l l 和条带筋材等 这类产品一般有较高的抗拉强度和较低的延伸率 它们和周围土的相互作用好 摩阻力和咬合力高 与常用的土工织物 土工格栅等平 面型土工合成材料 如图1 一l a b 所示 相比 土工格室 如图l l c d 所示 与填 土形成立体结构垫层 通过格室与土的相互作用 如格室侧壁对土的环箍约束作用 格室侧壁与填土问界面摩擦力以及相邻格室的被动土压力等 改善土体的强度和变形 特征 形成具有相当大的抗剪 抗弯刚度的复合材料垫层 即垫层具有一定刚度的梁 板效应 起到扩散 均化地基中的应力作用 从而达到提高地基承载力 减少不均匀 沉降 增加土体的稳定性的效果 复合加筋制品 例如以聚酯 玻璃纤维或钢筋作为加筋料制成的复合土工织 物 它是以制成的条带 s t r i p s 绳索 t i e s 连杆 1 i n k s 或板条 w e b s 等形式 与土工织物复合 可以充分发挥各种筋材的优势 起到加筋 隔离 过滤和防渗等作 用 这种制品一般抗拉强度高 可达5 0 2 0 0 k n m 破坏延伸率低 只有5 1 0 1 i 织物 g e o t e x t i l e 包括织造型土工织物和非织造型土工织物 前者应用 6 山东大掌硕士掌位论文 普遍 后者变形量大 仅用于应力水平较低的加筋工程中 土工合成纤维t 即直接在施工现场喷射纤维丝掺于土内 或将特制的合成材 料网片 拌入待加筋的土体中 直接形成纤维土 t e x s 0 1 或网片土 m e s he l e m e n ts o 目前这种产品应用较少 介玉新 李广信等基于加筋纤维土具有良好的力学性能 进 行了大量的理论和试验研究 8 卜 1 0 l 一一 一一j 一 一 i 挡条宽 墅墨堑 a 单向土工格栅 c g e o w e b 土工格室 丌1m l r 一 厂 弋尹 3 季 7 i i l i f o t h l 寸 二 二二 0 工l 2 三j 1 i l 圭壁塑 f b 双向土工格栅 主肋条 l 最小厚度 4 l 节点最大厚度 圈1 1 加筋材料示意图 1 2 加筋地基的研究现状与存在的问题 d g e o c e l l 土工格室 1 2 1 加筋机理的研究 国内外的学者为探求加筋机理进行了大量的试验研究 卜 1 试验结果表明 7 山东大学硕士掌位论文 降低基底应力 防止断裂 保持完整 形成具有一定刚度的垫层和基础一起共同作用 约束加筋地基下土体的侧向变形 改变浅层地基的应力场和位移场 从而提高地基的 承载力 调整不均匀沉降 与一般垫层比较 由于筋材的抗拉作用 提高了垫层的扩 散角 在有效的锚固条件下 筋材的强度愈大 扩散和均化应力的效果愈好 同时由 筋材与土组成的加筋地基刚度愈大 约束地基侧向变形的效果愈好 加筋的基本机理 一般可由两种原理进行解释 准粘聚力原理 摩擦加筋原理 一 准粘聚力理论 p s e u d oc o h e s i o nt h e o r y 这一概念早在2 0 世纪6 0 年代初 由法国工程师h e n r iv i d a l 根据以砂土和水平 布置一层或多层筋材的加筋砂土三轴试验结果分析而提出的 他认为在无加筋土样试 件上加竖向压力时产生侧向膨胀 在加筋土样试件中 由于筋材与土之间的相互作用 如摩擦力或咬合力等 阻止试件侧向变形 相当于将筋材等效于一个水平侧向作用力 厂 i 1 一g r 3 r 毋一 一毋 毋一 图1 1 加筋土应力分析示意图 毋l 毋 口 k 1 一 图1 2 加筋与无加筋土的极限应力圆 当垂直压力增加时 水平约束力也增加 只有当筋土之间的相互作用失效 即筋土之 3 一 口 山东大掌硕士掌位论文 i i 间失去摩擦力或筋材被拉断 试件产生破坏 由此可见 土样试件中的筋材能提高其 抗剪强度 减少其侧向变形 试件应力状态如图1 1 所示 圈1 2 表示了加筋与无加筋土的三轴试验破坏时的应力圆和强度包线 圆i 表示 无加筋土在侧限应力以作用下破坏时的应力囱 f s 为其强度包线 圆i i 表示加筋土 在相同的侧限应力0 3 作用下破坏时的应力圆 如为其强度包线 圆 i 表示加筋土中 填土的极限应力圆 其最大主应力们与圆i i 的相等 而填土的最小主应力增加 说明加筋使加筋土中的土骨架受到附加应力a 0 3 的作用 从图1 2 的几何关系可得到 a 吼 一气 2 a c t t a n2 4 5 0 詈1 1 1 二 试验表明 强度包线墨 与岛平行 即加筋与无加筋土具有相同的内摩擦角妒 而加筋土的强度包线不通过坐标原点丽与纵坐标相截 增加了 c 值 这个粘聚力不 是砂土原有的 而是加筋的结果 这表明加筋地基的抗剪强度提高了a c 加筋砂土 地基具有了粘聚力 即为 准粘聚力 二 摩擦加筋原理 朗肯破裂面 h 一羰一飞蕊一 图1 3 加筋土支挡结构及受力分析 图1 4 摩擦加筋原理 在加筋土支挡结构中 如图1 3 所示 挡墙破坏时会产生主动区和稳定区 由 破坏体a b c 的自重和外力产生的土压力作用于墙面板 通过墙面板上的拉筋连接件 将土压力传递给拉筋 有将拉筋从土中拉出的趋势 而拉筋又被稳定区的土自重压住 9 山东大掌硕士掌位论文 将土压力传递给拉筋 有将拉筋从土中拉出的趋势 而拉筋又被稳定区的土自重压住 即填土与拉筋之问的摩擦力阻止拉筋拔出 如图1 4 所示 如果主动区土的水平推 力与稳定区筋 土间的摩擦力平衡 则可保证整个加筋土体的内部稳定性 1 2 2 加筋地基的计算方法 一 极限平衡法 在加筋土的设计方法上 目前仍以极限平衡法最为普遍 这种方法需要根据试验 资料假设一个合理的破坏模式 然后利用极限平衡条件进行求解 目前 基于极限平 衡法的加筋地基的设计方法主要有 8 0 年代初期 g i r o u d 提出的抗拉膜理论 后来 又发展为拉膜和土拱结合理论m j b i n q u e t 等根据地基的破坏模式提出了加筋土地 基的设计方法 y a m a n o u c h 等提出了改进的t e r z a g h i 极限承载力公式 1 h u a n g c c 的 深基础效应 法 2 王钊的极限分析法1 2 2 1 等 极限平衡法是一种保守的设计方法 易造成浪费 筋材的强度和容许变形取值无 法确定 假设的极限平衡状态与实际工作状态有差别 不能充分地揭示筋材与土的相 互作用机理 不能计算复合土体的应力和变形 也不能模拟旅工进程 但是 极限平 衡法概念直观而简单 而且能给出安全系数 运算方便 设计时仅考虑强度方面的参 数 是岩土工程的传统分析手段 也是现今加筋设计中应用最广的实用方法 近年来 为了弥补极限平衡分析之不足 法国的j gg o u r c 和p hd e l m a s 等人 在极限平衡法的基础上引入了土与筋材的应变相容关系 于1 9 8 6 年提出了位移法 即在极限平衡分析中计及加筋材料的变形等 m cg o w n 等 1 9 9 8 年 开始采用极限 状态法 在加筋土设计时将分为最终极限状态和使用极限状态两大类 考虑建筑物的 使用寿命和筋材与土的应变相容性 对材料特性指标 土力学指标和作用力等 采用 分项系数替代单一的安全系数 较大地改进了极限平衡法 二 有限单元法 与极限平衡法比较 有限单元法的明显优点可以提供受荷土体的应力场与位移 场 而且能在计算中考虑土体的非均质和非线性 土性随时间的变化 施工程序和荷 载变化 因而计算成果可反映从施工开始到运行期土体性状变化的全过程 在进行加筋体的有限单元法分析时 通常有两种方法 一种是将筋与土组成的加 1 0 山东大掌硕士掌位 g w 文 筋土体宏观上视为各向异性均匀复合材料 材料的性质取决于筋与土各自的性质 它 们的体积比和筋材的布置等 另一种是将加筋土体视为筋与土两种性质不同的材料 并通过界面相互作用 界面单元的处理 假定筋材与土变形协调 从而取消了界面 单元 在筋 土界面设界面单元 如 g o o d m a n 单元 在筋 土界面设摩擦单 元 当界面作用力不大于界面阻力时 筋 土间无相对位移 否则 筋 土间发生相 对位移 李广信 介玉新等 2 3 2 4 提出一种新的计算方法一等效附加应力法 它是把加 筋土中筋材的作用等效成附加应力 并沿筋材的方向加在土骨架上 取加筋土中的土 体进行计算 不需引进新的模型 该法特别适用于纤维加筋土的计算 目前有限单元法在设计中应用还较少 其主要是无法直接给出安全系数 计算中 需要的关于土体 筋剌和它们二者之间相互作用的本构关系和相应参数等不易准确确 定 1 2 3 加筋地基的蠕变特性 王钊 f 2 卿分别在1 9 9 2 和1 9 9 4 年对土工织物和土工合成材料进行了蠕变试验 rjf a n n i n f 7 i x 土z 格栅加筋的荷载 应变一时间进行了野外观测试验 杨果林f 2 8 对 四种典型筋材 土工带 土工格栅 土工网和土工布进行了历时1 0 0 0 0 h 的长期 加载蠕变试验 试验结果均表明 筋材的蠕变是材料能否长期运用的关键 目前采用的土工合成加筋材料大多是高分子聚合物 因为土工合成材料在土中长 期处于受拉状态 而且聚合物是热粘弹性材料 因此土工合成材料具有明显的蠕变 应力松弛的特性和温度效应 浅基础下的加筋地基垫层中的筋材由于上部结构的遮 挡 所以受到温度的影响比较小 可不考虑筋材的温度效应 但是由于建筑物的荷载 大 体型复杂 平面变化多 使用年限长 所以长期荷载作用下筋材的蠕变 应力松 弛的特性在工程设计中是非常重要的 筋材的蠕变 郎材料在长期连续荷载的作用下 其应变随时间而增大 蠕变特性是土工合成材料重要特性之一 是材料能否长期运用 的关键 材料的蠕变会引起筋材的应力松弛 即在保持应变恒定时 其应力随时间而 松弛 会促使加筋失效 这将引起加筋土结构的内部应力状态的重分布 反过来将导 致丧失结构整体稳定性 产生过大的变形等严重后果 因此研究土工合成材料的流变 性质非常重要 在长期荷载作用下筋材的蠕变 应力松弛的特性在工程设计中是非常 山东大掌硕士学位论文 重要的 目前通常采用的考虑筋材蠕变的设计方法是将筋材的极限抗拉强度除以2 5 的折减系数 虽然这种方法简单实用 但不符合实际情况 1 3 研究内容 1 通过分析比较目前常用的各种土工合成材料加筋地基承载力计算方法 探讨 了各种计算方法所反映的加筋机理 对现有计算公式中存在的问题进行分析 针对常 见的加筋土工程的平面应变问题 本文利用半无限体内受水平集中力作用的e m e l a n 公式 求解当筋 土界面应力为水平矩形均布荷载f 时 在地基内部产生的附加土中 应力q t 并分析筋 土界面应力对地基内的应力场影响 2 依据现有的试验资料和加筋地基理论 提出条形基础下的加筋砂土地基的滑 裂面为对数螺面 运用极限平衡理论的上限原理推导出条形基础下加筋砂土地基承载 力的上限解 分析探讨了各种因素的影响 并将计算结果与已发表的加筋砂土地基的 模型试验结果进行验证 3 在研究h d p e 单向土工格栅的蠕变和应力松弛特性的基础上 建立单向土工 格栅的线性流变模型 将加筋土视为由筋 土组成的均匀材料 建立单向土工格栅加 筋土体的流变本构模型 并进行理论分析 1 2 山东大学硕 a z 掌位论文 第二章加筋地基承载力的分析 砂垫层 碎石垫层及灰土垫层的地基处理方法早已在建筑工程中广泛应用 但是 它们由于受材料来源 材料本身的力学特性及工程造价等因素的影响 因此不是理想 的地基处理方案 g i r o u d e 7 1 通过对加筋地基荷载传递机理的分析 提出用拱膜二步法 分析加筋地基承载力 并提出相应的计算公式 j b i n q u e t 和l e e 1 9 7 5 1 为研究在 基础板下设置水平向加筋垫层提高地基承载力和改善地基变形特性的效果及规律 进 行了6 5 组模型试验 试验结果表明 承载力可增大到3 4 倍 并且根据地基的破坏 模式提出了加筋土地基的设计方法 y a m a n o u c h 1 9 7 9 2 1 在原有的t e r z a g h i 极限承 载力公式的基础上 考虑了加筋地基中筋材的张力膜作用和旁侧荷载的镇压作用 提 出了改进的t e r z a g h i 极限承载力公式 黄景川等 1 9 9 0 1 2 1 1 研究筋材较短 如筋材长 度与基础宽度相等 的情况下 基于深基破坏机理 分析了加筋对地基承载力提高的 作用效果 王钊 2 2 1 基于筋材断裂和拔出两种极限状态的分析 全面考虑筋 土之问的 相互作用 提出相应的极限承载力计算公式 本章对目前常用的加筋地基承载力计算方法进行分析比较 分析了各计算方法所 反映的筋 土之间的作用机理 探讨了最下一层筋 士之问界面作用对其下面土体产 生附加约束作用的影响 并依据半无限体内受水平集中力作用的e m e l a n 公式 求 解出当筋 土界面应力为水平矩形均布荷载r 时 在地基内部产生的附加土中应力以 o 并分析筋 土界面应力对地基的应力场的影响 2 1 加筋地基承载力计算方法分析比较 2 1 1b i n q u e t 法 b i n q u e t 通过对加筋地基的试验研究 分析加筋地基的变形机理 提出加筋地基 的破坏型式是 筋材的拉断破坏 筋材的拔出破坏 假设地基为匀质各向同性体 地 基破坏面发生在同一深度处剪应力最大点 筋材在破坏面处拉力铅直向上 筋材拉力 在滑动面上由于剪切作用而转变为竖向力 考察微分体平衡提出筋材的拉力公式 取承载力安全系数为k 由此可推导出土工合成材料加筋地基增加的地基承载力容许 值z x f 如图2 1 所示 1 3 山东大掌硕士学位论文 1 d 1 b 盏一 图2 1b i n q u e t 法的加筋地基受力分析示意图 a f 矾孝 汜 l 式中 4 l 正应力系数a 无量纲 a 2 剪应力系数4 2 无量纲 厅一加筋层间距 m b i n q u e t 法 考虑了筋材的铺设情况对 厂的影响 例如a 1 a 2 是z b 的函数 a h 与筋 材间距有关 即考虑了筋材间距 和第一层筋材到基底的距离 的影响 没有考虑加筋地基中填料的影响 在考察微分体平衡时没有充分考虑筋土界面的相互作用 模型试验中筋材为加筋条带 它与土工织物 土工格栅等土工合成材料的力 学性能和在土体中的工作性能不同 故在破坏面处筋材拉力铅直向上的假设与目前常 用的土工格栅 土工织物加筋地基的实际情况不符 般在破坏面处筋材拉力方向取 与水平面夹角为 4 5 妒 2 由于筋材和填土的种类不同 筋 土界面的相互作用不同 正应力吩剪应力 k 沿筋材的分布也不相同 所以在实际应用中 公式中的正应力系数爿 剪应力系 数彳 计算图表应根据实测或试验资料结果进行修正后才能使用 1 4 2 1 2 改进t e r z a g h i 极限承载力公式 通常采用的改进t e r z a g h i 极限承载力公式如下 如图2 2 所示 g c 2 t s i n a t y s 2 2 0f 7 i a ff 勃 江l l 山髟伊 j j i r 1 i j j t 一一 一 图2 2 改进t e r z a g l a i 公式的加筋地基受力分析示意图 式 2 2 中第一项为原地基的极限承载力 第二项表示土工合成材料的张力膜 作用 第三 四项为旁侧荷载的影响 隐含了承载力系数 a l0 的假设 因为地基 允许的沉降量比较小 所以往往忽略第四项的影响 取承载力安全系数为k 则可得 到土工合成材料加筋地基增加的地基承载力容许值a f a f 旦f 堕 三 2 3 k l b r 改进t e r z a g h i 极限承载力公式 没有考虑筋材的铺设情况对 的影响 例如对于多层加筋的情况 无论筋材 间距一5 i 筋材的铺设长度 第一层筋材到基底的距离z 多大 其加筋效果是相同的 这与试验结果和工程实践不符 故在应用公式 2 2 时 首先应根据试验资料和理 论分析结果合理地布置筋材 张力膜的作用在小沉降变形时较小 只有在大变形时才起主要作用 故改进的 t e r z a g h i 公式只有在地基发生较大的沉降变形 使筋材产生较大的应变时 才可考虑 土工合成材料增加的地基承载力 只有在长加筋的情况下才能考虑旁侧荷载的镇压作用 承载力系数 q 是内摩擦角伊的函数 当 q 1 0 时妒a 0 这样就低估了承载力 1 5 山东大掌硕士掌位论文 但该公式可通过修正内摩擦角妒考虑局部剪切破坏的影响 采用基础形状修正 系数考虑不同形状基础的影响 因而应用比较广泛 2 1 3 黄景j i i 的 深基础效应 法 黄景川等通过加筋砂土地基的模型试验发现 无埋深基础的加筋地基与有埋深基 础的无加筋地基的应变场类似 即地基中加筋相当于增加基础的埋置深度 产生 深 基础效应 由此提出土工合成材料加筋地基增加的地基承载力容许值a 如图2 3 所示 v 去 心嘭 半 2 4 6 1 一l l 多幺 形钐 i 够 j 钐 1 彬4 十 7 2 o il l i 产 一 v 二 3 k z s 图2 3 加筋地基 深基础效应 的破坏分析示意图 黄景j i i 的 深基础效应 法 考虑了筋材的铺设情况对 的影响 例如筋材埋置深度z 与筋材层数门 筋 材问距d 和第一层筋材到基底的距离 有关 尤其考虑筋材的铺设长度 对 的影 响 考虑了加筋地基中填料的影响 r 深基础效应 通过筋土相互作用改变了地基中的应力 应变场 增加 限制土体侧向位移 而将加筋土体视为基础的一部分 提高了地基的承载力和稳定性 因此在短加筋如 6 的情况下 就可显著提高地基承载力 即式 2 4 中第一项 1 6 1 山东大学硕士掌位论文 且与基底的尺寸无关 仅考虑筋材拉力增加边墙向上的摩擦力 没有考虑长加筋 6 其他有利 因素的影响 如旁侧荷载的镇压作用 所以低估了长加筋 6 对提高地基承载力 的作用 2 1 4 王钊的极限分析法 王钊认为当筋材的布置符合一定的要求时 加筋地基的破坏表现为筋材的断裂 其断裂点在筋材与压力扩散线的交点处 运用极限平衡原理推导出加筋地基极限承载 力公式 并可得到筋材加筋地基增加的地基承载力容许值 如图2 4 所示 af nt f 凳 半 tans re 4 6p 2 1 2 5 k 2 l 再三i 面 百肛j j 1 式中 d t i 一对数螺旋滑动面最大深度 m d 2 五五b 荔 c 万o s 丽 p e f 胆蛔p a 6 厂 z 4 p 1 2j 扑j j 曰 d u z l j 一 一 二一 图2 4 王钊提出的加筋地基的破坏分析示意图 王钊提出的极限分析法 考虑了筋材的铺设情况对 的影响 例如筋材埋置深度z n 与筋材层数n 筋 材间距d 和第一层筋材到基底的距离 有关 没有考虑加筋地基中填料的影响 该公式加深了对筋土作用机理的认识 不但更合理地考虑了筋材的张力膜作 1 7 山东大掌硕士学位论文 用 筋材拉力的垂直分量的作用 还考虑了筋材拉力的水平分量对下面的土体产生 的约束作用 是一种切实可行的加筋地基设计计算公式 但此公式没有全面考虑筋土的界面作用对提高加筋地基承载力和减少不均匀 沉降的贡献 2 2 加筋地基承载力计算结果分析比较 本文取d 4 5 妒 2 妒 3 0 r 3 m o5 m d o 5 m 并取6 2 m 5 m 1 0 m 筋材拉力t 2 0 5 0 1 1 0 k n m 砂土的容重为y 2 0k n m 3 k t a n 2 z 4 妒 2 分别计算一层和三层筋材增加的地基承载力 厂 25 计算结果见表2 1 加筋地基 的分析比较表2 1 计算方筋材拉力 一层筋材a f k p a 三层筋材a f k p a 法 k n m b 2 mb s mb 1 0 mb 2 mb 5 mb l o m 2 095 954 440 52 87 71 63 21 21 5 改进的 5 02 3 9 91 3 j 9l o1 37 19 74 07 73 0 3 9 t e r z a d a i 1 1 05 27 72 9 9 l2 22 91 5 83 18 97 36 68 7 2 01 35 648 523 33 8 7 11 42 069 4 b i n q u e t 5 03 39 01 21 258 39 67 73 55 01 7 3 4 法 l l o7 45 82 66 71 2 8 32 1 29 07 81 13 8 1 5 短加筋 1 20 03 60 0 深基础 长 2 01 6 6 21 38 51 29 24 98 64 l5 53 87 7 效应法 加 5 02 3 5 51 6 6 21 31 67 06 54 98 63 94 7 筋 1 1 03 7 4 02 2 1 61 45 41 1 22 06 64 84 36 2 王钊的 2 09 1 640 02 0 72 4 8 21 l3 260 2 极限分 5 02 2 91 0 0 051 76 2 0 82 85 3 1 5 0 l 析法1 1 0 5 03 82 20 0l l 3 71 3 6 5 l6 2 3 53 30 3 由表2 1 中的计算结果可见 改进的t e r z a g h i 法 b i n q u e t 法和王钊的极限分析 法中 为筋材拉力t 的函数 厂随筋材的强度提高而提高 似乎只要提高筋材的强 度 模量就可提高加筋地基承载力 实际情况并非如此 只有筋材的强度 模量与界 山东大掌硕士掌位论文 面强度相互匹配才能提高地基承载力 而且随着基础宽度的增加 张力膜作用产生的 厂降低得很快 改进的t e r z a g h i 法过高地计算了筋材的张力膜作用 b i n q u e t 法关于 筋材拉力方向铅直向上的假设过高地估计了筋材的作用 虽然黄景7 i l 的深基础效应法 的计算值偏低 但可以计算短加筋时的a f 随基础宽度的增加降低得较慢 但没 有合理地考虑筋土的扩散作用 王钊的极限分析法 因为考虑了筋材拉力的水平分量 对下面的土体产生的约束作用 毋 则 q a c t t a n z c 4 c p 2 从而更合理地考 虑了筋 土作用机理 由以上分析可知 土工合成材料加筋砂土地基中 主要应考虑 加筋后改变了地基中的应力 应变场 即使在短加筋时也可产生 深基础效 应 长加筋的张力膜作用 旁侧荷载的镇压作用 应考虑填料 砂土 的扩散作用对提高 的影响 筋土界面剪应力对其下面土体产生的附加水平约束作用a 0 3 首先 对于多 层加筋的情况 除最下面一层筋材外 其余各层筋材主要起侧限地基土的作用 不应 考虑它的筋土界面剪应力对其下面土体产生的附加水平约束作用 只有最下一层筋 上之间界面作用对其下面土体产生附加约束作用的影响 如图2 5 所示 其次 只 简单地考虑筋材在压力扩散线处的拉力作用是不完全的 应该全面考虑筋 土界面作 用沿界面的分布情况 目前关于这个方面机理和计算的研究非常少 针对常见的加筋土工程的平面应变 问题 利用半无限体内受水平集中力作用的em e l a n 公式 j 求解当筋 土界面应 力为水平矩形均布荷载r 时 在地基内部产生的附d n 土q 应力a o a o 并分析 a 仃 ao 对加筋地基承载力的影响 2 3 水平荷载作用在地基内部的土中应力公式 2 3 1m i n d l i n 解 假定地基为均质的各向同性半无限弹性体 则在地面以下深度为d 的位置作用有 水平集中力q 时 利用弹性理论中的m i n d l i n 1 9 3 6 年 公式 可得到地基内部任一 点m r y 处的应力表达式 参见文献 2 9 袁聚云等 1 9 9 5 年 以半无限 体内受水平集中力作用的m i n d l i n 公式为根据 推出水平矩形均布荷载作用在地基内 1 9 山东大学硕士掌位论文 部时的土中应力分量的表达式 一一 h 2 3 2 e m e l a n 解 a 筋土界面受力示意图 b 2 z t a n 0 f b 2 z t a n 0 r 一 r 一一一 一 b 反作用与下部土体界面剪应力方向示意图 图2 5 筋 土界面受力大小及分布示意图 对于常见的路基 士坝和挡土墙等加筋土工程 加筋土复合体可视为为平面应变 问题 根据半无限体内受水平集中力作用的e m e l a n 公式 可得到地基内部任一点 m x 处的应力分量表达式为 呼纠川m l f x 2 塑 掣忙m 珊 l 1 专一掣 柳 2 0 山东大学硕士学位论文 h 9 一 丌i 式中 2 r 2 0 一c 2 二 z 2 0 一c 2 字岛m l i 厅 专掣 2 圳 m 上 v 为土的泊松比 其它符号意义见