科研申报--加筋土结构理论研究及优化设计

1附表1中铁二局股份有限公司科技开发项目申请表项目名称加筋土结构理论研究及优化设计申报单位中铁二局集团勘察设计院有限责任公司项目负责人周应华起止年限2013年4月~2014年12月2013年3月21日2一、国内外研究及应用现状1.研究现状加筋土（Reinforcedearth）是在土中加入加筋材料（或筋带的一种复合土）。在土中加入加筋材料可以提高土体的抗剪强度，增加土体工程的稳定性。在我国，加筋土的应用实际上已有悠久的历史，如水工建筑中用树木枝条加固地基，道路工程中加入枝条的黄土“土桥”，民用房屋建筑中用掺入草筋、发丝或竹片的土夯筑土墙等，可惜未进行总结向更深一步发展；在国外，也有类似记载。然而作为近代建筑技术加以研究和推广，则是近二十年来的事情。20世纪60年代初期，法国人亨利.威达尔（Henri.Vidal)在实验中发现，当土中掺有纤维材料时，其强度可明显提高到原有强度的的几倍，继而提出了加筋土设计理论。1965年在法国普拉聂尔斯（Prageres）首次用他的设计理论成功的修建了一座公路加筋土挡墙，于是这一具有许多独特优势的加筋土结构立即引起了法、英、美、前苏联和日本等世界各国的重视，研究并运用于实际工程中，加筋土技术的应用也从最初的用作挡土墙而扩展利用于桥台、护岸、堤坝、沉淀池、半地下仓斜墙、建筑物基础、核电站反应堆等复杂工作条件下的结构中。近年来加筋土技术广泛应用于土木工程，其优越性愈来愈明显，归纳起来有如下特点：（1）施工简便。加筋土的组成构件（面板、拉筋、路缘石、栏杆、条形基础等）均可以预先制作，除需压实机械外，施工时一般不配合其他机械，易于掌握。同时可缩短工期和节省劳力。（2）加筋土结构是柔性结构，能适应地基较大的变形。（3）投资省。加筋土挡墙面板薄，基础尺寸小，与重力式挡墙相比，可节省圬工数量95%~97%，造价可比石砌重力式挡墙和钢筋混凝土挡墙减少20%~60%以上。挡墙高度越大，节省资金越多。（4）加筋土最大的特点是可以做成很高的垂直填土墙。从而可以减少占地面积，这对填土放坡困难地段，城市郊区的道路以及土地珍贵的地区，有着巨大的经济意义。（5）抗震性能好。加筋土结构所独有的弱性能吸收地震的能量，故具有刚性结构物无法与之比拟的耐抗震性能。（6）造型美观，景观观赏性强。墙面板形式多样化，可根据客户需要、受力特点选用，并使之拼装成造型美观的建筑物，改善道路及市政的景观。3迄今为止，此种加筋土结构工程（加筋土挡墙、加筋土陡坡）在国内外已广泛被采用。加筋土结构工程是一种轻型支挡建筑物，主要由面板、拉筋、填料、基础组成，依靠填料、拉筋、面板之间相互间的摩擦效应及相互协调变形的特性来维持此种结构工程的内外部稳定，其主要特点是厚度小，自重轻，挡土高度较高，而且经济指标也比较好，适用于软弱地基、地基承载力较低的填方和陡坡地段。近几年，国内在铁路、公路、市政等建设工程中也已经大量采用加筋土结构工程（加筋土挡墙、加筋土坡）。1997年重庆市建委为了推广这种支挡结构，专门编制了《加筋土挡墙工程》标准设计图，加速了该结构在国内有关工程的推广应用，通过工程实践证明，该结构具有较好的社会经济效益。国内目前对于加筋土结构工程的研究及应用主要集中在四个方面：（1）加筋土结构工程的土压力研究；（2）加筋土结构工程破坏模式研究；(3)加筋土结构型式的发展应用；（4）加筋土结构工程的CAD的二次开发。加筋土结构工程属加筋土技术的一个很重要的应用领域，从目前研究现状和工程应用的角度来看，可以认为加筋土作为一种复合材料，对其机理和结构设计的研究让不够成熟，表现出工程实践超前于理论的特点，需要对其做进一步的研究，下面来逐一论述：加筋土结构工程土压力研究：目前工程中常用的朗肯（Rangkin，1857）和库伦（Coulomb，1773）理论都是在不同的假设条件下应用不同的分析方法得到的。故仅在一定条件下近似适用。张师德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，侧墙面土压力分布为上大下小，沿墙高近似线性分布或抛物线分布。刘晓辉通过对复合式高挡墙应用常规计算法和有限元法的对比分析得出：两种计算方法求出的竖向土压力大小沿墙高呈线性分布，常规计算法所求得的竖向土压力完全由土体自重产生，由于两种方法的整体分布规律基本一致，故可说明有限元法对于该复合加筋土高挡墙的竖向土压力计算也反映出其应有的规律。此外从二者的分布曲线图中可以看出使用常规计算法求解的值比有限元法大，说明常规计算法相对保守。杨广庆在综合考虑了拉筋垂直层间距与拉筋的抗拉强度的影响,利用微元法提出了加筋土挡墙墙背土压力计算模型,进而得到墙背的土压力强度和合力的理论公式。研究结果表明:文中提出的加筋土挡墙墙背侧向土压力强度公式模型较好地反映了土压力随墙高呈非线性分布的规律;土压力理论值随拉筋竖向间距的增加而增加,随拉筋拉力的增加而减小；主动破裂角随拉筋拉力的增加而增大,随拉筋垂直间距的增加而减小,且加筋后的破裂角比未加筋的4大;土压力理论值比变系数法小且大于实测值。王永河对衡阳湘江公路大桥引道加挤土挡墙的现场测试资料进行了分析,经过现场测试发现,（1）以粘性土为填料的筋土之间的粘聚作用,减少了墙背侧压力。但和砂类土填料类似,对墙背的侧压力不完全按主动土压力Ea或静止土压力Eo的规律,在墙高上半部分,侧压力稍大于Eo(尤其矮墙);而下半部分侧压力偏小,接近或稍大于Ea,在墙高的中上部,则因粘性土的粘聚作用使侧压力急剧减小。另外,在挡墙达到某一高度后,随着墙高的继续增加,墙背上部分侧压力明显增加,下部分增加缓慢。（2）加筋区与支挡区界面上的侧压力一般都大于墙背(面版后)侧压力,而接近于静止土压E。（3）墙顶超载对墙背侧压力影响较大,尤其墙体上半部分侧压力的增加量随超载位置不同而有较大差异;但却对加筋区与支挡区界面的下半部分影响较大,使侧压力减小。挡墙加筋区以外的震动,使墙背上半部分侧压力减小，对下半部分影响不大;但震动却使界面下半部分侧压力增加,对上半部分影响不大。王道远通过埋设水平土压力盒、柔性位移计，对模块式土工格栅加筋土挡土墙墙后的水平土压力和格栅水平变形进行了系统监测。采用加筋组合法对加筋土挡墙的土压力进行了计算，与实测、变系数法所得数据对比分析，得知采用该方法计算的土压力更能合理地解释工作状态下加筋土挡墙的土压力分布规律；对比分析了施工阶段和竣工后格栅的应变，得知拉筋应变主要发生在施工阶段，工后应变较小。加筋土结构工程破坏模式研究：高江平通过对加筋土挡墙模型加载破坏现象的观察和破坏后裂缝的逐层剖析，分别总结了条带式和网状加筋土模型挡墙的破坏特征，两者既有共性，又有各自的特点。条带式加筋体两侧面的破坏面均呈喇叭形刺入式破坏，网状加筋体裂缝的分布形式与条带式加筋体裂缝的分布形式基本相同，但条带式加筋体的横向裂缝较网状多，且随沿深度方向上发展较深，这一特性说明，条带式加筋不如网状加筋的加固效果好。在超载作用下，加筋土挡墙的墙面位移形式呈上大下小的形状分布规律，整个墙面绕墙趾位移且墙面位移随超载的增大而增大，网状加筋土挡墙墙面位移小，墙体的整体工作性能较强。杨果林对加筋土挡墙(包括包裹式加筋土挡墙)的破坏模式做过详细的研究,总结了加筋土挡墙的六种破坏形式:（1)整体稳定性破坏；这种破坏一般发生在加筋层下面。（2)局部稳定性破坏；这种破坏一般发生在两层加筋层之间（3)倾理破坏；（4)筋带拔出及拉断破坏；（5)筋材长度不足引起的破坏；这种破坏主要是指包裹式加筋土挡墙包裹段长度不足而引起的破坏；（6)过大变形引起的破坏。变形包括:主要受筋带长度影响的剪切变形,主要受筋带刚度影响的拉伸变形以及蠕变变形。他认为5只要按规范设计与施工,前五种破坏模式都是可以控制的,这些破坏方式发生的可能性很小；但随着时间推移,筋材蠕变变形不断增大,发生第六种破坏的可能性是比较大的。杨圣春对包裹式加筋土挡墙进行了蠕变试验，通过蠕变试验发现，浸水条件下格栅强度有明显降低,如浸水后格栅屈服强度约降低1.5%,而且容易遭受腐蚀作用；荷载施加的初期(约2小时)格栅蠕变变形的速度很快,这个期间格栅约产生踢的伸长率,并且这个伸长率受荷载大小影响很小；单宽荷载不超过25KN/m时,格栅产生7%伸长率后蠕变速度逐渐平稳；单宽荷载超过25KN/m后,蠕变变形速度迅速增加。从杨圣春研究试验研究中可以得出，包裹式加筋土挡墙由于用筋材代替挡板,因此其变形会比普通加筋土挡墙更大,要想从根本上解决包裹式加筋土挡墙的变形问题,必须要解决好筋材的蠕变问题。格栅等柔性筋材从根本上说不可能完全没有蠕变,如何经济有效地将蠕变控制在我们工程允许的范围内,是目前我们仅有研究加筋土挡墙需要继续努力的方向。席健在对包裹式加筋土挡土墙有限元分析及应用的论文中对加筋土工程结构的破坏模式进行了分析总结，加筋土的破坏模式大致分为三大类，即内部稳定性破坏、面板破坏、外部稳定性破坏。内部稳定破坏包括：(1)破裂面(或潜在破裂面)从墙底开始，贯穿整个加筋土体。破裂面形状与筋材刚度、配筋率有关；对于筋材刚度和配筋率较小的情况，筋材对填土的约束作用小，破裂面有可能得到充分发展，其形状接近于经典的朗金或库仑理论破裂面；反之，加筋土则表现为粘聚重力式结构，破裂面呈对数螺旋线，顶端与墙面的距离约为墙高的0.3倍，在离心模拟实验中发现的筋材长度与墙高之比越小，则破裂面顶端到墙面的距离越小；(2)滑楔体破坏，即破裂面从墙顶开始，只贯穿墙身上部几层加筋土，使楔体塌落产生下滑；（3)双楔体破坏，破裂面为折线型，然后延伸到加筋土体外，形成两个破坏楔体；如果筋材有较高的强度和刚度，不容易被切断，那么，在加筋土体内，滑动面有可能沿着加筋层之间发展，这种破坏形式曾多次在试验中被观察到。面板破坏包括：面板塌落、面板凸鼓、面板错位引起漏砂现象、面板与筋材连接破坏。面板与筋材的连接破坏主要是由面板与填料的不均匀沉降引起的。对于粘性填土，有时虽然部分面板脱落了，但加筋土体仍能保持整体稳定；外部稳定破坏包括：加筋土体水平滑动、倾覆，地基承载破坏、地基深层破坏。加筋土体的水平滑动、倾覆是在外加荷载以及墙背土压力的作用下发生的。一般情况下，加长筋材可防止这两种破坏。由于地基土的约束作用，加筋土体有时不是沿着其基底滑动，而是沿着某一层筋一土薄弱面滑动认为，对于砂性填料，加筋土体实际上不是刚体，倾覆破坏的可能性很小。地基承载破坏、地基深层滑动破坏一6般在地基较弱的情况下发生。加筋土结构型式的发展应用：加筋土结构技术简单，施工方便，结构新颖，对材料要求低，施工工期短，造价低廉，正是这些突出的优点，目前应用范围越来越广，工程规模也越来越大。在世界各国，加筋土工程已从加筋土挡墙发展应到桥台、护岸、堤坝、建筑物基础、铁路路堤、码头、水库、储煤仓、槽道、堆料场以及核设施、军用设施等多个领域。技术先进、经济效益显著的加筋土结构将在我国，乃至全世界的基础设施中大有作为。主要应用表现如下几个方面：1、加筋挡墙加筋土挡墙由面板（包括基础）、筋材和填土组成。是三者的结合体。挡墙常用条带式和包裹式两种。其特点：一是加筋土挡墙是柔性结构，较之传统混凝土等刚性结构能更好的适应地基变形，对于不良地基更能显示其优越性。二是土工合成材料由于其柔韧性和高弹模，能更有效的吸收真的所传递的能量，因而具有良好的抗震性。如日本1996年的板神大地震，所有的土工合成次阿联加紧挡墙破坏很少，而混凝土挡土墙侧破坏严重。三是便于施工，可缩短工期。四是工程造价较低，经济效益显著。五是土工格栅包裹式挡墙，植草后成为绿色挡墙，绿色环保，造型美观。2、加筋土坡土坡是指土质路堤，包括挡水堤坝、公路路堤、铁道路堤等。加筋土坡在稳定地基上沿坡高按一定垂直间距近似水平方向铺设筋材，靠近破灭略向上弯曲，在堤趾底部近似斜线，在实际工程中为了施工方便一般采用水平向布置。与加筋土坡比较，加筋土坡边坡较陡，也被称为加筋陡坡。其特点：一是在场地有限或缺乏填料等情况下，要求建造的路堤坡度较大，传统