大连理工大学
硕士学位论文
土工格栅加筋挡土墙的有限元数值分析与性能研究
姓名：李敬峰
申请学位级别：硕士
专业：岩土工程
指导教师：栾茂田
20040601
摘要
土工格栅加筋挡土墙的工作性能研究是岩土工程实践中一个十分重要而具有现实意义的课题，其中所涉及到的强度（格栅的加筋机理）、稳定性（考虑挡土墙内外稳定性的极限平衡分析）、变形（主要指墙面板的侧向变形分析）以及加筋效果评价等问题，在实际工程中尚未得到合理解决。土工格栅加筋挡土墙的有限元数值分析方法是模拟加筋挡土墙工作机理的一种数值计算方法，该方法要依据土工格栅的加筋机理，能够弥补极限平衡设计方法的不足，得到与实际较为符合的应力、应变以及变形?隋况等，可以说有限元数值分析方法与加筋挡土墙应用研究的上述问题紧密相关。
本文首先在前人研究的基础上对土工格栅加筋挡土墙结构的应用研究进行了较为全面的总结与分析：深入探讨了加筋土的强度问题一土工格栅的加筋机理；在加筋挡土墙墙面板侧向变形模型分析所得到的变形参数的基础上，结合加筋挡土墙的工作机理分析选择了可能会影响挡土墙工作性能的敏感性参数。上述工作为后面的有限元数值分析及参数的敏感性数值计算提供了依据。
随后对于填土和填土一格栅接触面分别基于双曲线非线性弹性模型Ｅ－Ｂ模式和无厚度接触面单元模式，建立了能够模拟逐层填筑和分级加载过程的工程实用非线性有限元数值计算模型。以一座土工格栅加筋试验墙和一个坝上填筑的双面板土工格栅加筋挡土墙实际工程为数值分析的研究对象，进行了有限元数值计算，将计算结果与实测结果进行对比分析，验证了加筋挡土墙结构应力与变形有限元分析的合理性与可靠性，同时为后面的参数敏感性数值计算提供了实例验证。
进一步的，以加筋试验墙为数值计算对象，变动其填土的强度和刚度参数，加筋的刚度、长度和间距以及面板的弹性模量一系列参数，进行了参数的敏感性数值计算。通过对比分析探讨了填土、加筋和面板的性质对土工格栅加筋挡士墙工作性能的影响程度，总结得出了对工程实际有参考价值的规律性结论，从而深化了有限单元法对土工格栅加筋挡土墙结构的分析。
上述工作完成后，论文在最后对土工格栅加筋土结构有限元数值分析还有待于进一步研究的问题以及今后的发展方向进行了讨论与展望。
总之，本文所做的很多工作都是有实际意义的，有限元分析及加筋性能的参数敏感性分析结论为土工格栅加筋挡土墙的设计提供了有价值的参考依据。
关键词：土工格栅加筋挡土墙，性能研究，有限元，变开五分析，参数，敏感性
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｇｅｏｇｒｉｄｓ—ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅａｒｔｈｒｅｔａｉｎｉｎｇｗａｌｌｓｉｓａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｉｎｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｇｅｏｔｅｃｔｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ａｔｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｔｉｍｅ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｔｕｄｙｏｆｇｅｏｇｒｉｄｓ—ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅａｒｔｈｒｅｔａｉｎｉｎｇｗａｌｌｓｍａｉｎｌｙｄｅａｌｓｗｉｔｌｌ
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第一章绪论
１．１土工合成材料的应用及研究概况
近几十年来，土工合成材料在交通土建、水利和环境等各项岩土工程中得到了广泛的应用，主要起到加筋、过滤、排水、防渗、防护和隔离等作用。这些作用是以不同型式的产品来实现的：例如，土工织物用于滤层、隔离和防护：土工网和三维土工垫用于排水和土的稳定：土工格栅、条带、有纺或编织的土工织物用于加筋：土工膜用于防渗等。目日口还倾向于利用土工织物、土工网、士工格栅和膜的优点形成复合材料。现已应用的有结合过虑和排水性能的土工织物和土工网复合材料，结合加筋和排水功能的土工织物和土工格栅复合材料，而土工织物和土工膜结合形成的复合土工膜则既能防渗又具有防刺破作用，且具有与土较高的界面摩擦系数。
研究各种士工合成材料在工程中的应用，首先必须研究其材料一工合成材料的发展。据文献记载，土工合成材料的最早利用，是２０世纪３０、４０年代将聚乙烯、聚氯乙烯土工膜用作渠道和水池的防渗。随着化纤工业的发展，５０年代才有以化纤制成的织造型土工织物问世。１９８５年美国佛罗里达州将土工织物铺在海岸块石护坡下作为防冲垫层，此举被公认为是土工合成材料用于岩土工程的开端。
土工合成材料的主要创始人之一Ｊ．基劳德先生将土工合成材料发展进程划分为三个阶段：１９６０～１９７５年为开拓时期；１９７５～１９９０年为设计施工方法研究和新产品开发时期；１９９０年以后为土聚合物时期，即岩土工程师与聚合物专家合作进行改进设计施工方法和研制新产品时期。
２０世纪５０年代末，非织物型无纺土工织物投入市场，由于它具有反滤、排水功能，因而极大的拓宽了土工织物的应用领域。然而，那时的土工合成材料的类型还仅限于土工膜和土工织物。６０年代初、中期，根据材料复合概念进行了塑料排水带的研制和生产：与此同时荷兰人首先以双层土工织物缝制成土工模袋。这样，土工合成材料又增加了土工复合材料和土工特种材料两大类。早期的发展侧重于工程的需要，研制开发品种繁多的各类产品，按经验办事，和其他技术的拓展规律类似，应用与实践居于主导地位。
２０世纪７０年代初，才开始了材料机理和设计准则的探讨，人们初步总结了土工台成材料具有隔离、反滤、加筋三种基本功能。稍后，进一步认识到还有排水（导水）和防渗的功能。如６０年代中后期，法国岩土工程师Ｈｅｎｒｉ．Ｖｉｄａｌ提出了土的加筋理论，逐步形成－ｆ３ｗ筋土的设计方法；７０年代初，美国学者参考了粒状土的反滤需要，提出了最早的适用于土工织物的反滤准则。１９７９年巴黎召开的国际加筋土会议后，利用土工合成材
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料取代初期的金属条带来加筋土体的技术才被正式提上日程，从而有土工格栅产品的兴起。由＿ｆ涉及土工合成材料应用的大部分问题也是为了解决土体的稳定、变形和渗流等问题，这些问题也正是土力学研究的对象，所以一开始，有关土工合成材料设计理论和施工方法的拟定，自然以土力学原理为基础。如土体的稳定分析基本上采用极限平衡理论：变形计算依赖于土体的固结理论；渗流分析服从达西定律。土体本来就是一种性状十分复杂的材料，当它和另外一种随变形、压力甚至温度的变化而非线性地变化的土工合成材料复合时，由它们的相互作用而表现出来的现象当然就更复杂了。这两种材料复合后，共同的工作机理有许多问题到现在还没有摸索清楚。这是有许多因素造成的，如直接引用土力学方法不恰当，或是改进这些方法所作的假设欠合理，或是考虑的因素不周全，还有的是依据的经验不相同等原因所致【ｌ一１。
在学术交流方面，４年一次的国际土工合成材料学术会议（巴黎，１９７９年：美国。１９８２年；维也纳，１９８６年：荷兰１９９０年；新加坡，１９９４年；亚特兰大，１９９８年：法国，２００２年）已举行了７次。同时还召开了多次地区性和专门性的会议，大大促进了土工合成材料这…新材料和新技术的发展。
目前，国内外土工合成材料加筋土的研究工作主要集中在如下几个方面［２１：
１．完善设计计算理论，拓宽应用范围，并研究与其他加固技术的配合应用问题；
２．将加筋土体看成均质“复合材料”或者考虑土筋之间的相互作用，用有限元法进行数值分析；
３．土工合成材料加筋体的使用寿命研究：
４．加筋土体变形的因素和计算方法；
５．外荷载在加筋土体内的扩散及其对加筋土体内部稳定性的影响和加筋地基承载力计算等。
１．２土工格栅加筋挡土墙的国内外研究状况
１．２．１加筋挡土墙的发展
多年以来，支挡结构几乎全部是设计成重力式或悬臂式的混凝土挡墙或石砌挡墙一类刚性结构。这类结构浪费材料、墙面不美观而且沉降不均匀。自从法国工程师Ｈ．Ｖｉｄａｌ最早将加筋原理上升到理论高度以来，大量不同性质材料的加筋结构出现在生产实践中：较早的一类材料的加筋思想来源于钢筋混凝土，加筋材料为钢筋混凝土预制件，即在受拉钢筋外表面包裹一层混凝土，这种加筋类似于深基坑支护中经常用的土钉，目前在加筋挡土墙工程中还经常被使用；与第一类加筋挡土墙结构相比，土工合成材料加筋挡土墙以其施工简单、经济有效的特点越来越受到广大岩土工作者的青睐，特别是土工格栅这种具有孑Ｌ眼结构的新型土工合成材料依靠其特有的孔眼对土的镶嵌与咬合作用，加筋效果更加明显，在挡土墙中的使用比例也日益增加。
第一荦绪论
土工合成材料加筋挡土墙（Ｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅａｒｔｈｒｅｔａｉｎｉｎｇｗａｌｌｓ）这种结构的面层系统经过了不断的发展与更新，按照面板的材料和结构形式的不同可以分为以下几种类型：
（１）石笼面层。石笼中包入土工合成材料一起作为面层结构。
（２）包裹式加筋挡土墙。格栅或土工织物其端部回折将填土分层包裹，直至墙顶。
（３）预制的全高混凝土面板。
（４）现场浇筑的全高混凝土面板。
（５）制成标准尺寸的模块式混凝土面板。
预制或者现浇的全高混凝土面板，面板在高度上是一个整体结构，面板制作过程中，可以将较短长度的土工格栅一类加筋预制到面板当中，在连接处通过高分子聚合物连接棒与加筋部分的主长土工格栅相连接。第五类面板简称为模块式面板，模块一般是尺寸相对较小的混凝土块，质量从１５～５０ｋｇ不等，模块高度在１００～２００ｍｍ之间，外表长度通常２００～４５０ｍｍ，可制成实心的或空心的。模块式面板是干砌的块体；相邻模块用安全插销，支架、螺栓等联接，易于人工安装，加筋连接采用压于模块与模块间特别的连接构件形成机械连接，连接简易；模块式面板同时还具有外表美观大方的特点。目前这种形式的加筋挡土墙在铁路、公路工程中应用最广。
１．２．２土工格栅加筋挡土墙的极限平衡分析方法
土工格栅加筋挡土墙的计算方法可分为两大类：极限平衡分析方法和有限元分析方法。目ｆｊ｛『，土工格栅加筋挡土墙的设计以极限平衡分析方法最为普遍【１，６，２“。利用极限平衡原理进行设计是将整个加筋土体看成是一个整体，考虑挡土墙的外部稳定性和内部稳定性破坏。
外部稳定性验算是假设格栅加筋范围内的土体为刚性体，按照重力式挡土墙结构必须满足静力学中力和力矩平衡的原则，进行如下几方面的验算：
（１）水平滑动稳定性
（２１倾覆稳定性
ｆ３）地基承载力
（４１整体抗深层滑动
内部稳定性验算则根据筋材被拉断或者被拔出这两种破坏模式，有时还要考虑面板连接处的破坏来进行下列验算：
（１）合适的加筋间距和每层加筋最大拉力
（２１格栅的抗拔验算
（３）面层系统连接处最大拉力验算
自从加筋土技术应用到挡土墙结构以来，考虑外部和内部稳定性各个方面的因素，
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基于极限平衡原理已经形成并改进了许多设计方法。土工格栅加筋挡土墙的外部、内部破坏模式和稳定性验算以及当今国际上基于极限平衡原理流行的几种设计方法将在第四章具体讨论。
１．２．３有限元方法的发展
上面讨论的极限平衡分析方法只能大致地估计筋材所提供的抗力，在此基础上利用极限平衡原理估算加筋土体的安全系数，尽管这种方法简便实用，但无法评价筋材与土各自的应力、应变和结构的变形等，而且所得结果过于保守。而在一些挡土墙结构中，为了分析加筋挡土墙的变形特征，筋材、土应力应变关系的获得及二者相互作用机理的研究是必要的，因而有限元数值分析方法得到了应用。此外，与极限平衡法相比。有限元法可以提供受荷土体的应力场和位移场，在计算中可以考虑土体的非均匀和非线性、土性随时间的变化、施工程序和荷载变化，因而计算成果可以反映从施工开始到运行期阍土体性质变化的全过程。特别是近期随着土和加筋材料本构关系研究的日益深入，有限元法的发展很快，因此对比较重要或对变形有严格要求的结构物，常常用有限元法进行核算ｆ５１。
目前，构成加筋土结构的有限元模型主要有两种：整体式和分离式。
在整体式有限元模型中，将土工格栅这一类加筋材料离散于整个单元中，并把单元视为连续均匀的复合材料。加筋对于整个结构的贡献，可以通过调整材料的力学参数来体现。而这种复合材料的各项参数特性可通过大型的三轴试验仪器来测得。整体式模型的明显缺点是无法揭示格栅与土相互作用的微观机理，因而计算结果与工程实际往往有偏差。
在分离式模型中，将士体和加筋各自划分为足够小的单元，按照土体和加筋不同的力学性能，选择多种不同的单元型式。事实上，受到外力作用后，加筋与土体之间在相互约束下会产生相对滑动，为模拟两者之间这种粘结约束作用和相对滑移，可插入接触面单元。分离式的这种模型可揭示土体和加筋之间相互作用的微观机理。
有限元分析已经成为加筋土结构研究的重要课题，本文的重点也将在第六章建立土工结构的分离式非线性有限元数值分析模式，进行土工格栅加筋挡土墙的有限元实例分析并探讨其工作性能。
１．３论文的主要研究工作
土工格栅加筋挡土墙结构的加筋性能应用研究主要涉及三方面问题：强度问题（格栅的加筋机理）、稳定性问题（考虑挡土墙内外稳定性的极限平衡设计）以及变形问题（主要指墙面板的侧向变形分析）；土工格栅加筋挡土墙的有限元数值分析是模拟加筋挡土墙工作机理的一种数值计算方法，与这三方面问题紧密相关。
论文在前人研究的基础上，针对土工格栅加筋挡土墙的加筋机理及设计应用进行了
第一覃绪论
较为系统的总结与探讨；随后建立了非线性的有限元数值计算模型并进行了有限元实例分析；进一步地，进行了变换参数的敏感性数值计算，对±工格栅加荔挡土墙进行了工作性能的研究。本文所做的《土工格栅加筋挡土墙的有限元数值分析与性能研究》课题，主要在以下方面做了一些有益的工作：
１．进行了土工格栅加筋挡土墙结构应用研究的总结分析：总结了土工格栅的工程特性、应用状况及加筋挡土墙的发展；详细探讨了加筋土的强度问题一土工格栅的加筋机理；在详细分析基于极限平衡理论的几种设计方法的基础上，构思出土工格栅加筋挡土墙设计中布筋间距的优化设计方法；建立了墙面板侧向变形简化分析模型并由此得到影响加筋挡土墙工作性能的敏感性参数。
２．对于填土和填土一格栅接触面分别基于双曲线非线性弹性模型县Ｂ模式和无厚度接触面单元模式，建立了能够模拟逐层填筑和分级加载过程的工程实用非线性有限元数值计算模型。以一座土工格栅加筋试验墙和一坝上填筑的双面板土工格栅加筋挡土墙实际工程为数值分析的研究对象，进行了有限元数值计算，将计算结果与实测结果进行对比分析，验证了加筋挡土墙结构应力与变形有限元分析的合理性与可靠性，为后面的参数敏感性数值计算提供了实例验证。
３．参考加筋挡土墙墙面板侧向变形模型分析得到的变形参数，结合加筋挡土墙的工作机理，以加筋试验墙为数值计算对象，变动其填土的Ｄｕｎｃａｎ－Ｃｈａｎｇ模型参数，加筋的刚度、长度和间距以及面板的刚度几项参数，进行了参数的敏感性数值计算，通过对比分析探讨了填土、加筋以及面板的性质对土工格栅加筋挡土墙工作性能的影响程度，得到了对工程实际有参考价值的规律性结论，从而发展了有限元方法。
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第二章土工格栅的工程特性和工程应用
２．１概述
１９６９年法国工程师ＨｅｎｒｉＶｉｄａｌ发表了最早的有关加筋土原理的文章。他将金属条带埋在土体内，靠条带和土接触界面的摩阻力来限制士体的侧向变形、提高土体的强度，从而增加土体的稳定性。形成的这种复合土体在筋条布置方向上强度明显提高，但同时也促成了土的各向异性。因而，建立在均匀介质基础上的一些土力学计算方法将不完全适用。近年来，由聚丙烯、聚脂等合成的有纺或无纺织物、编织物和土工格栅等土工合成材料因为强度高、耐腐蚀、柔性大、能在工厂预制和运输方便等优点，在各项岩土工程中获得广泛的应用。
土工格栅相比其它土工合成材料出现的较晚，因为技术含量较高，价格较贵，国外在８０年代开始应用。国内９０年代开始在道路上首先应用，材料为从国外进口（意，英），９０年代后期国内开始自行生产，目前已有十多家厂家，少数产品质量已达到国际水平。当前土工格栅应用发展的速度非常快。
２．２土工格栅的工程特性
（一）土工格栅的大体分类
土工格栅有单向网格的，也有双向网格的，按照其生产材料和加工工艺的不同，主要分以下几种类型：
塑料格栅：先在挤压制成的聚合物板材上冲孔，再经单向或双向的定向拉伸形成；
塑料格栅（单向拉伸）：主要采用聚乙烯（ＰＥ）为原料，拉伸强度高（１００ｋＮｍ“以上），延伸率低（１０％左右）：
塑料格栅（双向拉ｉＳ）：主要采用聚丙烯（ＰＰ）为原料，拉伸强度２０～４０ｋＮｍ。），寿命５０－－７０年：
玻璃纤维格栅：拉伸强度高，但是其断裂延伸率很小，一般都小于４％，无蠕变，稳定性好，但较脆：
经编格栅：主要采用高强纤维在经编机上织造并经涂层处理而成，强度高且模量大，蠕变小，抗撕裂性能好，但制造要求较高：
土Ｙ－Ｎ（未经拉伸）：一般由未经拉伸的金属形成网格，强度较低，延伸率高，用于排水和植草或要求不高的工程。
当前，相对于其它类的土工格栅，塑料土工格栅以其无可比拟的各项特性在实际工程中有着最广泛的应用，因此本文所研究的土工格栅均指塑料土工格栅。
第二覃土工格栅的工程特性和工程应用
（二）土工格栅的物理结构特性
土工格栅是经过拉伸形成的具有方形或矩形格栅的聚合物板材，常用作加筋土结构的筋材或土工复合材料的筋材等。格栅的生产工艺以开发结构对称、节点不是熔接、粘接或编制而成的平面产品为导向，在此思路的引导下发展格栅生产工艺。首先在高温加热的情况下将高分子聚合物挤塑成板材，在其上进行冲孑Ｌ，然后在受控的加热设备下根据肋条的强度进行拉伸，使产品一开始就具有整体的节点构造，而且此工艺的本质特点是将高分子的聚合物的分子连接方式变为链状的连接方式，增加格栅肋条的抗拉强度。
土工格栅是由横肋（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｂａｒｓ）、纵肋（１０ｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｉｂｓ）及网：ｊ：ｋ（ａｐｅｒｔｕｒｅｓ）组成。其不同部分对土工格栅的作用贡献也不尽相同。从格栅的外观上看：格栅的外形均一，表面平整光泽，明显有碳黑光泽；土工格栅呈网状结构，网孔尺寸大，网节点处厚度要大于网筋厚度，表面粗糙。相比土工织物易被填料刺破而损坏织物结构、降低隔离及加固效果的缺点来说，土工格栅的网筋较粗、强度高，不易发生网眼断裂、抗冲击性强，从而大大提高了抗尖石刺破能力；网孔尺寸稳定性好，对粗粒土有较强的嵌锁作用及拱效应，增大了土工网格与填料之间的剪切阻力；便于现场裁剪、连接和重叠搭接。
双向土工格栅具有独一无二的结构特点。它的结构与台球框非常相似，如图２?ｌ所示。双向土工格栅具有刚硬的肋条、高强度的节点、高强的平面抗扭刚度及呈正方形的厚边肋条，因此双向土工格栅能与土颗粒形成非常有效的咬合或互锁作用，约束土颗粒的侧向位移。用双向土工格栅加筋粒料层能有效地保证：
（１）垂直荷载作用下，很小应变的双向土工格栅能承受相当大的抗拉力与对土颗粒的约束力；
（２）在受载区内获得理想的加筋效果；
（３）优化应力场，有效的控制差异沉降；
（４）提高土体的强度、整体性与连续性。
纵向
／—————～、。、
Ｉ
嚣
图２－１双向土工格栅
Ｆｉｇ２－１Ｄｏｕｂｌｅｏｒｉｅｎｔｅｄｇｅｏｇｒｉｄｓ１
籍
ｊ
图２－２单向土工格栅
Ｆｉｇ２－２Ｓｉｎｇｌｅｏｒｉｅｎｔｅｄｇｅｏｇｒｉｄｓ
大连理工大学硕士学位论文
双向土工格栅的网孔成规则的正方形，而单向土工格栅的网格根据格栅的强度按ｌ：７或１：８进行拉伸，如图２－２所示。肋条作为力的承载体，节点作为力的传递点，两者构成一个有效的整体，产品生产工艺的整体性增加了格栅的平面抗扭模量。此外，格栅各节点具有几何结构对称和分子结构对称的特点。这种产品生产的一致性决定了格栅的荷载传递的有效性，格栅具有优化的几何肋条，其肋条具有近似９０度的肋条截面，为格栅与填料提供了有效的承载面，使肋条有效地嵌固填料，更好的传递荷载。
（三）土工格栅的力学特性
土工格栅的力学特性主要反应在它的加筋杌理上，土工格栅是通过独特的工艺过程使聚合物的长链碳氢分子沿拉伸方向藿新排列成一直线的，因而具有较高的抗拉强度（一一般较拉伸前提高５～１０倍）并具有较低的延伸率（只有拉伸前的Ｏ．１０～Ｏ．１５倍），土工格栅对土的加固机理存在于格栅与土的相互作用之中，这种相互作用较为复杂，可以归纳为三种作用：
（１）格栅表面与土粒的摩擦作用；
（２１土粒对格栅肋的被动阻抗作用；
（３）格栅孔眼对土的镶嵌与咬合作用。
这三种作用均能充分约束土颗粒的侧向位移，从而大大地增加了土体的自立稳定性，由于三种作用的同时存在，使得土工格栅在土中的抗拔能力或格栅对土的加固效果也明显提高。当前对土工格栅加筋机理的研究主要形成两种理论：摩擦加簏理论和准粘聚力理论。摩擦加筋理论认为：在加筋土结构中，由填土自重和外力产生的土压力传递给拉筋，存在着将拉筋从土中拉出的可能，而拉筋又被填土压住，于是填土和拉筋之间的摩擦力阻止拉筋被拔出。准粘聚力理论认为：加筋土结构可以看作是各向异性的复合材料，通常采用的拉筋其弹性模量远大于填土。在这种情况下，拉筋与填土共同作用，包括填土的抗剪力、填土与拉筋的摩擦阻力及拉筋的抗拔力，使得带有拉筋的填土强度明显提高。本文将在下一章节中详细讨论以上两种加筋理论。
２－３土工格栅的工程应用
由于土工格栅上述种种优越的工程性能，土工格栅这种新型的土工台成材料在公路、铁路等工程建设中发挥着重要作用，在挡土墙和桥台、陡坡和路堤的加筋防护以及软土地基处理方面有着广泛的应用１９］。
（一）加筋挡土墙和加筋土桥台
加筋挡土墙、桥台主要由单向格栅、面板和填料构成。因工程对填料无特殊要求，填料可就地取材：加筋体结构施工技术简单、施工工序少、工期短、不需特殊的机械、整体工程造价低：由于加筋体是逐层回填压实形成的柔性结构体，能较好的适应地基变
第二蕈土工格栅的工程特性和Ｔ程应用
形；加筋土结构的基础相对传统挡墙基础开挖小，基础开挖不需拆移管线，对管线密集的城市道路挡墙修建是一个很好的解决方案。如考虑到美观性，可采用模块式面板墙，模块式面板可根据需要构思出各种图案，与周围环境、相邻建筑物、桥梁等相协调，可以形成造型各异，形式新颖的城市景观。在桥梁工程中，桥台设在桥梁的两端，起着支撑上部结构和连接道路的作用，除了承受上部结构的竖直荷载及水平力外，还要挡住桥台后的填土，承受台背后面的土压力。传统的桥台一般采用重力式桥台或者其它形式的轻型桥台结构形式。利用高质量的单向格栅修建的桥台，是一种柔性结构体，能更好的适应地基变形，具有良好的抗震性，不仅满足安全的要求，同时在经济上和桥梁美学上显示其特有的优势。
（７０陡坡工程
无论是天然土坡，或是人工填筑的铁路、公路路堤及挡水土坝、土堤，其边坡常需要做成较陡的边坡。对天然坡，陡坡可以让出更多的空间供工程建设；对于人工坡，陡坡一方面减少填土方量，同时可以节约占地。土工格栅在这方面的应用大致可归纳为以下几种情况：
（１）地基较好，要求土坡坡度尽量陡ｉ
（２）地基一般，要求土坡坡度比不加筋时要陡：或者原有土坡产生了滑动，希望利用原柬的土坡而不是运新土来填筑修复，以节约工程造价；
（３）在填土坡的坡肩铺设土工格栅，使近边坡处填土可更好的压实，防止以后产生表面坍滑或冲刷。为此目的进行加筋的设计十分简单，只要在每层填土边缘１～２ｍ范围内平铺土工格栅，即可防止土料侧向移动，改善压实质量。
（三）软土地基处理
当在土工格栅上摊铺碾压粒料时，双向格栅通过近似于正方形的肋条与粒料之间咬合、瓦锁、镶嵌作用．形成具有一定柔度的坚实平台，这种平台能使力的扩散角增大，从而达到分散应力、荷载的作用。一般的软土地基可以直接铺设双向格栅以提高地基的承载力，减少不均匀沉降；对于特别湿软的地基，可以结合传统方法（换填、桩基、挤密排水等），有效的提高地基的抗剪强度，增强地基的承载力、改善地基土的压缩性、减少地基的不均匀沉降，延缓地基土的沉降速度；同时还可以节省填料，降低工程造价，大大缩短工期等。
软地基加固的主要领域有：公路、铁路、港口道路及承重坪：飞机场跑道基础；临时便道建设和高等级运动场跑道基础等。
（四）道路工程
土工格栅在道路工程中主要有四方面的应用，用在公路桥台和挡土墙以及处理软基这两方面已经介绍，此外还可以进行路堤的加筋防护以及在路面工程中的应用。
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土工格栅加筋路堤是在路堤和地基（通常是软土地基）组成的土工结构的适当位置加入具有抗拉能力的土工格栅从而组成的一种加筋土结构系统。它是国际土工界在近几十年发展起来的新结构。如果加筋材料能够有效的工作，将会极大的提高路堤的强度和稳定性。
工程中当建筑场地受到限制需要设置较陡边坡的土堤时，可沿堤高在坡体内或整个土堤内成层铺设土工格栅加筋层，形成加筋土堤或加筋土坡。加筋土堤必须填筑在稳定的地基土。当地基土的抗剪强度较低不足以承受填土引起的基底压力时，通常的处理方法如下；采用轻的填料、控制填筑速度、修建平台、打桩和换土垫层等。这些措施在很多工程中是行之有效的，但也受到现场条件和进度要求的限制。用一层或几层土工格栅沿堤基铺设，可以提高堤和地基的稳定性，减小土堤的水平位移和基底的沉降差，同时可以防止填土与软弱地基土相混合，具有经济和施工方便的优点，并且可以方便的和其它处理方法综合使用。
土工格栅在路面工程中的应用主要是指在沥青路面基层上（包括旧开裂沥青路面和混凝土路面做基层），布置一层土工格栅界面层，其上再铺设设计厚度的面层。这样铺筑的路面，对防止基层裂缝反射、减小路面车辙、延长路面寿命具有显著效果。
第三章士工格栅的加筋机理
第三章土工格栅的加筋机理
３．１概述
把土工格栅一类加筋材料沿主应变方向铺设于土体中，通过与土体的相互摩擦作用以及格栅网眼所具有的特殊的嵌锁、咬合作用，限制其上下土体的侧向变形，增加土体的稳定性，以弥补土体的抗拉性不足的特点。在这方面，加筋机理有点与钢筋混凝土类似。加筋土抗拉强度的提高或者说士体自立稳定性的增加，其基本原理在于土体与筋材的相互作用，土工格栅与土的相互作用可归纳为三种作用：
（１）格栅表面与土粒的摩擦作用；
（２）土颗粒对格栅肋的被动阻抗作用；
（３）格栅孔眼对土的镶嵌与咬合作用；
这三种作用均能充分约束土颗粒的侧向位移，从而大大地增加了土体的自立稳定性，同时由于三种作用的存在使得土工格栅在土中的抗拔能力或格栅对土的加固效果也明显提高。Ｈ．Ｖｉｄａｌ、ＦＳｃｈｌｏｓｓｅｒ、Ｙａｎｇ以及我国的杨果林等人都进行了各种加筋材料的加筋土实验研究，根据实验研究的结果，加筋土的加筋机理一般可归纳为两种解释：（１）摩擦加筋理论：（２）准粘聚力理论（又称莫尔一库仑理论）。土工格栅的加筋机理可以用这两种理论解释，但又有其自身的特点。
３．２土工格栅的摩擦加筋理论
摩擦加筋理论认为：在加筋挡土墙结构中，由填土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此土压力传递给拉筋，存在着将拉筋从土中拉出的可能，而拉筋又被填土压住，于是填土和拉筋之间的摩擦力阻止拉筋被拔出。因此，只要拉筋材料有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则加筋土体就可保持稳定。
对于～般没有网孔结构的加筋材料，填土与筋材表面发生相对剪切变形，其与土的摩擦阻力仅仅存在于士与筋材的界面接触处。而对于具有网孔结构的土工格栅而言，土与格栅表面相互作用所形成的摩擦力可分为两部分【１ｏ】：一部分称为土工格栅和土之间的表面摩擦力：另一部分称为土工格栅与土颗粒之间的咬合力，这种咬合力又包括两种作用力：一种是土颗粒与土工格栅横肋之间的承端力（被动阻力）；另一种是格栅孔内土与孔外土之间的表面摩擦力，如图３．１所示。其中，土工格栅和土之间的表面摩擦力是与其它平面条带型筋材相同的地方，而格栅与土颗粒之间的咬合力则是区别于其它条带式加筋材料的地方，也是土工格栅优越性的体现。为了便于用摩擦加筋理论用来解释土工格栅的加筋机理，将上述两种相互作用统称为土与土工格栅之间的摩擦力。
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基于上述摩擦阻力的分析，可以用摩擦加筋理论来解释土工格栅加筋土结构的内部稳定性。设由二七的水平推力在一微分段格栅拉筋所引起的拉力ｄＴ＝正一兀（假定拉力沿格栅长度呈非均匀分布），垂直作用的土重和外荷载的竖向压力共为Ⅳ，格栅与土体之间的摩擦系数为厂，格栅宽度为ｂ，作用于长讲的拉筋条上下两面垂直力为２Ⅳ６硼，格栅与土体之间的摩擦阻力为２＾归讲。如果２叼西讲＞ｄＴ，则格栅与土之间就不会产生相互滑动，如图３—２所示。如果每一层格栅拉筋都能满足上式的要求，则整个加筋土结构的内部抗拔稳定性就能得到保证。
格栅与土之间的
表面摩擦力
相对位移—．—．—么．—．—．．．．．—．—．
方向?———Ｌ－＿－——＿—－－—＿＿——“－—－－＿－－——。＿－－——－＿——＿－－－●
格栅孔内的土与孔外土土颗粒与格栅横肋
之间的表面摩擦力之间的承端力
相对位移／／
方向——＿．－一茧争≥?－—墨壶白－—－曩毒■－—塌章一
图３—１土工格栅与土之问的相互作用
Ｆｉｇ３－ｌＴｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｇｅｏｇｒｉｄｓａｎｄｓｏｉｌｓ
Ｎ
图３－２摩擦加筋理论
Ｆｉｇ３－２Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ
上面用摩擦加筋理论对土工格栅加筋机理进行的解释是将士工格栅与土的相互作用通称为土与土工格栅之间的摩擦力，摩擦性质简化为用格栅与土体之间的似摩擦系数，来表示。台湾学者Ｒ．Ｈ．Ｃｈｅｎ（１９９４）通过埋置于砂和砂砾石中的三种土工格栅进行４０×２５ｃｍ拉拔试验后，指出土工格栅与土之间的拉拔阻力主要由两部分组成，即土与土工格栅之间摩擦和土体反作用于士工格栅横肋上的被动阻力，格栅与土相互作用的示意图如图３．３所示。
Ｗｉｌｓｏｎ—Ｆａｈｍｙ（１９９４）Ｊ嚆．过大型拉拔试验后指出最终抗拉拔阻力Ｆ由三部分组成１２圳：
第三章土工格栅的加筋机理
Ｆ＝只十Ｒ＋Ｅ＝２Ａｔ盯。ｔａｎＳ＋２Ａ１盯。ｔａｎＳ＋Ａｂ口：Ｎｑ
其中：Ｅ、Ｅ、‘分别为横肋、纵肋提供的极限摩阻力和横肋提供的支承承载力；爿。为横肋的表面积：爿。为纵肋的表面积；占为土与格栅界面的摩擦角；４ｎ、盯。ｎ、Ｎ。分别是横肋的承载面积、格栅表面的有效正应力及承载能力因子。Ｊｅｗｅｌｌ（１９９１）推荐使用如下公式来计算Ｎ。：
Ⅳ。＝ｔａｎ（三＋鲁）ｅｘｐ【呼＋≯’）】其中≯’为在土工格栅的网孔内土的内摩擦角。
闰３０土工格栅与土之间的相互作用
Ｆｉｇ３－３Ｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｇｅｏｇｒｉｄｓａｎｄｓｏｉｌｓ
大型拉拔试验同时可以得到两点结论：一是格栅横肋处被动土压力面积的增加对提高抗拔力的作用是重要的；二是填土内部本身的抗剪强度比填土与格栅接触面积处土的抗剪强度大。
土工格栅足尺加筋试验墙的测试表明摩擦加筋理论用来解释筋土相互作用是合理的，并可得到如下一些结论【１０Ｊ：
１．每一层筋材所受拉力沿长度并非均匀分布，最大拉力不在筋材与面板的连接处，而足在墙后…定距离处。
２，所有加筋层最大拉力点的连线可视为加筋土体潜在的破裂面，破裂面将加筋土体分为主动区和被动区。主动区靠近墙面板，加筋层的摩擦剪应力指向面板，具有将筋材拔出的趋势：被动区加筋层的摩擦剪应力指向加筋尾端。
∥３．由土体产生的作用于拉筋表面的摩擦剪应力可由下面公式表示：ｆ＝；；与，
Ｚ口Ｈｌ
式中符号的意义同前。
摩擦加筋机理由于概念简单、明确．因此在加筋土的实际工程中应用较广。此外，这种加筋机理的建立为分离式的有限元分析奠定了基础。
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３．３土工格栅的准粘聚力加筋理论
（一）一般的准粘聚力加筋理论
如果将摩擦加筋理论看成是土工格栅在微观方面的加筋机理的话，那么与之对应的宏观加筋机理可以用准粘聚力理论来解释【２ｌ。
准粘聚力理论认为：加筋土可以看作是各向异性的复合材料。通常采用的拉筋其弹性模量远大于填土，在这种情况下，拉筋与填土共同作用，包括填土的抗剪力、填土与拉筋的摩擦阻力及拉筋的抗拔力，使得带有拉筋的填土强度明显提高。未加筋土和加筋土的基本应力状态如３－４图所示。在没有拉筋的土体中∞图所示），在竖向应力吼的作用下，土体产生竖向压缩变形。随着竖向应力的加大，压缩变形和侧向变形也随之加大，直到破坏。如果在土体中设置了水平方向的拉筋，则在同样的竖向应力矾的作用下，其侧向变形会大大减小（６图所示）。
豁㈣‘加雕
图３－４来加筋土和加筋土的基本应力状态
Ｆｉｇ３－４Ｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｏｆｓｏｉｌｓａｎｄｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｓｏｉｌｓ
这是由于水平拉筋与土体之间产生了摩擦作用，将引起侧向膨胀的拉力传递给拉筋，使土体侧向变形受到约束。拉筋的约束力盯。相当于在土体侧向施加了一个侧压力ＡＣｔ，，其关系可用莫尔圆表示，如图３．５ａ所示。莫尔圆ｌ是未加筋的土体极限应力状态；圆２是加筋土的极限应力状态，土体中加入了高模量的拉筋以后，拉筋对土体提供了一个约束力０１。，即水平应力增量△吼（＝ｃｒＲ），使得侧向压力减小，亦即在相同的轴向变形条件下，加筋土能承受较大的主应力差。这还可以通过常规三轴试验中的应力变化情况来表示，如图３－５ｂ图所示。图中圆３和圆４为未加筋土的极限莫尔圆，圆５为加筋土的极限摩尔圆。可以看出，在最小主应力以一定的情况下，加筋土能承受的最大主应力增加了△仉；在最大主应力确定的情况下，最小主应力减小了△吧。上述分析说明：加筋土的强度比未加筋土的强度有了增加，应该有一条新的抗剪强度线来反映这种关系，在ａ和ｂ两图中都做出了加筋土和未加筋土的抗剪强度线。
第三章土工格栅的加筋机理
土
剀Ｉ．竺Ｊ
ｂ
闰３－５莫尔一库仑强度理论
Ｆｉｇ３－５ＴｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｔｈｅｏｒｙｏｆＭｏｒｅ－Ｃｏｕｌｏｍｂ上述加筋理论已经被试验所证实，特别ａ
是对于砂土来说，未加筋砂的粘聚力几乎为
０。如图３－６所示，图中加筋砂与未加筋砂
的强度曲线几乎完全平行，说明摩擦角痧值
在加筋后基本不变，加筋砂的力学性能的改
善是由于新的复合土体具有粘聚力的缘故。
粘聚力不是砂土固有的，而是加筋的结果，
所以称为准粘聚力。
准粘聚力可以根据莫尔～库仑定律求得。
由图３—５ｄ可知十
圈３－６加篾砂与未加筋砂的强度曲线
Ｆｉｇ３－６Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｃｕｒｖｅｏｆｓａｎｄｓ
ａｎｄｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄｓａｎｄｓ
盯，＝盯，，ｔａｎ２（４５。＋庐／２）＝（口，＋△盯，）ｔａｍ２（４５。＋∥２）（３—１）加筋后，土体处于新的极限平衡状态，即
仃。＝￡Ｌｔａｎ２（４５。＋妒／２）＋２△ｃ协ｎ（４５。＋∥２）（３．２）比较上面的式（３—１）与式（３—２），可以得到
Ａａ。ｔａｎ２（４５。＋≯／２）＝２△ｃｔａｎ（４５。＋庐／２）（３－３）因此，由拉筋作用产生的准粘聚力为
Ａｃ＝去△吼ｔａｎ（４５。＋≯／２）（３．４）
上式是建立在拉筋不出现断裂或者滑动，同时也不考虑拉筋受力作用后产生拉伸变形的条件下得出的。显然这只适用于高抗拉强度和高模量的拉筋材料，如钢带、钢片和高强度及高模量的加筋塑料带等。对于低模量、大延伸率的一些土工合成材料的加筋机理，
，。，。。一，：：：。—。。。，堡堡呈丝璺薹！塑兰一一：！—。。一，！
面上所受到的土压力。根据契体的静力平图３．７加筋土契体力学平衡圈
Ｔｈ。ｆｏ”。“８１８“。。。ｆｆｒ８‘佃”“Ｉｏ。“
衡条件有：Ｆｉ９３－７
Ｔ＋ｏ＂３Ａｔａｎ（４５。＋州２）＝ｑ爿／ｔａｎ（４５。＋州２）（３—５）｜面拉筋所能承受的水平合力为：。
丁：墨丛生！堂！：±趔（３－６１
。
Ｓ。Ｓｙ
式中Ｒ为加筋土体中加筋层的垂直间距
ｓ．．为加筋土体中拉筋层的水平间距
ｑ为拉筋的极限抗拉强度
４为拉筋的截面积
将式（３—１）和式（３—６）代入式（３－５）中，可得：
缸：堡垒堂！：±型型（３－７）
２Ｓ。Ｓ，
式（３．７）求得的△ｃ便是拉筋作用产生的准粘聚力。
（二）考虑内摩擦角增加的准粘聚力加筋理论
上面的准粘聚力加筋理论是由Ｙａｎｇ首先提出的，他将多层加筋土中的筋材所起的作用当成是附加的围压△盯，并认为这个附加围压仅仅因为增加了筋材，才相应的增加了粘聚力＆，而将加筋和不加筋视为具有相同的内摩擦角矿，此时得到的强度破坏线是与未加筋土的摩尔一库仑强度破坏线相平行的直线。
土工格栅是一种具有孔眼的网格式加筋材料，由于网格在填土中的存在，组成的网格条带不仅可以承受拉力，而且可以承受剪力，并且条带可以视为具有一定刚性的杆件，因此加筋不仅使土体增加了粘聚力△ｃ，而且增加了土体的内摩擦角△妒。由于加筋土体相对于无筋土体增加了Ａｃ和Ａ矿，使加筋土体增加了一个附加周围力，从而增ＮＴ加筋土体的强度。杨国林对此进行了分析，并提出了加筋土新的强度准则ｆ２ｌ。