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土工格栅加筋土结构设计方法

澳门太阳集团2007网站:admin  发布时间:2016-08-09  点击:1447

土工格栅加筋土结构的设计方法很多,但可归纳为极限平衡法(limiting equi?librium method) 极限状态法limit state method)和有限单元法finite element method)三种。极限平衡法和极限状态法是用于分析加筋土结构极限破坏时的稳 定安全系数,有限元法则用于分析加筋土结构在工作应力状态和极限破坏状态时 加筋材料的拉力分布与土体变形情况。一个完整的加筋土挡墙的设计分析应包含 极限平衡分析、工作应力状态分析及墙体变形量的估算等内容。

目前广为流行的锚固楔体设计方法(tieback wedge method)是以极限平衡理 论为基础,属于极限平衡法的范围。近年来北美流行的三种方法有:Koemer提出 的模型化的 rankine 方法federal highway administration 方法,简称 FHWA 方 法national concrete masonry association 方法,简称 NCMA 方法。这些方法都是 以锚固楔体法为基础,只是具体的细部设计有所不同。在内部稳定性验算方面,这 些方法均是先假设土体中无拉筋,用不同的土压力理论计算墙背侧向土压力,然后 再将拉筋置于土体中来抵抗土压力。极限平衡法简单、易行,所以设计单位多采用 该方法。但是由于极限平衡法需要对拉筋、土体、滑动面做出许多假定,加上人为 隔离强度与变形,与实际情况差异较大,导致极限平衡法计算结果精度较差,只能 将极限平衡法看作半经验半理论的方法。因此,应通过积累工程经验和进行试验 研究、理论分析,对极限平衡法进行合理的修正,使其更接近工程实际。

国内外流行的加筋土结构设计方法,对加筋土支挡结构而言主要有锚固楔体 法、双楔体法、极限状态法、位移法和有限元法等,加筋土陡边坡的设计方法主要有 条分法、双楔体法、陡坡简化分析法、位移法及有限元法等。

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1.3.1   锚固楔体法

目前,加筋土结构的设计方法普遍采用极限平衡分析方法。该方法是对加筋 土结构进行稳定性验算,即分析计算结构整体结构内、外部稳定破坏所需的加筋材 料强度及应力分配。外部稳定性设计分析是将加筋土体视为具较高强度的复合土 体,再依据传统支挡结构外部稳定性设计分析方法检算结构沿基底的水平滑动、沿 墙趾的彳頭覆、地基承载力及沿地基的深层圆弧滑动稳定等。内部稳定性分析时一 般根据潜在破裂面,将加筋土体划分为非锚固区和锚固区,非锚固区筋材传递拉 力,锚固区的筋材承担锚固力。可能的破裂面有多种形式,如朗肯破裂面、对数螺 旋级或0. 3H线等,然后采用经验性公式计算侧向土压力分布状况,再计算不同深 度处平衡该侧向土压力所需的加筋材料的强度及应力分配[15]

1.3.2  双楔体法

双楔体法即德国建筑研究所的DIBt(deutches institute fur bautechnik)设计 方法,现已在欧洲广泛使用。该方法同样基于锚固楔体法,但其又有自身的特点。 加筋土结构侧向土压力设计采用库仑土压力理论,土体强度采用有效内摩擦角,基 础承载力则采用Meyerhof分布形式。计算时考虑了改进的太沙基承载力公式, 且考虑由主动土压力产生的合力偏斜作用。内部稳定型分析采用双楔体法,先估 计拉筋的布置,只着重考虑拉筋的拔出破坏,采用的破裂面是折线型的,假设滑动 面上部沿加筋体边缘且在墙面的不同高度处,每隔即有一个计算面。此外还有 两种特殊的面,即在两层拉筋之间而不与拉筋相交的面以及滑动面为拉筋的面。 按照以上各个不同的计算面来验算拉筋的拔出稳定性,从而确定拉筋的布置[17]

双楔体法对边坡倾角不受限制,可适用于加筋土挡土墙或加筋土陡边坡,但其 计算工作量较大,一般需计算机完成。

涤纶土工格栅
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1.3.3   基于考虑水平变形的极限平衡理论设计方法

由于土工格栅的延伸性、蠕变特性及其他因素的影响,土工格栅加筋土挡墙的 水平变形计算与控制显得越来越重要。

Jewell[18]最早提出了基于考虑墙面水平变形的设计方法。他假定墙后土体的 破裂面为朗肯主动破裂面,在主动区内拉筋拉力为常数,考虑了两种不同的拉筋布 置方式条件下的设计方法(1. 6和图1. 7),最后以图表的形式来表示。Adib[19 提出了基于应变相容假定的考虑墙面水平变形的设计方法。该方法假定锚固区


/ 土的相对位移仅由该区的应力平衡条件推导,而认为主动区内筋/ 土无相对位 移。在求锚固区的筋/土相对位移时,考虑了锚固区拉筋的应力平衡以及假定剪应 力与相对位移呈线性关系,并借助于非量纲参数表达墙面的水平变形。O’Rourke K0nes[M]在加筋土墙体沿刚性基础旋转的假定基础上,提出了计算墙面水平变 形的简化的设计方法。


I.6拉筋承受拉力分布图


1.7削短筋长示意图


 

Christopher[22]在试验数据和有限元数值模拟的基础上,建立了计算墙面 水平变形的图表法。他认为刚性基础上的加筋土挡墙的水平变形由拉筋长 度与墙髙的比值)和拉筋的相对刚度确定。Chew和皿匕^11[23]根据数值计算结 果以图表的方式提出了一种考虑墙面水平变形的设计方法。杨明等[21]假定加筋 土挡墙的滑动面为直线形朗肯破裂面,将拉筋看作墙面板的弹性支撑,墙面板简化 为弹性地基上的板(对于平面问题,则为一弹性地基梁),其简化分析模型如图1. 8 所示。在初始的相对位移产生后,筋土间便进入协调变形状态。当墙面板后的变 形楔体处于临界状态即主动土压力状态时,破裂面后土体为稳定体。其中拉筋段 为锚固段,变形楔体中拉筋可视为自由段,此时筋带中的拉力由面板处开始增大, 在破裂面处最大,再向后逐渐衰减为零。在忽略了锚固段的变形假定基础上,认为 筋带的变形全部由自由段承担,通过楔形体内拉筋的刚度系数计算墙面水平变形。 在研究中分析了面板与拉筋刚度的相对比值、填料的内摩擦角P侧向土压力分布 以及拉筋间距对墙面水平变形的影响。杨广庆等[24]将加筋土挡土墙视为一黏结 重力式挡土墙来考虑,受到墙后土压力作用时会产生水平变形。将加筋土挡土墙 墙体等效成各向异性的弹性体,视为一定宽度的悬臂梁,当受到墙背水平土压力三 角形荷载作用时,分别计算出了纯弯曲和纯剪切两种情况下的水平变形。

1.3.4极限状态法[25?3°]

在极限平衡设计方法中,直接以土的峰值强度(或残余强度)为指标,给定一个 保证结构不发生破坏的总体安全系数,没有或很少考虑结构的变形。而对于广泛 应用的土工合成材料加筋土挡墙来说,如果在设计中不考虑其变形,显然是不合 理的。

极限状态法自20世纪80年代在结构工程中开始使用,90年代在岩土工程得 到应用。在极限状态法中,一个特点是同时考虑强度和变形,即临界极限状态 ULS(ultimate limit state)承受静载荷与活载和功能极限状态SLS (serviceability limit state)另一个特点是引入风险系数(即分项安全系数)来代替整体安全系 数。对基于极限状态设计方法的土工合成材料加筋土挡墙来说,即可以考虑不同 极限状态下的各种材料之间的应变兼容性,还可以考虑内外部环境对材料耐久性 的影响。

随着土工合成材料在加筋土结构中的应用和发展,其特殊拉伸应变特性要求 设计上将加筋土结构的边界变形及内部应变协调性直接(而不再是间接)作为设计 准则来控制和评价结构设计。极限状态设计法设计思想因此应运而生,其核心 是引入了临界极限状态分析、功能极限状态分析以及分项修正系数PF (partial factors)的概念。规范 BS8006(1995)FHWA(1997)AASHTO(1997)NCMA (1997)等部分采用了极限状态法的思想或在不同程度上已初步说明了极限状态设 计法及分项修正系数的概念。

英国标准局(British Standards Institution)在基于极限平衡法的既有规范BE 3/78(British Department of Transport, 1978)基础上1995 年制定了加筋土应用 规范BS8006(1995)其设计理念已经由总体安全系数法发展到分项安全系数法, 包括了基于考虑不同影响因素的分项材料系数、分项荷载系数和分项破坏形式系 数。虽然该方法已成功地应用于一些工程,但还需进一步积累经验。

按照BS8006对平面状或条带状拉筋材料的加筋土挡墙来说,其设计方法分 为锚固楔体法与黏结重力式法(coherent gravity),采用的方法与加筋材料的延伸 性有关。BS8006规定在所有设计情况下,分项安全系数在考虑完全破坏的极限状


态下其值应大于1.0,若改为功能极限状态,则其值为1. 0;设计荷载则由土体及加 筋材料的复合性质来提供阻抗能力,土体强度乘以分项安全系数则为设计强度。 拉筋材料若为金属材料时,其设计强度仅需将材料极限抗拉强度除以分项安全系 数即可;至于土工合成材料拉筋,则需将拉伸蠕变断裂强度(the tensile creep rup?ture strength)与拉伸鑛变应变控制强度the strength controlled by tensile creep strain)分别除以分项安全系数后,取最小者则为设计强度。

1.3.5基于剪力滞理论的设计方法

该方法以复合材料力学观点的剪力滞(shear-lag)理论为基础[31],将单向复合 材料轴向荷载转换为平面状土工合成材料拉筋受拉状态。假定拉筋外有一层一定 厚度的处于纯剪切状态的剪切层,远离拉筋的外部区域处于纯压状态。在分析时 是基于筋、土均为均质的弹性材料,筋土之间的应变相容,拉筋末端拉应力为零,忽 略土体重力的假定基础上进行的[32]。该方法是土工合成材料加筋土挡墙设计方 法的新探索。但由于按照该理论计算的拉筋拉力沿拉筋长度分布、墙背侧向土压 力沿墙高分布等规律与实测结果和其他计算结果相差很大,一直未达到实用状态。

1.3. 6位移法

极限平衡法直观简单,运算方便,在工程上广泛应用,但在分析计算中未考虑 土体变形,近年来,为弥补极限平衡分析之不足,基于土的极限平衡原理,发展了位 移法( 1.9)。位移法(displacement method) Gourc首次提出的[33]Lermnnier等 将变分法引人极限平衡分析中,提出了变分位移法.(variational displacement method)M位移法的核心思想是根据加筋材料的伸长推算土体的位移。一般先 假定一圆弧滑裂面,并假定非锚固区的下滑量等于拉筋的位移量,由于加筋材料各 层的位移量应与拉筋的变形模量和抗拉强度相适应,利用变形的连续性、几何关 系、筋材的变形模量及假定的下滑量,计算拉筋拉力及变形,进而计算滑体的稳定 性,并寻找最危险的滑动面。

1.9位移分析法示意图



计算中对边坡坡高未做限制,因此位移法可适用于加筋土挡墙或陡边坡结构, 由于实际工程中的变形影响因素及几何关系比较复杂,简单地考虑变形位移,难以 获得接近实际的结果。同时由于拉筋的存在,可以有效的限制加筋土中破裂面地 开展,该假定还需进一步探讨,在工程实践中应用较少。

1.3.7有限单元法[35]

有限单元法是当前计算土力学中普遍采用的手段,它通过将连续体离散化为 有限个单元,对这些单元分片插值,可获得连续体内各点的应力、位移和应变分布 图形,从而对整个土体的稳定性和变形作出评价。

土工格栅加筋土结构的有限元分析是一个十分复杂的问题,涉及填料、拉筋、 地基以及拉筋与填料和拉筋与地基的相互作用等因素。有限元计算方法主要分为 三类:一类是将拉筋单元与土单元分开考虑,拉筋单元与土体单元之间设接触面单 元;一类是将拉筋与土体合成为一体,作为复合材料考虑;一类是将拉筋作为外荷 载考虑,直接作用在土体单元上,仅有土体单元。

与极限平衡法相比,有限元分析的优越性是将加筋土结构的变形协调和应力 平衡结合在一起,克服了传统的极限平衡法将两者完全分开的局限。该方法不仅 能计算出土体中各点的位移、应力、应变和应力水平,提供受荷后土体与拉筋的应 力场和位移场,还能在计算中考虑土体的非均质和非线性、土体与拉筋随时间的变 化、施工程序和荷载变化情况,而且还可以模拟某些复杂性质和过程。这些都弥补 了极限平衡法的不足,但由于计算中需要的几种关于土体、筋材和它们之间相互作 用的本构关系和相应参数等不易准确确定,以及按计算的应力场和应变场如何去 判断土体的整体稳定性还缺少公认的可行方法,因此有限单元法除在比较复杂或 特殊的工程中进行分析评价外,在常规的工程设计中很少采用。

  1. 3. 8条分法

条分法是采用传统的未加筋边坡稳定分析方法找出边坡的最危险滑动面,并 分别考虑滑动面经过边坡中部、坡脚及深层地基的情况[36]。根据未加筋边坡的最 危险滑动面,将拉筋拉力的抗滑作用计入稳定计算中。该方法在工程上广泛采用, 将在第3章详细先容。

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