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土工格栅加筋机理

澳门太阳集团2007网站:admin  发布时间:2016-08-09  点击:1444

在土体中加筋能增强土体的强度,这早已为人们所熟知。从土工格栅加筋土 工程实际效果来看,以格栅作为抗拉构件,增强土体的整体性,提高土体的抗剪强 度的作用是十分明显的。但是加筋材料为何能提高土体的强度呢?只有正确解决 了这个问题,加筋土的计算方法和理论体系才可能得到完善。近年来,各国学者针 对土工合成加筋材料与土体的相互作用进行了深人的研究,对土工格栅的加筋机 理已经有了进一步的认识。本章在总结前人研究成果的基础上,将土工格栅的加 筋机理归纳为摩擦加筋机理和似黏聚力机理,并采用断裂力学进行了边坡稳定性 机理分析。

3.3.1摩擦加筋原理

土工格栅沿主应变方向铺设以弥补土体抗拉强度的不足,在这方面其作用 机理有些类似于钢筋混凝土。抗拉强度增强的原因来自于土工格栅与土体的相互 作用,这种相互作用在第2章中进行了详细论述,主要包括三个内容:

1)格栅上下表面与土粒的摩擦作用,当某一部分土和格栅界面存在相对位移 时,就会产生摩擦。摩擦起决定作用时,格栅应沿着土中最大拉力方向铺设。

2) 格栅肋条对土颗粒的被动阻抗作用。它随法向应力(方向垂直于筋材与土 相对滑动的方向)的发展而出现。

3) 格栅上的孔眼对土的镶嵌与咬合作用。镶嵌与咬合作用一般被认为是土 工格栅加筋体进行应力传递的主要方式,其发挥不仅与土工格栅孔眼大小和肋条 的厚度有关,填土的性质也非常重要,包括土的粒径大小、粒径分布、颗粒形状、密 度、含水量、黏聚力及刚度。

要保证以上三种作用的有效发挥,加筋复合体应具有下列性质:

土工格栅肋条和结点的高强度可以保证应力沿着筋材和土体接触面连续的传 递,筋材按照一定的角度铺设在土体中,而不是某一局部加筋。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坡的加固效果也明显提高。

文本框: (b) 图3. 4摩擦加筋原理示意图 根据加筋土复合体中土;I:格栅拉筋与土之间的基本构造,在加筋土体中取一 微段来分析。如图3. 4(a)所示,微元体长为dZ拉筋左截面受力为,右截面受 力为T2,压住拉筋的法向应力为cr略去筋带重量和微元土体重量。设拉筋与土之 间的摩擦系数为/,筋带宽度为fc由于土与筋带之间的相对运动趋势所引起的 筋带拉力为dTdT= HdF为土与拉筋在该微元段上产生的总摩擦力,



则有

dF=2afbdl

根据对该微元体的受力分析可知,如果dF>dT则筋与土之间就不会产生相 互错动,换句话说,筋与土之间的摩擦力克服它们之间的相互运动,使微元体保持

稳定。

从上述分析可知,要保持加筋体稳定,加筋材料需满足两个条件:能够提供足 够的摩擦力,与土体相契合,确保土与筋产生相对错动前使拉筋不被拉出;要有足 够的强度和弹性模量,保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。

摩擦加筋原理概念明确、简单,易于理解接受。但是,摩擦加筋原理也忽略了 土粒在土工合成材料中形成的嵌锁作用(拉筋为土工格栅时,同时忽略了筋带在 力作用下的变形,未考虑土为非连续介质、具有各向异性的特点。

边坡稳定性计算方法一般采用费伦纽斯提出的条分法。当存在拉筋时,只需 将拉筋拉力考虑进去就可以了。

3.3.2准黏聚力原理

加筋土结构可看作是各向异性的复合材料,一般情况下拉筋的弹性模量远远 大于填土的弹性模量。基于拉筋与填土的共同工作,加筋土结构强度包括了填土 的抗剪力、填土与拉筋的摩阻力和拉筋抗拉力的共同作用,使得加筋土的强度明显 提高。这一点在加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样三轴对比试验中得到了验 证。图3. 5为准黏聚力加筋原理示意图。图中?为垂直方向应力,%为水平方向 应力<为由土工格栅转移给土体的水平方向应力,为土体的侧向应变,F为格 栅所受拉力。由于W的存在,使土体的抗剪强度增大。

这一理论是根据以砂土和水平布置一层或多层拉筋的加筋砂土三轴试验结果 分析而提出的。将加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样进行三轴对比试验,如果 未加筋砂圆柱土样在m&作用下达到极限平衡状态,那么加筋砂土样在同样大 小的^作用下达不到极限平衡状态,而处于弹性状态,说明加筋砂土的强度提 高了。

于地基下某深度z处取一处于静止状态的砂土样单元体,则cn =yZ;?r3 = 0yz^)=l —sinp为静止土压力系数,图3. 6中应力圆I表示其应力状态。设iCfs 为砂土试样强度包络线,由于圆I处于静止状态,故应在Kfs线之下。若卸去侧向 平衡荷载,使土体产生侧向变形,在m保持不变的条件下,m会减小,使土体逐渐

达到极限平衡状态,如图3. 6中圆II     Han2 (45°—|)为主动土压力

系数,其与Kfs线相切。若大小主应力mcr3=n保持不变,由于加筋材料与砂 土的摩擦(咬合),限制了砂土的侧向膨胀,同时也阻止了 m降低,此时的小主应力



 

3. 5准黏聚力加筋原理示意图


 

应介于和之间,其物理状态亦处于弹性稳定状态。由此可见,在mtr3 保持不变的情况下由于拉筋的作用限制了土的侧向变形,相当于对砂土提供了一| 个侧应力增量。在假定拉筋具有足够的抗拉强度和摩擦阻力,而不会被拉断 或沿拉筋界面滑动的条件下,加筋土试样处于弹性稳定状态。通过三轴试验可进 一步验证。

(ctct3)/2

3. 6加筋土试样的极限应力圆            3.7砂土与加筋砂土的应力-应变关系曲线

3. 7中,假定砂土和加筋土试样的初始应力状态均为静止应力状态,应力为

CTl(73=々。(71。在(Tl不变的条件下,降低ff3ff3 ,此时砂土试样巳达到极 限平衡而破坏,应变为^,而加筋砂土试样仍处于弹性状态,对应砂土破坏时的应 变为eR (Tn。可见,由于加筋条的作用,约束了加筋砂土的侧向变形,比无加筋 时应变减少了 Ae=ea—eR相应会产生一约束应力Act3,使其应力状态回到弹性稳 定状态,如n点。

当加筋砂土试样处于应力圆n状态时,预使砂土试样达到极限平衡状态而破 坏,必须增加^至被动极限平衡状态时的fflf如图3.6中的应力圆ID,即fflf = (<73+^3)^,kv为被动土压力系数,所以加筋的存在相应提高了砂土试样承载 力,。对于加筋砂土试样而言,欲使其达到极限平衡状态,可增大^ 至如,使之达到被动极限平衡状态,或减小CT3至?,使其达到主动极限平衡状态, 其应力圆为图3.6]Yv,公切线即为加筋砂土的破坏包络线。试验证明, 由于在试验中加筋条不被拉断和滑动,只是砂土被破坏,故线与水平线的夹角p和砂土的内摩擦角KfsS)近似相等,并与强度坐标相交,截距为Cp所以,在 土中加筋,约束了土体的侧向变形,增大了侧向压力,使之增大土体的抗剪强度,相 当于增大一个黏聚力Cp,称之为准黏聚力。

(7U=(73KP + 2CP 7k

由于等效应力增量无法直接量取,故由

Af73 _ Aglf (73       0\

Cp — 2

式中,Afflf--- 加筋砂土试样破坏时最大主应力增量;

——无筋砂土试样破坏时最大主应力

Kp = tanz(45°+|)—被动土压力系数。

注意,上述关于土体中加筋机理是建立在拉筋不出现断裂和滑动,同时也没有 考虑筋材在受力作用后产生拉伸变形的条件下得出的。这只适应于加筋材料为钢 片、钢带、钢筋混凝土块等高模量、高强度的材料,而对于模量低、延伸率大的土工 合成材料,在分析其作用机理时,必须考虑拉筋变形的影响。

取三轴试样中的试样楔体(图3. 8)来分析。图中A为试样截面积,0为破裂

,0=45°+f9为土的内摩擦角,:T为与破裂角相交的各加筋层的水平合力,风

为单位厚度加筋土试样(纵向中筋材的极限抗拉强度,S,为加筋土体中拉筋层间 的竖向间距。由静力平衡方程


T + (73Atan(9 = ff1(Atan(0 —

T =tanf


 


文本框: 加筋与未加筋砂土的强度曲线 1.未加筋砂;2.加筋砂

 

文本框: 图3.3. 8加筋土楔体力平衡图


 


可见,加筋砂土在极限平衡时,如和%仍保持线性。同时试验结果表明:砂土 与加筋砂土的如和<73的关系曲线大致平行,两者内摩擦角相近相等,如图3. 9所 示。由试验结果知:当%相同时,加筋砂土试样比未加筋砂土试样提高了一个竖 向压力增量Affi

=

从而有

相应侧向应力增量(约束力&3)

^3=|

结论:在考虑了拉筋的抗拉强度和变形性质后,拉筋的作用仍是增大了侧向约 束力,从而提髙了土体的抗压强度Alf)和抗剪强度Cp)。由于拉筋的抗拉强度

_等效于侧向约束力,所以为了防止筋材被^^断和沿界面滑动,避免加筋无

效,对低模量、大延伸率的土工合成材料必须控制加筋土结构的容许变形量。实际 中,风可用下式代替,BP

? = = ?h?Eh = ^ECh


式中,足H——相应于单位厚度(纵向砂土横向应变时,加筋土中筋材的拉 力kN/m);

?h----- 加筋土体()的横向应变;

ECh——延伸率在应变范围内时,筋材的割线模量(kN/m) ?’

er----- 峰值应力时,加筋土体()的竖向应变;

v——砂的泊松比。

  1. 基于断裂理论的加筋土边坡稳定性分析w

    在土体边坡中加人拉筋材料,不仅提高了边坡的稳定安全系数,同时也改变了 边坡坡裂面形状。该现象用极限平衡理论很难做出合理说明。为了深入认识和分 析加筋边坡稳定机理,研究经济合理、安全可靠的加筋土边坡设计理论和方法,本 节尝试了采用断裂力学理论进行加筋土边坡机理分析。

1.素土边坡变形破坏断裂力学机理分析

文本框: 图3_ 10素土边坡中裂缝(纹)应力状态和滑动面形成具有弹塑性特征的黏土边坡的变形破坏一般为剪切蠕变破坏,而非极限平衡 法所假设的滑动体沿某个滑动面作整体剪切破坏。边坡破坏实质上是坡体沿某个 潜在滑动面发生剪切蠕变而导致的破坏,是一个逐渐发展的过程。在坡体剪切蠕 变破坏过程中,坡体的破坏起始于坡体内最大剪应力所导致的一处缺陷,此缺陷即 是坡体内的第一道剪切裂纹()。在坡体重力场作用下,裂纹不断扩展,当此裂纹 与坡体中其他缺陷(如坡顶拉应力导致的裂缝)连接贯通时,即形成滑动面,坡体发 生滑移;当边坡比较缓,坡体中产生的最大剪应力小于土体抗剪强度时,边坡中不 能产生剪切裂纹(缝),此时边坡处于稳定状态。这即是素土边坡变形破坏的断裂 力学机理,图3. 10为素土边坡中裂纹的应力状态和滑动面形成的断裂力学过程。


HDPE双壁波纹管
HDPE双壁波纹管



 

2.加筋土边坡变形破坏断裂力学机理分析

根据素土边坡变形破坏的断裂力学机理,若在产生初始裂纹(缝)的边坡高度 范围内加筋,则裂纹在扩展过程中遇到筋材(假设初始裂纹位于两层加筋之间,使 裂纹扩展受阻,受阻后裂纹扩展必将改变方向,由预期的滑动面方向改变为沿加筋 层的水平方向,即裂纹扩展方向被改变,如图3. ll(a)、(b)所示,裂纹扩展方向的 这种改变从根本上改变了裂纹扩展性质。


 

3.11加筋对裂缝()扩展路线的改变

需要指出,对于定量分析,断裂力学里的应力强度因子KnKn只适用于弹性 体,但对于定性分析,弹性体中裂纹扩展过程中应力强度因子的符号和变化规律仍 适用于弹塑性体。因此,根据素土边坡中裂纹应力状态及断裂力学可知,裂纹改变 方向前为In型复合裂纹,由于I型裂纹的应力强度因子Ki为负,裂纹扩展主 要由n型裂纹控制,但是,当裂尖扩展到筋材上并改变为沿水平方向扩展时,裂纹 扩展巳改变为平行于而垂直于^,裂尖的应力场亦逐渐由n型控制转变为I型 控制,k工沿负值增大,控制裂纹扩展的剪切型裂纹应力强度因子迅速减小,使 K1 +Kn降低到临界值以下,使裂纹停止扩展,并且在裂纹扩展及改变方向过程 中伴随有应力重分布和能量释放,降低了裂尖的奇异程度,加筋使裂纹从危险变为 安全,多处裂纹不能贯通形成滑动面,从而增加了边坡的稳定性,使坡度较陡的加 筋边坡仍能保持稳定。

当使用土工格栅作加筋材料时,裂纹扩展可能会穿过加筋层,如图3. 12(a)所 示,这时材料加筋仍对裂纹扩展起重要约束作用。在这种情况下,当裂尖A穿过 拉筋后,加筋另一侧土体突然裂开并使拉筋产生变形,在拉筋与裂纹交叉处产生了 一对集中力S[3.12(b)]若裂纹长为,裂尖A到拉筋的距离为6,则裂尖A


 

3. 12加筋材料对穿过加筋层裂缝()的阻裂机理

的应力强度因子可表示为(由于土体单元双向受压,Ki <0,大家可忽略I型加载 的影响,将其视为纯n型裂纹

Kn Wn + JTn 式中,——远场均匀剪应力r产生的应力强度因子;

——集中力S产生的应力强度因子,则K;和椏的表达式为

K'n = r -/na


 

显然柯>0,为无拉筋时裂尖的应力强度因子,柯<0,为集中力S产生的应力强 度因子。

Ka +^,即拉筋产生的集中力减小了裂尖的应力强度因子,阻止 了裂缝的扩展;更进一步地,当卜0时,】<—吣,说明在裂尖A穿过拉筋的瞬间, 产生了一个巨大的负应力强度因子,能显著抵消由远场剪应力产生的应力强度因 子,拉筋亦从根本上起到了 P且裂作用,使裂纹在扩展过程中反复受到拉筋的阻碍而 未能贯通形成滑动面,从而增加了边坡的稳定性。

根据上述拉筋在裂纹扩展过程中的阻裂机理,拉筋改变了裂纹的扩展方向,若 裂纹穿过拉筋,其裂纹的扩展方向将反复被改变,裂纹不能像在素土边坡中那样沿 潜在破裂面方向扩展,使拉筋土边坡的滑动面形状呈折线形。

根据前述土坡变形破坏和拉筋在边坡破坏中的阻裂机理,土坡的破坏是由于 土坡中最大剪应力所产生的裂纹()扩展、贯通形成滑动面所致;拉筋的作用在于 改变裂纹()扩展路径,阻止坡体中裂纹()扩展、贯通形成滑动面。因此,如果 大家在产生最大剪应力的坡体范围内布筋,则坡体剪切裂纹()的扩展将被阻止, 坡体中将不致形成贯通的滑动面,边坡稳定性将被提高,筋材效用亦得到有效 发挥。

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