基于黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析

中图分类号：U416.1+4密级：公开UDC：本校编号：硕士学位论文论文题目：黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析研究生姓名：郭存鸽学号：0206453学校指导教师姓名：杨有海职称：教授申请学位等级：工学硕士学位专业：岩土工程论文提交日期：2009.4.21论文答辩日期：2009.6.8万方数据 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得兰州交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解兰州交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权兰州交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据 硕士学位论文黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析EngineeringPropertiesofLoessFillerandtheNumericalAnalysisofEmbankmentSlopesReinforcedwithGeogrids作者姓名：郭存鸽学科、专业：岩土工程学号：0206453指导教师：杨有海教授完成日期：2009.4.20兰州交通大学LanzhouJiaotongUniversity万方数据 万方数据 兰州交通大学硕士学位论文摘要黄土地区道路路基在各种自然因素，尤其是荷载及雨水作用下，易产生各种病害，到目前为止黄土路堤的稳定性问题仍然没有得到很好的解决。路堤的稳定性包括路堤变形和路堤边坡稳定两个方面。影响路堤稳定性的因素有很多，概括起来主要是以下三点：①路堤压实效果；②路堤填料本身的工程特性；③坡型、坡高、坡度。用土工格栅水平铺设加筋回填土边坡是近年来发展很快的一项土工新技术。土工格栅可以增强土体的整体刚度、约束土体的侧向变形，可以被广泛地应用到公路、铁路、建筑、水利等领域。但是由于目前对土工格栅与土相互作用机理的认识还远远不够，土工格栅加筋结构的应用还相当地有限。针对以上问题本文主要开展了以下几方面的工作：(1)本文选取永登境内的两种黄土进行击实、渗透、压缩等室内土工试验，研究黄土作为路基工程填料的工程性质；(2)通过大量相关文献的阅读，本文总结了路基沉降变形机理及黄土路堤不均匀沉降的成因，简单介绍了土工格栅的分类、特性和应用现状，评述了加筋土及加筋路堤的研究现状；(3)用数值分析软件(三维快速拉格朗日法)FLAC3D模拟两种路堤边坡潜在的破坏形式：路堤边坡潜在的浅层溜塌破坏与路堤边坡潜在的深层破坏，采用软件中内嵌的抗剪强度折减法来分析未加筋路堤与加筋路堤的稳定性及塑性区分布性态，讨论多种工况下的加筋效果；(4)路堤在施工过程中，并不是一次到顶，而是逐级施加的，本文通过模拟逐级加载，能反映出结构本身应力、变形随施工填筑工序的变化；(5)土工格栅主要依靠其拉应力来发挥加筋作用，本文分析不同位置、不同长度土工格栅的受力情况，能更好地指导加筋路堤设计和施工方案，使加筋效果和经济效益两方面因素都得到满足。关键词：黄土填料；土工格栅；边坡稳定性；加筋路堤；抗剪强度折减法论文类型：应用研究-I-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析AbstractTheembankmentsofroadsinloessareaareinallkindsofnaturalfactors,especiallyunderloadsandrain,easytoproduceavarietyofdiseases.Sofar,thestabilityofloessembankmentstillnothadbeenresolvedverywell.Embankmentstabilitycontainstwoaspectsofdeformationandslopestability.Themainfactorthataffectingembankmentstabilitycanbesummarizedasfollows:theengineeringpropertiesoffiller,compactingeffects,thetypesofslop,theheightofslopandthegradientofslop.Laygeogridshorizontallyinbackfilledsoilofembankmentisanewgeo-technology.Inrecentdecades,itdevelopedquiterapidly.Geogridscanbewidelyusedinvariousfields,suchashighway,railway,architecturalengineering,hydraulicengineeringandsoon.Butinnowadays,theapplicationofgeogridsislimitedgreatlybecauseofpeoplehavenotunderstandtheinteractionmechanismtotallybetweenfillerandgeogrids.Ontheaboveissue,themainsubjectofthisthesisisasfollows:(a)TwotypesofloessinYongdeng,Gansuprovinceareselectedtoresearchtheengineeringproperitiesofloessasembankmentfillerbylaboratorygeotechnicaltests,suchascompactiontest,permeabilitytest,compressiontestandsoon;(b)Withthestudyofplentyofinterrelatedreferences,inthisthesis,themechanismofsettlementforembankmentandthecauseofunevensettlementforembankmentofloessaresummarized;theclassification,engineeringproperitiesandtheactualityanddevelopinglevelofgeogridsareintroducted;theresearchstatusofreinforcedsoilandreinforcedembankmentarereviewed;(c)TwotypesofpotentialdestructionofembankmentaresimulatedbycalculationsoftwareofFLAC3D(FastLagrangianAnalysisofContinua):theshallowcollapseofembankmentslopeandthedeeplayerdestructionofembankmentslope.ThesafetyfactorofstabilityandthedistributionofplasticzoneofslopecanbecalculatedbyShearStrengthReductionthatembeddedwithinthecalculationsoftware.Thereinforcementeffectsinmultiengineeringconditionsarediscussedinthisthesis;(d)Duringtheconstruction,embankmentisfilledstepbystepratherthancompletedbyonetime.Thetrendthatthestressanddeformationischangingwiththefillingprocesscanbereflectedinthisthesis;(e)Reinforcedfunctionofgeogridaremainlyplayedbyitstensilestress.Thestressstateofgeogridswhichhavedifferentpositionsandlengthsareanalyzed,thusguidanceinthedesignandconstructionofreinforcedembankmentcanbesuppliedandboththereinforcementeffectandtheeconomicinterestscanbestsatisfied.-II-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文KeyWords：LoessFiller；Geogrid；SlopeStability；ReinforcedEmbankment;ShearStrengthReduction-III-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析目录摘要.....................................................................................................................................IAbstract.....................................................................................................................................II1绪论........................................................................................................................................11.1课题研究背景.............................................................................................................11.2边坡加固与防护的新技术与新材料.........................................................................21.3本文的主要内容及技术路线.....................................................................................42黄土填料的基本工程特性试验............................................................................................52.1试验内容研究..............................................................................................................52.2试验方案.....................................................................................................................52.3室内土工试验数据.....................................................................................................62.3.1比重试验..........................................................................................................62.3.2液塑限试验......................................................................................................62.3.3颗粒级配试验..................................................................................................62.3.4击实试验..........................................................................................................62.3.5渗透试验..........................................................................................................72.3.6压缩试验..........................................................................................................72.3.7重塑黄土湿陷性试验......................................................................................72.3.8重塑黄土强度特性试验..................................................................................82.3.9两种黄土强度比较........................................................................................112.4本章小结...................................................................................................................113路基的沉降变形理论及黄土路基不均匀沉降变形成因分析..........................................133.1路基沉降变形机理...................................................................................................133.2地基土沉降机理.......................................................................................................133.3路基变形机理...........................................................................................................153.4黄土路基不均匀沉降变形成因分析.......................................................................154加筋土及加筋路堤的研究..................................................................................................184.1土工合成材料及土工格栅概述...............................................................................184.2国内外加筋土的研究...............................................................................................204.3土工格栅加筋路堤边坡稳定性的研究方法...........................................................244.3.1加筋路堤边坡稳定性的极限平衡分析法....................................................254.3.2加筋路堤边坡稳定的数值分析方法............................................................32-IV-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文4.3.3离心模型试验方法........................................................................................345数值计算的理论基础及计算分析软件简介......................................................................365.1三维快速拉格朗日法(FLAC3D)的基本原理.........................................................365.2FLAC3D软件的主要特点.....................................................................................365.3土的本构模型及结构单元模型...............................................................................375.3.1空模型............................................................................................................375.3.2弹性模型........................................................................................................375.3.3塑性模型........................................................................................................385.3.4本构模型的选择............................................................................................385.3.5摩尔-库仑本构模型.......................................................................................395.3.6FLAC3D中的破坏准则和流动准则..........................................................415.3.7土工格栅结构单元及筋土界面....................................................................436用土工格栅加固路堤边坡的数值分析..............................................................................446.1路堤边坡潜在的浅层溜塌破坏及用土工格栅加固的数值分析............................446.1.1土样的物理力学参数....................................................................................446.1.2几何模型及边界条件....................................................................................446.1.3加筋方式........................................................................................................456.1.4计算结果及分析............................................................................................466.1.5土工格栅的受力分析....................................................................................496.2路堤边坡潜在的深层破坏及用土工格栅加固的数值分析....................................506.2.1土样的物理力学参数....................................................................................506.2.2几何模型及边界条件....................................................................................516.2.3初始地应力场................................................................................................516.2.4路堤分级堆载的模拟....................................................................................526.2.5车辆荷载的模拟............................................................................................526.2.6加筋方式........................................................................................................536.2.7计算结果及分析............................................................................................536.2.8不同加筋位置加固路堤边坡时筋材的受力分析........................................556.3本章小结...................................................................................................................567主要结论及进一步研究的建议..........................................................................................587.1主要结论...................................................................................................................587.1.1黄土填料的基本工程特性............................................................................58-V-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析7.1.2土工格栅加筋路堤边坡的数值分析............................................................587.2需进一步研究的问题...............................................................................................59致谢....................................................................................................................................60参考文献............................................................................................................................61攻读学位期间的研究成果......................................................................................................64-VI-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文1绪论1.1课题研究背景黄土是第四纪的一种特殊堆积物，沉积年代从早更新世一直到全新世的近期，分布较广，覆盖着全球陆地面积的2.5%以上，其分布在我国及前苏联、罗马尼亚、保加利亚、新西兰、法国、德国、比利时、甸牙利和波兰等国的大部分地区，此外，美国中西部，南部非洲及澳大利亚均有连续或零星分布。其分布范围之广，是其他陆相第四纪沉积物所无法比拟的。我国的黄土主要分布在西北、华北等地区，而且地层全，厚度大，2总面积达63.5万km,其中湿陷性黄土约占黄土分布总面积的3/4。湿陷性黄土的主体为晚更新世(Q)和全新世(Q)新黄土，它们一般位于地层的上部，覆盖于地表下一定深度34范围内，其厚度通常为10～20m。此外，中更新世(Q)老黄土有的也有湿陷性，其厚度2往往大于20m。黄土是在干燥气候条件下形成的富有碳酸盐的多孔性具有柱状节理的黄色粉性土。黄土孔隙率高达35%~60%，湿陷性黄土受水浸湿后在外荷载及自重作用下会产生较大的下沉现象。黄土结构中，以粗粉粒为主体，构成骨架，黏粒、腐殖质胶体附在砂砾或粗粉粒表面，或聚积在大颗粒间的接触点处，与易溶盐及碳酸盐一起形成胶结性联结。黄土具有各向异性。原状黄土水平强度最高，垂直方向最低；冲积、洪积黄土因存在有水平层理的关系，水平方向强度最低，垂直方向强度最大；这两种黄土45°方向强度居中。黄土的水理特性与其他土不相同，垂直方向渗透性较水平方向大；黏粒含量多的埋藏黄土或红色黄土几乎不透水。黄土遇水后发生膨胀，干燥后又收缩多次反复循环则会裂缝及剥落。由于黄土特殊的工程性质，黄土地区道路路基在外部自然因素及车辆荷载和雨水作用下，容易产生各种病害，如起拱、桥头或涵洞两端路面沉降等，影响交通的正常运营，造成巨大的经济损失。黄土地区道路路堤常见的病害有：基底或路堤沉陷、边坡表层滑溜、路堤边坡局部的滑坍、高路堤边坡滑坡、路基整体的滑移等。近年来的工程实践表明，西北地区的路基边坡失稳问题仍然没有得到很好的解决。在西北这些年降雨量少的干旱地区，土壤湿度较小，常处于干燥状态,因而用粉土颗粒含量较多的黄土填筑路堤时，由于其天然含水量小，路基尤其是路堤边坡处难以压实达到较高的密实度；填土渗透性也较大；由于干旱缺水，地面植被也稀少。压实黄土的水稳定性很差，尤其是在密实度较低情况下更加突出。尽管西北地区年降雨量较小，但在夏秋季往往会降大到暴雨。雨水在路基面及边坡坡面处很快下渗，使路堤边坡浅层-1-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析填土达到饱和状态，其强度、承载力大幅度降低,，边坡浅层土体稳定性下降，出现下滑、[1]溜坍等病害，影响运输生产正常进行，危及行车安全。另外，当边坡表层土体的水土流失严重，导致雨水入渗路基内部时还将进一步诱发路基边坡的深层破坏。路堤边坡深层破坏带来的后果更为严重。除在道路建设和养护期间需要花费大量的人力和财力进行处治外，还往往中断交通。处治后发生病害的边坡再进行治理时，技术和施工难度增加。(a)路堤边坡深层破坏(b)路堤边坡浅层溜塌破坏图1.1路堤边坡的深层破坏和浅层溜塌破坏1.2边坡加固与防护的新技术与新材料根据边坡失稳破坏的空间形态，可将边坡失稳形态分为深层、浅层和表层三种。无论对哪一种破坏，都需要发展相应的技术，对其进行处治。对深层和浅层破坏的处治，普遍称之为加固；对表层破坏的处治，称之为防护。边坡加固与防护技术的发展通常与新理论、新材料、新工艺的出现密切相关。目前，工程技术人员已采用多种方法进行公路边坡的加固与防护。一方面完善相关技术；另一方面开发出一些新材料与新技术。以下是近年来的一些新材料与新技术：(1)预应力抗滑桩支挡技术；(2)高强锚固灌浆材料；(3)边坡灌浆处治技术；(4)植被混凝土护坡技术；(5)土工合成材料生态护坡技术；(6)土工合成材料网喷射混凝土边坡防护技术；(7)土工格室路堤加筋技术；(8)土工格栅路堤加筋技术。-2-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文本文将对这些新材料、新技术中的土工格栅加筋黄土路堤的稳定性和变形问题进行数值分析研究。采用加筋路堤，即在堤身每隔一定厚度铺设一层土工格栅，则可以减小路堤断面，降低工程造价。随着土工加筋技术的兴起，路堤及高路堤越来越多采用加筋技术。与此同时，以塑料土工格栅为代表的土工合成加筋材料由于其优越的加筋效果和抗震性能得到了土木工程界的一致好评。正是由于土工加筋结构具有其它土工构筑物结构无法比拟的优越性，利用土工合成材料来对填方路堤进行加筋处理也就成为一个新的有待大力研[2]究和实践的课题。国内外的工程实践表明加筋土边坡系统具有以下优点：(1)造价低廉。加筋边坡能做到坡比较陡而保持边坡稳定，其土石方量小，造价低。可采用质量差的填料，对于已经破坏的边坡，回收使用滑坡土体而不另用质量更高的回填土，可以节约大量资金。(2)柔性结构。加筋土边坡对地基不均匀沉降，地震活动有良好的适应性，其在破坏前有明显的变形，有较长的预警期供工程人员采取相应措施。(3)施工简便。加筋土结构施工技术简单，对施工人员技术要求不高，在边坡边缘填土压实过程中产生横向约束力，提高正常情况下的填土压实度。(4)节约土地。利用土工合成材料加筋路堤，可以在不影响路堤稳定的情况下增陡边坡，从而减少道路对耕地的占用。另外，在路堤中加入土工合成材料对提高路堤的整体稳定性及抑制边坡侧向变形等方面均有良好的效果。近几年来，随着我国公路事业的迅速发展，土工合成材料在公路工程中得到了广泛的应用。由于土工合成材料可以组成各种形式的结构及适应多种条件等特点，受到土木工程界的欢迎。利用土工合成材料加筋技术可以节约资金，提高工程质量和档次，缩短施工时间。因此，土工合成材料加筋技术在我国有着极为广泛的应用前景。加筋填方路堤作为一门新技术，它不同于软基处理、加筋挡墙等其他的加筋技术，有其自身的特点，例如随着填方高度的增加，必然造成路堤中过大的局部沉降，同时会增大筋材承受的应力，易造成筋材的失效等。所以，该技术应用现在在国内尚处于探索[3]阶段和对规范的健全、完善阶段。《公路加筋土工程设计规范》（JTJ015-91）对于加筋挡土墙以及加筋桥台等有比较多的论述与规定，但是对于填方路堤的加筋应用较少涉及。前人对加筋土的机理有了一些有益的探索，得出了一些成果，但是对于填方路堤的加筋位置、加筋长度及加筋距离还缺乏有效的设计和施工方法的指南。本课题的开展希望对此方面的工程应用提供一定的参考，促进土工合成材料在西北地区路堤工程中的加筋应用。-3-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析1.3本文的主要内容及技术路线用黄土作路堤填料，或者为修筑路堑而开挖黄土边坡，为了使路基具有足够的刚度、强度或稳定性，就要保证路基填土及黄土地基有足够的承载力以及在雨水作用下不发生过大的增湿变形或不发生湿陷变形，那么研究黄土填料的工程特性就显得十分重要。由于路堤边坡失稳，路堤不均匀沉降产生裂缝的道路病害时有发生，工程上目前采用了很多新技术、新工艺来防范和解决这类病害的产生，采用土工格栅水平铺设加筋回填土边坡是近年来发展非常快的一项土工新技术。本文将就黄土填料的工程特性和土工格栅加固路堤边坡的效果进行研究具体来讲，主要做了以下工作：(1)通过室内土工试验研究黄土填料的基本工程特性；(2)通过查阅文献，对加筋工程中广泛使用的土工格栅进行介绍；对目前的加筋技术及加筋理论进行总结分析；综述加筋路堤稳定性研究的方法；(3)简单介绍抗剪强度折减法的理论，并采用FLAC3D中内嵌的强度折减法求边坡溜塌和深层破坏时的稳定安全系数和潜在的滑动面；(4)利用有限差分软件FLAC3D，模拟两种路堤边坡潜在的破坏形式：路堤边坡潜在的浅层溜塌破坏与路堤边坡潜在的深层破坏，采用软件中内嵌的抗剪强度折减法来分析未加筋路堤与加筋路堤的稳定性及塑性区分布性态，讨论多种工况下的加筋效果；(5)分别对未加筋路堤的稳定性及加筋路堤在不同加筋长度、不同加筋位置、不同布筋方式下的工况进行计算分析、并分析相应的筋材内力；(6)根据数值分析的各因素对土工格栅加筋路堤边坡的影响规律，提出合理的设计建议。-4-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文2黄土填料的基本工程特性试验为了研究黄土作为路基工程填料的工程性质，选取永登境内两处不同黄土进行室内土工试验。2.1试验内容研究试验内容包括土的颗粒分析、颗粒比重、界限含水量、击实试验、固结试验、渗透试验、黄土湿陷性试验和强度特性试验。颗粒分析，研究黄土的各粒组含量；颗粒比重，用于计算土的孔隙比、孔隙度、饱和度等指标；界限含水量，测定粘性土的液限和塑限，用于计算塑性指数、液限指数和土的分类；击实试验，本试验分轻型和重型击实试验，可根据实际工程情况来选择，测出土体的最大干密度和最优含水量，为实际工程填土压实提供一定的依据；固结试验，本试验是测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或孔隙比与压力的关系，以便计算土的压缩系数；渗透试验，测定土的渗透系数，用来计算斜坡稳定；黄土湿陷性试验，根据不同的工程要求，分别测定黄土的湿陷系数和湿陷起始压力；强度试验，包括三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验，三轴压缩试验用于测定土的抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角ϕ，无侧限抗压强度试验，用于测定土体无侧限强度。通过这些试验方案，研究黄土的基本物理力学性质，在此基础上提出此类黄土是否适合作为铁路或公路的路基填料，若不满足要求，则需对黄土填料进行改良或采取其他加固措施。2.2试验方案为验证两种黄土是否属于同一类黄土，首先对它们进行物理力学试验研究。试验方案如表2.1。表2.1重塑黄土试验方案试验名称试验方法备注颗粒级配筛分法、水分法颗粒比重量瓶法界限含水量联合测定法击实试验重型击实渗透试验变水头法四种压实系数η=0.81，0.84，0.89，0.91-5-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析续上表试验名称试验方法备注加压等级p=50，100，200，300kPa固结试验标准固结试验法四种压实系数η=0.81，0.84，0.89，0.91加压等级p=50，100，150，200kPa黄土湿陷性湿陷系数测定四种压实系数η=0.81，0.84，0.89，0.91四种压实系数η=0.85，0.89，0.91，0.95，强度试验三轴压缩、无侧限抗压强度每种压实系数下对应两种含水量即w=14%和饱和，围压σ3=0，25，50，100，150kPa2.3室内土工试验数据2.3.1比重试验采用量瓶法测得第一种黄土土粒比重G=2.685；第二种黄土土粒比重G=2.67。ss2.3.2液塑限试验液塑限试验采用液、塑限联合测定法。试验得出第一种黄土液限含水量w=27.2%，L塑限含水量w=16.2%，塑性指数I=11.0，属于粉质粘性土；第二种黄土液限含水量ppw=26.0%，塑限含水量w=11.6%，塑性指数I=14.4，属于粉质粘性土。两种黄土的Lpp液限含水量相差不大，但塑限含水量相差较多，塑性指数不同。2.3.3颗粒级配试验表2.2给出了两种黄土土粒粒组含量分布。表2.2黄土土粒粒组含量分布表粒径范围／mm>0.050.05~0.010.01~0.005<0.005土粒颗粒在此粒径第一种黄土41.2253.013.772.00范围的百分比／％第二种黄土22.7272.253.171.86从表2.2可以看出，两种黄土均为粉质黄土，属于C组填料。2.3.4击实试验击实试验采用重型击实方法。-6-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文表2.3给出了两种黄土的击实试验结果。表2.3两种黄土的室内击实试验结果最大干容重最佳含水量类型-3γdmax／kN·mwopt／%第一种黄土19.112.3第二种黄土19.012.32.3.5渗透试验表2.4给出了第一种黄土重塑土渗透系数。表2.4重塑黄土渗透系数压实系数干密度孔隙比渗透系数ηρ／g·cm-3-5-1dek／10cm·s0.811.550.7321.0240.841.600.6781.0090.891.700.5791.0000.911.740.5430.990由表2.4可知，重塑黄土渗透系数随压实度的增大而降低，随孔隙比的增大而增大，但变化范围并不很大。2.3.6压缩试验表2.5给出了第一种黄土在最佳含水量下的压缩试验结果。表2.5重塑黄土压缩试验结果η0.810.840.890.91-1a1-2／MPa0.0480.0340.0250.024Es／MPa36.448.862.564.5由表2.5可知，重塑黄土压缩模量大，压缩系数较小，属于低压缩性土。2.3.7重塑黄土湿陷性试验表2.6给出了第一种黄土在不同压实系数和150kPa、200kPa压力下的湿陷系数。-7-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析由表2.6可知，在压实系数η=0.81～0.91范围内，重塑黄土的湿陷系数均小于0.015，属于非湿陷性黄土。表2.6重塑黄土湿陷性试验结果压实系数ηP／kPah0／mmh1／mmh2／mmδw／%1502019.96819.95722.330.00050.812002019.94519.92024.700.00121502019.96719.94822.360.00090.842002019.95919.93924.840.00101502019.97019.95119.390.00090.892002019.96819.95920.530.00051502019.97019.95318.110.00080.912002019.96919.94118.840.00142.3.8重塑黄土强度特性试验采用两种试验方法进行强度试验研究，即三轴试验和无侧限抗压强度试验。1、第一种黄土图2.1给出了第一种黄土在不同围压、两种含水量、两种密实度下三轴固结不排水剪所得的应力-应变曲线。其中，w=14%时，η=0.82和0.85两种压实度下的应力-应变曲线可用η=0.85的作为典型代表，η=0.89、0.92和0.95三种压实度下的应力-应变曲线可用η=0.95的作为典型代表；试样达到饱和时，η=0.82、0.85和0.89三种压实度下的应力-应变曲线可用η=0.85的作为典型代表，η=0.92和0.95两种压实度下的应力-应变曲线可用η=0.95的作为典型代表。-8-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文100KPa100KPa150KPa150KPa50050KPa50KPa25KPa80025KPa450700400600350300500)/kPa)/kPa33σ250σ400--11200σ(σ(300150200100100500ε(%)0ε(%)0369121503691215％(a)w=14%,η=0.85(b)w=14%,η=0.95100KPa100KPa150KPa150KPa20050KPa50KPa25KPa70025KPa180600160140500)/kPa3)/kPa1203σ-400σ1-100σ1(300σ(806020040100200ε(%)0ε(%)0369121503691215(c)饱和,η=0.85(d)饱和,η=0.95图2.1重塑黄土(σ1−σ3)~ε1曲线从图2.1中可以看出：①重塑黄土达到峰值强度的应变值在1.5%~4.0%之间，破坏偏应力随围压的增加而增大，围压对破坏应变的影响较小。②从破坏模式看，w=14%时，随压实系数的增大，重塑黄土的应力-应变曲线从弱硬化型变为强软化型；饱和时，五种压实度下重塑黄土的应力-应变曲线均为应变软化型，但η=0.82、0.85和0.89的应变软化现象并不明显。由此可得，随压实系数的增大，重塑黄土的应力-应变曲线有从弱硬化型变为软化型的趋势。-9-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析表2.7为强度试验得出的重塑黄土强度指标。表2.7重塑黄土强度指标（第一种黄土）压实系数η0.820.850.890.910.95w=14%27.930.534.231.034.5内摩擦角ϕ／(°)饱和10.318.526.230.236.1w=14%31.433.559.485.688.7粘聚力c／kPa饱和22.220.725.934.755.2w=14%104.2117.1224.1302.2336.7无侧限抗压强度qu／kPa饱和53.257.583.1120.5216.8从表2.7可以看出：①随着压实系数增大，非饱和黄土内摩擦角也有所增大，但变化幅度不大，对土体抗剪强度影响较小，而饱和黄土内摩擦角随压实系数增大的提高幅度较大。这是重塑黄土在低压实度下水稳定性较差的因素之一。在低压实系数下，重塑黄土从非饱和状态变为饱和状态，其内摩擦角降低幅度较大。②无论是非饱和黄土还是饱和黄土，随着压实系数增大，其粘聚力值也随之增加，且增长幅度较大。这种变化对土体抗剪强度影响较大，含水量增加使所有重塑黄土的粘聚力值得到减小。③压实系数对重塑黄土无侧限抗压强度影响较大；含水量增加使重塑黄土无侧限抗压强度明显降低，尤其是在压实度较低时更加显著。压实系数越低，重塑黄土水稳定性越差。2、第二种黄土表2.8给出了第二种黄土抗剪强度指标。表2.8第二种黄土抗剪强度指标ηq衰减值／%w／%φ／（°）c／kPaqu／MPau0.911437.742.50.1711.8饱和34.639.00.150.951435.484.40.3312.1饱和37.073.20.29从表2.8可以看出：①在压实度较大（η≥0.91）情况下，虽然随着含水量的增加，重塑黄土的抗剪-10-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文强度指标在减小，但影响不是很明显。②压实系数对重塑黄土的抗剪强度、抗压强度影响较大。η由0.91增加到0.95时，c值增加了99％，q值增长了94％；饱和状态下，c值增加了88％，q值增长了93％。uu2.3.9两种黄土强度比较通过对两种黄土强度试验结果的分析，可以得出：(1)两种黄土的应力-应变曲线变化规律有相似之处，例如，η、w对重塑黄土破坏模式和破坏偏应力的影响规律是一致的；(2)两种黄土的强度指标变化规律也基本相同，η、w对重塑黄土的c，ϕ和q的影u响规律相一致；(3)两种黄土的强度指标具体数值并不相等，存在明显差异，如表2-9所示，在相同的压实系数和含水量下，第一种黄土的ϕ值小于第二种黄土的；相同的压实系数下，两种黄土的c，q的大小关系与含水量有关，w=14%时，第一种黄土的c，quu值较第二种黄土的大，饱和状态下，第一种黄土的c，q值较第二种黄土的小，这说明u虽然第一种黄土在一般潮湿状态下强度较大，但比第二种黄土水敏性更强，q衰减率也u反映了这一点。表2.9黄土强度指标η黄土种类φ／(°)c／kPaqu／kPaqu衰减率／%w=14%饱和w=14%饱和w=14%饱和0.91第一种黄土31.030.285.634.7302.2120.560.1第二种黄土37.734.642.539.0173.1148.611.80.95第一种黄土34.536.188.755.2336.7216.835.6第二种黄土35.437.084.473.2327.0293.612.12.4本章小结黄土是在第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的松散堆积物，由于其特殊的形成条件和物质组成，无论是天然原状黄土，还是工程中的人工压实黄土，都具有很多特殊的物理、力学性质。用黄土作填料修筑路堤，或者开挖黄土边坡修筑路堑，为了保证路基具有足够的强度、刚度或稳定性，保证路基黄土地基有足够的承载力以及在浸水作用下不发生过大的增湿变形或不发生湿陷变形，在施工时必须对黄土填料压实到规定的密实度，采取可靠的防排水措施，防止路基本体或黄土受水浸湿。本次研究中，选取永登境内两种黄土进行室内土工试验，研究黄土作为路基工程填料的工程性质，得出以下几点结论：-11-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析(1)两种黄土均属粉质黄土，属于C组填料。(2)重塑黄土渗透系数与密实度有关，渗透系数随压实系数的增大而降低。(3)重塑黄土压缩系数、压缩模量与密实度有关，压实系数对两者影响较大。在最优含水量下，压缩系数随压实系数的增大而减小，压缩模量随压实系数的增大而增大。(4)三轴压缩试验所获重塑黄土应力-应变曲线表明，在最优含水量附近，随压实系数的增大，重塑黄土的应力-应变曲线从弱硬化型变为弱软化型；饱和状态时，重塑黄土均为应变软化型，但压实系数在0.82~0.89之间时，应变软化现象并不明显。(5)影响重塑黄土抗剪强度指标和单轴抗压强度值的主要因素有土的性质、压实度、含水量、试验方法等，其中在工程当中，压实系数、含水量是两个重要影响因素。人工压实黄土在较低含水量下有一定强度，且随压实系数提高，其内摩擦角ϕ、粘聚力c、单轴抗压强度q均随之提高。在饱和状态下，人工压实黄土的ϕ、c、q值均有所降低，uu降低幅度与压实系数有很大关系；压实系数越低，降低幅度越大。表明提高压实度可以改善人工压实黄土的水稳性。因此，控制压实度和含水量是保证路基稳固的关键。首先，必须严格控制路基本体填筑时的压实度；其次，要加强路基防水、排水措施。这也是保证路基长期稳固的关键，施工及运营中要做到不积水，做好防排水系统，防止水从路基面、边坡及坡脚渗入路基本体及地基中；此外，路堤边坡应采用工程措施或植物防护措施等予以加固和防护。(6)两种黄土属于不同类型的黄土，其含水量和压实系数对其强度特性影响明显，水稳定性较差。-12-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文3路基的沉降变形理论及黄土路基不均匀沉降变形成因分析3.1路基沉降变形机理路堤是一种典型的土工构筑物，它既是荷载，又是介质，它涉及到许多因素，如：填土工况、压实度、填土高度、地基软弱土层厚度、路堤填土及地基各层土的土性参数（如土的变形模量、泊松比，土的粘聚力、土的内摩擦角）、交通荷载、修筑时间以及土的应力历史等等，但这些因素对路基沉降的作用并不是独立的，而是相互制约，共同起作用。从路基沉降的来源上看，主要由两部分组成，其一是路基本体的产生的，对于这部分沉降，一般来讲，填筑高度小于5m且填筑质量较好的路基，往往可以忽略不计。但对于高填方路基来说，这部分沉降往往不可忽略；其二是由地基所引起的，由地基变形所引起的沉降是路基沉降的主要来源，也是我们分析研究的重点。[4]3.2地基土沉降机理从沉降的发展过程来分析，同时为了计算的方便，我们往往把沉降分为三个阶段，如图3.1所示，即初始沉降s、主固结沉降s和次固结沉降s，最终的沉降量为：icss=s+s+s(3.1)ics时间施工期校正后的固结沉降初始沉降总沉降与时间沉降的关系曲线次固结沉降图3.1三阶段沉降过程示意图初始沉降是加荷后在很短时间内发生的沉降，对于饱和土体，加荷后孔隙水不能马上排出，土体也就不能发生体积收缩。由于各个方向的应力不相等，土体会发生侧向变形，仍然会引起竖向变形，这就是引起初始沉降的主要原因。目前对于初始沉降的计算仍较多的采用弹性理论的方法，这对于饱和土体来说还是能满足要求的。对与路基工-13-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析程而言，路基的填筑往往历时一段不短的时间，施工期的沉降还不能简单理解为瞬时沉降。主固结沉降是由于孔隙水的排除，体积的收缩所引起，通常以孔隙压力全部消散时为主固结沉降的终了时间点，所以这部分的沉降的计算是以饱和土的固结为理论基础的，目前的分层总和法计算的实际就是这部分沉降。次固结沉降认为是从主固结沉降终了时刻开始，以后一段很长时间内所发生的沉降，可以采用如下的公式进行计算：ht2S=Clg(3.2)sa1+et01式中t—主固结终时刻；1t—需要计算的次固结时刻，显然t＞t；221h—土层厚度；C—次固结系数，多采用经验值。a目前的工程设计中，往往认为瞬时沉降和次固结沉降所占的比例很小，往往忽略不计，而只是计算固结沉降。所以现行规范对于沉降的计算除了公式(3.1)外，还推荐式：s=ms(3.3)scm—沉降系数s这种把沉降划分为三个阶段的计算思路是以饱和土的固结理论为基础的，之所以认为的这样划分，是由于计算理论和计算手段的限制。对于非饱和土而言，荷载作用下，空隙中的气体较容易排除，由于含水量较小，不会历时很长的固结变形，其沉降的主要由两部分组成，其一是初始阶段沉降，主要是由于荷载作用下，各向压力不等引起的体积变形以及空隙中气体的和少量流体的排除所引起，其二是蠕变变形，由于气体的排除，土颗粒时间的错动、重排列以及高应力水平下颗粒破碎所引起。目前，当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时，可采用物理的方法、化学的方法、生物的方法，或综合应用上述方法对天然地基进行处理以形成可满足要求的人工地基称为地基处理。按照加固地基的机理，笔者常将地基处理技术分为六类：置换，排水固结，灌入固化物，振密、挤密，加筋和冷、热处理。经各类地基处理方法处理形成的人工地基粗略可以分为两大类：○1在地基处理过程中地基土体的物理力学性质得到普遍的改良，通过改善地基土体的物理力学指标达到地基处理的目的；○2在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，形成复合地基达到地基处理的目的。-14-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文[5]3.3路基变形机理土是由固体颗粒、液态水和气体组成的多孔介质，对于这种三相体系的非饱和土，在自重力和外荷载的作用下，孔隙间的空气首先被压缩，然后是多余的气体和孔隙水被挤出，这时土的变形比较快。由于固体骨架和孔隙结合水之间的摩擦力和内聚力不断增大，使得孔隙结合水和气体的排出受到阻碍，从而使变形延迟。故土的应力变化与变形均是时间的函数，土所显示的特征既不是弹性体，也不是塑性体，而是具有弹性、塑性和粘滞性的粘弹塑体。依据变形发展过程，可以分为如下几个阶段：1、塑性-弹性变形阶段扰动土在填筑过程中，经过摊铺、洒水、分层碾压而被压缩，塑性变形是主体。随着填土高度的增加，下层土受上层土的荷载作用，开始发生弹性压缩变形，此时孔隙结合水和颗粒间摩擦力产生的抗力比较大。这一阶段的变形明显地表现出填土高度与压缩量正相关，所以路堤横向中间变形大，两侧变形量小。2、不均匀变形阶段土在变形过程中，在横剖面上，由于填方材料的不均匀及侧向无约束，应力分布远不同于自重应力，出现边坡应力下降，堤内应力集中，易产生剪切变形，这就造成横向不均匀变形，这种变形在施工后期和使用期内比较明显。3、蠕变阶段当应力一定时，应变随时间不断增长的过程，这就是蠕变现象。由于土体具有一定的粘滞性，故在一定的应力作用下，应变随时间不断增长，同时由于土是分散体系，不同于普通材料，其蠕变过程复杂，蠕变过程中仍有弹塑性变形存在。[5]3.4黄土路基不均匀沉降变形成因分析填土路基不论其填筑高度的大小，其沉降都由两部分组成：一是路堤本身的沉降，二是路堤下地基的沉降。对黄土地区公路路基而言，路堤沉降占路基总沉降的比例不容忽视。路堤填筑过程中由于填料、填筑厚度、施工方法等的差异性，会有不同的外部荷载作用在连续的路基上。由于这种种不同的原因，造成路基沉降量的值就会严重不一致，这时路堤顶部将形成不均匀沉降。影响黄土路基不均匀沉降的因素有荷载大小、地基土的性质、土层分布、应力历史、填料性质、填土压实程度控制及水的作用等。大量的研究表明，路基不均匀沉降是多种因素综合作用的结果。归纳起来，路基不均匀沉降产生的原因有以下几种：1、地基承载力不足-15-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析对于层状分布的黄土地基，各层土的刚度大小以及它们的分布位置都会对地基变形量及变形的过程产生影响。对于特定的地基条件，当路堤填筑到某一高度时，地基将产生很大的沉降量，若这一沉降量大于设计标准值，则可以认为地基承载力不足;路堤高度继续增加，地基沉降无法稳定，并最终导致路堤滑动失稳。这两种情况都可以认为是地基承载力不足，需要进行加固。第一种情况地基并不破坏，沉降最终也会趋于稳定，只是不满足工程建设的需要，后一种情况则是地基破坏，属地基强度不足。2、填料均匀性差黄土地区修建高等级公路通常选择黄土作为路堤填料，填料常来自路堑挖方、隧道掘进废方和取土场等，通常这种填料性质差异较大，很难保证良好的均匀性。施工过程中，均匀性差的填料压实较为困难，即使达到了规范要求的压实度，其整体性也较差。在荷载的长期作用下，路基填料产生不协调沉降变形，引起路面沉陷，刚性路面还可能产生裂纹或缝隙。此外，均匀性差的填料，其最大干密度和最佳含水量差异很大。室内标准击实试验和工地取样试验都是小试样，而这小试样的试验结果却要代表一段相当长的路段，所以以压实度控制压实的工程质量的差异性是无法避免的。工程实践发现有时候从一个借土坑所取得的几种土样，用同一标准击实所得到的曲线也可能是不同的。以上各种原因使得路基压实标准发生变化，路基整体变形能力不一致。3、路基填土压实度不足填方土体压实度不足，其结果是土体前期固结压力小于自重应力和各种附加应力之和，在自重作用下就会发生沉降变形。附加应力主要包括车辆荷载;含水量变化造成土体容重的改变;地下水位升降而导致浮力作用改变;土体饱和度改变，引起负孔隙水压力改变。附加应力引起土体中有效应力改变，从而导致土体发生压缩变形。4、路基刚度差异显著路基综合刚度是指沉降变形有效深度范围内综合的抗变形能力。由于路基表面并非总是水平，公路构筑物与路基土体刚度差异明显，在相同外力的反复作用下，变形量不同，一般会出现两种情况：○1出现明显的差异沉降，导致路基路面裂缝破损；○2虽然没有明显的差异沉降，但在每次外力作用时，路面结构和路基表层内由于差异变形而出现不利的附加拉力或剪力，路面结构和路基表层在这个力的多次循环作用下，必然产生疲劳破坏，导致路面或路基病害。很多情况下，单从施工质量控制角度来讲，在地基承载力、路堤压实度满足设计要求，路堤及地基均匀时，路基沉降能满足规范要求，而且也不会导致路面开裂。但是，如果路基综合刚度沿纵向或横向相差过大，在车辆动载等作用下，将会引起明显的差异沉降，导致路面裂缝。属于这种情况的有:桥头与路基交界-16-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文处，填挖交界处，填土厚度明显变化处，路基中埋设构筑物(如涵洞)处，地基性质差别较大处。5、水的作用相对其它土而言，黄土对水更为敏感，而且遇水作用后会产生一定的湿陷变形。地下水和地表水均会对黄土地基构成一定的威胁。地下水埋藏较浅处，由于水的毛细作用，土体含水量增加，外荷载作用下产生湿陷变形，引起地基沉降。对于黄土路堤而言，当干密度大于某一值时，路堤填土基本不具有湿陷性。个别排水不畅的路段，降雨透过面层渗入路基内部，土体含水量发生变化，有效应力相应发生变化，在汽车荷载的反复作用下，土体软化，强度下降，这样的变化是经常的、反复的，它的交替作用引起土体的沉降变形。综上所述，黄土路基不均匀沉降的产生，有设计、施工等方面的原因，但主要还是由黄土的特性引起的。因此，研究黄土的变形特性，完善黄土路基设计理念，严格控制施工质量，就能减小不均匀沉降。-17-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析4加筋土及加筋路堤的研究4.1土工合成材料及土工格栅概述[3]土工合成材料（geosynthetics）是用于岩土工程的合成材料的总称，被称作与钢材、水泥、木材齐名的“第四种工程材料”，早期曾用名“土工织物”（geotexitile）和“土工膜”（geomembrane），新加坡1994年的第五届国际土工合成材料学术会议上，正式[6]定名为“土工合成材料”。土工合成材料的历史是比较短暂的，最早的应用可追溯到20世纪二三十年代，70年代以后逐渐形成一门新的学科，进入80年代才以很快的速度发展起来，目前已广泛应用于公路、铁路、建筑、港口、水利、地矿等工程领域。早期的土工合成材料主要分为透水的土工织物(Geotextile)和不透水的土工膜(Geomembrane)两类。近十几年来，大量新型的土工合成材料纷纷涌现，如土工格栅、塑料排水带、土工网垫等，己大大超出了前面两种分类范围。但是，由于土工合成材料的种类繁多，关于土工合成材料的分类至今尚无统一的准则。我国的《土工合成材料应用技术规范》(GB50290-98)将土工合成材料分为四大类：即土工织物、土工膜、土工特种材料和土工复合材料，具体分类详见图4.1。织造型（有纺土工布）土工织物非织造型（无纺土工布）土工膜土工格栅、土工带、土工格室、土工网、土工石笼、土工合成材料土工特种材料土工管带、土工膜袋、土工网垫、聚苯乙烯板块（PEC）土工织物膨润土垫（GCL）等复合土工膜土工复合材料复合土工织物复合防排水材料：排水袋、排水管、排水防水材料等图4.1土工合成材料的分类-18-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文土工合成材料的特点是：能耐酸、碱、盐，柔软性保证了能适应建筑物和地基的较大变形而不影响它的功能，原材料来源丰富，具有重量轻、体积小、施工安装简便、工期短、造价低等。在工程应用中，土工合成材料的功能是多方面的，综合起来可以概括为以下六种基本功能：(1)过滤作用；(2)排水作用；(3)隔离作用；(4)加筋作用；(5)防渗作用；(6)防护作用。而在具体工程中，一种土工合成材料可能同时发挥几种功能，在考虑主要功能的同时，应兼顾其它的次要功能。土工合成材料中常用的土工格栅具有以下功能：(1)加筋功能土工格栅具有较高的抗拉强度和张拉模量，因此能将荷载或应力均匀的扩散在较大的面积范围内。对于软弱地基而言，可大大减少作用于软基土的荷载压力；对于沥青结构层而言，可大大减轻沥青结构层产生的徐变作用，最终达到防止沥青路面开裂的目的。图4.2土工格栅加筋功能(2)抗变形功能当非均布的局部外力作用于格栅时，网孔就会相应变形，其约束作用也显示出来，因而土工格栅对非均布荷载的适应性较好并能将其均匀传递。(3)压实功能由于格栅约束层的网孔具有同一形状，这样上下层颗粒之间剪切阻力不受影响，且格栅的刚度、抗拉强度、网孔的嵌锁作用三者互相复杂作用，阻止了因荷载的压实而引起的局部位移变形，从而加强了颗粒材料的压实作用。(4)隔离功能-19-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析在两种不同的材料之间铺设土工格栅，可以阻止不同路面材料相互掺杂或原地基与路基材料的相互掺杂，如图4.3。图4.3土工格栅隔离功能(5)排水功能土工格栅的网状结构可使孔隙水压力更快的消散，这对于加固软粘土地基是非常重要的。(6)凭借网面层的高摩阻力而产生的高抗拉强度增加结构层材料的剪切强度和整体性。由于土工格栅有诸多优越的工程性能，已经在我国道路工程中得到一定的应用，在软土地基处理方面、陡坡和路堤的加筋防护、挡土墙和桥台以及公路路面工程有着广泛的应用。4.2国内外加筋土的研究近几十年，各国对加筋土做了许多研究，并获得了一些研究成果。这些研究主要集中在如下几个方面：(1)土工格栅与土之间的界面特性研究；(2)加筋土的强度机理研究；(3)加筋路堤的稳定性影响因素、变形破坏机理及其影响规律。[9]周志刚等借助直剪试验对土工格栅与土之间的界面特性进行了研究，采用两种不同的非线性模型分析土工格栅与土体之间界面摩擦性能。研究结论认为，正应力同界面残余抗剪强度与抗剪强度之比有指数关系。[10]雷胜友通过室内直剪试验研究加筋材料在直剪仪中布置方式以及不同类型的加筋材料对所测摩阻系数f的影响，所得试验结果表明筋-土之间剪切关系服从摩尔-库仑理论。[11-12]吴景海等用不同种类的国产土工合成材料为加筋材料，通过拉拔试验和直剪试验比较各种土工合成材料与填料的界面作用特性。结论是不同填料、不同土工合成材料的直剪系数相差很小。-20-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文[13]杨广庆考虑了界面特性不同的影响因素，进行土工格栅在砂砾料和粘性土中的拉拔试验和直剪试验，试验结果的结论是：直剪摩擦试验不适合确定土工格栅接触面的抗剪强度，土工格栅与砂砾料接触面抗剪强度较高，而与粘土接触面抗剪强度很低。[14]马学宁等通过拉拔试验,分析了土工格栅在不同填料中的摩擦特性规律,并对影响摩擦特性的几个主要试验条件（拉拔速率、填土的物理力学性质、筋带的技术指标）进行了分析研究,结果表明：不同的填料不同土工合成材料的界面摩擦系数相差较大，具体加筋土工程必须通过试验确定。[15]闫澍旺等认为土工格栅在拉拔状态时与土相互作用的数值分析方法，并进行了计算与试验的对比分析，提出土对处于拉拔状态格栅的阻力是由土与格栅的表面摩阻力以及土对横肋的阻力两部分组成，格栅变形的大小与其发挥程度与有关。[16]舒子亨等用两种不同抗拉强度的编织布作为加筋材料，对加筋砂土的应力-应变关系及强度特性进行了研究。研究发现，加筋土强度与加筋材料的抗拉强度有关。[17]雷胜友采用的加筋材料是涤纶布，利用三轴试验研究加筋黄土，认为土体内摩擦角与加筋土的内摩擦角基本相同，而粘聚力有所增大，加筋黄土的强度随加筋层数的增加呈非线性增加。[18]李国祥等用乳胶膜、PVC土工布、硬塑料片作为加筋材料，研究了加筋材料的变形模量及布筋方式对加筋土强度的影响。研究发现，加筋土强度随着加筋材料变形模量的增大而增大。[20]徐林荣通过模型试验对加筋土边坡的承载力和边坡位移特性进行了研究，研究中考虑了加筋类型、加筋长度、边坡坡度、加筋间距等四项因素的影响。试验发现加筋土边坡的破裂面形状既非直线又非其他类型的光滑曲线，而是一种不法则的“锯齿”线，并认为土工格栅对应力的隔离扩散作用以及加筋土边坡的各向异性是产生这种“锯齿”型破坏的原因。研究还提出加筋土边坡承载力的影响因素从大到小排序为：加筋类型、加筋层间距、加筋长度、边坡坡度。通过回归分析，提出了承载力与上述四因素的定量关系表达式。同时还提出，侧向位移的主要影响因素为加筋土边坡中土工格栅的总抗拉强度或总弹性模量，坡顶竖向位移的主要控制因素为土工格栅的刚度。[21-22]朱湘等考虑了软土层厚度、筋材模量、加筋层数及位置、土与加筋材料间的界面强度、地基强度和施工速度等因素，利用有限元方法对软土地基上的加筋路堤进行了研究。研究发现，土工格栅的抗拉模量、筋材-土界面强度越大，加筋的效果越明显；在路堤中加入筋材，极大的限制了土体的侧向位移，有利于减小路堤的不均匀沉降；位于路堤中部的格栅对路堤软土的受力及变形情况影响不大，仅对路堤局部的强度和稳定性有贡献。-21-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析[23]杨锡武对不同加筋工况的加筋路堤边坡的变形特性进行了研究。研究得出，不加筋路堤边坡与加筋路堤边坡均在路堤高度的1/3~1/2之间出现最大侧向变形，在这个范围内增加筋材的数量可以有效地增加路堤的稳定性和减小路堤的侧向变形。[24]包承纲对以下加筋机制理论做了评述：(1)界面摩擦作用理论：土与筋材界面存在着摩阻力和咬合力，它约束了土的侧向位移，增大了土体的刚度，提高了加筋土体的强度和稳定性根据这种说法，可以用一个摩阻力代表加筋土中筋材的作用，然后仍按常规(无加筋)的情况进行稳定计算。接触面摩擦力的大小可以根据作用的正应力和接触面摩擦因数求得。这种理论将加筋作用仅限于接触面，大大减小了加筋对整个土体的加固作用。虽然简单，但不全面。(2)约束增强作用理论：该理论认为，土与界面之间存在剪应力对工程产生一种侧向约束作用，使接触面上土单元的侧向应力增大了Δσ3。这表明加筋土体的抗剪强度和承载能力增强了。该理论仅指出接触面上单元中的小主应力增大了Δσ3，但其对接触面附近土体的应力–应变影响如何却并未涉及。(3)张力膜理论：当土体在荷载(自重和附加荷重)作用下产生下沉时，铺设于土中的加筋薄膜也产生了垂向挠曲，薄膜的挠度等于接触面处土体的竖向变形。由于加筋薄膜因变形(拉伸)而产生的抗力作用，使其分担了一部分竖向荷载，从而使下层结构的负担得以减轻。由此可知，筋材的挠度越大，加筋效果越好，但与筋材的强度关系不大。同时，筋材需在发生一定变形的条件下，才能发挥加筋作用，这就与筋材的埋设位置有关。另外，当筋材发生下弯时，其上面的土层也将随之下沉，土层中将会产生一种“拱效应”，土中的应力被扩散，延迟了破坏面的出现。这种理论已经从单纯考虑接触面加固作用扩展到考虑对相邻的一定厚度土体的加固影响。(4)加筋垫层的应力扩散作用理论：某些学者经过分析研究后认为，加筋垫层在传递应力中的扩散作用使传递到垫层下地基中的应力大为减小。因此界面上除摩擦力以外，筋材和砂垫层构成的加筋垫层也对地基承载力的提高起了良好的作用。这个理论涉及了加筋材料的间接加固作用，考虑了加筋对复合加固土体应力分布的影响，认识上是进了一步，但应力扩散作用是否大于张力膜作用还有待验证。(5)加筋导致土体应力状态和位移场改变的作用：Z.J.Shen强调了筋材摩阻力对其应力状态变化的影响，认为当筋材具有足够强度、不发生断裂或拔出等情况下，圆弧滑-22-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文动是不可能出现的，唯一的破坏形式是伴随沉降而产生的横向挤出。由于筋材改变了地基剪应力的方向，从而使地基的承载力大幅度提高。王伟在软基的织物加固机制研究中，强调加筋明显地改变了地基的位移场，实质上，加筋垫层在复合地基中基本上形成了一个“自撑式的持力体系”。这个理论从更本质的角度分析加筋的影响，加筋不仅影响接触面土体的应力–应变和强度特性，也使筋材附近土体受到加固作用，从而在根本上改善了土体的性质。(6)剪切带理论：试验研究表明，土与其他结构物接触面相邻的土体中，当剪切位移达到一定值后，会产生一个剪切带，这种变形的局部化问题是分叉理论中的一个新课题。剪切带形成过程中造成的对接触面的阻滑作用是加筋机制的一个重要方面，已引起土力学界的广泛注意。包承纲教授认为以上说法均具有一定的道理，但都具有一定的局限性，故仍有必要对其作进一步分析，并提出自己的观点：加筋土的加筋机制归纳起来有两大方面：一是：筋材与相邻一定范围内土体联合形成的复合体(可称为“似连续体”)产生的间接加固效果，二是：筋材与土接触面带来的界面效应造成的直接加筋效果。对于前者，由于加筋体而造成的地基内应力(应变)重分布改变剪应力方向、应力扩散作用使上覆土层产生的拱作用以及加筋层下面一定深度内土体出现的“似连续体”的存在等，都会使整个加筋土体的破坏模式发生改变，地基的承载力会显著增加，建筑物的稳定性会大大改善；对于后者，上面提到的接触界面上摩擦与嵌锁作用，接触界面上的张力膜效应特别是接触界面附近土体内出现的“剪切带现象”都会增强地基的承载力，延缓破坏的发生。[25]JorgeG.zornberg等采用大型离心模型仪器研究加筋砂边坡的破坏机理，不同加筋密度、不同拉伸强度的筋材以及不同抗剪强度的土在试验中被考虑到。试验结果表明边坡破裂面是一条通过坡脚的光滑弧线，所有试验模型边坡的破坏均开始于边坡中部区域，填土的性质影响路堤顶面的沉降，但加筋情况对其影响不大。JorgeG.zornberg同时指出筋材的最大拉力并不是出现在路堤的最底层，最大拉力的位置与边坡的坡度有关。填土的峰值强度对加筋边坡的稳定性起决定性作用，而不是临界状态剪切强度。[26]AhmetPamuk等进行室内拉拔试验，研究了土工格栅在粘土中的拉拔性能，恒定拉力和不同频率、振幅的重复拉力在试验中被考虑。试验结论认为随着拉力增大格栅蠕变随之增大；荷载频率对格栅的蠕变应变影响不明显；格栅的蠕变在恒定荷载作用下比在重复荷载作用下大；格栅蠕变应变速率是荷载振幅的函数。-23-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析4.3土工格栅在边坡工程中的应用考虑到填土的费用，公路占地的限制等因素，越来越多的边坡工程选择采用土工格栅加筋土陡坡路堤。通过把多层土工格栅加筋材料埋设在边坡中，提高边坡边缘填土的压实度，减少边坡表面滑塌可能性，同时增加边坡的稳定性。加筋土边坡可视为加筋土挡墙的一种形式，其坡度一般小于70度。在路堤边坡中使用土工格栅的主要目的，是在同样的填土条件下修筑比不加筋边坡更陡的加筋土边坡。稳定性的增加使得在坚固的地基上填筑陡坡路堤成为可能，也可代替较缓的不加筋边坡和挡土墙，或者在不影响现有道路交通条件下在原边坡上进行路面拓宽。对于已破坏的边坡，回收利用滑坡土体而不另用质量更高的回填土，可以节省大量资金。使用加筋材料的第二个目的，是在边坡边缘填土的压实过程中产生横向约束力。横向约束力的增加可提高正常情况下的填土压实度，也可以提高填土边坡表面的横向约束力，阻止溜坡的发生，减少边坡侵蚀。加筋土边坡的适用场合如图4.4所示：图4.4加筋土边坡的适用场合建筑安全而更陡的加筋土边坡比建筑普通边坡的经济优势，在于材料和占地费的节省。加筋土边坡可以采用质量较差的填料，例如修复滑坡时，可能只需回收重用滑坡土而不必采运更高质量的回填土。占地费的节省是一笔丰厚的利益，尤其是在城区路面拓宽时，占地费总是昂贵的，有时甚至根本没有多余土地可供利用。加筋土边坡是一种经济的选择，有时候加筋土边坡的投资大约为加筋土挡墙的一半。-24-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文土工格栅的大孔眼结构有利于植被的生长，植被坡面的加筋土边坡能与自然融为一体，比挡墙结构更加美观。但是，必须强调这时存在养护的问题，如整修青草覆盖的陡坡上的植被等。就性能而言，由于当前加筋土边坡在设计时多趋于保守，在相同的安全性下，它实际上比较缓的边坡更加安全。因此，加筋土边坡的长期稳定性问题可能不大。有时因加筋材料能改善填土的排水性能，随时间的推移，会进一步提高边坡填土的强度，从而促进边坡的长期稳定性。4.4土工格栅加筋路堤边坡稳定性的研究方法在加筋土结构的设计分析研究中主要有以下4种方法：[27](1)以试验成果为基础并引入适当的假定而推导出实用计算方法；(2)由理论推导出破坏面的形状，然后再用于指导设计；(3)以古典常规计算分析方法为基础，引入土工合成材料修正项得出新的设计分析方法；(4)由数值计算与各种影响因素（结构的几何参数、土质参数、加筋位置等）有关的设计计算结论，进行结构设计。[28]4.4.1加筋路堤边坡稳定性的极限平衡分析法目前加筋土计算和设计方面大多数是以岩土力学为基础，岩土力学中求解土坡稳定性最常用的方法就是极限平衡法。这种方法运算方便，概念直观而简单，能求出稳定安全系数的指标，因为方法概念比较直观，所以为工程界所接受，人们对这种分析方法已经积累了大量可靠经验，所以也是现今加筋设计中应用最广的计算方法。极限平衡法把加筋土视为刚塑性体，没考虑筋材的变形及筋材与土之间的相互作用，然后对破裂面进行各种假设。最后利用摩尔-库仑破坏准则求解作用于加筋土体上的极限平衡荷载。在近些年的工程实践中，已提出多种土工合成材料加筋作用的计算方法。主要包括两个方面的内容：(1)采用什么样的理论和方法进行极限分析或稳定性分析；(2)在分析中，如何考虑土工合成材料的加筋作用。计算未加筋边坡稳定性的极限平衡法是假设土体是理想的刚塑性体，沿设定好的滑动面滑动，用静力平衡法计算滑体的稳定性。铺设土工格栅后，因土工格栅承受了拉力，增加一个抗滑力矩，从而使安全系数增大。以上讨论的方法都没有考虑加筋材料与土之间的应变协调关系，为了修正这一缺[29]陷，Rowe等在加筋边坡稳定性分析中引入了一个“允许相容应变”的概念，随后法-25-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析国于1986年提出了位移法。这一方法已在法国开始应用，并在不断改进。我国的刘祖[30]德等人，应用弹性理论预测陡坡极限平衡所需要的加筋力和滑动面的位置，对极限平衡法进行了改进。1990年Juran认为主动滑动区和稳定区之间存在着一个受剪土层，而不是一个简单的平面，并对此进行了一些改进，提出了一种应变相容分析的方法，这种方法可以考虑筋材的变形和滑动面的位置，对极限平衡法进行了改进。进入20世纪90年代，在加筋土设计方面，一些国家的设计人员开始采用极限状态法进行设计，设计时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，对材料指标、土力学特性指标和作用力等，采用分项系数代替单一的安全系数，较大地改进了极限平衡法，但目前尚未被普遍使用。求解加筋土坡稳定问题，都属于弹塑性力学的边值问题，当加筋边坡处于极限状态时，对于理想弹塑性体，极限荷载是唯一存在的。极限平衡法概念直观而简单，是岩土工程的传统分析手段，人们已经积累了大量长期的较可靠经验，因此，极限平衡法也是加筋设计中应用最广的实用方法。但是，该法在分析计算中没有考虑土体变形。为了弥补极限平衡分析的不足，发展了位移法，即在极限平衡分析中计入加筋材料的变形，但是由于实际工程的变形比较复杂，简单地考虑变形位移，难以获得接近实际的结果，因而，该法距离实际应用还相当远。根据近年来的理论研究和工程应用表明：土的工程力学特性复杂多样，土工合成材料的性能也各有差异，并具有明显的蠕变特性和时温效应，埋在土体内的应力-应变关系跟无侧限条件下的性状不同，此外，还要考虑土工格栅和土界面的相互作用等，想单纯靠分析计算来准确预估土与筋材的受力特性是相当困难的。因此，土工格栅加筋的设计并不能完全依靠严密的理论分析计算去解决实际问题。所以，在设计的基本原则是以岩土力学的基本原理为基础，结合加筋工程的具体条件建立起来的实用分析方法，在配合工程实践结果的同时得到的半经验或经验方法，或者利用原型观测及试验以求解决实际问题。对于一般边坡工程，主要是以极限平衡的原理为基础，考虑由土工格栅引起的部分拉应力的影响，同时配合工程实践的经验参数和计算方法进行设计；对于比较复杂或特殊的工程则应用岩土力学数值分析原理，考虑土工格栅的性质和界面反应来进行分析，同时采用原型观测和试验配合分析检验。极限平衡法的原理是：先假定可能的圆弧滑动面，认为破坏时圆弧滑裂面上的各点同时达到极限平衡状态，然后将圆弧滑裂面以上土体分成若干等宽的垂直小土条，然后对作用于各小土条上的力矩进行力矩和力的平衡分析，求出土体在外荷作用下和自身重量下的土坡稳定程度，并通过一定量的试算，找出最小的稳定安全系数及相应的最危险的滑动面位置，计算过程中考虑加筋材料在整体的稳定中仅起到提供一个拉力的作用，-26-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文一般情况下不考虑加筋以后滑动面的改变，这类方法比较为简单，并且一般能满足边坡工程计算精度。极限平衡分析方法，对于加筋土边坡，有以下几种常用的计算方法：(1)折线滑动楔形体破坏分析法：即假定破坏面是由两条直线组成的折线，土坡破坏以楔体形式下滑。此种方法类似直线滑动楔体破坏分析法；(2)直线滑动楔形体破坏分析法：假定破坏面为直线，破坏土体以楔体形式下滑。这种方法对垂直边坡来说，等价于朗肯方法；(3)圆弧滑动法：假定破坏面为圆弧，筋材中的力为土坡提供一个附加抗滑力矩。可以用瑞典条分法或毕肖普法计算其安全系数，这是一种较为常用的方法，其中又分瑞典法和荷兰法；(4)位移法：位移法是以极限平衡理论为基础，但考虑了加筋材料的伸长，从而推求土体的位移；(5)对数螺旋线滑动法：假定滑裂面为对数螺旋线。有一些以此为基础的改进方法，Leshchinsky和Volk在假定滑裂面为对数螺旋线的同时还考虑了筋材中力方向的改变；(6)Juran法：Juran提出了一种应变相容分析的方法。计算不加筋边坡的安全系数采用Bishop圆弧滑动条分法，然后分别用瑞典法和荷兰法考虑加筋的作用。[4]Bishop将土坡稳定安全系数F定义为沿整个滑裂面的抗剪强度τ与实际产生的sf剪应力τ之比，即：τfF=(4.1)sτ滑动体的n个土条中取一条记为i，其上的作用力如图4.5所示：-27-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析图4.5Bishop条分法根据每一土条垂直向力的平衡条件有WXXT+−−sinα−Ncosα=0iiiiiii+1或NWcosα=+−−XXTsinα(4.2)iiiiiii+1按照安全系数的定义及Mohr-Coulomb准则，有τfcliitanϕiTllii===+−τi()Nuiili(4.3)FFFsss代入式(4.2)，求得土条底部总法向力为⎡⎤clsinαϕultansinα1iiiiiiiNWXX=+−−⎢⎥()+(4.4)iiii+1FFm⎣⎦ssαtanϕsinαii式中m=+cosα(4.5)αiFs在极限平衡时，各土条对圆心的力矩之和应当为零，此时条间力的作用将相互抵消。因此∑∑∑Wxii−TRi+=Qeii0(4.6)将式(4.3)、式(4.4)代入式(4.6)，且xR=sinα，最后得到安全系数的公式为ii1∑{}cbii+−+−⎡⎤⎣⎦Wubiii()XiXi+1tanϕimF=αi(4.7)sei∑∑WQiisinα+iR-28-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文式中,X及X是未知的，为使问题得解，Bishop又假定各土条间的切向条间力均ii+1略去不计，也就是假定条间力的合力是水平的，这样式(4.7)可以简化成1∑⎡⎣cbii+−()Wubiiitanϕi⎤⎦mF=αi(4.8)sei∑∑WQiisinα+iR加筋陡坡的设计方法，是在传统的土坡稳定分析方法中考虑筋材的作用，土坡加筋筋材通常是在土坡内水平铺设。认为土坡的失稳型式与传统考虑的一样，即或是沿某个圆弧产生转动式滑动，或是以楔体形式沿折面滑动。要发生滑动时，筋材的抗拉力或由抗拉力产生的力矩将增大抗滑作用。评价土坡稳定性常先求出促使产生滑动的滑动力矩MRMs和抵抗滑动的抗滑力矩MR，称安全系数Fs，当安全系数Fs大于某一规定的数值MS时，则认为土坡是稳定的。计算图示如图4.6：图4.6加筋边坡稳定分析对于加筋土坡，各层筋材中的拉力对滑动圆心产生的力矩均起抗滑作用，它们的总和即为抗滑力矩增量ΔMR，以（MRR+ΔM）代替前面定义的MR，按相同方法即可求得加筋陡坡的安全系数。其表达式为：∑∑MTrj+yj1FAs==×⎡⎣∑∑(iiρθϕg)costaniR+cili+∑Tjyj⎤⎦(4.9)∑∑MAsi()ρθgsiniR-29-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析式中：Ai为第i条的面积；g为重力加速度；θi为第i条的偏角；li为第i条块的圆弧长度；R为圆弧半径；ρ为土的密度；ϕ为填土的内摩擦角；c为填土的粘聚力；Tj为第j根筋条的拉力；yj为第j根筋条距圆心O的距离。圆弧滑动法比较典型的有荷兰法和瑞典法两类。它们的主要区别在于筋材拉力方向的设定上。荷兰法的计算模型是假定在滑动处土工合成材料发生与滑弧相适应的扭曲，认为土工合成材料的拉力方向与滑弧相切；瑞典法的计算模型是假定土工合成材料的拉应力总是保持原来的铺设方向，将土工合成材料的拉力所产生的抗滑力矩代入传统的极限平衡法的稳定安全系数计算公式，即得到路堤或边坡加筋后的安全系数。图4.7圆弧滑动计算模型(1)荷兰法：假设加筋体在滑弧处剪切变形，土工格栅的拉力与圆弧相切，如图4.7(a)所示。图中粗虚线示意土工格栅。则加筋增加的安全系数为：TΔ=F(4.10)n∑Wsinαii=1式中：T为土工格栅发挥的拉力（kN/m）；α为各土条底面与水平方向底夹角。i(2)瑞典法：假设土工格栅的拉力总是保持在原来铺设的方向，如图4.7(b)所示。由于土工格栅的存在，就产生了两个附加抗倾覆力矩Ta×和Tb×tanϕ，则加筋增加的安i全系数为：Tab(+tanϕi)/RΔ=F(4.11)n∑Wiisinαi=1式中各符号意义同前，由此可得加筋边坡的安全系数为：FFF=+Δ(4.12)s-30-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文以古典常规分析法为基础的工程实用计算，难以正确评价加筋材料的加固效果。以加筋路堤圆弧滑动法为基础，把筋材作为一附加外力项来处理，附加外力可以取加筋材料的极限抗拉强度，或再考虑安全系数。但计算结果表明分析所得的加固效果仅为1%左右，说明其基本假设或机理分析上有不合理和不完备的方面。土工合成材料加筋土边坡设计，必须保证其整体和内部两个方面的稳定。加筋土边坡发生在筋土复合体中的破坏，可能导致边坡失稳的原因：(1)筋材所受拉力超过了它的抗拉强度，被拉断；(2)筋材被动段与土间的抗拔力（握裹力）小于其所受拉力，筋材被拔出；(3)筋材在长期拉力作用下产生蠕变，致使加筋失效。加筋土边坡必须既满足外部稳定要求，又符合内部稳定要求，才能满足设计要求。长期以来的实践与理论表明，土的力学性复杂多变，而土工合成材料更是应力-应变非线性，具有明显的蠕变性和时温效应，测试指标又是离散性大的材料，加上埋在土内的力学性状与无侧限时的差别很大，故企图单纯凭借力学分析与理论计算来用定值法设计加筋土体，较为困难。为此，有的情况下，特别是以集中荷载和往复荷载为主的加筋土，半经验或经验方法仍然是目前工程设计中采用的主要方法。这类方法的建立有赖于原型观测的大量积累和合理的反馈分析。关于加筋土边坡稳定性的分析方法至今还存在许多有待进一步解决的问题：(1)圆弧滑动面法仍是目前工程设计中最多应用的方法。有时土坡的破坏模式为楔体滑动，虽然有些建议的分析方法，但它们只局限于一些非常的简单情况，并不能被普遍地使用；(2)采用圆弧面法分析时，先在未加筋土坡中寻找确定最危险滑动圆弧与圆心；加土工格栅后，即按该已定圆弧与圆心估算加筋坡的稳定安全系数。但有时加筋后，土坡的最危险滑动圆心与圆弧可能随筋材布置方案而改变；(3)当土坡产生变形，各层格栅都会产生抗拉作用，它们与土的变形要相应地协调一致，因而各层格栅产生的拉力必然不相等，由于这是个超静定问题，无法了解土工格栅所受拉力的实际分配情况。所以，在考虑各层筋材对抗滑作贡献，或在确定筋材的握裹力时，都认为它们同时都达到了许可拉力，显然不很合理；(4)利用式(4.9)估算土工格栅加筋土坡的稳定安全系数，首先是按工程和设计经验将各层格栅布置好，也就是说，计算一次，换一种布置，直至满足稳定性要求，所以它被认为是一种试算法。极限平衡法是目前采用较为广泛的方法，其优点是能给出安全系数的指标；设计时仅需考虑强度方面的参数。计算工作量较小，而且与素土边坡的分析方法相近，易为-31-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析工程界接受。但其缺点在于偏保守，在设计时容易造成一定的浪费，对筋材的强度、容可变形等取值具有很大的随意性；极限平衡法所研究的是假想的极限平衡状态而不是实际工作状态，不能充分考虑各种影响稳定的因素，没有充分揭示土和筋材之间的相互作用机理，使各种计算结果与实际情况出入较大，另外，有时沉降变形是路堤设计首要关心的问题，该方法也不能考虑路堤的沉降变形等因素的影响。4.4.2加筋路堤边坡稳定的数值分析方法数值计算是当前岩土工程界普遍使用的另一种方法，数值计算软件也有很多种。与极限平衡法不同，采用有限元、有限差分等数值计算方法可以考虑加筋土内部的应力场和位移场，考虑实际影响加筋效果的各种因素，同时还可以模拟施工工序、荷载变化等。采用数值分析的一个关键性问题是确定合理的本构模型。土和土工格栅都是非常复杂的材料，在加筋土边坡的分析计算中不仅要考虑土的本构关系，还要选择合理的土工格栅本构模型。这对加筋土边坡的数值分析计算具有相当的难度。相对土工格栅的本构模型来讲，土的本构关系已经较为成熟，有的人认为土工格栅的本构模型是线弹性的，也有的人认为土工格栅的本构模型是非线性的，如双曲线，多项式或幂函数形式。在处理填土和土工格栅界面时，依据不同的假设会有不同的处理方法。一种处理方法是将土工格栅当作一维线单元，认为格栅与土在各个点的变形是相互协调的，其中，很多学者依据土与土工合成材料的界面摩擦试验成果，认为滑动不可能发生在土与土工合成材料之间；另一种处理方法是根据土与土工格栅的外摩擦角小于土的内摩擦角的结论，不论土与合成材料界面是否有相对错动而是由计算结果来判别处理，除了将土工合成材料当作一维线单元外，很多学者是在土工格栅的两侧各设一个接触单元，其中有不少好的处[31]理方法，但大致上都可以归于Goodman单元这一类。Goodman接触单元假定接触之间由切向和法向的弹簧所连接，接触单元的应力与相对位移的关系由劲度系数来描述。但为了表征两个接触物体不会相互侵切，法向劲度系数必须取一极大值，而当接触法向面力为拉时，法向劲度系数要求取很小的值，以满足接触面上不能承受拉力的条件。这样的处理对接触面的正应力的计算来说，是一种简化的方法，不仅会带来计算误差，而且劲度系数取值的人为性容易造成计算不收敛。目前大多数的数值分析软件在分析边坡稳定性问题时采用的计算方法是抗剪强度折减法。[32-33]强度折减法的基本原理：对于一般地面建筑物其承载力的稳定安全系数通常可以表示为结构的极限承载力与结构在使用阶段所能承受的最大荷载之比。但对于土工结构，比如堤坝、路基等，上面的定义并不合适，这类结构所承受的主要荷载是土的自重，为了计算其极限承载力而逐渐增大土的容重时，土体内的正应力也相应地增大。土是一-32-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文种摩擦材料，在正应力增大时其抗剪强度也会相应增大。所以，对此类土工结构物，增大土的容重未必会使其达到临界状态。此外，土体的容重易于测定，其变异性不大，但是其他强度参数的测定却要复杂得多。所以土工结构物的稳定安全系数一般定义为结构所具有的承载力与承受荷载所需要的承载力之比，也就是土体所具有的抗剪强度与相应于极限状态的抗剪强度之比。为了达到土体的稳定极限状态，可以通过逐步折减其抗剪强度参数，有的学者认为大多数边坡和部分人工边坡的滑坡都属于渐进破坏，滑坡的主要原因是由于边坡土体的抗剪强度在受到风化、吸水饱和、应变软化等的作用时逐渐降低的。所以通过折减土体的抗剪强度是可以得到边坡的破坏的临界状态，而且这在数值计算中也是易于实现的。这时的稳定安全系数也可定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对土的抗剪强度进行折减的程度，即土的实际抗剪强度与临界破坏时折减后的抗剪强度的比值，具有强度储备系数的物理意义。在基于强度折减概念的弹塑性数值分析中，对于域内某一点，假定在某个剪切面土体的正应力与剪应力分别为σ和τ，则按照Bishop安全系数的一般定义，同时考虑到该点的抗剪强度可用Mohr-Coulomb破坏准则表示为：τ=c+σtanϕ(4.13)f则该点土体在这个预定剪切面上的安全系数为：τfc+σtanϕF==(4.14)ττ假如此时土体没有发生剪切破坏，土体中的实际剪应力与实际中得以发挥的抗剪强度相同，即：τfc+σtanϕτ=τ===c+σtanϕ(4.15)fmmmFF由此可知，实际中得以发挥的抗剪强度相当于折减后抗剪强度的指标。折减后的抗剪强度指标分别为：c⎡tanϕm⎤c=ϕ=arctan(4.16)mm⎢⎥F⎣F⎦从这个意义上说F可以看作为强度折减系数，而从式(4.14)可以认为F为强度储备系数，或者实际强度发挥程度系数。强度折减法可以克服极限平衡方法中将土条假设为刚体的缺点，强度折减法全面满足了静力许可应变相容和应力-应变之间的本构关系；同时，因为是采用数值分析方法，可以不受边坡不规则几何形状和不均匀材料的限制，是分析边坡变形、应力和稳定性比-33-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析较理想的方法，因此强度折减法逐渐成为边坡稳定性分析新的趋势。与极限平衡法相比，[34]强度折减法有如下优点：○1能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行计算；○2能够考虑土体的应力-应变关系，不必引入过于简化的假设条件，保持了严密的理论体系；○3能够模拟土坡的失稳过程及其滑动面形状；○4能够模拟土体与支护的共同作用；○5求解安全系数时，可以不需要假设滑动面位置和形状，也无需进行条分计算；○6能同时计算渗流作用，得到边坡稳定分析中很重要的参数：孔隙水压力，对于土体变形和渗流作用的耦合计算有很大的优势。[35-37]4.4.3离心模型试验方法离心模型试验是研究小比例尺模型由于在离心试验机所形成的超加速度场中能达到与原型相同的应力水平，而得到与原型相同的应力状态、位移变化，相似的塑性区发展和变形破坏过程，以获取全比例尺模型的变形破坏机理的模拟试验技术。由于其能再现自重应力场以及与自重有关的变形过程，直观揭示变形破坏的机理，并能为其他分析方法提供真实可靠的参数依据，而得到越来越广泛的应用。在早期的离心模型试验中，边坡稳定性的研究占有明显的优势。这主要是因为边坡的破坏大都是由于坡体的自重以及与自重有关的其他因素引起的，而离心模型试验由于能再现自重应力场以及与自重有关的变形过程而具有独特的优点，从而在边坡工程中得到越来越广泛的应用。[38]杨锡武、易志坚应用离心模型试验对比研究了未加筋边坡及三种不同布筋方式加筋边坡的坡面变形性态和位移场，得出了在边坡中下部H/3～H/2范围内加密布筋是加筋边坡最经济合理的布筋方式的结论，并结合离心模型试验成果，用断裂理论较合理地解释了用极限平衡理论不能作解释的结论：包括未加筋边坡的变形破坏机理、加筋提高土坡稳定性及加筋边坡与未加筋边坡滑动面形状不同的机理。此项试验研究及理论分析，对于深入认识加筋边坡稳定机理，研究经济合理、安全可靠的加筋边坡设计理论和方法具有重要意义。-34-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文[39]离心模型试验成果及文献表明，加筋边坡的滑动面形状呈折线形，与素土边坡滑动面形状不同，其断裂力学机理在于加筋边坡体内的裂纹的扩展过程。随着离心机种类的增加和尺寸的加大以及模拟技术的提高，离心模型试验技术在边坡工程中将会得到越来越多的应用，其研究内容和研究方向将会越来越深、越来越广。与此同时，暴露出来的问题也将越来越多，这些问题主要可以归纳为以下几点：(1)模型内应力应变数据采集问题数据采集系统包括数据量测、收集、处理等部件，是离心试验的关键设备。对土力学中试验而言，在试验过程中对土的强度和变形的量测及处理极为重要。而在岩土边坡中，内部信息的采集关系到边坡的安全性、稳定性。这就需要有配套的综合采集系统，它需具有尺寸小、结构牢固、在较高离心力场中可靠的优点。因而今后应设计研究可靠的、简便、便宜且功能齐全的采集系统。(2)供排水问题系统的模拟问题在边坡稳定性的试验研究中，离不开水的作用。特别是在研究暴雨对滑坡的影响和水库运行时，供排水的模拟是一个较为复杂的问题。供排水系统中流量、流速的自动控制应该是今后研究的重点。(3)模型材料的制备问题在边坡稳定性的离心模型试验中，由于要保持模型和原型的尽量相似性而取原样材料作为模型材料，但是由于模型尺寸的限制，并不能保证原型和模型所有参数都相似，于是这就涉及到最优模拟参数的选取问题。在实际应用中，必须针对所研究的问题，根据主要力学现象，应用关键性变量，放松不重要变量，并对那些未被满足的相似条件会带来什么误差做相应的分析。-35-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析[40-43]5数值计算的理论基础及计算分析软件简介本文将采用目前国内常用的岩土工程专业软件分析黄土路堤边坡及土工格栅加筋边坡。FLAC3D是采用三维快速拉格朗日法对连续介质进行数值分析的软件。[43]5.1三维快速拉格朗日法(FLAC3D)的基本原理拉格朗日单元法是源于流体力学中跟踪质团运动的一种方法，实际上是连续介质力学中对运动的物质描述方法。它仍遵循连续介质假定，利用差分格式，按时步积分求解，随构形的变化不断更新坐标，可以用于分析非线性大变形问题。三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法，它可以模拟岩石或土体及其它材料的三维力学行为。三维快速拉格朗日法在分析中将计算区域划分为若干个六面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随材料的变形而变形，这使它非常有利于模拟大变形问题。三维快速拉格朗日分析采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。三维快速拉格朗日法的求解应用了3种计算方法：①离散模型方法将连介质离散为若干个互相边接的六面体单元，凡是张量(如应力、应变)和纯量(如密度)定义在单元中，凡矢量(如速度、位移、作用力)定义在单元结点上；②有限差分方法变量关于时间和空间的一阶导数均用差分来近似；③动态松弛法应用质点运动方程求解，通过阻尼使系统运动衰减至平衡状态。5.2FLAC3D软件的主要特点FLAC3D是采用三维快速拉格朗日法对连续介质进行数值分析的软件。它在单元剖分上采用了混合离散方法，其相邻单元的结点可以不相连接，这使得物体的离散化更加方便；采用运动物体的动力平衡方程来模拟系统的受力变形过程，这使得动态问题(可以包括刚体运动)的模拟中可以与静力学问题一样易于解决；采用显式的求解方法使其在求解非线性本构关系时比隐式方法具有更高的效率。FLAC3D的主要缺点在于：求解线性问题时，其效率不如有限单元方法(FEM)；另外，其求解收敛速度取决于系统的最大固有周期和最小固有周期之比，当单元尺寸或材料弹模相差过大时，其求解效率将降低。在FLAC3D中提供了10种本构模型（见表5.1），基本涵盖了岩石、土体等弹性或非弹性材料的各种常用本构关系，并具有静力、动力、蠕变、渗流和温度五种计算模式，-36-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文各模式间还可以相互耦合。FLAC3D还提供了梁、桩、锚和壳四种结构单元，用于模拟岩土工程稳定分析中的各种支撑加固措施。为了模拟不同材料的接触面、岩体中存在的软弱结构面等界面的作用，FLAC3D中还引入了界面单元。另外，为了便于用解决各种具体的实际问题，FLAC3D系统还提供了功能强大的FISH语言和丰富的系统内部函数，以方便用户针对具体问题进行应用层面上的二次开发。正是由于FLAC3D分析程序中引入上述多种理论分析模型和单元结构，因此，它可以广泛地用于岩土工程的动力和静力稳定分析、承载力和变形计算，加固方案的设计及多体系的接触问题的研究。[41]5.3土的本构模型及结构单元模型岩土本构关系是指通过一些试验测试少量的岩、土弹塑性应力-应变关系，然后再通过岩土塑性理论及某些必要的补充假设，将这些试验结果推广到复杂应力、组合状态上去，以求取应力-应变的普遍关系；将这种应力-应变关系以数学表达式表达。即称为岩土的本构模型。岩土材料的多样性及其；力学特性的差异性，使得人们无法采用统一的本构模型来表达其在外力作用下的力学响应特性，因而开发出了多种岩土本构模型，FLAC3D中内置12种岩土本构模型以适应各种工程分析的需要，它们是：(1)空模型。(2)3个弹性模型（各向同性，横观各向同性和正交各向同性弹性模型）。(3)8个塑性模型（德鲁克-普拉格模型、摩尔-库仑模型、应变硬化/软件模型、遍布节理模型、双线应变硬化/软化遍布节理模型、修正的剑桥模型、双屈服模型和霍克-布朗模型）。5.3.1空模型空模型通常用来表示被移出或开挖的材料，且移出或开挖区域的应力自动设置为零。在数值模拟的后续阶段，空模型材料也可以转化成其他的材料模型。采用这种模型，可以进行诸如开挖，回填之类的模拟。5.3.2弹性模型弹性本构模型具有卸载后变形可恢复的特性，其应力-应变规律是线性的，与应力路径无关。各向同性弹性模型提供了材料性质最简单的表述，这种模型适用于应力-应变特性呈现线性关系得无卸载和滞后现象的均质、各向同性、连续介质材料。横观各向同性弹性模型适用于模拟在各层的法线方向和切线方向的弹性模量有明显差异的层状弹性材料。正交各向异性弹性模型适用于具有良好各向异性弹性性质的弹性材料。例如，他可以用来模拟处于极限强度下的柱状玄武岩。-37-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析5.3.3塑性模型摩尔-库仑模型是最通用的岩土本构模型，它适用于那些在剪力下屈服，但剪应力只是取决于最大、最小主应力，而第二主应力对屈服不产生影响的材料。遍布节理模型、应变软化模型、双线性应变软化/遍布节理模型和双屈服模型实际上的摩尔-库仑模型的衍生模型。当除粘聚力和摩擦角外的其他摩尔库仑参数都取很大的值时，它们会得到和摩尔-库仑模型一样的计算结果。德鲁克-普拉格模型适用于模拟摩擦角较小的软粘土，但是并不广泛适用于其他岩土工程材料，将它内置于FLAC3D中主要是用来同其他未内置摩尔-库仑模型的数值计算软件作比较。遍布节理模型适用于模拟因内部存在软弱层致使材料强度具有显著各向异性特性的摩尔-库仑材料。双线性应变硬化/软化遍布节理模型是广义的遍布节理模型，它允许材料基质和节理的强度发生硬化或软化。双屈服模型是应变模型是应变软化模型的延伸，它适用于模拟会产生不可恢复压缩变形和剪切屈服的岩石材料。修正的剑桥模型适用于模拟体积变化会对变形和抗屈服能力产生影响的岩土材料。霍克-布朗模型为一个经验关系式，它表示各向同性的完整岩石或岩体的非线性强度屈服面，其塑性流动法则是随侧限应力水平变化的函数。5.3.4本构模型的选择本构模型是对岩土材料力学性质的经验性描述，表达的是外载条件下岩，土体的应力应变关系，因此，本构模型的选择是数值模型的一个关键性步骤。当为某个具体的工程分析选择本构模型时，必须考虑一下两点：（1）工程材料的已知力学特性。（2）本构模型的适用范围。只有当选择的本构模型与工程材料力学特性挈合度较高时，其选择才是合理的。这里简述FLAC3D中各本构模型的典型特点，表5.1给出的是个本构模型适用的典型材料：表5.1FLAC3D中的本构模型本构模型代表的材料类型应用范围洞穴，开挖以及回填模空模型空型均质各向同性连续介质材低于强度极限的人工材各向同性弹性模型料，具有线性应力应变行为的材料（如钢材）力学行为的研究，料安全系数的计算等-38-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文续上表本构模型代表的材料类型应用范围横观各向同性弹性模型具有各向异性力学行为的薄板低于强度极限的层状材料力层装材料（如板岩）学行为的研究德鲁克-普拉格塑性模型极限分析，低摩擦角软粘土用于和隐式有限元软件比较的一般模型摩尔-库仑塑性模型松散或胶结的粒状材料：土体，岩土力学通用模型（如边坡稳岩石，混凝土定稳定，地下开挖等）应变强化／软化摩尔-库仑具有非线性强化和软化行为的材料破坏后力学行为（失稳过塑性模型层材料程，矿柱屈服，顶板崩落等）的研究遍布节理塑性模型具有非线性强化和软化行为的簿层状岩层的开挖模拟层状材料双线性应变强化／软化摩具有非线性强化和软化行为的层状材料破坏后的力学行为尔-库仑塑性模型层压材料研究压应力引起体积永久缩减的低注浆或水力充填模拟双屈服塑性模型胶结状散体材料变形和抗剪强度是体变函数的位于粘土中的岩土工程研究修正剑桥模型材料霍克-布朗塑性模型各向同性的岩质材料位于岩土中的岩土工程研究5.3.5摩尔-库仑本构模型物体受到荷载作用后，随着荷载值的增大，应力状态将由弹性状态过渡到塑性状态。不计时间效应和温度影响时，弹塑性材料的屈服条件只与应力状态及材料性质有关。对各向同性材料，屈服条件通常写为：f=f(σ,k)=0(5.1)ij其中，k为与材料性质有关的参数，一般为粘聚力c和内摩擦角ϕ。当应力点位于屈服点之内，即f(σ,k)小于0时，材料处于弹性状态；而当应力点ij位于屈服面之上，即f(σ,k)=0时，材料开始屈服。ij由于本文是分析黄土路堤边坡及加筋路堤边坡的稳定性与变形特性，故采用摩尔-库伦模型。岩土材料的破坏条件有很多，其中应用最为广泛和应用时间最长的是摩尔-库伦条件，其它破坏条件还有广义米赛斯条件、广义屈瑞斯卡条件、广义双剪应力条件、辛克维兹－潘德条件以及霍克布朗条件等。经过实际中的使用发现，摩尔-库伦条是比-39-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析较可靠的，其缺点就是由于其在偏平面上的屈服曲线是不规则六边形，存在尖顶和棱角的间断点和线，致使其计算变繁和收敛缓慢。本文在FLAC3D数值计算中采用了摩尔-库伦材料本构关系。摩尔－库仑破坏条件写成一般屈服条件的形式，为：1⎡1⎤F=()σ−σ+F()σ+σ(5.2)2131⎢213⎥⎣⎦如果采用应力张量第一不变量I、应力偏张量第二不变量J以及洛德角θ进行表12σ示，则可以得到如下形式：1⎛1⎞F=Isinϕ+⎜cosθ−sinθsinϕ⎟J−ccosϕ(5.3)1⎜σσ⎟23⎝3⎠ππ其中，−≤θ≤；σ66如果采用平均应力p、广义剪应力q还可以表示成如下形式：1⎛1⎞F=psinϕ+⎜cosθ−sinθsinϕ⎟q−ccosϕ(5.4)⎜σσ⎟3⎝3⎠或−3sinϕ3ccosϕq=p+(5.5)3cosθ−sinθsinϕ3cosθ−sinθsinϕσσσσep弹塑性状态下，应变增量dε可以表示为弹性应变增量dε和塑性应变增量dε之和，即ep{}dε={dε}+{dε}(5.6)根据塑性力学公式，岩土材料的流动法则可写为：p∂gdε=dλ(5.7)∂σ式中，g为塑性势函数或塑性势面，dλ为一个确定塑性应变增量大小的函数。e各向异性情况下，应变增量dε仍可以表示是为弹性应变增量dε和塑性应变增量pdε之和，即ep−1∂g{}dε={}{}dε+dε=[]D{}dσ+dλ(5.8)∂σ-40-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文T⎧∂f⎫[]{}⎨⎬Ddε⎩∂σ⎭式中，dλ=T，[D]为各向异性材料的弹性矩阵。⎧∂f⎫[]⎧∂g⎫A+⎨⎬D⎨⎬⎩∂σ⎭⎩∂σ⎭材料进入塑性状态后，其弹塑性应力-应变关系的增量表达式为：T⎡⎧∂g⎫⎧∂f⎫⎤⎢[]D⎨⎬⎨⎬[]D⎥{}dε=⎢[]D−⎩∂σ⎭⎩∂σ⎭⎥⋅{}dε=[]D−[]D⋅{}dε=[]D⋅{}dε(5.9)Tpep⎢⎧∂f⎫⎧∂g⎫⎥⎢A+⎨⎬[]D⎨⎬⎥⎢⎣⎩∂σ⎭⎩∂σ⎭⎥⎦式中，[]D、[D]、[D]分别为材料的弹性矩阵、塑性矩阵和弹塑性矩阵；A为与材料pep硬化有关的参数，理想弹塑性情况下，A=0，采用关联流动法则时，g=f。5.3.6FLAC3D中的破坏准则和流动准则FLAC3D中规定压应力为负，所以，三个主应力有如下关系：σ≤σ≤σ3，破坏12准则可用图5.1中的平面（σ,σ）表示。破坏包面f(σ,σ)=0由图5.1的点A到点B1313st（Mohr-Coulomb剪切破坏准则f=0）和点B到点C（f=0）的包线组成。s其中f=σ−σN+2cN(5.10)13ϕϕttf=σ−σ3式中为ϕ摩擦角，c为粘聚力，σ为抗拉强度t1+sinϕ且由N=(5.11)ϕ1−sinϕ图5.1Mohr-Coulomb剪切破坏准则-41-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析s因为材料的抗拉强度不能超过相应于直线f=0和σ=σ在f()σ,σ面上的交点1313σ的值，所以有最大值：3tcσ=(5.12)maxtanϕsts分别用g和g两个函数表示剪切塑性流动和受拉塑性流动。g相应于非关联流动s法则：g=σ−σN13ψ其中ψ为剪胀角，1+sinψN=(5.13)ψ1−sinψtg相应于关联流动法则：tg=σ(5.14)3s通过采用下述的方法，可得到定义唯一的流动法则。用（σ,σ）面上的f=0和13tf=0间的对角线表示函数h()σ,σ=0，该函数的正域和负域见图5.2，13图5.2Mohr-Coulomb模型流动法则定义采用的域h函数具有如下形式：tPPh=σ−σ+α(σ−σ)(5.15)31PP式中α、σ为常数：P2α=1+N+N(5.16)ϕϕPtσ=σN−2cN(5.17)ϕϕ用（σ,σ）面上的domain1和domain2内的点表示弹性假设应力值超出复合屈服13函数，domain1+和domain2分别相应于h=0的正域和负域。如果位于domain1内发生剪-42-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文ss切破坏，采用由g函数得到的流动法则将应力点置于f=0曲面上；如果位于domain2tt内表示发生受拉破坏，采用由g=0函数得到的流动法则将应力点置于f=0的曲面上。5.3.7土工格栅结构单元及筋土界面土工格栅单元的力学特性分为土工格栅材料自身的结构效应和土工格栅单元与相邻材料的相互作用方式。在默认情况下，认为土工格栅单元为平面应力单元，它抗拉而不抗弯、在格栅平面内也不抗压。土工格栅的位移函数是线性的，用增量形式表示的单[43]元刚度矩阵为：1⎡ΔF⎤22x⎡csinαcosα−cosα−sinαcosα⎤⎡Δu1⎤⎢⎥ΔF1⎢22⎥⎢Δu⎥⎢y⎥=A⋅E/L=⎢sinαsinαcosα−sinα⎥⋅⎢2⎥(5.18)⎢ΔF2⎥⎢cos2αsinαcosα⎥⎢Δu⎥⎢x⎥⎢⎥⎢3⎥⎢2⎥⎢sin2α⎥Δu⎣ΔFy⎦⎣⎦⎣4⎦2式中，E为土工格栅单元的弹性模量，单位是N/mm；A为土工格栅单元横截面2积，单位是m；L为土工格栅单元的长度，单位是m；α为单元与X轴的夹角。土工格栅的厚度实际上是无法准确测定的，土工格栅在做拉伸试验时，所得到的应力实际上也是土工格栅单元宽度上受到的力。因此，土工格栅单元作为一种薄膜单元，采用的格栅刚度矩阵为：22⎡csinαcosα−cosα−sinαcosα⎤⎢22⎥[]e⎢sinαsinαcosα−sinα⎥K=E/L(5.19)⎢cos2αsinαcosα⎥⎢⎥2⎢⎣sinα⎥⎦在岩土工程结构中，当2种相邻材料的变形性能相差较大时，在一定的受力条件下，可能会在它们之间的接触面上产生错动，滑移或开裂。古德曼（Goodman）等人提出了岩石节理单元，在土工格栅单元-土界面的模拟中，被广泛地用作接触面单元。Goodman单元在模拟界面单元时主要是考虑点与点的关系，反映了界面法向压应力及切向的剪应力；而FLAC3D却可以模拟点与面的关系，主要反映界面两侧材料因受剪而产生的拉力。-43-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析6用土工格栅加固路堤边坡的数值分析本文主要分析两种路堤边坡潜在的破坏形式：路堤边坡潜在的浅层溜塌破坏与路堤边坡潜在的深层破坏。6.1路堤边坡潜在的浅层溜塌破坏及用土工格栅加固的数值分析宝(鸡)中(卫)铁路由于1999年7月底至8月初，连续数日的大雨，在长达300多公里的路段出现水害177处，造成路基下沉，边坡下滑、溜塌等病害，累计中断行车1700多小时，需投入大量人工、物力才能修复。查其原因是因为宝中线地处黄土高原，黄土具有湿陷性，设计要求建筑路基时，应该铺一层土，浇一遍水，压实后再铺土浇水，但修筑宝中线适逢沿线大旱缺水，施工人员就把浇水的工序省掉，有些路段边坡填土压实度低于0.85，于是铁路路基在夏秋季降大到暴雨时这些路段的路堤边坡严重溜塌，不可避免地酿成了重大工程事故。6.1.1土样的物理力学参数宝中铁路某处路堤边坡填土的密实度绝大部分低于0.85，参考杨有海等人论文中所[46]测的参数，本文选用压实系数为0.82的路基土材料参数进行数值模拟，土体材料参数如表6.1所示：表6.1土体材料参数体积模量剪切模量粘聚力内摩擦角密度土层类型3K/MPaG/MPac/kPaϕ/°ρ/kg/m基床6.672.2213.813.041954路堤下部填土6.672.2226.721.816882m宽的边坡浅层土3.331.119.47.7219026.1.2几何模型及边界条件数值分析的对象是一个高8m，边坡坡度为1:1.5的黄土路堤。由于路堤边坡浅层溜塌深度与边坡填土土质、降雨强度及降雨持续时间等因素有关。通过对宝中铁路路堤边坡浅层溜塌调查，将受降雨影响的边坡浅层区域取为2m宽，并假定滑动面与坡面平行。路堤断面尺寸如图6.1所示：-44-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文7.9边坡浅层单位：m2.5基床281:51.1.51:图6.1横断面尺寸示意图由于本文是采用抗剪强度折减法对边坡的稳定性进行数值计算，而边界范围的大小在数值计算中对计算结果的影响比在传统极限平衡法中表现的更为敏感，张鲁渝、郑颖[3]人等人研究认为：右边界对计算结果的影响最不敏感，底端边界次之，左端边界对计算精度的影响最大。并经大量的计算对比分析得出：当坡角到右端边界的距离为坡高的1.5倍，坡顶到左端边界的距离为坡高的2.5倍，且上下边界总高不低于2倍坡高时，计算精度最为理想。为减小边界效应对计算结果的影响，本文将模型边界进行修改，模型横断面尺寸如图6.2所示，模型除坡面设自由边界外，模型底部为固定约束边界，模型四周为单向边界。7.9边坡浅层单位：m81:1.510地基31.9图6.2模型尺寸示意图6.1.3加筋方式通过对路堤边坡浅层溜塌调查，受降雨影响的边坡浅层区域宽度为2m宽，故采用短加筋来加固路堤浅层边坡。本文将分析土工格栅竖向层间距分别为1m和0.5m时，长度为1.5m、2m、2.5m、3m四种不同长度的短加筋加筋效果。-45-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析6.1.4计算结果及分析对未加筋路堤边坡和对不同位置、不同长度短加筋路堤边坡进行三维有限差分数值计算，计算结果分析如下：1、未加筋路堤的稳定性分析：图6.3是未加筋路堤的剪切应变增量云图，边坡的稳定安全系数是1.34，未达到Fs≥1.5的设计要求，需要增设防护加固措施。从图中可以看出边坡浅层处有明显的塑性区域，即受降雨影响的浅层边坡处极易发生溜塌失稳破坏。FoSvalueis:1.34ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-8.4983e-005to0.0000e+0000.0000e+000to2.0000e-0022.0000e-002to4.0000e-0024.0000e-002to6.0000e-0026.0000e-002to8.0000e-0028.0000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.0679e-001Interval=2.0e-002图3安全系数及剪切应变增量云图2、加筋间距、加筋长度对路堤边坡稳定性的影响（1）加筋竖向间距ΔH=0.5m时FoSvalueis:1.38ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-3.3408e-002to0.0000e+0000.0000e+000to5.0000e-0025.0000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.5000e-0011.5000e-001to2.0000e-0012.0000e-001to2.5000e-0012.5000e-001to3.0000e-0013.0000e-001to3.3560e-001Interval=5.0e-002SELGeometry(a)ΔH=0.5m，L=1.5m-46-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文FoSvalueis:2.06ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.1024e-004to0.0000e+0000.0000e+000to5.0000e-0025.0000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.5000e-0011.5000e-001to2.0000e-0012.0000e-001to2.5000e-0012.5000e-001to3.0000e-0013.0000e-001to3.5000e-0013.5000e-001to4.0000e-0014.0000e-001to4.4601e-001Interval=5.0e-002(b)ΔH=0.5m，L=2.0mFoSvalueis:2.08ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.1096e-004to0.0000e+0000.0000e+000to5.0000e-0025.0000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.5000e-0011.5000e-001to2.0000e-0012.0000e-001to2.5000e-0012.5000e-001to3.0000e-0013.0000e-001to3.5000e-0013.5000e-001to4.0000e-0014.0000e-001to4.5000e-0014.5000e-001to4.5303e-001Interval=5.0e-002(c)ΔH=0.5m，L=2.5mFoSFoSvalueis:2.07ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.1090e-004to0.0000e+0000.0000e+000to5.0000e-0025.0000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.5000e-0011.5000e-001to2.0000e-0012.0000e-001to2.5000e-0012.5000e-001to3.0000e-0013.0000e-001to3.5000e-0013.5000e-001to4.0000e-0014.0000e-001to4.3561e-001(d)ΔH=0.5m，L=3.0m图6.4加筋后的安全系数及剪切应变增量云图图6.4给出了加筋间距为ΔH=0.5m时，不同加筋长度下路堤边坡稳定安全系数及剪切应变增量云图分析结果。从总体上来看，短加筋能增强土体的抗剪强度，有效地提高了路堤边坡的稳定安全系数，但是，不同的加筋长度对路堤边坡的稳定性和土体内部应-47-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析力分布还是有一定的影响。随着加筋长度的增加，边坡稳定安全系数的变化情况是：加筋长度L=1.5m，Fs=1.38，比未加筋时的安全系数略有提高但仍未达到设计要求；L=2.0m，Fs=2.06；L=2.5m，Fs=2.08；L=3.0m，Fs=2.07；说明当L≥2.0m时，加筋能明显改变土体的应力分布状态，提高土体抗剪强度，增强边坡土体的整体性，进而提高浅层土体稳定性。但短加筋的加筋长度不是越大越好，存在一个最优范围。由分析知当加筋长度为2.5m时其对边坡的加固效果最好，而且应力分布能较好地反应实际工程情况。以上分析也为实际工程中一般以2.0m～2.5m为加筋长度提供了一定的理论依据。（2）加筋竖向间距ΔH=1.0m时FoSvalueis:1.35ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-8.3390e-002to0.0000e+0000.0000e+000to2.0000e-0012.0000e-001to4.0000e-0014.0000e-001to6.0000e-0016.0000e-001to8.0000e-0018.0000e-001to1.0000e+0001.0000e+000to1.0266e+000Interval=2.0e-001SELGeometryMagfac=0.000e+000(a)ΔH=1.0m，L=1.5mFoSvalueis:1.77ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-2.2335e-002to0.0000e+0000.0000e+000to5.0000e-0025.0000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.5000e-0011.5000e-001to2.0000e-0012.0000e-001to2.5000e-0012.5000e-001to2.7043e-001Interval=5.0e-002SELGeometryMagfac=0.000e+000(b)ΔH=1.0m，L=2.0m-48-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文FoSvalueis:2.06ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.1002e-004to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0011.0000e-001to2.0000e-0012.0000e-001to3.0000e-0013.0000e-001to4.0000e-0014.0000e-001to5.0000e-0015.0000e-001to6.0000e-0016.0000e-001to6.0147e-001Interval=1.0e-001SELGeometry(c)ΔH=0.5m，L=2.5mFoSvalueis:2.06ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.0999e-004to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0011.0000e-001to2.0000e-0012.0000e-001to3.0000e-0013.0000e-001to4.0000e-0014.0000e-001to5.0000e-0015.0000e-001to6.0000e-0016.0000e-001to6.0860e-001Interval=1.0e-001SELGeometry(d)ΔH=0.5m，L=3.0m图6.5加筋后的安全系数及剪切应变增量云图当加筋间距变为ΔH=1.0m时，如图6.5所示，边坡的稳定安全系数及剪切应变增量云图又有不同的变化。相对于0.5m的间距来说，其稳定安全系数相应地有所减小，说明加筋间距小的，其对边坡浅层土体的加固作用较强。由以上分析可以看出，加筋间距和加筋长度是影响短加筋加固路堤浅层边坡效果的两个主要因素，但两者之间要达到一个合理的契合点，才能满足工程实用性和经济性的要求。本文认为，一般以加筋间距为0.5m，加筋长度为2.0m～2.5m时较为合理。6.1.5土工格栅的受力分析在未加筋时，土体之间相互作用不能产生拉力，降雨入渗会使边坡浅层土体达到饱和状态从而发生下滑、溜塌等失稳现象。而加入土工格栅后就弥补了这一缺陷，土工格栅改变了浅层土体的应力状态，提高土体抗剪强度，增加浅层土体整体性和抗滑稳定性，起到了抗拉、锚固的作用。本文分析在同一加筋长度L=2.0m时，不同加筋间距时的筋材受力情况：-49-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析SELGeometryMagfac=0.000e+000geogridcouplingStressMagfac=0.000e+0002.3201e+000to1.0000e+0031.0000e+003to2.0000e+0032.0000e+003to3.0000e+0033.0000e+003to4.0000e+0034.0000e+003to5.0000e+0035.0000e+003to6.0000e+0036.0000e+003to7.0000e+0037.0000e+003to7.7210e+003Interval=1.0e+003(a)ΔH=0.5m，L=2.0mSELGeometryMagfac=0.000e+000geogridcouplingStressMagfac=0.000e+0006.8340e+000to1.0000e+0031.0000e+003to2.0000e+0032.0000e+003to3.0000e+0033.0000e+003to4.0000e+0034.0000e+003to5.0000e+0035.0000e+003to6.0000e+0036.0000e+003to7.0000e+0037.0000e+003to7.6218e+003Interval=1.0e+003(b)ΔH=1.0m，L=2.0m图6.6土工格栅的应力分布图（单位：Pa）由图6.6可以看出（a）（b）两图的短加筋所受最大拉力发生在坡脚处，每层格栅的两端受力比其中部要大，格栅受力从下往上逐渐减小。土工格栅主要依靠其拉应力来发挥加筋作用，从筋材受力图可以说明加筋层的位置越靠下，加筋作用越明显，增加加筋层数后，上部的格栅不能充分发挥其抗拉作用。由于格栅在路堤的中下部受力明显，所以加筋的间距可以采用“顶疏底密”的布置方式。6.2路堤边坡潜在的深层破坏及用土工格栅加固的数值分析路堤边坡深层破坏带来的后果更为严重。除在道路建设和养护期间需要花费大量的人力和财力进行处治外，还往往中断交通。处治后发生病害的边坡再进行治理时，技术和施工难度增加。6.2.1土样的物理力学参数[50]本文参考北京工业大学陶连金教授论文中的宁夏某高速公路辅道所测土的参数来进行数值模拟。-50-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文表6.3土体材料参数体积模量剪切模量粘聚力内摩擦角密度土层类型3K/MPaG/MPac/kPaϕ/°ρ/kg/m地基土45.627.361328.81740地基表层土8.2534.9521.028.81740路堤填土8.2534.9521326.622006.2.2几何模型及边界条件在对这一算例进行数值分析时，建立的模型是一个高8m边坡坡度为1:1.5的黄土路堤。路堤下地基的深度是20m，地表以下是1m厚的地基表层土。路堤分16个工序进行分层填筑，每个工序的填土高度为0.5m。考虑到路堤所用材料沿道路轴向相对均匀且路堤横断面形状的轴对称性，故不妨取路堤的1/2结构进行分析，其横断面尺寸如图6.7所示：1：1.5地基表层土地基土图6.7横断面尺寸图(单位：m)6.2.3初始地应力场在土木工程或采矿工程领域中，初始地应力场的存在和影响不容忽视，它既是影响岩土体力学性质的重要控制因素，也是岩土体所处环境条件下发生改变时引起变形和破坏的重要力源之一。因此，要想较真实地进行工程模拟仿真，必须保证初始地应力场的可靠性。初始地应力场生成的主要目的是为了模拟所关注分析阶段之前岩、土体已存在的应力状态。路堤填筑前，地基中存在初始应力。在有限元计算中，按初始地应力公式直接计算单元初始应力值。填筑路堤前地基中初始地应力场的分布规律应大致符合以下理论公式：-51-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析0⎧σx⎫⎧K0γz⎫⎪0⎪⎪⎪{}σ0=⎨σz⎬=⎨γz⎬(6.1)⎪τ0⎪⎪0⎪⎩zx⎭⎩⎭ν式中：K为地层的初始状态侧压力系数，取K=；ν为土体初始状态的泊松比。001−νσ=ρgz（z为土层深度）(6.2)zνσ=σ=kσ（k=）(6.3)xy0z01−ν6.2.4路堤分级堆载的模拟路堤在施工过程中，并不是一次到顶，而是逐级施加的。一般情况下，土质路堤施工规定路堤填土应在全宽范围内分层填平、充分压实，每日施工结束时表层填土应压实完毕，防止间隔期中雨淋或曝晒。分层厚度视压实工具而定，一般压实厚度为20~25cm。为了能更合理地，科学地模拟路堤填方这一过程中填筑土体的应力、应变和位移的随加载的变化，要根据实际情况合理设置每级荷载的大小，如设置填筑现场每层填筑土体压实后的高度。本文通过模拟逐级加载，可反映出结构本身应力、变形随施工填筑工序的变化。本文是采用FLAC3D中内置FISH语言编制小程序来实现在分层填土过程中铺设筋材这个施工过程的。FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step7548ModelPerspectiveStep19457ModelPerspective22:38:14ThuApr02200922:30:50ThuApr022009Center:Rotation:Center:Rotation:X:3.000e+001X:0.000X:3.000e+001X:10.000Y:2.500e+000Y:0.000Y:2.500e+000Y:0.000Z:-9.500e+000Z:0.000Z:-8.250e+000Z:40.000Dist:1.684e+002Mag.:1Dist:1.684e+002Mag.:1Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofSZZContourofSZZMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+000GradientCalculationGradientCalculation-3.7804e+005to-3.5000e+005-4.2079e+005to-4.0000e+005-3.5000e+005to-3.0000e+005-4.0000e+005to-3.5000e+005-3.0000e+005to-2.5000e+005-3.5000e+005to-3.0000e+005-2.5000e+005to-2.0000e+005-3.0000e+005to-2.5000e+005-2.0000e+005to-1.5000e+005-2.5000e+005to-2.0000e+005-1.5000e+005to-1.0000e+005-2.0000e+005to-1.5000e+005-1.0000e+005to-5.0000e+004-1.5000e+005to-1.0000e+005-5.0000e+004to0.0000e+000-1.0000e+005to-5.0000e+0040.0000e+000to1.0508e+003-5.0000e+004to0.0000e+000Interval=5.0e+0040.0000e+000to3.2361e+002Interval=5.0e+004ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA(a)路堤堆填到第二工序时的竖向应力云图(b)路堤堆填到第七层时的竖向应力云图图6.8路堤堆填到第二、第七个工序时的竖向应力云图[44]6.2.5车辆荷载的模拟车辆荷载按换算成均布等代荷载计算：-52-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文nG00p=(6.4)BL式中：n，G，L，B分别为横向分布得到的车辆数、每辆汽车所受的重力、车辆荷00载的纵向分布长度和横向分布长度。本次计算按汽车-20级主车计算车辆荷载，相应的参数为：G=200kN，n=2，002L=5.6m，B=5.5m。代入式(6.4)得p=12.987kN/m。6.2.6加筋方式本文模拟了以下四种工况对加筋路堤边坡的稳定性进行分析，如表3所示：表6.3加筋工况工况加筋方式工况1在路堤底部加一层土工格栅工况2在路堤底部1m高度处加一层土工格栅工况3在路堤中部4m高度处加一层土工格栅工况4在路堤上部6.5m高度处加一层土工格栅6.2.7计算结果及分析对未加筋路堤边坡和对不同位置的加筋路堤边坡进行三维有限差分数值计算，计算结果分析如下：1、未加筋路堤边坡采用用非关联流动法则分析稳定性FoSvalueis:1.61ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.4180e-004to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0023.0000e-002to4.0000e-0024.0000e-002to5.0000e-0025.0000e-002to6.0000e-0026.0000e-002to7.0000e-0027.0000e-002to7.0881e-002Interval=1.0e-002图6.9边坡深层破坏时的安全系数、剪切应变增量云图从图6.9可以看出由抗剪强度折减法得到的未加筋路堤稳定安全系数时1.61，潜在的滑动面是一个穿过地基表层、类圆弧状的深层滑动面，最大剪应变增量出现在坡脚向里的一块区域，这块区域在路堤1/8~1/7高度处。说明路堤在大的车辆荷载或路堤土受-53-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析雨水浸湿处于饱和状态、抗剪能力减小时路堤边坡极易沿此滑动面产生深层的滑动破坏。2、加筋位置对路堤边坡稳定性的影响以下是四种工况下路堤边坡的稳定安全系数和剪切应变增量云图：FoSFoSvalueis:1.62ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.4076e-004to0.0000e+0000.0000e+000to2.0000e-0022.0000e-002to4.0000e-0024.0000e-002to6.0000e-0026.0000e-002to8.0000e-0028.0000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.0056e-001Interval=2.0e-002SELGeometryMagfac=0.000e+000(a)工况1FoSvalueis:1.70ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.2449e-004to0.0000e+0000.0000e+000to2.0000e-0022.0000e-002to4.0000e-0024.0000e-002to6.0000e-0026.0000e-002to8.0000e-0028.0000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.2000e-0011.2000e-001to1.4000e-0011.4000e-001to1.5863e-001Interval=2.0e-002(b)工况2FoSvalueis:1.68ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.2919e-004to0.0000e+0000.0000e+000to2.0000e-0022.0000e-002to4.0000e-0024.0000e-002to6.0000e-0026.0000e-002to8.0000e-0028.0000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.2000e-0011.2000e-001to1.4000e-0011.4000e-001to1.4680e-001Interval=2.0e-002(c)工况3-54-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文oSFoSvalueis:1.63ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.2230e-005to0.0000e+0000.0000e+000to2.5000e-0022.5000e-002to5.0000e-0025.0000e-002to7.5000e-0027.5000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.2500e-0011.2500e-001to1.5000e-0011.5000e-001to1.7500e-0011.7500e-001to2.0000e-0012.0000e-001to2.2500e-0012.2500e-001to2.3888e-001Interval=2.5e-002(d)工况4图6.10四种工况下路堤的稳定安全系数、剪切应变增量云图从以上四个工况的数值计算结果可见：在路基内不同位置铺设筋材后，将不同程度地改变路基边坡潜在的滑动失稳模式和稳定安全系数大小。工况1的稳定安全系数为1.62，比未加筋时的稳定安全系数提高了0.6%，土工格栅的位置未穿过剪切应变增量最大值的区域，但起到了均化路堤与地基交界处应力分布的作用，此处的剪应变增量值比未加筋时的要小；工况2的稳定安全系数为1.70，比未加筋时的稳定安全系数提高了5.6%，土工格栅正好穿过剪切应变增量最大值的区域，使得剪切应变增量最大值区域向上偏移，明显起到了将稳定土层与不稳定土层的联结锚固作用，提高了潜在滑动面的抗剪能力；工况3的稳定安全系数为1.68，比未加筋时的稳定安全系数提高了4.3%，路堤中部潜在滑动面的剪应变增量值比未加筋时要小，格栅对路堤潜在的滑动面起到了约束作用，提高了路堤边坡的整体稳定性；工况4的稳定安全系数为1.63，比未加筋时的稳定安全系数提高了1.2%.通过以上分析表明：在路堤的中下部加筋可以明显地提高路堤的整体稳定性，土工格栅对土体起到了约束锚固的作用。6.2.8不同加筋位置加固路堤边坡时筋材的受力分析geogridcouplingStressMagfac=0.000e+0004.5268e+001to2.0000e+0022.0000e+002to4.0000e+0024.0000e+002to6.0000e+0026.0000e+002to8.0000e+0028.0000e+002to1.0000e+0031.0000e+003to1.2000e+0031.2000e+003to1.3028e+003Interval=2.0e+002(a)工况1-55-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析geogridcouplingStressMagfac=0.000e+0006.8442e+001to1.0000e+0021.0000e+002to2.0000e+0022.0000e+002to3.0000e+0023.0000e+002to4.0000e+0024.0000e+002to5.0000e+0025.0000e+002to6.0000e+0026.0000e+002to7.0000e+0027.0000e+002to8.0000e+0028.0000e+002to9.0000e+0029.0000e+002to1.0000e+0031.0000e+003to1.1000e+0031.1000e+003to1.1903e+003(b)工况2yMagfac=0.000e+000geogridcouplingStressMagfac=0.000e+0002.3962e+000to1.0000e+0021.0000e+002to2.0000e+0022.0000e+002to3.0000e+0023.0000e+002to4.0000e+0024.0000e+002to5.0000e+0025.0000e+002to6.0000e+0026.0000e+002to7.0000e+0027.0000e+002to7.5485e+002Interval=1.0e+002(c)工况3geogridcouplingStressMagfac=0.000e+0002.6472e+001to5.0000e+0015.0000e+001to1.0000e+0021.0000e+002to1.5000e+0021.5000e+002to2.0000e+0022.0000e+002to2.5000e+0022.5000e+002to3.0000e+0023.0000e+002to3.5000e+0023.5000e+002to4.0000e+0024.0000e+002to4.4702e+002Interval=5.0e+001(d)工况4图6.11四种工况下土工格栅的应力分布图（单位：Pa）从四种工况土工格栅的受力分析，可以得出以下规律：1、加筋层位置越靠下，格栅所受的拉力越大；2、每层格栅在路堤中心线、边坡坡面处和潜在滑动面区域处受力较其他部位要大；3、在路堤中下部穿过塑性区的土工格栅能很好地起到将稳定土层与不稳定土层联结锚固的作用，明显发挥其抗拉作用，而路堤中上部的格栅所起作用不明显。6.3本章小结通过以上数值分析的结果可以得出以下结论：-56-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文(1)在采用抗剪强度折减法求路堤边坡的稳定安全系数时，需考虑剪胀角的影响，即采用关联流动法则与非关联流动法则得到的稳定安全系数值是不同的，采用关联流动法则时ϕ≠ψ，所求得的稳定安全系数值偏大，而采用非关联流动法则，不考虑剪胀角影响时求出的稳定安全系数值较为保守；(2)土工格栅的长度对路堤边坡的加固效果是不一样的。如果长度较小，会有格栅随潜在危险土体下滑的可能性，此外还会破坏原有路基土的完整性和单一性，并不一定起到明显的加固作用。如果长度过大，虽然起到加固作用，但由于施工困难以及工程造价的增加，在实际工程中也较少采用。因此，由以上软件分析可看出，一般在土工格栅加固路堤边坡的工程中，以2.0m～2.5m长最为合适，这样既有增加整个土体整体性的作用，而且在增强其稳定性的同时满足工程经济的目的。(3)由于加筋层的位置越靠下，加筋作用越明显，增加加筋层数后，上部的格栅不能充分发挥其抗拉作用，所以同时考虑加筋效果和经济效益两方面因素，本文建议短加筋的间距可以采用“顶疏底密”的布置方式。(4)对于路堤边坡的深层破坏，在路堤的中下部加筋可以明显地提高路堤的整体稳定性，土工格栅对土体起到了良好的约束锚固作用；(5)加筋层位置越靠下，筋材所受的拉力越大；每层格栅在路堤中心线、边坡坡面处和潜在滑动面区域处受力较其他部位要大。-57-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析7主要结论及进一步研究的建议7.1主要结论7.1.1黄土填料的基本工程特性本次研究中，选取永登境内两种黄土进行室内土工试验，研究黄土作为路基工程填料的工程性质，得出以下几点结论：1、两种黄土均属粉质黄土，属于C组填料。2、重塑黄土渗透系数与密实度有关，渗透系数随压实系数的增大而降低。3、重塑黄土压缩系数、压缩模量与密实度有关，压实系数对两者影响较大。在最优含水量下，压缩系数随压实系数的增大而减小，压缩模量随压实系数的增大而增大。4、三轴压缩试验所获重塑黄土应力-应变曲线表明，在最优含水量附近，随压实系数的增大，重塑黄土的应力-应变曲线从弱硬化型变为弱软化型；饱和状态时，重塑黄土均为应变软化型，但压实系数在0.82~0.89之间时，应变软化现象并不明显。5、影响重塑黄土抗剪强度指标和单轴抗压强度值的主要因素有土的性质、压实度、含水量、试验方法等，其中在工程当中，压实系数、含水量是两个重要影响因素。人工压实黄土在较低含水量下有一定强度，且随压实系数提高，其内摩擦角ϕ、粘聚力c、单轴抗压强度qu均随之提高。在饱和状态下，人工压实黄土的ϕ、c、qu值均有所降低，降低幅度与压实系数有很大关系；压实系数越低，降低幅度越大。表明提高压实度可以改善人工压实黄土的水稳性。因此，控制压实度和含水量是保证路基稳固的关键。首先，必须严格控制路基本体填筑时的压实度；其次，要加强路基防水、排水措施。这也是保证路基长期稳固的关键，施工及运营中要做到不积水，做好防排水系统，防止水从路基面、边坡及坡脚渗入路基本体及地基中；此外，路堤边坡应采用工程措施或植物防护措施等予以加固和防护。6、两种黄土属于不同类型的黄土，其含水量和压实系数对其强度特性影响明显，水稳定性较差。7.1.2土工格栅加筋路堤边坡的数值分析本文主要分析两种路堤边坡潜在的破坏形式：路堤边坡潜在的浅层溜塌破坏与路堤边坡潜在的深层破坏。并通过数值分析得出以下结论：1、在采用抗剪强度折减法求路堤边坡的稳定安全系数时，需考虑剪胀角的影响，即采用关联流动法则与非关联流动法则得到的稳定安全系数值是不同的，采用关联流动-58-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文法则时ϕ≠ψ，所求得的稳定安全系数值偏大，而采用非关联流动法则，不考虑剪胀角影响时求出的稳定安全系数值较为保守；2、土工格栅的长度对路堤边坡的加固效果是不一样的。如果长度较小，会有格栅随潜在危险土体下滑的可能性，此外还会破坏原有路基土的完整性和单一性，并不一定起到明显的加固作用。如果长度过大，虽然起到加固作用，但由于施工困难以及工程造价的增加，在实际工程中也较少采用。因此，由以上软件分析可看出，一般在土工格栅加固路堤边坡的工程中，以2.0m～2.5m长最为合适，这样既有增加整个土体整体性的作用，而且在增强其稳定性的同时满足工程经济的目的；3、由于加筋层的位置越靠下，加筋作用越明显，增加加筋层数后，上部的格栅不能充分发挥其抗拉作用，所以同时考虑加筋效果和经济效益两方面因素，本文建议短加筋的间距可以采用“顶疏底密”的布置方式；4、对于路堤边坡的深层破坏，在路堤的中下部加筋可以明显地提高路堤的整体稳定性，土工格栅对土体起到了良好的约束锚固作用；5、加筋层位置越靠下，筋材所受的拉力越大；每层格栅在路堤中心线、边坡坡面处和潜在滑动面区域处受力较其他部位要大。7.2需进一步研究的问题1、进一步开展黄土填料改良的试验研究；2、进一步探讨加筋机理和完善设计计算理论，制定相应的施工标准和规范；3、关于动荷载作用下加筋路堤稳定性的研究：随着高速铁路、高速公路的建设和发展，车辆荷载对加筋土结构的影响问题是不可忽视的，因此，仅考虑加筋土在静力荷载作用下的工作状况是不全面的；4、雨水的入渗对土工格栅与路堤填土之间的相互作用有很大影响，在进行数值计算时，应该考虑水的渗流问题；5、用加筋稳定不同土质的高填方路基陡边坡的坡度值、布筋方案尚需进一步研究优化，其设计理论与计算指标等尚需深入研究；6、进一步拓宽土工格栅加筋土的应用范围，特别应重视加筋土的复合结构，并研究与土工格栅与其他加固技术的配合应用问题，如桩网复合地基等；7、加大推广绿化加筋技术。-59-万方数据 黄土填料的工程特性及用土工格栅加固路堤边坡的数值分析致谢本论文是在导师杨有海教授悉心指导和耐心帮助下完成的，从论文的选题、研究、审查直至完成，无不凝聚着导师的心血。导师在百忙之中，仍定期了解论文进展情况，把握课题的研究方向，并提出了许多重要的意见。杨老师渊博的知识、严谨的治学态度、丰富的工程经验、一丝不苟的工作作风以及忘我的工作精神，使我受益匪浅，对我今后的工作将产生深远的影响。对杨老师所付出的大量心血，谨致以深深的谢意。并向杨老师全家致以深深的祝福!在研究生学习过程中，得到了岩土实验室的马春晓老师和邢新才老师的热情帮助和支持，在此真诚地感谢他们！在论文的构思和撰写过程中，同门刘永河、刘钢、王海波、熊宁同学给了我不少好的建议并给予我极大的帮助，还有给予我鼓励和帮助的师歌、郑琼、肖念婷、任秋儒师姐和贾文君、周沈华、陶天森师兄，在此一并致以诚挚的谢意!与同门师兄弟、姐妹一同渡过愉快的研究生时光将会是永远美好的记忆，即将毕业之际，送去我衷心的祝福：愿你们一切都好！最后，我要感谢我的父母，谢谢多年来他们对我无私的爱，深深祝愿父母身体健康！感谢我的爱人吴小所，感谢他的支持和付出！-60-万方数据 兰州交通大学硕士学位论文参考文献[1]杨有海,苏在朝,夏琼.黄土路堤边坡浅层加固机理分析及工程应用[J].土木工程学报，2005，38(11):84-88.[2]余飞.加筋边坡加筋机理及渗流作用下力学响应的数值模拟研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2004.[3]中国人民共和国行业标准.公路加筋土工程设计规范（JTJ015-91）.北京：人民交通出版社，1999.[4]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].中国水利水电出版社，1996.[5]王方杰.黄土路堤变形特性及沉降规律研究[D].长安大学硕士学位论文，2005.[6]周志刚,郑健龙.公路土工合成材料设计原理及工程应用[M].北京：人民交通出版社，2001.[7]费月英.土工格栅在沥青混凝土路面中应用的理论研究[D].兰州交通大学硕士学位论文，2007.[8]王钊.国外土工合成材料应用研究[M].香港：现代知识出版社，2002.[9]周志刚,郑健龙,张起森.Netlon土工格栅与土界面性能的研究[J].长沙交通学院学报,1998,14(3):34-39.[10]雷胜友.现代加筋土理论与技术[M].北京:人民交通出版社,2006.[11]吴景海,陈环,王玲娟等.土工合成材料与土界面作用特性的研究[J].岩土工程学报,2001,23(1):89-93.[12]吴景海,王德群,王玲娟,陈环.土工合成材料加筋的试验研究[J].土木工程学报,2002,35(6):93-99.[13]杨广庆,李广信,张保俭.土工格栅界面摩擦特性研究.岩土工程学报,2006,28(8):948-952.[14]马学宁,杨有海.土工格栅与土界面特性的试验研究[J].兰州铁道学院学报（自然科学版）,2003,22(4):88-91.[15]闫澍旺.土工格栅与土相互作用的有限元分析[J].岩土工程报,1997(6):56-61.[16]舒子亨,王勇.加筋土应力应变和强度特性的试验研究[J].内蒙古水利,1999(3):5-6.[17]雷胜友.加筋黄土的三轴试验研究[J].西安公路交通大学学报,20(2):2000,1-5.[18]李国祥,尹鸿远.加筋土结构中筋材的变形模量和布筋方向对其补强作用的影响[J].岩土工程技术,2000(4):213-217.[19]杨锡武,钟以明.筋材结构对其加筋土强度特性的影响研究[J].重庆交通学院学报,21(1):2002,46-50.[20]徐林荣,华祖焜.加筋边坡承载力和位移模型试验及结果分析[J].铁道学报,1999,21(1):72-76[21]朱湘,黄晓明,邓学均.土工格栅加筋路堤机理研究[J].公路交通科技,2000,17(1):9-13.[22]朱湘,黄晓明.有限元方法分析影响加筋路堤效果的几个因素[J].土木工程学报,2002，35（6）：86-92.[23]杨锡武,欧阳仲春.山区高等级公路加筋高路堤陡边坡研究[J].公路交通科技,2001,18(1)：17-20.-61-万方数据 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