预应变加筋路堤中加筋材料的变形计算

第40卷，第5期公路工程Vo1．40，No．52015年10月HighwayEngineeringOct．，2015预应变加筋路堤中加筋材料的变形计算匡希龙(长沙学院湖南长沙410003)[摘要】基于施工期及通车后各种荷载对预应变加筋土中筋材所引起的总变形力学特性，围绕初始应变及预应变、路堤填土高度引起的土体初始沉降及其各压缩层的正常沉降、筋材在长期荷载作用下产生的蠕变等三方面，给出总应变、预应变、压缩应变、蠕变等一系列相关计算公式并通过实例验证其合理性。为大力推广预应变加筋法施工新工艺提供了更为完善的理论依据和技术指导。[关键词】预应变加筋；计算公式；蠕变试验；总应变[中图分类号]U416．12[文献标识码]A[文章编号]1674-0610(2015)05—0023—04TheDeformationCalculationofGeosyntheticsonPrestrainedReinforcementTechniqueKUANGXilong．(ChangshaUniversity，Changsha，Hunan410003，China)[Abstract]Tostudyoveralldeformationofprestrainedreinforcementgeosyntheticsunderreduplica-tivevehiclerolling，aseriesofcalculationsisderivedandverifiedonoverallstrain，pre-strain，com-pressionstrainandcreepinthebaseofprestrainedreinforcementandsettlementofembankment，andcreepofgeosynthetics．Thetheoreticalbasisisprovidedforprestrainedreinforcementnewtechnique．[Keywords]prestrainedreinforcementtechnique；calculationformula；creeptest；overallstrain作状态下因变形过小其抗拉强度远未发挥。为此，0引言有必要对筋材进行预张拉。目前国内有些地段的路基施工中，依据设计要为探明施加预应变后土工织物的加筋机理和变求，在堤身底部铺放预张拉过的单层或多层土工网形效果，徐少曼、王钊等人分别进行了预应变加或土工格栅，形成预应力加筋土，力求充分发挥筋材筋室内试验，作者也曾于2004年进行了预应变加筋的抗拉强度，旨在有效的限制路基填土的侧位移。现场试验。试验结果表明，预应变加筋堤对水平位这种预应变加筋法是近几十年来逐步发展起来的一移的限制作用明显提高，并且这种限制作用随荷载门新的施工技术，即在加筋土体承受外荷载前，预先的加大更为突出。本文从弹性力学及蠕变损伤在加筋土体的受拉区对界面施加预压力，这种压力力学等引起的变形响应人手，定性定量地揭示了通常称为预应力。预应变筋材的变形特性；同时，就预应变施工过程中作者于2011年在长沙理工大学公路工程教育路堤顶部产生微裂缝的现象一并进行研究，将结构部重点试验室的离心模型试验中心进行了高填路堤工程中的“反拱度”首次引入岩土工程以抑制其微土工网加筋离心模型试验，测得土工网应变最裂缝的扩展。为全面推广预应变加筋法施工新工艺大值为2．04％，对应的拉应力为1．55kN／m，而实提供了更为完善的理论依据和技术指导。际的抗拉强度可达5．8kN／m，也就是说普通加筋土1预应变加筋法力学响应堤中的土工网仅发挥了自身强度的26．7％。文献[6]也曾揭示了置于加筋路堤中的土工织物，在工高填路堤在外部荷载作用下，填土中的侧向土[收稿日期】2014—06一l2[基金项目]湖南省科技计划项目(2013GK3070)【作者简介]匡希龙(1965一)，男，湖南双峰人、教授，博士，主要从事岩土工程及道路铁道工程的教学和科研工作。 24公路工程4O卷压力使地基承受水平剪应力，导致路堤发生侧向位2．1土体自身压缩引起筋材的附加应变(△，)移，造成路堤失稳“引。各土层填筑完成后，除受到上面土层的荷载而根据弹性理论公式可得地基内任一点处的应力引起变形外，下面土层的固结变形也会导致该土层表达式O"x，其中水平正应力：下沉。因此，要深入研究各填土层在路堤中实际发O生的沉降量，就必须考虑填土自身的排水固结问题，O"x一而×尤其是非饱和土。一二垫!=塾丛二2一假设第层填土顶部宽为B，填筑完工时间为R。R；t(=1⋯n)，填筑后至某一时刻(T>t)所产生的堡一!二一!二2(二)压缩变形量为．S此时，置于路堤中第i层筋材的RR2(R2++h)长度由曰￡延伸为L(见图1)。按圆弧法计算：×[IL3’一。R_。_。；-_(。·R_-。_，____+______，，+·。_h___一)】JlJ+-警【33川+]路堤沉降后的状态I／堕握圭堕查d=F(，)l(1)第i层预应为的初始状态l一式中：Rl=~／+(—h)；R2=~／+(z+h)。状态f进一步分析上述公式(1)可知：在水平剪应力作用下，土体中的水平方向正应力17"有一半为压应力区，另一半为拉应力区，即在靠近路基边坡一定范地基围内存在拉应力区，正是这种拉应力的存在造成地面开裂甚至边坡失稳。幽1舯筋路堤沉降亚形Figure1Settlementdeformationofreinforcemenembankment通过预应变加筋给加筋土以压力，加筋土体在外部荷载作用下产生的拉应力，首先要抵消这种预2×zarctg×一压应力，从而推迟了上覆土体裂缝的产生，也限制了2裂缝的发展，最终提高了加筋土体的稳定性。×2筋材等效应变计算模型一B×一85=一‘．学+。一B2则筋材的附加应变：针对预应变加筋土复杂的力学特点，本文研究ALi发现施工期及通车后各种荷载对加筋土中筋材所引=c：T=4lJ㈩起的总变形，不仅与初始应变即预应变大小有关，还①求解|s。i。与路堤填土高度引起的土体初始沉降及其各压缩层从公式(3)可知：只要求出土体压缩变形量为的正常沉降有关，同时还要考虑筋材在长期荷载作S便可得到公式(2)中的土体自身压缩引起筋材用下产生的蠕变，即：的附加应变(A8)。对第i层填土，假设填筑完工f=△+A6c+△(2)时间为t=1⋯n)，并令填筑后至某一时刻(T>式中：8i为置于路堤中第i层筋材处于抗拉强度下ti)所产生的压缩变形量为：所产生的总应变，％；△占为置于路堤中第i层筋材Sci=ST(i)+SLT(i)(4)的初始预应变值，％；△8为置于路堤中第i层筋上述(4)中：S(f)为第i层土自身荷重及其上材，由于受到第i层填土(填筑完工时间t(i=1⋯填土荷重引起该层压缩量在时刻完成的部分；n))填筑后至某一时刻(T>ti)所产生的压缩变S￡r㈩为第i层土下面的土层从t到时刻所发生形，最终导致第层筋材产生的附加应变，％；△的固结沉降值。为第i层筋材在长期荷载作用下产生的蠕变，％。nn下面将分别对上述公式(2)中的各力学参数进其中：S()=∑∑SCf，)‘(，)(5)行分析和演算。i：1=i 第5期匡希龙：预应变加筋路堤中加筋材料的变形计算式(5)中：s(i，)为第．『层填土引起的第iNN~~J与其沉降量(S。)之间的关系曲线，如图2所示。。自身压缩量(其中s(f)为第i层填土自重所引起的．压缩量)；U(i)为自身压缩量S()在T时刻的固，，结度，此时，固结时间为At=T一，按太沙基一维固结理论近似计算。同时，．s(i，)又可按下式计算：。A盯．．S(i(6)式中：Air为第_『层填土施加后在第层填土中所增加的附加应力；E。f为和总应力水平or+AcrzjN自重应力水平or相对应的压缩模量；h为第i层填土图2各层位(f)与其沉降量(Sei)之间的关系曲线的高度。Figure2Relationcurveoflayer()andsettlement(Sci)对于公式(4)中SLr(f)，有：图2中的数据表明，高填路堤自基底开始，随着S￡r(i)S￡r()1一S￡r()2(7)填土高度及固结时间的增大，土体分层压缩沉降量上述(7)式中：SLr()1为第i层填土下面的土经历了加速阶段、稳定阶段到减速阶段。路堤中部层(1一(一1)层)从填筑之时到时产生的固结沉偏上填土层的自身压缩沉降量最大，靠近路堤顶部降；．sLT()l由下式计算：填土层的自身压缩沉降量反而减小。究其原因在于iSLr(f)l=∑∑S(k，)UT(k，)(8)填土达到一定高度后，下层填土的固结沉降已基本k=1=i随完成，不再引起上层填土的附加沉降。098765432l式中：．s()为第k层土(k<)由于第层填土(_『≥，2．2初始预应变值(Ae：)的确定>k)而引起的自身压缩量；Ur(，)为自身压缩量．作者自2003年以来进行的土工合成材料蠕变S(k，)在tj—T时段内所完成的固结摩，其固结时间试验结果已得出，土工网的预应变估算值s。=为△=T一0；6．29％一10．86％，土工格栅的预应变估算值。=公式(7)中：SLr(n2为第层填土下面的土层2．43％一5．75％，但两者均未考虑上述填土过程中(1一(一1))层，从填筑之时到第层填筑完毕时产土体自身压缩产生的附加应变，计算结果偏大。生的固结沉降；IsLr(2由下式计算：为防止初始预应变过大最终导致筋材断裂失i效，必须使初始预应变值控制在设计的预应变范围SLT()2：∑∑S(k，)×UT(k，，f)(9)k=1』=i内，且随着填土高度的变化而变化。式中：s(』)为同式(6)；Ur(kf)为自身压缩量结合上述编程的计算结果，可求出上述实例各，，，S(k)在ti一0时段内所完成的固结度，其固结时间分层土工网和土工格栅铺张时的初始预应变值如，为△=0一i。表1。②结合实例编程求解s从表1可知：土工网的初始预应变值最大为本文以江西省武吉高速公路碎石土填料为研究7．604％，土工格栅的初始预应变值最大为对象，其物理力学参数：干密度1．955g／era，含水率3．904％，为此，对最初提出的土工网及土工格栅预7．66％，重度21．05kN／m，粘聚力18kPa，内摩擦应变估算值进行修正：角22。，弹性模量2×10kPa，固结系数1．5×土工网△，_6．29％一7．459％(10)10cm／yr。土工格栅△，_2．43％～3．759％(11)为了便于计算，结合施工的实际情况，每一分层修正的目的是保证对筋材进行张拉时使初始变的填土厚度为1m，路基底宽B。=60．5m，坡比=形适度，以免因路堤的沉降变形所引起的筋材附加1：1．5，按1个月填筑一层，填筑时间以“年”为单变形过大，最终导致筋材的总变形超过其容许应变位。而断裂失效。在VisualBasic6．0环境下编程，得到输入数据2．3长期荷载下筋材产生的蠕变(Ae’ri)界面和计算结果图，并将计算结果绘制成各层位(i)正如前所述，作者自2003年以来进行了长期荷 26公路工程4O卷表1土工网初始预应变值深入的研究，揭示出施工期及通车后各种荷载对加Table1Prestrainedreinforcementofgeonetandgeogrid筋土中筋材所引起的总变形的相关因素。②构建了预应变加筋法中筋材所引起的总变形计算模型As；+△。f+△8，l。[参考文献]徐少曼，林瑞良．提高土工筋材加筋效果的新途径[J]．岩土工程学报，1997(2)．[2]AtmatzidisDK，Athanasopoul0sGA，Papanton0poulosCI．Sand—geotextileinteractionbytriaxialcompressiontesting．In：5thIntConfonGeotextiles．GeomembranesandRelatedProducts，Vol1．Singapore，1994．377—380．[3]徐少曼，林瑞良，康进王．提高路堤下软基土工织物加筋效果的综合措施[J]．中国公路学报，2003(2)：67—69．[4]胡红蕊，陈胜立，沈珠江．防波堤土工织物加筋地基离心模型试验及数值模拟[J]．岩土力学，2003，24(3)：389—394．[5]胡黎明，劳敏慈，濮家骝，等．LNPALs在非饱和土中迁移的离心试验模拟[J]．岩土工程学报，2002，24(6)：690—694．注：i为填土层位，为预应变设计值，△sf为分层填土自身压[6]俞仲泉，李少青．运用土工织物与砂垫层复合加固海堤软基的缩产生的应变，o(一△“)为初始预应变值。试验研究[R]．河海大学，1992：45—49．载作用下特种筋材蠕变试验，获得了大量的不同应[7]徐少曼，林瑞良．预应变土工织物加筋堤坝软基的模型试验与分析[A]．全国第四届土工合成材料学术会议论文集[C]．上力水平下的试验数据和全蠕变曲线。海：1996：134—138．根据全蠕变曲线可得出土工网和土工格栅蠕变[8]王钊．土工织物的拉伸蠕变特性和预拉力加筋堤[J]．岩土工计算的经验公式--：程学报，1992，14(2)：12—20．oror．[9]李遇春．弹性力学[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009．△r’i=-C+￡t0，占(t)8o(12)[10]TianqingYu，JiehengQian．DamageTheoryanditsApplica—rl|tion(inChinese)．PressofNationalDefenceandIndustry．公式中：A8为与时间有关的蠕变率；E，为在不同Beijing，1993，36—38．应力水平下土工网或土工格栅的蠕变弹性模量，一吴景海．关于“土工合成物加强软土地基的极限分析”一文的般由试验确定；田为在不同应力水平下土工网或土讨论[J]．岩土工程学报，1999，21(2)：250—25．工格栅的蠕变粘滞系数，一般由试验确定；or为抗[12]ThomasCKinney，DanielleKleinhansStone，JohnSchuler．拉强度，kN／m；t为时间，a。UsingGeogridsforBaseReinforcementasMeasuredbyFall—将公式(3)、(10)一(12)的计算结果代入公式ingWeightDeflectometerinFull—ScaleLaboratoryStudy(2)便可得到预应变加筋土的总应变。[J]．TRR，1998(1611)：70—77．[13]王桂尧，张起森，高燕希．论土工聚合物对地基应力及差异沉3结语降的影响规律[J]．长沙交通学院学报．1998，14(3)：47—54．[14]匡希龙，王桂尧．长期荷载作用下土工合成材料蠕变试验及①根据预应变加筋法的理论特点，结合多方面计算模型[J]．岩石力学与工程学报，2004，23(22)：3866—的试验结果，对加筋路堤总的变形力学特性进行了3870．(上接第l7页)设计[J]．西部交通科技。2007(05)：43—47．【5]马兆有，王彩霞．层次分析法在公路自然区划中的应用【J]．公路工程，20o8(O2)：154—156．[参考文献][6]胡霞光，王秉纲．青藏公路路基路面管理系统研究[J]．重庆[1]JTGH20—2007，公路技术状况评定标准[S]．交通学院学报，2002(O2)：33—37+53．[2]陆键，项乔君，刘丰军．等．江苏省高等级公路养护评价指标[7]程培峰，吕鹏磊，陈景龙，等．PANDA2在公路路基强度检测中体系及预测模型研究[R]．南京：东南大学交通学院，2004．[3]刘丰军．高等级公路路基养护评价模型研究[D]．南京：东南的应用[J]．公路，2013(03)：34—37．大学．2006．[8]徐坤，杨更社．模糊综合评判在土体冻胀灾害预测中的应用[4]代华兵，何秉顺，马平安．多年冻土区公路路面路基管理系统[J]．岩石力学与工程学报，2004(s1)：4339—4342．