高等土木工程試驗(yàn)

1、 SHANGHAI UNIVERSITY高等土木工程試驗(yàn)GRADUATE PROJECT (THESIS)題 目: 加筋土機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究方法學(xué) 院 專 業(yè)學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 日 期 上海大學(xué)2010學(xué)年夏季學(xué)期研究生課程考試小論文課程名稱： 課程編號(hào)： 論文題目: 研究生姓名: 學(xué) 號(hào): 論文評(píng)語:加筋土機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究方法摘要: 由于加筋能明顯改善土體不能受拉的特性，近些年來國內(nèi)外迅速修建了一些加筋土結(jié)構(gòu)，并且開展了一些試驗(yàn)和研究，本文通過介紹土工合成材料和加筋土的相關(guān)理論，詳細(xì)闡述了加筋土的作用機(jī)理，同時(shí)也說明了加筋土體系的破壞形式和破壞機(jī)理以及筋土界面特性；在對國內(nèi)外加筋土試驗(yàn)研究

2、進(jìn)展總結(jié)的基礎(chǔ)上，對相關(guān)的加筋土試驗(yàn)方法做了詳細(xì)的介紹，并對比分析了各種試驗(yàn)方法，提出各種試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)和不足，對加筋土試驗(yàn)應(yīng)注意的問題作了說明，最后，在總結(jié)加筋土試驗(yàn)的意義的基礎(chǔ)上，對今后加筋土研究方向和新的試驗(yàn)方法做了展望。關(guān)鍵詞：加筋土試驗(yàn) 土工合成材料 破壞形式 破壞機(jī)理 Because reinforcement can improve the tensile strength of soils，many reinforced soil structures had been built in recent years, through introducing the relevan

3、t theories of geosynthetics and reinforced soil, the mechanism of reinforced soil is stated in this paper, at the same time, the damage form, damage mechanism and interface properties between reinforcements and soils are explained. Based on summarizing the research progress of test methods of reinfo

4、rced soil at home and abroad, the relevant test methods of reinforced soil are introduced in detail and the test methods are compared and analysed, also, the problems during tests are explained, at last, the research orientations and new test methods are forecasted basing on summarizing the meaning

5、of reinforced soil experimentkeywords: reinforced soil experiment geosynthetics damage form damage mechanism加筋土是指在土體中加入了筋帶、纖維材料或網(wǎng)狀材料等，土體本身原具有一定的抗壓和抗剪強(qiáng)度，而抗拉強(qiáng)度卻很低，在土內(nèi)摻入或鋪設(shè)適當(dāng)筋材后，筋材藉摩擦力將自身的抗拉強(qiáng)度與土體的抗壓強(qiáng)度結(jié)合起來，不同程度地改善土體的強(qiáng)度與變形性態(tài)；筋材埋在土體中，可以擴(kuò)散土體的應(yīng)力，增加土體模量，傳遞拉應(yīng)力，限制土體側(cè)向位移；還增加土體和其它材料之間的摩阻力，提高土體及有關(guān)建筑物的穩(wěn)定性1。隨著我國經(jīng)濟(jì)建

6、設(shè)的改革深化，公路、鐵路等交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。如何保證道路路堤的穩(wěn)定性，控制路堤的工后不均勻沉降，成為道路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)問題。已建并投入使用的大量公路、高速公路、鐵路、客運(yùn)專線等路基工程實(shí)踐證明，修筑路堤邊坡時(shí)在其內(nèi)部布置多層土工合成材料加筋，或者在路基底部鋪設(shè)一層土工合成材料，能夠明顯改善土體的受力性能，提高路堤的穩(wěn)定性，調(diào)整不均勻沉降，近些年來加筋路基、擋墻、橋臺(tái)、堤壩等工程相繼出現(xiàn)，并得到了較好的預(yù)期效果。因此，通過相關(guān)試驗(yàn)手段，對加筋作用機(jī)理及漸進(jìn)破壞特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立加筋土的穩(wěn)定性分析方法及承載力計(jì)算理論，將為加筋技術(shù)的發(fā)展起著積極的推動(dòng)作用，具有重要的工程應(yīng)

7、用前景。1土工合成材料及加筋土相關(guān)理論1.1土工合成材料的定義土工合成材料是巖土工程應(yīng)用的合成材料的總稱。它以人工合成的聚合物，如塑料、化纖、合成橡膠等為原料，按功能要求特制，具備良好的物理化學(xué)性能以及水工性能。近些年來土工合成材料迅猛發(fā)展，土工合成材料品種逐漸增多，土工網(wǎng)、格柵、席墊、條帶、拉桿、模袋、輸水管道、纖維絲，各種成型的塑料板，以及由兩種以上的材料組合而成的復(fù)合型材料等相繼問世，其廣泛應(yīng)用于水利、水電、公路、鐵路、建筑、港口、采礦、軍工、環(huán)保以及各種地下、水下等許多工程，是繼鋼材、水泥、木材之后的第四大新型建筑材料。1.2 土工合成材料的種類1通常將土工合成材料分為四大類:1)土工

8、織物:土工織物是以聚合物纖維為原料制成的具有滲透性的布狀土工合成材料，主要特點(diǎn)是多孔，屬于透水的土工合成材料;2)土工膜:所用的原材料有瀝青和合成聚合物，還有一定的填充料和外加劑，填充料有礦粉和聚合物粉末等。為了提高勁度和降低造價(jià)，會(huì)添加增塑劑、抗老化劑、抗菌劑、各種穩(wěn)定劑等添加劑。土工膜屬于相對不透水的土工合成材料;3)特種土工合成材料:特種土工合成材料是指除土工織物和土工膜以外近十幾年來研制的新型土工合成材料，包括:土工格柵、土工網(wǎng)等，它們能夠更好地滿足工程實(shí)踐的要求。特種土工合成材料是目前生產(chǎn)、工程應(yīng)用和科研的熱點(diǎn);4)復(fù)合土工合成材料:復(fù)合土工合成材料是土工織物、土工膜和特種土工合成材

9、料中的兩種或兩種以上材料復(fù)合而成的土工合成材料，可以集中發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，更好地滿足工程的需要。1.3 土工合成材料的特性土工合成材料的主要特點(diǎn)是：質(zhì)地柔軟而重量輕、整體連續(xù)性好、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性和抗微生物侵蝕性好、反濾性（土工織物）和防滲性（土工膜）好、施工簡便。1.4 土工合成材料的功能 土工合成材料具有6大功能，主要表現(xiàn)為：1）加筋功能：將土工合成材料置于土體中，通過土與加筋材料在其界面之間的相互作用提高土體的抗剪強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，改善土體的變形特性。2）防滲功能：利用土工膜等低滲透性材料，限制液體的滲透和氣體的擴(kuò)散。3）排水功能：將土工合成材料置于土體中，以土工合成材料本身形成排

10、水通道。4）過濾功能：將土工合成材料置于土體中或土體表面，在允許液體通過的同時(shí)，有效地限制土顆粒的流失。5）隔離功能：用土工合成材料將兩種不同粒徑的土、砂、或石料隔離，避免相互侵入混雜，保護(hù)建筑材料各自的整體性和工程性能的發(fā)揮；另外，在路面工程中使用高強(qiáng)度合成材料限制反射裂縫的擴(kuò)展，同樣起到了隔離作用。6）防護(hù)功能：將土工合成材料置于土體表面或與其它材料一起形成一層保護(hù)層，阻止土體受流水或風(fēng)的侵蝕而破壞。1.5 加筋土的作用機(jī)理加筋土是由土與筋材組成的復(fù)合體，它們共同受力、協(xié)調(diào)變形。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，根據(jù)迄今為止的研究結(jié)果，筋土相互作用的基本理論大致可歸納為兩大類：一是摩擦加筋原理，二是準(zhǔn)粘

11、聚力原理或似粘聚力原理2：1.5.1摩擦加筋原理根據(jù)加筋土復(fù)合體中筋-土之間的基本構(gòu)造，取加筋體中微段為研究對象，作用于筋材的法向應(yīng)力為，筋帶重量和微元體土體重量忽略不計(jì)，其微元體如圖1所示，T1T2dl圖1 摩擦加筋原理設(shè)拉筋與土粒之間的摩擦系數(shù)為f，筋帶寬度為b。由于土的水平推力在該微元段拉筋中所引起的拉力為，。設(shè)為土粒與拉筋在該微元段上產(chǎn)生的總摩擦力，則有 （1-1）根據(jù)對微元體的受力分析可知，如果 （1-2）則筋土之間就不會(huì)產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)，即土的推力被筋土之間的摩擦力所克服，微元體保持穩(wěn)定。從式（1-1）和式（1-2）可知，拉筋材料要滿足兩點(diǎn)：一是表面粗糙，能使筋土之間產(chǎn)生足夠的摩擦力；

12、二是要有足夠的強(qiáng)度和彈性模量，前者保證在筋土之間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)前拉筋不被拉出，后者保證拉筋的變形與土體的變形大致相同并且拉筋不被拉斷。1.5.2準(zhǔn)粘聚力原理加筋土結(jié)構(gòu)可看作是各向異性的復(fù)合材料，在一般情況下拉筋的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于填土的彈性模量，拉筋與填土共同工作，強(qiáng)度包括了填土的抗剪力、填土與拉筋的摩阻力以及拉筋的抗拉力的共同作用，使得加筋土的強(qiáng)度明顯提高。砂土試樣在單軸壓力下受到壓密，土樣側(cè)向在側(cè)壓力作用下發(fā)生側(cè)向應(yīng)變。若在土中布置了拉筋，由于拉筋對土體的摩擦阻力作用，當(dāng)土體受到垂直應(yīng)力作用時(shí)，在拉筋中將產(chǎn)生一個(gè)軸向力起著限制土體側(cè)向變形的作用，相當(dāng)于在土中增加了一個(gè)對側(cè)壓力的反力，從而提高了土的

13、強(qiáng)度。加筋土比無加筋土強(qiáng)度的提高，可根據(jù)庫倫理論和莫爾破壞準(zhǔn)則來加以闡明，其無筋及加筋砂的莫爾應(yīng)力圓如圖2所示：1加筋土非加筋土加筋土非加筋土3fCP0圖2無筋及加筋砂強(qiáng)度分析根據(jù)庫倫理論，可知：未加筋時(shí)： （1-3）加筋后： （1-4）比較（1-3）和（1-4）兩式可得： （1-5）從式（1-5）解出： （1-6）從式1-6可以看出，由于加筋的作用，原來粘聚力為零的純砂，粘聚力提高了，說明筋條與純砂的共同作用提高了加筋土整體的粘聚力，而此粘聚力不是純砂本身所具有的，故稱為準(zhǔn)粘聚力理論。1.6筋土的破壞形式及破壞機(jī)理1加筋復(fù)合體主要有兩種破壞型式：1）拉斷破壞或斷裂破壞;2）摩擦破壞或粘著破壞

14、。復(fù)合體單元究竟發(fā)生哪一類型的破壞，這與土體、筋材本身的力學(xué)特性和相互結(jié)合情況以及所受的外力有關(guān)，對不同的加筋復(fù)合體應(yīng)作具體的分析。加筋土的破壞機(jī)理為：當(dāng)土體中含有加筋材料時(shí)，其強(qiáng)度特性將發(fā)生變化。加筋復(fù)合體受到外力變形時(shí)，由于土體的變形模量遠(yuǎn)小于加筋材料，土體將比加筋材料發(fā)生更大的變形趨勢，這時(shí)加筋材料會(huì)通過對土體施加摩擦力來限制土體過分變形。下面分別討論兩種情況下加筋復(fù)合體的作用機(jī)理。1.7加筋土界面特性在土工合成材料加筋土工程中，筋材與土之間的界面特性是一個(gè)中心問題，土工合成材料與填料的界面特性直接決定加筋土工程的內(nèi)部穩(wěn)定性，它牽涉到土與筋材之間的接觸面和剪切帶，及間接影響區(qū)，它除與筋材

15、的幾何特性有關(guān)以外，還與時(shí)間和應(yīng)變速率有關(guān)，也與土的性質(zhì)有關(guān)，所以土工合成材料與填料的界面作用特性是非常重要的技術(shù)指標(biāo)3。大量的試驗(yàn)表明：影響土工合成材料界面特性的因素主要有以下幾個(gè)方面：（1）填土性質(zhì)；（2）填土密實(shí)度；（3）作用于筋材的上覆壓力大小；（4）筋材的表面粗糙度；（5）筋材的結(jié)構(gòu)形式；（6）筋材剛度。 2 國內(nèi)外加筋土界面試驗(yàn)發(fā)展?fàn)顩r2.1 加筋土控制沉降試驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀加筋土控制沉降的試驗(yàn)都是在軟基路堤的沉降和工后沉降預(yù)測以及控制問題中開展的，大部分研究工作通過試驗(yàn)堤完成。鐵四院對控制工期的基塘段軟土地基加固方法進(jìn)行了改變方法的試驗(yàn)研究，原設(shè)計(jì)為砂井+反壓護(hù)道改變成砂井上的砂墊層內(nèi)

16、鋪設(shè)兩層聚丙烯編織布，并進(jìn)行快速填筑試驗(yàn)，僅僅用43天就填到了9.2米的設(shè)計(jì)高度，后又填筑了1.5米作為超載預(yù)壓。試驗(yàn)觀測表明:路堤穩(wěn)定、沉降均勻、縮短了工期、保證了鋪軌。為進(jìn)一步探索軟土地基中鋪設(shè)土工合成材料對填筑速率和路堤填筑高度的影響，鐵四院在1986年黃埔港新沙港專用線進(jìn)行了對比試驗(yàn)結(jié)果表明:天然地基鋪設(shè)一層土工織物提高了路堤填筑高度約1.5米，砂井地基上鋪設(shè)兩層土工織物提高填筑高度2.6米。鐵道部門進(jìn)行了大量的試驗(yàn)堤的測試試驗(yàn)和研究:其中有觀測時(shí)間長達(dá)十年之久連云港試驗(yàn)堤4;土工合成材料結(jié)合加速固結(jié)排水方法和地基處理方法的廣珠鐵路試驗(yàn)堤5，京九線軟基路堤試驗(yàn) 6。國外試驗(yàn)堤比我國的更

17、早，有些試驗(yàn)堤的觀測時(shí)間長達(dá)2030年。圍繞沉降計(jì)算，周境院士在該方面進(jìn)行了深入全面的研究工作7:在總結(jié)和分析瑞典ska-Eddebys試驗(yàn)堤(Holtz et al，1972:Bjerrum，1972)、美國波士頓試驗(yàn)堤(MIT，1969)、加拿大Franser:試驗(yàn)堤(Crawford et al，1987，1991)、法國路橋研究中心(LPC)在Cubzac-les-Ponts做的試驗(yàn)堤等資料的基礎(chǔ)上?？偨Y(jié)并分析了多種因素對沉降的影響，著重論證了剪切變形對沉降的影響，且給出了相應(yīng)的沉降計(jì)算公式。2.2加筋土界面試驗(yàn)發(fā)展?fàn)顩r二十世紀(jì)七、八十年代的加筋材料主要是土工布和土工織物。Juran

18、(1998)8總結(jié)到：Holtz,R.D.(1977)設(shè)計(jì)了一種特制的直剪盒對摩擦角進(jìn)行試驗(yàn)表明，土工布與砂土界面摩擦角與用直剪試驗(yàn)所得的內(nèi)摩擦角相同。Myles,B.(1982)直剪試驗(yàn)研究表明，土工布與土界面摩擦角和土工布的類型、土的性狀以及干濕條件等相關(guān)。Chandrasekaran,B.(1988)拉拔試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，棱角形砂與土工布的摩擦角隨法向應(yīng)力增大而減小，而且受土工布的孔徑的影響，筋上界面平均摩擦角約等于三軸法測定的砂的內(nèi)摩擦角。土工織物的剛度和抗拉強(qiáng)度隨著上覆壓力的增大而增大，上覆壓力起到了試驗(yàn)時(shí)減小了試樣橫向收縮作用，并使應(yīng)力在試樣中分布變得均勻。Fabian,KJ.(198

19、8)對織造布和針刺無紡布試樣在土約束條件下進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn):土工織物的彈性模量因土約束作用而提高很多，法向應(yīng)力增大會(huì)導(dǎo)致土工織物彈性模量增大，同時(shí)模量的增大與土工織物的應(yīng)變成反比。另外，由于土與土工布、土工織物相互作用機(jī)理有所區(qū)別，無紡布彈性模量的增加(最高達(dá)10倍)比織造布(最高達(dá)3倍)要大得多。該階段的研究開展的主要目標(biāo)是為了搞清筋土界面拉拔機(jī)理，并涌現(xiàn)出一些有代表性的研究成果(Ingold,19839;Jewell,198010;Palmeira and Milligan(1989)11;Rowe(1985)12將這些研究成果進(jìn)行對比研究發(fā)現(xiàn)由于Juran等人試驗(yàn)的土樣的準(zhǔn)備方法、

20、試驗(yàn)次序和拉拔試驗(yàn)裝置的尺寸等影響且其研究工作均以定性分析為基礎(chǔ)(而不是定量分析)，難以進(jìn)行比較分析。進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，對土工織物為加筋材料的研究在不斷深入，并增加了以土工格柵為加筋材料的研究成果。Cowell和Sprague(1993)用均質(zhì)細(xì)紗分別進(jìn)行土工格柵和土工織物的拉拔試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn):土工織物和土工格柵與均質(zhì)細(xì)紗之間的界面摩阻力系數(shù)均在0.9-1.0之間。Chandan Ghosh & Alnit Bhasin(1996)13研制了新的拉拔試驗(yàn)儀器，該儀器不僅僅能考慮加筋材料端部的約束情況，主要注重研究基底剛度變化對拉拔力和拉拔位移關(guān)系的影響。研究表明

21、:基底是柔性還是剛性對土工織物拉拔力-拉拔位移曲線的影響很小，當(dāng)外載集度相同時(shí)，土工織物上的砂層厚度愈大則拉拔位移愈小。Christopher.et al.,(1990),Simac(1993)認(rèn)為，土工合成材料的最小錨固長度Ia的變化范圍為0.31.0m，當(dāng)然實(shí)際工程中的土工合成材料錨固長度與上覆壓力、加筋材料上層、下層填料土的性質(zhì)及筋土界面相互作用情況等眾多影響因素有關(guān)。S.S.Lin，M.C.Chen & M.Y.Cheng(1996)14根據(jù)臺(tái)灣豐富紅粘土上，進(jìn)行土工格柵的拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明:在上覆壓力很小時(shí)，只要很小的拉拔位移，拉拔摩阻力即達(dá)到極大值。增加上覆壓力，那么，土工格

22、柵破壞時(shí)的拉拔位移隨之增加。M.Koutsourais，D.Sandri，R.Swan(1998)15進(jìn)行土工格柵和土工織物與砂性土及粘性土的直接剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)后認(rèn)為:滑動(dòng)或拔出的阻力可能是眾多因素(滑動(dòng)、滾動(dòng)、土粒之間的咬合力、土工合成材料表面光滑程度、筋材的應(yīng)變值)之一或它們中的部分因素的組合。AliA.Mahmood (2000)16土工織物的強(qiáng)度與筋土界面的抗剪切強(qiáng)度有一定的關(guān)系，當(dāng)土工織物的強(qiáng)度增加時(shí)筋土界面的抗剪切強(qiáng)度也隨之增加。但是土工織物與填料土界面的抗剪切強(qiáng)度與土工織物的強(qiáng)度沒有上述穩(wěn)定關(guān)系。3加筋土試驗(yàn)研究方法通過實(shí)驗(yàn)手段，可以研究加筋體系的工作機(jī)理、破壞模式、變形及承

23、載力等特性，通過實(shí)驗(yàn)過程中獲得的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以建立加筋土的穩(wěn)定性分析方法及承載力計(jì)算理論，同時(shí)通過試驗(yàn)手段還可以驗(yàn)證加筋體系中土體與水平筋的摩擦作用、側(cè)阻和咬合作用。常見的加筋土實(shí)驗(yàn)有：研究筋土界面特性的拉拔實(shí)驗(yàn)、直剪實(shí)驗(yàn)，研究加筋土體系的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、破壞模式和承載力特性的室內(nèi)三軸試驗(yàn)以及研究加筋土在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)、動(dòng)靜載模型試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，通過這些實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)值模擬手段可以總結(jié)分析在實(shí)際應(yīng)用中加筋土體系中筋材長度、加筋層數(shù)、層間距、加筋率和筋材剛度等對實(shí)際工程的影響。因此，實(shí)驗(yàn)手段是研究加筋土體系不可或缺的方法。3.1 筋土界面試驗(yàn)特性3.1.1 加筋土的拉拔試驗(yàn)

24、1 加筋材料與其周圍土體之間的界面特性參數(shù)是加筋土研究和應(yīng)用中最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，拉拔實(shí)驗(yàn)的裝置見圖3。在實(shí)驗(yàn)裝置上下盒之間的試樣中間，放置一水平的土工加筋材料（如土工格柵），筋材的一端自由，一端受拉。圖3 拉拔試驗(yàn)原理 圖4 拉拔力-位移曲線根據(jù)拉力和筋材位移的值，繪出拉拔力與位移關(guān)系曲線，如圖4，由此可得邊關(guān)摩擦系數(shù)加筋土的拉拔實(shí)驗(yàn)和直剪實(shí)驗(yàn)： （3-1）式中：F為抗拔力；B為試樣的寬度；L為筋材埋入土中的長度；為垂直應(yīng)力：為平均連接剪應(yīng)力。相應(yīng)于拉拔力的峰值和殘余值，可以得到兩個(gè)值。3.1.2 加筋土的直剪試驗(yàn)1直剪實(shí)驗(yàn)的原理如圖5所示，實(shí)驗(yàn)可以得到如圖6中的結(jié)果，其斜率即為摩擦系數(shù)。

25、圖5 直剪試驗(yàn)原理 圖6 典型試驗(yàn)成果 （3-2）式3-1和式3-2是類似的，雖然兩者的剪應(yīng)力的定義稍有不同。直剪實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力狀態(tài)與三軸的不大一致，其滑動(dòng)面如圖4所示，穿過滑動(dòng)面AB的所有筋材均應(yīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)，直至剛性滑動(dòng)楔塊OAB開始移動(dòng)其過程如下：在筋材中產(chǎn)生拉應(yīng)力筋材的強(qiáng)度損失，筋材的拉伸塑流和圖的摩擦剪切面表明了破壞的特征。3.1.3 直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)比較直剪實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的一系列情況不同于加筋土的原理，在直剪開始剪切前，筋材受壓，然后沿固定面的剪切改變了試樣的應(yīng)力分布，當(dāng)應(yīng)變較大時(shí)，筋材變成輕微伸長，這就是土的破壞了，但是筋材并未因拉伸而破壞，可見這不是加筋土的典型破壞機(jī)理，由此看來，

26、直剪實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不宜于用于解釋加筋的原理，也不宜在此基礎(chǔ)上建立任何理論模式，但是它可以用來求得土體與筋材之間的摩擦強(qiáng)度，因此仍有用處，而拉拔實(shí)驗(yàn)不僅可以求得兩者的摩擦角，而且可以獲得土與筋材之間的咬合力和剪切全過程中各個(gè)剪阻分量變化的信息，因此國內(nèi)外許多學(xué)者都十分重視拉拔實(shí)驗(yàn)的研究，對它的影響因素和如何用于現(xiàn)場條件進(jìn)行了深入的討論。3.2 加筋土的本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)3.2.1 加筋土的三軸試驗(yàn)加筋土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以通過加筋土的三軸實(shí)驗(yàn)或平面應(yīng)變實(shí)驗(yàn)得出。通過三軸實(shí)驗(yàn)可以測得加筋土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，進(jìn)而可以得出加筋土的本構(gòu)模型，其加筋土的三軸實(shí)驗(yàn)原理如圖7所示，圖7 三軸試驗(yàn)示意圖大量的三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

27、表明，大部分加筋砂的強(qiáng)度特性仍符合摩爾-庫倫理論，而在強(qiáng)度參數(shù)上，對于雙向格柵和土工網(wǎng)的加筋砂主要改變粘聚力分量，摩擦分量變化不大，而對經(jīng)編格柵和玻纖格柵，則不僅增加粘聚力，而且也增加摩擦分量，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)有約束的筋材拉伸試驗(yàn)與無約束的強(qiáng)度特性有很大差別，砂土限制了筋材的頸縮，并且比無砂土?xí)r筋材的拉伸模量大大提高了。3.2.2 加筋土的平面應(yīng)變試驗(yàn)平面應(yīng)變剪切實(shí)驗(yàn)中，試樣不會(huì)呈單一面發(fā)生破壞，而由它測得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)較大，（可以超過對稱三軸的值的8%15%），變形模量E也較高。這主要是由于中主應(yīng)力的影響，因?yàn)槠矫鎽?yīng)變中，故三個(gè)主應(yīng)力之和就比軸對稱三軸實(shí)驗(yàn)（）的主應(yīng)力之和要大。3.2.3 三軸試驗(yàn)

28、和平面應(yīng)變試驗(yàn)比較關(guān)于軸對稱三軸實(shí)驗(yàn)與平面應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，從工程受力情況來看，在巖土工程中，平面應(yīng)變的受力遠(yuǎn)比三軸實(shí)驗(yàn)的軸對稱受力情況更為普遍，但由于平面應(yīng)變實(shí)驗(yàn)技術(shù)的復(fù)雜性，故工程中大都采用軸對稱三軸實(shí)驗(yàn)來了解土的性狀，并依次確定計(jì)算參數(shù)，但這種情況是偏安全的。3.3 加筋土動(dòng)力實(shí)驗(yàn)3.3.1加筋土動(dòng)三軸試驗(yàn)采用雙壓力室飽和土動(dòng)靜三軸測試系統(tǒng)，進(jìn)行循環(huán)荷載下加筋土的三軸試驗(yàn)。根據(jù)目前我國公路現(xiàn)場實(shí)測路基動(dòng)應(yīng)力資料，以及動(dòng)應(yīng)力在路堤中的衰減規(guī)律，確定對應(yīng)不同深度加筋單元體的動(dòng)應(yīng)力水平，施加的循環(huán)荷載幅值一般介于1080kPa，波形一般采用等幅正弦波和單向脈沖波形加載， 荷載采用頻率一般為1、2、4、

29、5、10 Hz用以模擬不同的行車速度。 考慮到試樣的尺寸效應(yīng)， 筋材一般選用0.4-0.8mm厚聚乙烯硬塑料板等材料模擬實(shí)際加筋材料，筋材布置方式一般采用13層滿布加筋或非滿布加筋形式。通過對動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析， 可以得到循環(huán)荷載下加筋土的動(dòng)強(qiáng)度及變形特性。3.3.2加筋土動(dòng)載模型試驗(yàn)加筋土動(dòng)載模型試驗(yàn)一般是在綜合分析我國公路現(xiàn)場實(shí)測路基動(dòng)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，考慮相似模型比例，確定施加的動(dòng)荷載類型、幅值、荷載頻率。將汽車輪胎與路面的接觸情況進(jìn)行必要簡化，在土體頂面布置雙圓或雙矩形板加載板來模擬雙輪接地作用，由荷載作動(dòng)器產(chǎn)生荷載作用于梁上，然后傳遞到加載板上。采用伺服控制循環(huán)加載模型試驗(yàn)系統(tǒng)

30、模擬不同行車速度的交通荷載，一般采用的動(dòng)荷載幅值為1080kPa、荷載頻率為3-15HZ，采用等幅正弦波和接近實(shí)測動(dòng)應(yīng)力的單向脈沖等自定義波形加載。在筋材側(cè)面和土體內(nèi)部埋設(shè)微型動(dòng)土壓力傳感器、水平筋上粘貼動(dòng)應(yīng)變計(jì)，在土體頂面及周邊不同部位布置位移計(jì)及加速度傳感器；在試驗(yàn)過程中連續(xù)量測動(dòng)土壓力、筋條拉力、豎筋的側(cè)壓力變化、沉降及各點(diǎn)的水平位移、加速度響應(yīng)，同時(shí)觀察加筋土體整體失穩(wěn)情況。通過動(dòng)載模型試驗(yàn),可以獲得加筋路堤的變形特性與應(yīng)力分布規(guī)律，觀察失穩(wěn)形態(tài)。3.4 加筋土其他相關(guān)試驗(yàn)3.4.1 加筋土大型位移剪切試驗(yàn) 加筋土大型位移剪切試驗(yàn)裝置如圖8所示:剪切盒的下部一般為壓實(shí)粘土,上部為一個(gè)3

31、00mm300mm試驗(yàn)塊,它在膜上滑動(dòng)的最大位移可達(dá)300mm。圖8 大型位移剪切試驗(yàn)示意圖大型位移剪切試驗(yàn)可以得到殘余狀態(tài),以求得粘土與膜的光滑表面之間的殘余強(qiáng)度,大型位移剪切試驗(yàn)對其他土工材料界面也是適用的。3.4.2 加筋土的離心模型試驗(yàn)離心模型試驗(yàn)就是將加筋土的尺寸縮小到1/n,同時(shí)利用離心機(jī)產(chǎn)生ng的重力加速度,來消除尺寸效應(yīng).當(dāng)加筋土原型尺寸與模型尺寸之比為n時(shí),離心機(jī)產(chǎn)生的加速度為: (3-3)式中,Lp為原型尺寸;Lm為模型尺寸;g為重力加速度,這樣在保證加筋土原型與模型幾何相似的前提下可保證它們的力學(xué)特性相似,應(yīng)力應(yīng)變相同,變形相似。離心機(jī)試驗(yàn)在加筋土工程中已有應(yīng)用,可以用來

32、研究擋土墻或者加筋土體與筋材之間的相互作用,在離心機(jī)運(yùn)行的過程中環(huán)可以模擬加筋土的施工過程。3.5加筋土試驗(yàn)的關(guān)鍵加筋土試驗(yàn)中填土的密實(shí)度控制是加筋土試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵，因?yàn)榧咏钭饔弥饕畈呐c填土間的摩擦作用和側(cè)阻作用，如果密實(shí)度得不到保證，筋材的側(cè)阻作用就很難發(fā)揮。故在試驗(yàn)中，應(yīng)分層填土后用微型振搗器按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)振搗；當(dāng)整個(gè)加筋體系模型布設(shè)好后，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)用預(yù)制專用模具進(jìn)行預(yù)壓，通過預(yù)壓荷載與預(yù)壓沉降值檢驗(yàn)和控制加筋土試樣的密實(shí)度。同時(shí)，應(yīng)保證每組試驗(yàn)的實(shí)際密實(shí)度與方案設(shè)計(jì)值基本一致，以降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性。3.5加筋土試驗(yàn)存在的不足近些年來圍繞不同目標(biāo)，己經(jīng)開展大量的加筋土試驗(yàn)，并有豐富的

33、試驗(yàn)成果。從己有的成果看，無論從試驗(yàn)儀器的研制還是加筋土實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒓捌涔こ虘?yīng)用等諸方面對加筋土的研究已經(jīng)相當(dāng)深入。但是考慮試驗(yàn)裝置尺寸效應(yīng)、加筋情況和拉拔力估算方法的測試方法至今尚未建立Hidetoshi Ochiai(1996)17。又加上筋土界面的相互作用非常復(fù)雜，目前尚無大家普遍認(rèn)同的理論方法，原因在于筋土的相互作用問題受如下眾多因素影響: 1）土體性質(zhì)問題18，包括土體的各向是否同性、土體的結(jié)構(gòu)性即原狀土與擾動(dòng)土的區(qū)別;試驗(yàn)用土的物理力學(xué)性質(zhì)和狀態(tài)指標(biāo)區(qū)別，如土體的含水量、密實(shí)度、粒徑級(jí)配等。2）土工合成材料種類及性質(zhì)問題，由于土工合成材料種類繁多，如土工格柵、土工織物、土工膜等不

34、同種類的土工合成材料之間的性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)，即使是相同種類的土工合成材料，還會(huì)因?yàn)榇嬖跇?gòu)型的不同導(dǎo)致性質(zhì)的差異，而影響到筋土相互作用性質(zhì)，土工格柵的構(gòu)型對筋土界面相互作用影響程度尤為突出。3）測試方法的區(qū)別，總體而言，根據(jù)筋土界面相互作用特征19，測試方法可分為拉拔試驗(yàn)與直接剪切試驗(yàn)之分;這兩類試驗(yàn)均可分為應(yīng)力控制式與應(yīng)變控制式之分，直接剪切試驗(yàn)又可分為端部固定與自由之分 20;4）試驗(yàn)條件:不同尺寸的試驗(yàn)裝置，會(huì)導(dǎo)致不同的邊界效應(yīng)。5）測試結(jié)果僅僅能反映筋土界面相互作用的極限狀態(tài)特性，工作應(yīng)力狀態(tài)下筋土界面相互作用的工作性狀難以考慮準(zhǔn)確。 4. 總結(jié)4.1加筋土試驗(yàn)的工程意義及理論價(jià)值:土工合成

35、材料的用量日益增多，對于工程實(shí)踐而言，筋土相互作用參數(shù)的合理確定對加筋土結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量有至關(guān)重要的作用，因此，筋土參數(shù)測定及其工程力學(xué)特性的了解是非常重要的，其主要意義有以下幾點(diǎn)：1) 驗(yàn)證加筋土結(jié)構(gòu)中加筋的有效性：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，研究加筋土的工作機(jī)理，研究加筋體系對加筋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及承載力的貢獻(xiàn)，驗(yàn)證加筋的效果；2）揭示 H-V加筋路堤的作用機(jī)理及破壞模式：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析加筋結(jié)構(gòu)中土顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡、破裂面產(chǎn)生與擴(kuò)展規(guī)律及加筋路堤的漸進(jìn)破壞特性，揭示加筋體系下的作用機(jī)理及破壞模式；3) 揭示筋土界面影響因素對筋土界面相互作用參數(shù)和力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律；4）建立加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析方法及承載力計(jì)算

36、理論：根據(jù)試驗(yàn)確定極限承載力與筋材的布置、筋材的物理力學(xué)參數(shù)、填土的物理力學(xué)指標(biāo)、土-筋間界面參數(shù)及路堤幾何參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式，建立加筋土結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性分析方法及承載力計(jì)算理論。5）為工程設(shè)計(jì)提供計(jì)算參數(shù)和理論支撐。4.2加筋土試驗(yàn)的展望:盡管加筋土試驗(yàn)在近年來有了很大的發(fā)展，但是當(dāng)前的加筋土試驗(yàn)都是在宏觀尺度把握加筋體系的性能，同時(shí)大多數(shù)加筋土試驗(yàn)都是靜載試驗(yàn)，故今后的加筋土試驗(yàn)的主要發(fā)展方向在以下兩個(gè)方面：1）加筋土結(jié)構(gòu)的動(dòng)強(qiáng)度與變形特性試驗(yàn)，以確定加筋體系在不同循環(huán)應(yīng)力比、不同頻率等循環(huán)荷載作用下動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、不同加筋方案的動(dòng)彈模和阻尼比、加筋層數(shù)與豎筋高度對土動(dòng)力特性的影響、不同工

37、況下加筋土單元體的動(dòng)強(qiáng)度與破壞形態(tài)。2）加筋土的細(xì)觀作用機(jī)理試驗(yàn)，通過顯微數(shù)字?jǐn)z像可視化跟蹤技術(shù)與數(shù)字圖像變形量測技術(shù)，攝錄、分析破裂面的出現(xiàn)與擴(kuò)展規(guī)律；根據(jù)數(shù)字圖像變形量測結(jié)果，分析加筋土結(jié)構(gòu)細(xì)觀力學(xué)機(jī)理。 參考文獻(xiàn)1包承綱. 土工合成材料應(yīng)用原理與工程實(shí)踐M.北京:中國水利水電出版社,20082張茹，何昌榮，謝嘉瓊，潘俊英，余建華，土工合成材料加筋土拉撥試驗(yàn)研究.四川水力發(fā)電,2002,21（1）：87-933孫訓(xùn)海，土工合成材料界面特性研究：碩士學(xué)位論文，天津；天津大學(xué)，20054趙九齋，連運(yùn)港路基沉降研究，巖土工程學(xué)報(bào)2000(6)，P643-6495杜文山，李小和，深厚層軟基路堤控制

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