自从法国工程师Vidal H.提出“加筋土”的概念以后,对加筋土的认识和研究得到了很大的发展。目前加筋土挡墙(土坡)的研究主要还是试验研究和理论研究两大类。
1试验研究
试验研究可分为模型试验和现场试验两大类。
1.1模型试验
模型试验又分为静态模型试验和离心模型试验。静态模型试验无法模拟实际土体的体力,且边界条件与实际墙体有很大不同,试验结果不能直接用于设计;而离心模型试验借助离心机产生离心加速度来模拟重力场(体力),使模型具有与原型相似的边界条件和受力状态。
高江平等(2003)通过对加筋土挡墙大型模型试验土压力测试分析,指出:加筋土挡墙的土压力系数应区分为填土自重土压力系数和超载土压力系数。自重土压力系数的分布与沿深度上大下小的规律不同,在墙顶为主动土压力系数,至墙底增大为静止土压力系数,其间按线性规律变化;超载土压力系数随超载的大小而变化,它们沿墙高均近似取为常数;土压力系数与土压力数值大小的变化规律相一致。
章卫民等(2000)通过加筋土挡墙的离心模型试验发现:加筋土挡墙的破坏面接近于对数螺线,设计计算分析中采用0.3H型破坏面较Rankine破坏面更为合理。胡小明等(2002)通过离心模型试验研究了双面加筋土高挡墙的性态,研究表明:填土的压实度直接影响挡墙的高度;土的侧向压力分布沿挡墙的高度自上而下越来越小,位于主动土压力线以内;墙后填土的潜在破坏面开始于墙脚或错台,然后一直上升到路堤顶部,其顶部裂缝在距墙顶大约H/5处,破裂线范围为(0.08-0.35)H,破裂线呈对数螺线形状。杨锡武等(2002)利用离心模型试验研究了下部加密、中间加密、全断面均匀加密三种布筋方式的加筋边坡的坡面侧向位移场等变形性态。结果表明,中间加密布筋是加筋边坡经济合理的布筋方式。
1.2现场试验
现场试验能够反映加筋土工程的实际情况,有助于更深刻的认识加筋土挡墙与土坡的性状及加筋机理,但投入也较大,可结合实际工程增加监测项目进行。
陈群等(2000)对南昆铁路广西田林站内一座新型钢筋混凝土楔形拉筋加筋土挡墙进行了原型观测,并进行了相应的分析。发现:(1)每一条混凝土楔形拉筋所受的拉力沿筋长均出现双峰值现象。第一个峰值紧挨面板,第二峰值距面板的距离则随筋条所在墙高位置而改变。第二峰值点的连线可作为划分加筋土挡墙锚固区与非锚固区的依据。第二峰值点连线在0.45倍墙高以上距面板的距离近似为一常数,约为0.33H(H为墙高),在墙顶稍向面板靠近。在0.45H以下部分,第二峰值逐渐向面板靠近。从拉力第二峰值的轨迹来看,挡墙拉筋并不一定是墙顶最长,但墙顶拉筋可以限制墙体位移,有利于墙体稳定。另外,拉筋设计时还应考虑在不同墙高处应采用不同强度的拉筋。(2)水平位移沿墙高呈鼓形分布,中间较大,底部和顶部较小。(3)墙面板土压力在墙体上部介于朗肯主动土压力和静止土压力之间,因面板位移较小,达不到主动极限状态。在墙体下部,土压力小于主动土压力,主要是因为加筋使土体强度提高,同时受地面约束影响,侧向土压力减小。在墙体中部由于面板位移相比最大,土压力值出现突变性减小,说明面板土压力受水平位移的影响。(4)填土的压实密度直接影响填土的沉降量。经机械碾压的填土最大沉降量约为40cm,仅为墙高的0.36%(竣工时),最终沉降量约为墙高的0.54%,说明机械碾压密实度能够满足工程要求。施工中应特别注意的是靠近面板处填土的压实问题。
王祥等(2003)通过对梅坎铁路双级土工格栅加筋土挡墙的原位观测发现:(1)上墙大部分的实测水平土压力接近Rankine理论计算值,接近下墙处土压力逐渐减少,而不是一般单级挡墙水平土压力的增大规律。下墙大部分的实测水平土压力小于各理论计算值,无论是把上墙填料产生的荷载按Boussinesq理论还是把上、下墙当成整体来计算上墙对下墙产生的水平土压力,均与实测值差异较多,该问题需作进一步的研究。(2)实测的垂直土压力结果表明,同一高度不同位置的土压力有一定的差异,垂直土压力随距离墙面的距离增加而增加。因此,对垂直土压力进行计算时,采用应力扩散法是不合适的。(3)由于同一层土工格栅不同位置的垂直土压力分布具有不均匀性,导致土工格栅所受的摩擦力不同而变形各异。土工格栅的受力变形具有双峰值特征,与文献[5]所指出的特点基本相同。列车荷载对加筋土挡墙中土工格栅的受力影响较小,只是引起加筋土挡墙内部土体应力的重新分配。土工格栅的变形较小,最大为1.81%,小于设计值,且大部分测点土工格栅的变形在1%以内,因此其受力是安全的。(4)对于高达14.60m的双级土工格栅加筋土挡墙,其破裂面为一与墙脚处水平面夹角为45°+φ/2的直线,其下部通过墙脚,此直线与上墙交于扣除上、下墙之间的平台宽度的整个墙高0.3倍的地方。
2 理论研究
加筋土挡墙(土坡)的理论研究主要集中在设计和校核的计算方法上,目前应用较多的有极限平衡法、有限单元法等。近年来,有人将人工神经网络技术引入加筋土技术中,这是一个值得研究的方向。
2.1 极限平衡法
极限平衡法在加筋土工程中应用非常广泛,在加筋土挡墙与土坡中应用更为普遍。其主要思路为:假定土为理想刚塑性体,沿假定的破坏面滑动,考虑加筋的拉力对土体稳定的贡献,然后用静力平衡的方法计算潜在滑楔体的稳定性。
Binie(1982)采用两楔体法计算土压力系数、确定破裂面位置,并给出了设计图表。王钊(1988)用弹性理论楔形体分析获得土压力系数的计算公式和破裂面形状,并给出设计图表(被列入“土工合成材料工程应用手册”,中国建筑工业出版社),所得土压力系数值与Binie给出的值基本一致。Jewell(1991)进一步考虑孔隙水压力和超载的影响,并整理成设计图表。有些国家的设计人员还采用极限状态法,设计时分为最终极限状态和使用极限状态两大类,考虑结构的使用寿命和筋材与土的应变相容性,对筋材特性指标和作用力等采用分项系数以代替单一的安全系数,较大的改进了极限平衡法,但目前尚未被普遍使用。以上均分析的c=0的土,原因为c=0的土土性较好,节省筋材,同时,当c=0时给出偏保守结果,而粘性土的c和Φ值不稳定,易受水的影响。
Radoslaw L.Michalowski(1997)采用极限分析法计算均质加筋土坡所需筋材长度,并给出设计图表。该法弥补了极限平衡法太粗糙(在一定的假设条件下使用)的缺点,从能量的角度求得所需筋材长度的下限值和土坡高度的上限值,可用来对极限平衡法的设计成果进行验算。1998[年,他进一步将该法的应用范围拓宽到加筋土挡墙,加筋土坡、堤,加筋地基、路基中,不只局限于均质土坡。2000年,他又用该法讨论了加筋土坡辅筋的设计,考虑孔隙水压力的影响,并给出了设计图表,其给出的值与Koerner(1998)给出的辅筋长度与间距之比值(L/S)的范围(为1.0-1.2)基本相符。
李广信等(2001)进行了加筋土挡墙在二维超静孔压下的稳定分析,发现:(1)用粘性土作为加筋土挡墙的填土时,如果填土饱和度较大(超过80%),施工较快或上覆荷载施加较快时,填土中将会产生较高超静孔隙水压力。如果超静孔压是一维分布的,仍然可以用朗肯理论计算其有效主动土压力。当超静孔压为二维分布时,朗肯土压力理论不再适用。此时可以考虑用他建议的图解法计算主动土压力,并据此进行布筋设计,然后用圆弧滑动法进行校核。(2)对于基坑开挖的支护结构物(如土钉墙),开挖卸荷可能引起土中产生负的超静孔隙水压力。它将减少支护结构上的总压力,对支护结构的稳定是有利的。如果能够得到负的超静孔压的分布,也可以用图解法计算其土压力及其分布。(3)在有正超静孔压时,最大拉力筋中拉力加大,位置上移,上覆压力减小。筋-土摩擦力减小。从而大大增加筋材的锚固长度,这一现象应予以重视。(4)决定总水土压力的是滑裂面上的孔压,而不是墙面处孔压。
2.2有限单元法
影响加筋土挡墙与土坡性状的因素较多,有时候利用极限平衡法求解相当困难。有限单元法是解决这一问题的重要途径。加筋土的有限单元法主要有两种:一种是将筋材和土分开考虑;另一种是将筋-土作为一种复合材料整体考虑。
吕文良等(2002)以加筋土挡墙楔体破坏模式为基础,提出一种弹塑性有限元分析方法。土体用Mohr-Coulomb模型模拟,筋材用理想弹塑性弹簧模型模拟,面板用线弹性弹簧模型模拟,并通过对比分析验证了挡墙的加筋效果和该有限元方法的正确性。孟松兔(1997),王钊(1990)对加筋土结构进行非线性分析,分析时把土体视为非线性单元,把筋带视为线性单元,为了研究筋-土之间的滑动性质,应用了结点滑动单元,计算值与模型试验实测值相吻合,表明该方法正确有效
把加筋土视为一种复合材料,作为一个整体加以分析,原则上能够简化分析过程。但是,如何较准确地确定复合材料的物理力学参数、本构关系和屈服准则,是一个关键点和难点。乐翠英等(1989)采用各向同性模型,用有限元法计算有关地基上加筋土垫层的应力与应变,认为计算结果与现场观测的变形规律接近。纤维加筋土是由土与纤维均匀搅拌而成的,故可将其视为宏观各向同性材料,对此,Sawicki等学者还相继提出加筋土的刚塑性理论和弹塑性理论。
介玉新等(1999)还提出了等效附加应力的分析方法。等效附加应力法是把筋材的作用当成外力加在土单元上,取加筋土中的土体进行计算,通过筋材方向上等效附加应力的介入,不需引进新的模型,该法也能反映加筋土的各向异性性质,且能用统一的思路对加筋土进行计算,就目前应用看,对纤维加筋土的计算能够让人满意,但对分层加筋土,应变比例系数如何选取仍有待进一步研究。
2.3动荷载作用下的分析与设计
H.I.Ling等(1997),Radoslaw L.M.(1998)提出了以极限分析为基础的加筋土结构的抗震设计方法,并给出了计算图表,便于工程上应用。
张兴强等(2001)采用非线性弹簧-阻尼延迟器-质量块系统模拟土工格栅与土动力相互作用,薄单元模拟土工格栅与土接触面的动力变形特性。编制了基于该模型的有限元分析程序,与加州大学UCLA加筋挡土墙实测值进行了比较,表明了模型的合理性和程序的正确性。杨明等(2002)以前人加筋土挡墙动力试验为依据,将Newmark“滑块模型”引入加筋土挡墙的抗震分析中,用极限分析上限法推导出加筋土挡墙屈服加速度的解析表达式,经过参数敏感性分析表明:(1)墙高是加筋土挡墙屈服系数大小的首要控制因素。(2)若墙高不变,则屈服系数与坡角、加筋间距近似成反比,与填土内摩擦角成正比关系。(3)柔性筋带对提高屈服系数作用不明显,而使用刚性筋带可明显提高屈服系数。(4)使用刚性筋带,保证填土有足够密实度以及放缓坡角,是提高挡墙抗震性能的有效措施。按照极限分析理论,增大填土粘聚力可提高挡墙的抗震性能,但粘性填土含量过多会导致条带式筋材与填土间的摩阻力下降。此外,对于加筋土挡墙抗震设计中的孔隙水问题,需作进一步研究。
H.I.Ling等(1998)讨论了加筋土结构在水平、竖向地震加速度共同作用下的稳定性和永久沉降。研究表明:对陡坡的稳定性而言,竖向加速度对筋材所需抗拉强度影响很大;当水平地震影响系数超过0.2时,竖向加速度对所需筋材长度影响也很大。随后,Radoslaw L.Michalowski 等(2000)研究了地震作用下加筋土坡的沉降,发现:在大的地面加速度下,采用拟静力法设计加筋土坡将导致不合理的筋材长度;如果在设计中允许土坡有较小的沉降,所需筋材长度将大大减少。他还提出了地震作用下加筋土坡的沉降计算公式,并给出了计算图表,便于在工程上应用。
2.4人工神经网络技术的应用
周建萍等(2002)将人工神经网络技术用于预测加筋土支挡结构的设计高度。基于MATLAB神经网络工具箱及挡墙离心模型试验结果,建立了一个可用于预测加筋支挡结构设计高度的GRNN网络,具有一定的指导意义。同年,还建立了可用于加筋土挡墙高度预测的径向基函数网络(RBFN)模型。采用4组挡墙离心模型试验数据和1组现场试验数据作为检验样本对网络预测能力进行检验,发现:(1)用人工神经网络技术来预测加筋土挡墙临界高度是可行的,采用的基于离心模型试验数据的训练样本建立起来的径向基函数(RBFN)网络和误差反传(BP)网络均能对加筋土挡墙的临界高度进行合理的预测。对两种网络的预测结果进行比较,表明RBFN网络的预测能力更优越。(2)尽管网络的训练样本均来自挡墙离心模型试验结果,且样本数稀少,网络对离心模型数据的特征的学习效果良好。网络对现场试验结果的误差比在合理范围内。说明该网络具备一定的推广能力。(3)现有设计方法中,为简化计算作了许多人为假定,很多影响挡墙行为的因素被忽略。而人工神经网络技术则是从大量的数据样本中学习到某个特定问题的特征,无需任何人为的假定。网络预测精度随着数据样本的丰富而增加。(4)由于径向基函数(RBFN)网络的隐节点的中心很难搜索到所设值,使得该网络难以广泛应用。为了更精确地预测结果,必需进一步收集样本,将影响因素考虑得更全面。
此外,徐林荣等(1999)将模糊聚类分析法用于加筋土陡边坡状态评定,通过理论分析与模型试验发现:(1)侧向位移可作为加筋土边坡状态评定的量化指标,不同类型边坡的侧向位移允许控制值可根据具体工程情况,结合工程经验确定。(2)加筋土陡边坡失稳往往不是单一的破坏模式,常常是3种破坏模式(筋材拉断、筋材拔出和侧向过量变形)兼而有之,并以某一种破坏模式为主。(3)权重的正确确定对模糊聚类分析的结论有重要影响,他还给出了一种权重确定实用方法。
3存在问题和研究方向
目前的分析方法还难以正确处理土与筋材接触面之间的相互作用,难以正确评价筋材的加筋效果,常常是实际工程中的加筋效果比理论分析的加筋效果要好。为了更好的解释土工合成材料使土工结构得到加固的现象,除了引进力学中较合适的分析方法外,还应把筋材的加固作用正确的考虑进去。极限平衡法是一种应用得最多而又偏于安全的设计方法,但分析计算中很难考虑土体和筋材变形的影响。有限元法可以提供加筋土的应力场和位移场,可反映从施工开始到运行期间性质变化的全过程,但有限元法计算参数的确定和运行均较复杂,且模型和程序的合理性、有效性需要验证。
随着高速铁路、高速公路的建设和发展,往返车辆荷载和动力荷载对加筋土结构的影响,高强度筋材产品的出现,原有的筋-土设计参数应作适当调整,加筋土结构变形与强度随时间的变化特性,这些都包含有新的研究内容,此外,还有建造高的多级加筋土挡墙的设计方法。总结一下,大致有如下几个方面:
(1) 进一步完善设计计算理论,特别是考虑高强度筋材出现后高挡土墙的设计问题;
(2)继续土压力合算和分算的研究,特别是研究负孔隙水压力(吸力)对稳定的影响以及保持和提高吸力的工程措施;
(3)拓宽加筋土挡墙(土坡)的应用范围,特别应重视复合结构和与其它加固技术的配合应用;
(4)加筋土挡墙与土坡在动荷载作用下的特性分析和设计理论;
(5)进一步进行筋材蠕变特性、安装磨损和使用寿命的研究,并用于选材和设计;
(6)研究软土地基上加筋土挡墙与土坡以及袋装土筑堤的稳定性及其设计理论;
(7)加强筋材周围剪切带特性的研究和考虑加筋土变形因素计算方法的研究;
(8)完善加筋土挡墙与土坡的有限元计算模型和程序,使其能用于工程设计。