加筋土技术在岩土工程中的应用浅析

2010-06-11周治刚

山西建筑 2010年25期

周治刚

0 引言

加筋土技术由法国工程师亨利于20世纪60年代初发明,并从理论上建立了一套加筋土的设计方法。1979年加筋土技术传到我国后,相继修建了大量加筋土工程,逐步在公路、水运、铁路、矿山和水利工程中试用,近几年在公路建设和水利、矿山工程建设中的软弱地基处理和挡土结构中应用较多,取得了巨大的经济和社会效益[1],加筋土工程的设计计算理论和施工技术也日臻成熟。

1 加筋土作用机理

土体一般具有一定的抗压强度,土体受压时,其破坏与否与土的侧向变形大小有关,允许的侧向变形愈小,它能承受的压力将愈高,要提高土的承受能力,可以从设法减小其侧向扩张着手,加筋土技术正是利用了这一原理。在土体中的一定部位铺设水平方向的加筋材料,将土压实后,土与加筋材密切结合成一复合土体(加筋土),当在复合土体的表面施加荷载,由于加筋材与周围土之间有较大的摩阻力(有时尚有咬合力),限制了土的侧向变形,相当于在土体侧面上施加了约束力,使得土体变成侧限受压,这种复合土体的承压能力理所当然地得到提高。

2 加筋土筋材

从加筋土的作用机理可知,加筋目的在于最大限度地限制受压土体的侧向变形,这就需要依靠土体中的筋材与周围土的相互作用。因此筋材与土体之间应有较高的界面强度(摩擦力与咬合力大)。加筋土中的加筋材料通常采用土工织物、土工带和土工格栅等。此外,还需要考虑加筋材料的蠕变性对抗拉能力的影响。在目前的加筋材料中,土工格栅的蠕变性较低,是较为理想的加筋材料,表1为玻璃纤维土工格栅性能参数。

表1 玻璃纤维土工格栅性能参数

3 加筋土的本构模型

3.1 加筋土分析方法

1)加筋土复合土体模型。该模型是把加筋土看成宏观上均匀的复合材料,土与筋材的相互作用表现为内力,只对复合材料的性质产生影响,而不直接出现在应力应变计算中,在复合体有限元计算中必须建立一种加筋土的本构模型。近年来不少学者在此方面作了很多工作。该模型主要是通过加筋土体的三轴试验分析而建立。但是由于加筋土的各向异性和非均质特点,因而具有明显的尺寸效应,目前对加筋土三轴试验结果尚无统一的认识。

2)加筋土分离模型。目前对加筋土的计算分析方法主要分为两类。一类是分离模型,即把筋、土分开考虑。一般将加筋体用一维线性单元或薄层矩形单元进行模拟,土体仍采用未加筋时的本构模型。土筋之间的相互作用常采用接触单元进行模拟。由于筋材本身以及与土相互作用关系的复杂性,在模型试验如何进行和界面参数取法上还存在许多争议;如何正确地选用接触面单元和选择能合理模拟填土体中加筋体、接触面单元的本构关系仍然值得研究;在加筋土体临近破坏或有较大变形时用常规有限元法模拟尚有困难,而且当加筋层数很多时该方法将会由于过于复杂而不适用实际工程计算。

3.2 加筋土的本构模型

加筋土的本构模型主要有弹性模型、弹塑性模型和流变模型三种。这三种本构模型都是基于一定的假设条件,对特定条件下的加筋土适用。考虑到加筋土中的筋材和土体都具有的蠕变特点,本文主要讨论流变模型,该模型由波兰的萨威基[2](Sawicki)在1999年建立。此模型是建立在连续介质的基础上,模型中假设土工合成材料是粘弹性体,将加筋土的整个应力应变关系分成弹性和塑性来建立模型方程。在弹性阶段中,筋材的初应力减小,致使土体中宏观应力的重组,直到土体达到屈服条件。土体刚开始产生塑流对应的时间可以由模型确定。在塑性阶段中,筋材的宏观应力保持常数,但由于筋材的蠕变特性,加筋土单元的总应变增大。在此阶段可以确定描述加筋土变形的塑性应变率和加筋土单元的水平变形。由于此模型考虑到土工合成材料的蠕变性质,模型方程较复杂,还有待于试验检验[3]。

4 加筋土的设计内容

目前,加筋土主要用于软土地基加固、堤坝边坡加筋和加筋土挡墙三个方面,形成三种类型的加筋土结构。影响土工织物加筋效果的因素有很多,既包括土工织物本身的性质,也有加筋设计和施工方面的影响。在进行加筋设计的时候,土工织物的强度,加筋的长度,加筋的位置,加筋的层数等因素都是应该考虑的。对于土工织物加筋机理的研究,一般基于理论分析,有限元法、离心模型试验和现场观测等方法。1)加筋长度和位置。文献[5]通过对一堤防工程进行加筋的有限元分析,得出了如下结论:在加筋长度不大的情况下,堤防的最大位移和堤脚的水平位移并无显著变化,当加筋长度超过一定长度后,效果才明显。坡顶的垂直位移,则是一开始变化较大,而其后则无显著变化。在底部加筋时,安全系数几乎无变化,说明在底部加筋并不能显著提高整体稳定性。在中部加筋时,开始安全系数提高也不明显,但加筋长度超过一定长度后,则安全系数提高很快。无论在任何位置加筋,土工织物都有一个最小长度,只有加筋长度超过此最小长度,才能发挥土工织物的作用。至于这个最小长度的大小,则与堤防的形状和所采用的参数有关,要具体问题具体分析。在确定加筋位置时,如果加一层筋,应该加在堤防底部稍偏上的地方,这样不但能够抑制位移的发展,而且能够增强整体稳定性。2)加筋的层数。如果多层加筋,则建议加两层,一层在底部,一层在中部,穿过最危险滑弧,抑制最危险滑弧的发展,使得最危险滑弧的形状、大小、位置都发生改变,以提高整体稳定性。