土工格栅加筋土挡墙变形机理分析

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1、土工格栅加筋土挡墙变形机理分析摘要：土工格栅作为新型柔性支挡结构，在路基适当位置铺设可以有效地降低差异沉降和水平位移，在岩土工程界得到广泛的应用。文章通过土工格栅的加筋机理和挡墙的变形模式及机理分析，以期解决加筋土挡墙施工中存在的问题，为今后类似工程提供参考与借鉴。关键词：土工格栅;加筋土档墙；变形;机理分类号：TU476.4文献标识码：A文章编号：1006-8937(2014)36-0158-021土工格栅的工程特性1.1土工格栅分类土工格栅是采用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状的土工合成材料。格栅生产工艺包括以下

2、过程：①聚丙烯、聚氯乙婦等高分子聚合物通过高温加热挤塑成板材，同时进行冲孔;②在可控加热条件下根据加劲肋强度进行拉伸，使格栅具有整体节点构造，从而增强格栅加劲肋的抗拉强度。土土工格栅主要包括横肋(transversebars)、纵肋(longitudinalribs)与网孔(apertures)三个部分，从构造角度来看，土工格栅包括单向网格与双向网格两种，如图1、2所示，从原材料与加工工艺的角度，土工格栅分为塑料格栅、钢塑格栅、玻璃纤维格栅和坡纤聚酯格栅等。相比之下，塑料土工格栅以其无可比拟的经济性与制作方便实际工程中应用最为广泛，故本文高

3、速公路挡墙选取塑料土工格栅作为加筋材料。1.2土工格栅力学特性土工格栅采用高温热塑工艺使聚丙烯、聚氯乙烯等聚合物沿拉伸方向重新排列成直线，故具有较高的抗拉强度和较低延伸率，土工格栅料沿主应变方向铺设于土体中，由于筋-土摩擦作用和格栅孔具有的特殊嵌锁、咬合作用，限制其水平位移，弥补了土体不能承受拉力的缺点。土工格栅力学特性表现在其与填土相互作用中，概括起来可分为三种：①格栅表面与土颗粒摩擦。②土颗粒对格栅加劲肋阻抗作用。③格栅孔对土颗粒的镶嵌与咬合作用。土工格栅表现的工程特性抑制土颗粒的水平位移，增强岩土结构整体的稳定性，当格栅3种加固作用同时

4、存在，其抗拔能力和加固效果得到充分发挥。目前土工格栅的加筋机理包括两种理论：摩擦加筋与准粘聚力理论，从原理出发诠释加固原理。2土工格栅加筋机理2.1摩擦加筋机理加筋土结构的填土自重和外力产生的土压力传递给拉筋，拉筋有从土中抽出的趋势，由于填土的法向压力增强了筋-土截面的摩阻力，这与Coulomb摩擦理论相似，如图3所示。对土工格栅加筋机理分析如下：档墙加进筋材料受力示意图如图4所示。取加筋体微元长为dl，拉筋截面受力左侧为T1，右侧为T2,格栅法向应力为？滓，忽略格栅与微元体土体自身重量。设筋-土摩擦系数为f，格栅宽度b。设土体水平应力在该微

5、元段拉筋中所引起的拉力为dT,则dT=Tl-T2。设该微元段上筋-土总摩擦力为dF，dF=2?滓fbdl(1)当dF>dT时，筋-土间将产生相互错动，即土体水平应力被筋-土间的摩擦作用克服，故微元体保持稳定，反之，产生水平位移乃至失稳。挡墙保持稳定性，土工格栅需满足：①筋材表面粗糙，保证筋-土间产生足够的摩擦力。②足够的抗拉强度与弹性模量，即可满足筋-土间产生带动前拉筋不被拉出，又可满足筋-土体变形满足变形协调的条件。根据Rankin土压力计算理论，未加筋条件下挫墙受水平土压力产生破坏，沿主动破裂面AB分为主动区与稳定区。楔形滑移体ABC在自

6、重作用下的水平推力时土工格栅受拉，而格栅在法向应力作用下产生摩擦力抑制止拉筋所承受的拉力。由于土工格栅的加筋作用，挡墙不会出现沿AB的滑裂面，从而实现了加筋土挡墙的稳定性。设每层格栅所受的水平推力为T，拉筋所受的摩擦力足以抵消水平推力，如式（2）所示：T«2?滓fbdl（2）式中：?滓为格栅法向应力；1为格栅长度；f为筋-土摩擦系数；b为拉筋宽度；L2为稳定区格栅长度。式（2）为判定加筋土挡墙稳定的必要条件，土工格栅的作与混凝土中钢筋锚固作用相同，故稳定区又称为“锚区”，格栅在稳定区长度称为锚固有效长度。2.2准粘聚力原理摩擦加筋原理是在微观

7、角度阐述了土工格栅加筋机理，宏观上可以通过准粘聚力原理分析其加筋机理。加筋土挡墙是由填土与土工格栅组成的复合材料，两种材料各向异性且格栅弹性模量远大于填土。当筋-土协同工作时，包含：填土的剪应力、筋-土截面摩擦力和格栅的拉应力共同作用，使得加筋土挡墙的整体强度明显提高。HenriVidal(1969)通过加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样三轴试验比较分析中得到如下结论：①砂土圆柱土样在单轴荷载作用下压密，若在土样中加入拉筋材料，则拉筋对砂土产生的摩擦力。①随着单轴荷载逐渐增大，拉筋在摩阻力作用下产生轴向反力，限制土样水平变形从而提高土样抗剪强度

8、。HenriVidal(1969)等对圆柱砂土样进行加筋效果实验，得出了加筋砂样强度和砂土抗剪强度、筋-土间摩擦系数、格栅抗拉强度、格栅数量等因素密切相关。加筋土在