加筋土工作机制及加筋挡墙的破坏机理

时间：2024-11-04 百科知识版权反馈

【摘要】：著者认为，迄今为止，加筋土工作机制的系统模型仍以Sigma Model最为简单、全面和合理。在其之后，许多学者和研究单位对加筋土机理问题进行了深入的研究，如考虑了黏性填土的黏聚力、破坏状态的定量判断等。加筋土挡土墙的整体稳定性取决于加筋土挡土墙的内部和外部的稳定性，其可能产生的破坏形式如图6.4和图6.5所示。

6.1.2　加筋土工作机制及加筋挡墙的破坏机理

1）加筋土的工作机制

加筋土复合体中的拉应力通过土与筋材间的界面剪切作用传递到相邻的拉筋上，而筋材间土体自身仅承受压应力及剪切应力，从而使加筋土体成为具有一定自承约束的复合结构。加筋土的工作机理可以用黏聚力理论来描述，该理论是由简单的筋土摩擦加固原理转化而来的（Vidal，1966）。法国的LCPC实验室首先提出了张拉破坏条件的加筋土工作机理的系统模型（Schlosser and Long，1973），同期英国南安普敦NSW技术学院（Hausmann，1976）提出了另一机理模型Sigma Model，该模型既可以考虑加筋材料张拉破坏，同时也可以考虑加筋材料与填土接触面边界破坏。著者认为，迄今为止，加筋土工作机制的系统模型仍以Sigma Model最为简单、全面和合理。Sigma Model属于加筋土黏聚力理论的范畴，该模型首先提出了加筋土的两种破坏模式，并且从机制上阐述了加筋土破坏模式与应力水平、筋带用量、张拉特性以及筋土间剪切特征等的相关性。

根据静力平衡原理，见图6.2，采用理想砂性土（内摩擦角为φ（c＝0））作填料，可以推得加筋土的强度τ_f－σ的关系曲线是一条明显的折线，见图6.3中的实线。对于某一特定的加筋土，高应力水平时的破坏模式为张拉破坏，此时的加筋土的预应力是由加筋材的张拉特性确定，且达到其最大值σ_rmax。在Sigma Model中很容易推出其表达式如下：

式中：T_ult——加筋材的极限张拉强度（力）；

　F_m——加筋设计材张拉力的分项修正系数；

　ρ₁——综合系数。

图6.2　加筋土静力平衡示意图

图6.3　加筋土的强度包络线

在Sigma Model模型中，加筋土处于低应力水平破坏时易出现筋土间的边界锚固破坏。此时，加筋材尚未达到其张拉破坏状态，但筋材与填土接触面的摩擦锚固已达到临界状态，这时的预应力与应力水平有关，具体表达式如下：

式中：σ₁——加筋材与土接触面的法向应力，在水平布筋时，即为垂直向大主应力；

　tanδ——筋土间的似摩擦系数；

　ρ₂——综合系数。

根据图6.2，A为试样横截面积；S为破裂面切过的筋材所贡献的稳定力；α为破裂面与大主应力面的夹角。则表达式（6.1）、式（6.2）可证明如下：

S＋σ₃Atanα＝σ₁Atan（α－φ）

将α＝45°＋代入上式，得

与土的传统极限平衡理论相对照，可以得到预应力：

当试样的破坏为张拉破坏时，即筋带被拉断，并假定筋带的布置间距为h，此时，

代入式（6.3），即可以得到

表达式（6.1）得证。同样，当试样为接触面边界破坏时，即筋带被拔出破坏时，则S有如下的表达式：

代入式（6.3），即可得

表达式（6.2）得证，其中μ为加筋材的断面周长，l_a为加筋材锚固区域内平均长度。

根据表达式（6.1）、式（6.2）及图6.3可以看出，高应力水平对应的张拉破坏，加筋土的强度增长表现为复合体黏聚力的增加，即

而低应力水平对应的边界破坏，加筋土的强度增长表现为复合体的内摩擦角的增加，即

式中，F＝ρ₂tanδ。

Sigma Model用于加筋土简单、合理。在其之后，许多学者和研究单位对加筋土机理问题进行了深入的研究，如考虑了黏性填土的黏聚力、破坏状态的定量判断等。著者也曾考虑加筋材布置方向（与水平面的下倾角β），以理想砂性土作填料，推导出相应的表达式，如张拉破坏时仍为增加一黏聚力c_r，见表达式（6.6）：

边界破坏状态下，同样可以推出其相应的表达式，在此不赘述。著者认为，Sigma Model自提出以后，至今并未发生质的改进。目前采用这一模型，或建立在该模型基础上的设计方法仍是十分有效和流行的。

2）加筋土挡土墙的破坏机理

加筋土挡土墙的整体稳定性取决于加筋土挡土墙的内部和外部的稳定性，其可能产生的破坏形式如图6.4和图6.5所示。

图6.4　加筋土挡土墙内部可能产生的破坏形式

图6.5　加筋土挡土墙外部可能产生的破坏形式

从加筋土挡土墙内部结构分析知（图6.6），由于土压力的作用，土体中产生一个破裂面，破裂面的滑动楔体达到极限状态。在土中埋设拉筋后，趋于滑动的楔体，通过面板和土与拉筋间的摩擦作用产生将拉筋拔出的倾向。因此，这部分的水平分力τ的方向指向墙外。滑动楔体后面的土体则由于拉筋和土体间的摩擦作用把拉筋锚固在土中，从而阻止拉筋被拔出，这一部分的水平分力指向土体。两个水平方向分力的交点就是拉筋的最大应力点。将每根拉筋的最大应力点连接成一曲线，该曲线把加筋土挡墙分成两个区域，将各拉筋最大应力点连线以左的土体称为主动区（或活动区），以右的土体称为被动区（或锚固区、稳定区），见图6.6。