土工合成材料加筋土挡墙设计方法的研究

土工合成材料加筋土挡墙设计方法的研究摘要: 在分析了土工合成材料加筋土挡墙破坏形态的基础上, 总结归纳了国内外有关土工合成材料加筋土挡墙极限平衡法、极限状态法和有限单元法三种设计方法的发展及研究现状, 提出了该结构的设计发展方向。

关键词: 土工合成材料加筋土挡土墙设计破坏

中图分类号：tu476+.4文献标识码： a 文章编号：

1 挡墙的破坏形式

土工合成材料加筋土挡墙的破坏形式主要有三类: ①外部稳定性破坏; ②内部稳定性破坏; ③加筋土挡墙的变形破坏。目前国内外加筋土挡墙的设计主要是基于①、②进行稳定性验算的。

外部破坏一般表现为结构的整体失稳、倾覆等, 其力学行为与重力式挡墙相似, 破坏的主要表现形式有平面滑动、倾覆破坏、地基破坏和深层滑移。内部破坏发生在加筋土体的内部, 主要表现为拉筋材料的拉断破坏、拔出破坏以及由于拉筋和面板连接处的局部应力超过构件的构造强度发生的连接件破坏。变形破坏是指加筋土结构虽未发生整体失稳, 但由于其变形过大而丧失正常的使用功能, 主要包括加筋土挡墙墙面的过大变形和地基的沉降破坏两种形式。在实际工程中, 加筋土支挡结构的破坏往往表现为综合性的破坏,各种破坏形式互相交叉、互相转化。

2 设计方法概述

土工合成材料加筋土挡墙的设计方法很多, 但可归纳为极限平

衡法、极限状态法和有限单元法三种。极限平衡法和极限状态法是用于分析加筋土挡墙极限破坏时的稳定安全系数, 有限元法则用

于分析加筋土挡墙在工作应力状态和极限破坏状态时拉筋材料的

拉力分布与土体变形情况。一个完整的加筋土挡墙的设计分析应包含极限平衡分析、工作应力状态分析及墙体变形量的估算等内容。

2．1极限平衡法

目前, 土工合成材料加筋土挡墙的设计方法普遍采用极限平衡分析方法。该方法是对加筋土挡墙进行稳定性验算, 即分析计算墙体整体结构内、外部稳定破坏所需的拉筋材料强度及应力分配。外部稳定性设计分析是将加筋土体视为具较高强度的复合土体, 再

依据传统重力式挡土墙外部稳定性设计分析方法进行计算。内部稳定性设计分析是以锚固楔体法为基础的设计方法, 先假设侧向土

压力分布状况, 再计算不同深度处平衡该侧向土压力所需的拉筋

材料的强度及应力分配。

德国建筑研究所的dibt ( deutches institutefur bautechnik) 设计方法已在欧洲广泛使用, 并流行到其它地方。该方法基于锚固楔体法, 但其又有自身的特点。加筋土体墙背侧向土压力设计采用库仑土压力理论, 土体强度采用有效内摩擦角, 基础承载力则采

用meyerhof 分布形式。计算时考虑了改进的太沙基承载力公式, 且考虑由主动土压力产生的合力偏斜作用。内部稳定型分析采用双楔体法, 先估计拉筋的布置, 只着重考虑拉筋的拔出破坏, 采用

的破裂面是折线型的,假设滑动面上部沿加筋体边缘且在墙面的不

同高度

处, 每隔3°即有一个计算面。此外还有两种特殊的面,在两层拉筋之间而不与拉筋相交的面以及滑动面为拉筋面, 见图1、图2。按照以上各个不同的计算面来验算拉筋的拔出稳定性, 从而确定

拉筋的布置。

极限平衡法简单、易行, 所以设计单位多采用该方法。但是由于极限平衡法需要对拉筋、土体、滑动面做出许多假定, 加上人为隔离强度与变形, 与实际情况差异较大, 导致极限平衡法计算结

果精度较差, 只能将极限平衡法看作半经验半理论的方法。因此, 通过积累工程经验和进行试验研究、理论分析, 对极限平衡法进行合理的修正, 使其更接近工程实际。

2．2 极限状态法

在极限平衡设计方法中, 直接以土的峰值强度( 或残余强度) 为指标, 给定一个保证结构不发生破坏的总体安全系数, 没有或

很少考虑结构的变形。而对于广泛应用的土工合成材料加筋土挡墙来说, 如果在设计中不考虑其变形, 显然是不合理的。

极限状态法自20 世纪80 年代在结构工程中开始使用, 90 年代在岩土工程得到应用。在极限状态法中, 一个特点是同时考虑强度和变形, 即临界极限状态uls( ultimate limit state) 承受静载荷与活载和功能极限状态sls( serviceability limit state) 。另一个特点是引入风险系数( 即分项安全系数) 来代替整体安全

系数。对基于极限状态设计方法的土工合成材料加筋土挡墙来说,

一是可以考虑不同极限状态下的各种材料之间的应变兼容性, 同

时还可以考虑内外部环境对材料耐久性的影响。

随着土工合成材料在加筋土结构中的应用和发展, 其特殊张拉应变特性要求设计上将加筋土结构的边界变形及内部应变协调性

直接( 而不再是间接) 作为设计准则来控制和评价结构设计。极限状态设计法的设计思想因此应运而生, 其核心是引入了临界极限

状

态分析、功能极限状态分析以及分项修正系数pf( partial factors) 的概念。规范

bs8006(1995)/fhwa(1997)/aashto(1997)/ncma(1997)等部分采用了极限状态法的思想或在不同程度上已初步解释了极限状态设计

法以及分项修正系数的概念。按照bs8006, 对平面状或条带状拉筋材料的加筋土挡墙来说, 其设计方法分为锚固楔体法与粘结重力

式法( coherent gravity) , 采用的方法与拉筋材料的延伸性有关。bs8006 规定在所有设计情况下, 分项安全系数在考虑完全破坏的极限状态下其值应> 1.0, 若改为功能极限状态, 则其值为1.0; 设计荷载则由土体及拉筋材料的复合性质来提供阻抗能力, 土体强

度乘以分项安全系数则为设计强度。拉筋材料若为金属时, 其设计强度

仅需将材料极限抗拉强度除以分项安全系数即得; 至于土工合成材料拉筋, 则需将拉伸蠕变断裂强度与拉伸蠕变应变控制强度

分别除以分项安全系数后, 取最小者为设计强度。