加筋土路基力学行为与设计方法的研究.docx
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加筋土路基力学行为与设计方法的研究
加筋土路基力学行为与设计方法的研究
摘要：
针对加筋土路基的关键问题，通过现场调查、理论分析、室内试验、数值模拟和现场测试，对加筋土路基的主要工程问题、静力荷载和行车荷载作用下加筋土路基的力学行为、加筋土路基的设计计算理论、方法和参数以及加筋土路基施工技术进行了深入系统的研究。
提出了加筋土路基的层位分类法，明确了加筋土路基病害的成因机理、失效模式和控制因素，揭示了静力荷载和行车荷载作用下加筋土路基应力-应变关系、强度特征、变形规律和破坏模式，掌握了路面结构对路基变形的力学响应。
在此基础上，提出了“稳定控制和变形控制并重”的加筋土路基设计思想，并创建了基于极限上限定理和可靠度理论的两种稳定性控制设计方法以及基于累积塑性变形、工后沉降和不协调变形控制的变形控制的设计方法，提出了加筋土路基设计参数和标准，总结了各种加筋土路基的施工技术，并在重庆、广东、上海三地5项依托工程中得到了应用和验证，编制了《公路加筋土路基设计施工技术指南》。
项目研究改进和发展了加筋土路基的分析计算理论，突破了加筋土路基设计的关键技术，为相关技术规范的修订提供了科学依据。
Abstract:
Althoughthereinforcementtechnologyhasbeenappliedwidelyinhighwayconstruction,therearemanychallengesinthefieldwhichpuzzlehighwayengineerforalongtimeinChina.Mechanicalbehavioranddesignmethodofreinforcedsubgradesinhighwayshavebeenstudiedthoroughlybasedoninvestigation,numericalanalysis,experimentandin-situmeasure.Anewclassificationmethodofreinforcedsubgradesisbuilt.Furthermore,thecharacteristicsoftheaccumulateddeformation,post-constructionsettlementanduncoordinateddeformationofreinforcedsubgradesunderdifferentloadsandthemechanicalresponseandfailurecharacteristicsofpavementstructurecorrespondtosubgradedeformationshavebeenexposed.Consequently,thedesignmethodsandconstructiontechnologyofreinforcedsubgradesareestablished,whichbasedonthestabilitycontroltheoryanddeformationcontroltheory.Theaboveresearchachievementsareappliedandverifiedin5trialprojectsinChongqing，GuangdongandShanghai.FormingGuidefordesigningandconstructiontechnologyofreinforcedsubgradesinhighways，itcanprovidescientificbasisfortherevisionofcorrelatedtechnologyspecifications.
1前言
近年来，我国的公路建设发展迅猛。
至2005年底，全国公路总里程达到193.05万km，其中，高速公路41005km，二级以上公路已达325828km，公路对国民经济发展的作用越来越显著。
但是，与发达国家相比，我国在公路密度、技术等级和高等级公路比重等方面还有很大差距。
同时，我国公路的区域发展也很不平衡，目前西部地区的公路密度不到东部的1/5；东部地区二级以上公路里程占总里程的比重为17.7%，而西部仅为6.6%。
随着我国西部大开发战略的实施，在我国西部将还会有大量的公路亟待建设。
在当前的公路建设中，路基的过度沉降，路基结合部的不协调变形以及路堤边坡的失稳破坏等一些与路基相关的问题仍然是制约公路建设飞速发展的技术难题，由此造成道路路况和行车条件恶化，道路服务水平下降，直接导致道路行车安全受到影响，车辆运营成本上升，道路使用寿命缩短，道路维护投入提高，严重影响了公路工程的项目经济效益和当地的社会效益。
这就在客观上要求西部地区在进行公路建设时应积极采用新材料、新工艺、新技术，以提高公路建设的科技含量。
在公路工程领域采用的新材料、新工艺、新技术中，现代加筋土路基技术是发展应用较快的一种。
由于加筋土路基不仅具有较大的变形适应能力，且稳定性好，能因地制宜、就地取材，对原有地质环境扰动小，节省土地等优点，目前该技术已经在公路工程领域得到了广泛的应用，并取得了良好的经济、社会和生态环境效益。
但就总体而言，我国在公路加筋土路基力学行为和设计方法方面的研究还远远不够，主要存在的问题有：
缺少科学的加筋土路堤分类方法和实用的加筋土路堤性能指标评价体系；基础理论研究严重滞后于工程应用；对加筋土路基的研究深度不够。
本项目就是针对我国加筋土路基技术的发展现状及其对国民经济和社会发展的影响，在借鉴国内外相关研究成果，吸收各地成功经验的基础上，充分考虑加筋土路基的成因机理、适用条件和控制因素，结合西部地区的具体情况，从力学机理分析、设计和施工等各个角度，对加筋土路基技术进行了深入的研究，为相关《规范》的修订提供系统、可靠的技术依据。
2加筋土路基分类方法和主要工程问题
（1）在国内外资料以及云南、重庆等6省（市）11条既有加筋土路基调研的基础上，建立了加筋土路基层位分类法；根据加筋部位和加筋目的不同，提出了加筋土路基的层位分类法，即加筋土路基可分为路床加筋（包括填方路床加筋、零填或挖方路床加筋）、路堤加筋（包括边坡加筋、基底加筋和堤身加筋）和结合部加筋（包括新老路基结合部加筋和填挖结合部加筋）三大类、七小类，为加筋土路基的设计和施工提供了依据。
（2）通过大量现场调研，总结归纳了加筋土路基的三种常见病害，即路基损坏（包括路基沉陷、路基局部滑塌和路基纵、横向开裂）、支挡结构损坏（包括挡墙鼓凸、挡墙倾斜、挡墙沉陷和挡墙漏土）和路面损坏（包括沥青路面损坏和水泥混凝土路面损坏）。
（3）从加筋土路基稳定性不足和加筋土路基变形过大两个方面系统分析了加筋土路基的病害机理。
加筋土路基稳定性不足是指加筋土路基自身稳定性不能充分满足稳定要求，其产生的原因主要包括路基填料质量差、筋材性能降低、筋土界面性能降低以及地基条件差。
加筋土路基的过量变形以不协调变形和工后沉降为主，这些变形包括道路纵向不协调变形、横向不协调变形和工后沉降。
加筋土路基过大的变形主要来源于路基压实度不足和不协调变形两个方面。
（4）通过国内外资料和既有工程实体调研分析表明，加筋土路基失效模式可以分为两大类：
一类是与稳定相关的失效模式，包括内部失稳、整体失稳和坡面局部失稳三种。
其中内部失稳包括筋材拔出和筋材断裂等；整体失稳包括路基基底滑动、深层整体滑动、地基承载力不足和地基土薄层挤出等。
一类是与变形相关的失效模式，如路基沉降过大和不协调变形过大等。
3静力荷载作用下加筋土路基的力学行为
（1）采用筋土分离模型、流固耦合技术，建立了加筋土路基的数值分析模型。
分析表明，加筋使土体的应力-应变关系得到改善，土体的延性明显提高，剪切强度增大，残余强度的降幅减小，且达到峰值强度时的剪切位移增大。
提高筋材模量或土体模量、增加加筋层数，可以提高加筋土体的强度和抗变形能力。
（2）数值模拟结合室内试验，系统研究了静力荷载作用下三大类加筋土路基的力学行为。
①路床加筋
a）半刚性基层路面路床顶加筋：
在保证底基层与筋材之间摩擦咬合作用的情况下，加筋可以减小路表弯沉，底基层弯拉应力减小最为显著.
b）半刚性基层路面上路床换填加筋：
软弱地基上路床换填加筋的效果取决于加筋位置和加筋层数；加筋位置不合理，单纯增加加筋层数，未必得到理想的加筋效果。
上路床换填加筋的适宜位置是筋材位于上路床的下部，多层加筋时宜自下而上增加层数；软弱地基顶面的压应力分布更加均匀；相对于路床顶加筋，上路床换填加筋效果更好。
c）粒料基层路面路床顶加筋：
筋材与粒料间的摩阻力对基层粒料起侧向约束作用，可抑制粒料的侧向变形，提高基层刚度，从而显著减小基层的塑性变形；加筋对于延长路面使用寿命具有重要作用。
加筋效果和筋材与基层的模量比密切相关，相对于半刚性基层，粒料基层路面加筋效果更佳。
②路堤加筋
可以有效提高路堤边坡的稳定性。
对于良好地基而言，路堤加筋对减小路堤沉降并不明显；对软弱地基，路堤加筋可在一定程度上减小路堤顶面的沉降，但并不突出。
增大筋材模量、增加加筋层数、采用内摩擦较好的填料，有助于提高加筋的作用效果。
③路基结合部加筋
可提高路基的整体稳定性，减小路基顶面的不协调变形，减小量可达6.5%左右。
增加加筋层数、筋材模量、筋材长度和填料强度等有助于不协调变形的减小，且加筋位置在结合部底部效果最为明显。
4行车荷载作用下加筋土路基的力学响应与破坏模式
对行车荷载作用下三大类加筋土路基的动力响应进行了分析。
（1）路床加筋
①行车荷载作用下，加筋效果与加载时间紧密相关，行车速度越快，加载时间越短，应力影响深度越浅，筋材发挥作用的程度越低。
②相对于静力加载，行车荷载作用下，加载中心线附近发生明显的应力集中，行车速度越快，应力集中越强。
③行车荷载引起的动偏应力明显大于静偏应力，而偏应力是引起路基累积塑性变形的关键因素，因此，路床加筋的力学行为分析有必要考虑动力响应。
分析表明，加筋可以明显减小行车荷载作用下路基中的动偏应力，从而减小行车荷载作用下路基的累积塑性变形。
（2）路堤加筋
从行车荷载作用下路堤加筋的荷载-变形特征可知，当地基强度较大时，行车荷载作用所引起的加筋路基累积塑性变形相对于土体固结变形而言可以忽略不计。
综合考虑行车荷载引起的附加弯拉应力与路基不协调变形引起的弯拉应力得出，行车荷载的速度越小，路基不协调变形引起的变坡率越大；基层的强度越高，则基层中所产生的附加弯拉应力越大。
（3）结合部加筋
根据对行车荷载引起的路基结合部两侧的动偏应力分析可以得到，行车荷载引起的累积塑性变形很小，所以加筋对于减小结合部两侧的累积塑性变形几乎没有效果，但加筋可以通过减小路基顶面的不协调变形，从而减小基层的弯拉应力，延缓路面结构的损坏。
5加筋土路基设计理论、方法和参数
（1）针对加筋土路基的稳定失效模式，提出了相应的设计状态，并进一步建立基于稳定控制的加筋土路基设计计算理论、方法和标准。
①对国内外6种加筋土路基稳定性分析方法进行分析和比较，明确了我国公路现行规范所推荐的加筋土路基稳定分析方法偏于保守，主要原因是未考虑筋材抗拉阻力的垂直分量。
②根据塑性极限上限定理，考虑土体内部的应力-应变关系和库仑材料相关联流动法则，得到了加筋土路基稳定极限分析条分法。
公式中采用的条分法平移破坏原理，不仅可以给出一个清楚的机动许可速度场，而且安全系数计算结果与传统条分法（如荷兰法和瑞典法）所得的计算结果具有可比性，因此该公式可作为分析验算加筋土路基稳定的计算方法。
③根据大量工程实测资料的统计分析，初步确定了填料容重、填料抗剪强度指标、汽车荷载、筋材抗拉强度、筋土界面参数和路基几何参数等参数不定性系数的统计结果和概率分布模型，并按照抗力最小二乘原理，优化出了加筋土路基在4种失效模式下的设计分项系数，如表1。
表1恒载+汽车荷载组合下分项系数表
稳定状态
恒载分项系数
活载分项系数
抗力分项系数
内部稳定性
筋材抗拉
1.1
1.4
1.58
筋材抗拔
1.1
1.2
1.02
外部稳定性
抗基底滑动
1.1
1.3
1.05
抗深层滑动
1.2
1.2
1.17
（2）针对加筋土路基的变形失效模式，提出了相应的设计状态，并进一步建立了基于变形控制的加筋土路基设计计算理论、方法和标准。
①采用传统指数模型，结合有效固结应力理论，建立了考虑先期固结应力影响的路床加筋累积塑性变形计算方法。
该方法既适用于由不固结不排水抗剪强度指标、也适用于由固结不排水抗剪强度指标来计算路基的累积塑性变形。
②以路基顶面累积塑性变形、工后沉降和不协调变形（变坡率）为设计指标，基层底面弯拉应力为验算指标，系统地提出了加筋土路基变形控制的设计标准。
路床加筋的累积塑性变形控制标准以行车荷载产生的弯拉应力和累积塑性变形产生的附加弯拉应力进行叠加，其值控制在基层设计弯拉强度以下；路堤加筋和结合部加筋的不协调变形变坡率控制标准见表2。
表2不协调变形的变坡率设计标准
路基类型
路基顶面容许变坡率（%）
挖方（老）路基
填方（新）路基
路堤加筋
0.5
结合部加筋
横向结合部加筋
0.4
0.45
纵向结合部加筋
0.45
0.5
（3）以室内试验结果为基础，参照国外相关标准及文献资料，重点推荐了加筋土路基设计中无试验资料时的土工格栅蠕变折减系数和施工损伤强度折减系数的取值范围，以及筋土界面参数取值范围。
6加筋土路基施工工艺与质量控制
针对三大类加筋土路基，分别提出了相应的施工工艺及质量控制技术，作为加筋土路基施工的技术参考。
（1）路床加筋
①路床加筋的筋材搭接长度直接影响施工质量，搭接长度需满足一定要求，可参照下表3。
表3筋材搭接要求
CBR
最小搭接长度（mm）
CBR
最小搭接长度（mm）
＞2
300～450
0.5～1
900
1～2
600～900
＜0.5
缝合
②基层初始铺设厚度：
对于粒料基层，当路基CBR＜3，初始厚度不小于200mm；当路基CBR≥3时，初始厚度不小于150mm。
③施工设备：
施工设备重量须满足初始浇筑层碾压后车辙小于75mm，当车辙大于75mm时，须采用轻量级设备。
（2）路堤加筋
根据试验研究及参考有关施工技术规范，提出表4～表6所示的土工合成材料加筋土路堤检查项目及标准。
表4土工合成材料铺设质量检查项目及标准
序号
检查项目
规定值或允许偏差
检查方法和频率
1
力学性能指标
符合设计要求
抽查材料检测报告
2
铺设长度（mm）
±50
抽查2%
3
铺设宽度（mm）
±50
抽查2%
4
反包长度（mm）
±50
抽查2%
5
锚固长度（mm）
+100
抽查2%
6
受力方向搭接宽度（mm）
符合设计要求
抽查2%
7
搭接缝错开距离（mm）
符合设计要求
抽查2%
8
轴线偏位
符合设计、规范要求
抽查2%
表5加筋土路堤填土层检查项目及标准
序号
检查项目
规定值或允许偏差
检查方法和频率
1
压实层厚
30cm
每200m检查4断面
2
宽度
不小于设计
每200m测4处
3
下承层平整度
30mm
3m直尺每200m测4处×3尺
4
边坡
不陡于设计
每200m测4处
5
压实度
满足设计要求
每200m测4处
6
顶面高程
满足设计要求
每200m测4处
表6砂（砾石）垫层质量检查项目及标准
序号
检查项目
规定值或允许偏差
检查方法和频率
1
厚度（mm）
符合设计要求
每200m检查4处
2
宽度（mm）
±50
每200m检查4处
3
平整度（mm）/拱度
±50/±0.5%
每200m检查4处
4
压实度
碾压遍数符合要求
查施工纪录
（3）结合部加筋
根据原地基（路基）坡度的不同，可采用长型U形钉、台阶根部方形沟的回填填料和或台阶根部现浇钢筋混凝土3种方式加强筋材与原有地基（路基）的结合，且应注意以下质量控制和检测。
①加长型U形钉长度检查，其长度应在设计长度L±10mm内，检查频率应抽查2%。
②台阶根部方形沟的回填填料的粒径应不大于6cm，应设旁站进行检查，压实度宜大于等于同层位其它填土压实度，检查频率宜每100m沟长测4处。
。
③台阶根部现浇钢筋混凝土质量应符合其它有关规范要求。
7依托工程实施与效果评价
（1）通过对重庆、广东、上海等地进行实地调研，确定了重庆忠县～垫江高速公路、天津～汕尾高速工程广东境内梅县城东至扶大段、上海沪宁高速公路（上海段）拓宽工程3条高速公路作为依托工程，各试验路按照拓宽条件的不同分别划为若干个试验路段。
（2）根据各依托工程的加筋目的，采取的加筋方案包括填挖结合部加筋、基底加筋、新老路基结合部加筋以及堤身加筋等。
（3）对于各试验工程，主要通过沉降板、沉降管、沉降钉、位移桩、显示滑动式沉降仪等分别进行沉降、水平位移和分层压缩变形的观测；埋设土压力盒进行水平土压力和竖向土压力观测；安置柔性位移传感器量测土工格栅的变形和受力大小分布情况。
（4）通过对试验路实施效果的跟踪观测和评价，证实了项目各项成果的合理性和可靠性。
8结论、创新和建议
（1）主要成果：
①加筋土路基的分类。
②加筋土路基病害及成因机理。
③典型加筋土的应力－应变特征及其影响因素。
④静载作用下加筋土路基的强度、破坏特征及其变形规律。
⑤行车荷载作用下加筋土路基的荷载－变形特征、破坏模式和影响因素。
⑥加筋土路基设计理论和方法。
⑦加筋土路基的设计指标和标准。
⑧加筋土路基的设计参数的确定和取值方法。
⑨加筋土路基施工工艺和质量控制方法。
⑩《公路加筋土路基设计施工技术指南》的编写及依托工程试验路的实施验证。
（2）主要创新点：
①针对加筋土路基的工程特性，并依据路基加筋部位和目的的不同，首次提出了加筋土路基的层位分类法，并将加筋土路基分为路床加筋、路堤加筋和结合部加筋三大类，统一了加筋土路基的工程分类，有利于公路路基加筋技术的研究与应用。
②采用筋土分离和流固耦合技术，建立了加筋土路基的弹塑性数值分析模型，系统分析并得到了典型加筋土路基的应力-应变、强度和破坏特征，揭示了各种加筋土路基在静力荷载作用下的力学行为、加筋效果及其影响因素。
③采用隐式动力有限元技术，首次获得了行车荷载作用下加筋土路基的动应力分布特征、动力变形规律和破坏模式，揭示了加筋对于减小路基累积塑性变形和不协调变形的力学机理和工程途径。
④根据公路加筋土路基的力学行为和失效模式，提出了“稳定控制与变形控制并重”的加筋土路基设计思想。
⑤首次建立了基于极限上限定理并考虑筋材能量耗散率的加筋土路基稳定极限分析条分法，改进了传统极限分析条分法对筋材加筋作用的考虑不足。
同时，建立了基于可靠度理论的加筋土路基分项系数设计方法，充分考虑了加筋土路基设计中各种因素的不确定性，为现行规范从确定型设计方法向概率极限状态设计方法的发展提供了基础。
⑥创建了基于变形控制的加筋土路基设计计算理论和方法。
对于路床加筋，以行车荷载作用下的累积塑性变形为指标，并提出了以有效固结应力理论为基础，考虑先期固结应力影响的累积塑性变形计算方法；对于路堤加筋和结合部加筋，以工后沉降和不协调变形为指标，并提出了基于流固耦合技术的变形计算方法。
⑦系统提出了加筋土路基设计中的设计分项系数与容许变坡率标准体系，以及筋材强度折减系数和筋土界面参数的取值方法和范围，为加筋土路基设计提供了参数和标准。
（3）对相关规范的建议：
本项目的研究成果，包括加筋土路基的分类、基于稳定控制和基于变形控制的加筋土路基设计计算理论和方法、加筋土路基设计中的设计分项系数与容许变坡率标准体系，筋材强度折减系数和筋土界面参数的取值方法和范围、以及加筋土路基施工工艺、要求和质量控制方法等，均可为《公路加筋土工程设计规范（JTJ015-91）》、《公路路基设计规范（JTGD30-2004）》、《公路工程结构可靠度设计统一标准（GB/T50283-1999）》、《公路加筋土工程施工技术规范（JTJ035-91）》借鉴和引用。
西部交通建设科技项目
项目编号：
200431882206
加筋土路基力学行为与设计方法的研究
报告简本
同济大学
重庆交通科研设计院
2007.6
项目名称：
加筋土路基力学行为与设计
方法的研究
承担单位：
同济大学
参加单位：
重庆交通科研设计院
中南大学
重庆垫忠高速公路公司
广东天汕高速公路有限公司
沪宁高速公路（上海段）发展有限公司
目录
1前言2
2加筋土路基分类方法和主要工程问题2
3静力荷载作用下加筋土路基的力学行为3
4行车荷载作用下加筋土路基的力学响应与破坏模式4
5加筋土路基设计理论、方法和参数4
6加筋土路基施工工艺与质量控制5
7依托工程实施与效果评价7
8结论、创新和建议7
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