湖南大学博士学位论文加筋路堤变形特性和剪切屈服区分析姓名：喻泽红申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：邹银生;王贻荪20050301湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 博士学位论文 1第1章 绪 论 1.1 土工合成材料的应用和发展 土工合成材料是岩土工程应用的合成材料的总称。它以人工合成的聚合物，如塑料、化纤、合成橡胶等为原料，按功能要求特制，具备良好的物理化学性能以及水工性能。在水利、水电、公路、铁路、建筑、港口、采矿、军工、环保以及各种地下、水下等许多工程中应用非常广泛，是继钢材、水泥、木材之后的第四大新型建筑材料1-5。 土工合成材料的应用和发展，与合成材料，如塑料、合成纤维和合成橡胶等的发展密不可分。 1870 年 W. John 和 I .S. Hyatt 发明了硝化纤维塑料， 1908 年 Leo Baekeland 研制了酚醛塑料，到 20 世纪 30 年代，聚氯乙烯、低密度聚乙烯、聚酰胺相继问世。据 C. E. Staff 考证，大约在 20 世纪 30 年代末或 40 年代初，聚氯乙烯薄膜首先用于游泳池的防渗，这是合成材料应用于土工建筑的最早的时间。而大量塑料防渗薄膜的应用则始于 50 年代美国和原苏联等一些国家的灌溉工程中。1958 年 R. J. Barrett 在美国佛罗里达州利用聚氯乙烯织物作为海岸块石护坡的垫层，一般认为是应用现代土工织物的开端2；基本在同一时期，Terzaghi，K.在加拿大 Mission 水坝 (今 Terzaghi 水坝) 使用滤层织物（即今的土工织物）以及防渗垫层（今土工膜） ，开创了复合垫层的先河，Koerner，R.M.认为这两种应用将传统的土工合成材料提早二十年3,4。60 年代的土工织物主要为机织型，由于强度具有很大的方向性，价格也较高，很大程度上限制了土工织物的功能和应用范围。60 年代末期的非织造型织物克服了强度的方向性，也基于纺粘法制造工艺的推广应用， 强度明显提高， 成本大幅度降低， 扩大了合成材料的应用范围。 19681970 年，相继用于法国和英国的无路面道路、德国的护岸工程、法国 Valcros 土坝的下游排水反滤和上游护坡垫层以及德国的一座隧洞5。 80 年代土工合成材料迅猛发展， 土工合成材料品种逐渐增多， 土工网、 格栅、席垫、条带、拉杆、模袋、输水管道、纤维丝，各种成型的塑料板，以及由两种以上的材料组合而成的复合型材料等相继问世。新材料不断涌现，1979 年，英国F. S. Mercer 发明的土工格栅具有很高的强度和模量6；1982 年，E. Leflaive 把合成纤维长丝或短丝利用特制的机械均匀地掺混在土中，形成一种复合材料-纤维土；1987 年 P. R. Rankilor 和 S. Raz 介绍的定向结构织物是把较高强度的纤维丝，沿预定方向排列的化纤织物， 能够满足不同工程的需要， 被称为第三代土工织物； Nettleton (1998)还描述了“电动土工合成材料”的概念，如活性碳纤维、渗透性加筋路堤变形特性和剪切屈服区分析 2聚合物以及金属纤维，它们可以通过电渗、离子移动和电泳调整加筋区域的细粒土, 目前正处于研究和实验阶段3。这些新型材料的出现，有力推进了土工合成材料的应用。 90 年代，是土工合成材料的设计模型和特性试验研究的大力发展时期，不同种类的土工合成材料和不同的结构相结合，能满足防渗、过滤、排水、隔离、防护和加筋等功能，应用几乎涉及土木工程的各个领域。经过三十年的发展，土工合成材料已成为应用非常广泛，发展增长最快的工程材料之一，图 1.1 的北美洲土工合成材料应用情况统计可窥见一斑，1998 年其应用规模达到约 2.5 亿美元，土工合成材料已经成为应用非常广泛的建筑材料7。 图 1.1 北美洲土工合成材料应用情况统计7 我国的土工合成材料应用开始于 60 年代中期灌溉工程的防渗， 1976 年在江苏省长江嘶马护岸工程中应用土工织物防止河岸冲刷。80 年代，编织布普遍应用于制造土、砂、石袋，土、石枕以及软弱地基加固。1981-1985 年，铁路部门应用无纺织物防止基床的翻浆冒泥；1984 年，云南的军用道路及江苏和吉林省的一些公路利用无纺织物提高路基强度，减小路基沉陷。到 80 年代末期，无纺织物已应用于七、八个省市的港口码头、高速公路、电厂厂房、飞机场、铁路等工程；其它类型的土工合成材料，如合成橡胶，塑料锚杆、塑料条带、泡沫塑料、塑料格栅等，也已在我国某些工程中应用5。 我国的土工合成材料的应用技术研究工作和有关的学会组织发展也非常迅猛。 1984 年成立了全国性的土工织物科技情报协作网， 1986 年改名为土工合成材料技术协作网，同年在天津召开了全国土工织物学术讨论会，1989 年在中国水力发电工程学会下成立了土工合成材料专业委员会，同年在沈阳召开了第二届全国土工合成材料学术讨论会，1990 年，在 J. P. Giroud 博士支持下，成立了国际土工合成材料学会中国委员会。1992 年在江苏仪征，1996 年在上海，2000 年在湖北宜昌分别召开了第三、四、五届全国土工合成材料学术会议8,9。应用研究也取得了不少成果，1999 年，交通部制订和颁发了土工合成材料应用技术规范博士学位论文 3(JTJ/T019-98)、 公路土工合成材料试验规程(JTJ/T060-98)、水利部制订和颁发了水利水电工程土工合成材料应用技术规范(SL/T225-98)、铁道部制订和颁发了铁路工程土工合成材料应用技术规范(TB10118-99)10-13。这对我国的土工合成材料技术的推广应用起到强有力的推动作用。 土工合成材料种类繁多，1977 年 J. P. Giroud 与 J. Perfetti 首先将其土工合成材料分为土工织物(Geotextile)和土工膜（Geomembrane）两类，分别代表透水和不透水合成材料1-3， 随着工程中透水和不透水材料的联合应用以及合成材料产品种类大量涌现，已经超出了“织物”和“膜”的范畴。1983 年 J. P. Giroud 和 R.G. Caroll 提出了土工织物及相关产品的分类体系，把土工织物分为四类：编织物、机织物、无纺织物以及复合织物；相关产品分为六类：条带织物、土工垫、土工网、土工格栅、泡沫塑料和复合材料，显然这一分类并未能纳入土工膜，用土工织物也不确切。1983 年 J. E. F1uet 建议使用“土工合成材料(Geosynthetics)”一词来概括各种类型的材料1-3；我国土工合成材料工程应用手册将土工合成材料分为四大类：土工织物、土工膜、特种土工合成材料和复合型土工合成材料。特种土工合成材料包括：土工格栅、土工网、土工垫、土工格室、土工模袋、土工泡沫塑料等；复合型土工合成材料是由上述各种材料复合而成，如复合土工膜、土工复合排水材料等。此外，土工合成材料还可作为土体的掺合料，改良土的性质，如在砂中掺入合成纤维，形成纤维土等。2 土工合成材料在土木工程中，具备多种功能，很多学者曾提出了不同的功能分类，Koerner，R. M.将土工合成材料的功能分为 17 种3。我国则将土工合成材料的功能概括为六种基本功能：过滤作用、排水作用、隔离作用、加筋作用、防渗作用以及防护作用。土工合成材料在一项工程中可以同时具备多种功能，应以其主要功能作为控制指标设计。 1.2 土工合成材料加筋土 1.2.1 古代加筋土 岩土材料具有一定的抗压和抗剪强度，但其抗拉强度却很低，在土内掺入或铺设适当的抗拉材料，可以不同程度地改善土体的强度与变形特性。这一感性认识早为古人所知晓，并在实践中应用，是人类早期的土的“加筋”概念。 以天然植物作为岩土工程材料，已经有几千年的历史。在中国，远在新石器时代，就有用茅草作为土的加筋材料的记载。陕西半坡村的仰韶遗址存在草泥修筑的墙壁和屋顶，距今约有五、六千年； 汉书记载了长城的修筑： “非皆以土垣也，或因山岩石，木柴僵落，溪谷水门，稍稍平之。 ”在玉门一带，仍有用砂，砾石和红柳或芦苇压叠而成的汉长城遗址2。 加筋路堤变形特性和剪切屈服区分析 4在国外，公元前 3000 年以前，英国人曾在沼泽地带用木排修筑道路；公元前2500 年，古罗马人用编织的芦苇在软基上筑路；公元前 2000 至 1000 年，巴比伦人在土中加筋修筑庙塔；到 20 世纪二三十年代，美国还试用棉织品加强路面；第二次世界大战中，英国曾在路基上铺放梢辊和帆布，以便装甲车通过1,3。 这种利用天然纤维，天然植物在土中加筋的建筑方法，一直沿用至今，但完全依靠经验，并未形成系统的理论。 1.2.2 土工合成材料加筋土 现代加筋理论是伴随金属材料作为土的加筋材料发展起来的，20 世纪初，美国利用金属构件分层加固了一座土坝的下游坝坡，而 1963 年，法国建筑工程师Henri Vidal 提出的加筋土概念和加筋理论则是公认的现代加筋理论诞生标志1。 1960 年，Henri Vidal 用试验研究掺有纤维材料的土的强度，首次提出了加筋土的概念。1963 年，提出加筋土的设计理论。1965 年，法国用加筋土技术构筑了Pragnieres 挡土墙，1968-69 年，又在 Nice 附近的不稳定边坡上，建造了一个包括10 个挡土墙的加筋结构，获得成功。1969 年，Chaussees 试验室用铝箔圆盘作筋材，进行了一系列加筋砂土试件的三轴试验，研究加筋土参数对加筋土特性的影响，Young（1972） 、Lareal 和 Bacot（1973） 、Haussmann（1976） 、Schlosser,F.（1974）以及 Romstad（1978）等进行了类似的试验, 对金属加筋土的机理的完善和发展作了重要贡献。同时，从 1968 年，大约 20 个足尺模型试验在不同的国家实施，得到了大量的数据，从而提出了第一个加筋土设计方法，经过 30 年的发展，加筋开辟了一个改良加固土的重要领域1。 利用合成材料作为土的加筋材料，始于 20 世纪 70 年代初期，最早是 The U. S. Army Corps. of Engineers 用高强度土工织物在路基加筋，减小路基沉降；荷兰人也是较早使用了这项技术的国家3， 但在 70 年代， 土工合成材料加筋还不普遍，直到进入 80 年代，随着土工合成材料的应用和发展，尤其高强度材料的发展，土工合成材料作为加筋材料才迅速推广。初期多用于散粒状土，如砂、砂砾石，粉质土等，现已应用于粘性土；加筋材料初期多为土工织物，而土工格栅等新型土工合成材料的应用发展很快，纤维土在一些国家也已兴起，据 1990 年统计，法国已修建纤维土工程 80 多座；到 1994 年，国外建成的土工合成材料加筋挡墙已超过 12000 座3，加筋成为土工合成材料的重要功能。 与金属材料加筋结构相比