CN105735074B - 加筋土体黏弹塑变形量测量方法、施工方法及张拉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加筋土体黏弹塑变形量测量方法、施工方法及张拉系统，预应变加筋土体黏弹塑变形量ε的计算公式为：本发明黏弹塑变形量的测量方法更加全面准确可靠地估计施工后预应变筋材总变形，保证对筋材进行张拉时筋材的初始变形适度，从而避免了因路堤的沉降变形所引起的筋材附加变形过大，防止筋材超过其容许应变而断裂失效；本发明的施工方法能科学地预防和减少高陡边坡大滑移等环境地质灾害的发生。

Description

加筋土体黏弹塑变形量测量方法、施工方法及张拉系统

技术领域

本发明涉及预应变加筋岩土体应力变形及损伤、弹性力学与塑性力学领域，特别是高填方路基设计、施工过程中预应变加筋土体复杂的黏弹塑总变形计算方法。

背景技术

预应变加筋法是近几十年来逐步发展起来的一门新的施工技术。预应变加筋法即在加筋土体承受外荷载前，张拉土工合成材料使其产生一定的变形量，借助土工合成材料的弹性回缩，预先在加筋土体的受拉区对界面施加预压力，这种压力通常称为预应力。一方面，加筋土体在外部荷载作用下产生拉应力，需要抵消这种拉应力，推迟上覆土体裂缝的产生，限制了裂缝的发展；另一方面，预应变土工合成材料的弹性回缩，提高了土体的密实度，使土体的整体性能更好，从而增加了土体的弹性变形，减小了土体的粘性变形，推迟并抑制了土体的塑性变形，最终提高了加筋土体的稳定性。但是，目前国内外有关这种预应变加筋的施工方法，更多的停留在机理研究阶段，施工工艺还处于室内模型试验及仿真阶段。

由于土工合成材料加筋土体受力特性很复杂，目前国内外关于这方面的研究理论一直停留在弹塑性阶段，没有考虑土体及土工合成加筋材料的黏性变形，因此，研究结果可靠性不高，且无法保证施工后加筋土体最终变形量估算的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种预应变加筋土体黏弹塑变形量的测量方法及施工方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种预应变加筋土体黏弹塑变形量的测量方法，预应变加筋土体的黏弹塑变形量ε的计算公式为：

其中：E₁、E₂、E₃分别对应弹性阶段、黏性阶段及塑性阶段预应变加筋土体的弹性模量；ε₁、ε₂、ε₃分别对应弹性阶段、黏性阶段及塑性阶段预应变加筋土体的应变量；σ₀为预应变加筋土体的初始应力；σ_s为预应变加筋土体进入塑性阶段的应力；η₂、η₃分别对应黏性阶段及塑性阶段预应变加筋土体的黏性系数；t为预应变加筋土体从初始状态变形到塑性阶段的总时间。

本发明还提供了一种加筋土路基施工方法，包括以下步骤：

1)根据路基各分层对应的宽度B_i、分层高度H_i及反包长度L，准备合适长度的土工合成材料，准备长度不小于B_i+2H_i+2L的土工合成材料；

2)确定土工合成材料初始预应变Δε_i'，并利用权利要求1所述公式确定施工后预应变加筋土体的黏弹塑变形量ε：对于土工网，Δε_i'取值范围为6.29％～7.459％；对于土工格栅，Δε_i'取值范围为2.43％～3.759％；且Δε_i'+ε不超过所述土工合成材料的弹性应变容许值；

3)从下往上，待第i层土体的下面一分层，即第i-1层土体施工完后，在第i-1层土体的上表面安装张拉设备，采用先张法对土工合成材料进行一端或两端张拉，张拉伸长量为Δε_i'+ε，张拉到位后固定张拉设备；

4)摊铺第i层土体并压实到设计高度；

5)撤除张拉设备，并按规范要求进行反包；

6)借助土工合成材料放张之后的弹性回缩，使第i层土体自然形成一定的路拱；

7)重复步骤1)～6),对路基的其余分层进行处理。

本发明还提供了一种土工合成材料张拉系统，包括固定在土工合成材料两侧的夹紧装置；至少一个夹紧装置内侧设有用于防止该夹紧装置朝受力方向移动的紧固件；至少一个夹紧装置与设置在该夹紧装置外侧的张拉设备连接；所述张拉设备对所述土工合成材料的张拉伸长量为Δε_i'+ε；其中ε为预应变加筋土体的黏弹塑变形量：对于土工网，Δε_i'取值范围为6.29％～7.459％；对于土工格栅，Δε_i'取值范围为2.43％～3.759％；且Δε_i'+ε不超过所述土工合成材料的弹性应变容许值。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明黏弹塑变形量的测量方法更加全面、更加准确可靠地估计施工后预应变筋材总变形；本发明的施工方法能保证对筋材进行张拉时筋材的变形适度，从而避免了因路堤的沉降变形所引起的筋材附加变形过大，防止筋材超过其容许应变而断裂失效，科学地预防和减少高陡边坡大滑移等环境地质灾害的发生；借助筋材放张之后的弹性回缩，使上覆土层自然形成一定的路拱，便于施工过程中的路基表面排水；本发明的张拉系统结构简单，将张拉伸长量设定在合理的区间，防止筋材超过其容许应变而断裂失效。

附图说明

图1为本发明预应变加筋路堤施工工艺流程示意图；

图2为本发明张拉系统示意图；

图3为本发明黏弹塑性流变模型示意图；

图4为各观测点土体侧向变形的理论值与实测值对比；

图5为各观测点土体竖向变形的理论值与实测值对比；

图6为各观测点周围土体变形的理论值与实测值对比。

具体实施方式

本发明施工方法包括如下步骤：

1)根据路基各分层对应的宽度B_i、分层高度H_i及反包长度(L，按规范要求取值不小于1.5m)，对土工合成材料进行下料，即准备合适长度(不小于B_i+2H_i+2L)的土工合成材料(如图1)；

2)确定土工合成材料初始预应变Δε_i'及施工后黏弹塑状态下的预应变加筋土体(由土工合成材料和土体混合而成)的变形量ε；

其中，对于土工网，Δε_i'取值范围为6.29％～7.459％；对于土工格栅，Δε_i'取值范围为2.43％～3.759％；ε按依据本发明中的公式(24)取值。二者之和(Δε_i'+ε)不能超过所选筋材(即土工合成材料)的弹性应变容许值，防止筋材因总变形超过其容许应变而导致断裂失效；

3)在第i层土体3上表面安装张拉设备，采用先张法一端或二端张拉土工合成材料，张拉伸长量为Δε_i'+ε，张拉到位(张拉设备的应变仪可以确定张拉是否到位)后仍需固定张拉设备一段时间，得到已张拉的土工筋材2；

4)摊铺第i层土体并压实到设计高度；

5)放张，并按规范要求进行反包；

6)借助土工合成材料放张之后的弹性回缩，使第i层土体自然形成一定的路拱，便于施工工程中的路基表面排水；即得到已施工完成的预应变加筋土层1；

7)对于第i层土体之上的分层，其施工过程重复步骤1)～6)。

本发明的张力系统如图2所示，其包括固定在土工合成材料8两侧的用于夹紧土工合成材料的钢管5；其中一个钢管5内侧设有用于防止该钢管朝受力方向移动的紧固件6(本发明的紧固件可以采用土钉或者木桩)；另外一个钢管与设置在该钢管外侧的张拉设备4连接；张拉设备对所述土工合成材料的张拉伸长量为Δε_i'+ε；其中ε为预应变加筋土体黏弹塑变形量：对于土工网，Δε_i'取值范围为6.29％～7.459％；对于土工格栅，Δε_i'取值范围为2.43％～3.759％；且Δε_i'+ε不超过所述土工合成材料的弹性应变容许值；张拉设备4上安装有用于测定土工合成材料是否张拉到位的应变仪7。

如图2，借助张拉机或手动葫芦法进行张拉。对于先张法，待第i-1层土体压实后便可撤去土钉或木桩，然后将第i-1层土体半反包到第i层土体的底部，最终形成预应变加筋土。

本发明预应变加筋土体黏弹塑变形量ε的计算方法如下：

1)加筋土初期的黏弹性变形

加筋土体是宏观均匀的各向异性复合材料，从而可将加筋土体看成理想的弹塑性材料，筋材为黏弹性材料。当加筋土体处于弹性阶段时，基于加筋土的受力特性按三参数黏弹性模型来研究。

三参数模型的总应力为：

σ＝σ₁+σ₂ (1)

其中，σ₁为加筋土体的初始弹性应力；σ₂为加筋土体的初始黏弹性应力。

总应变为：

ε＝ε₁+ε₂ (2)

通过Laplace(拉普拉斯)变换，应力应变关系式为

式中E₁、E₂为弹性模量；ηs为粘性系数。

将式(3)和式(4)代入式(5)，得

逆变换后，得

上式两端除以(E₁+E₂)，得到

式中：

令σ＝σ₀Δ(t)，则有

对式(14)进行Laplace变换，并利用上式可得

从而得到

代入即得

公式(11)中，T为加筋土体塑性到达的时间。

上式(11)即为加筋土体黏弹性模型。

2)加筋土黏弹塑性变形

随着外部荷载作用时间的进一步增大至T之后，加筋土体开始向黏弹塑性阶段转变。针对加筋土的力学特点，本发明沿用六参数法来进一步研究加筋土的黏弹塑特性。基于St.Venant流变模型(即由Hooke弹性体、Kelvin黏弹性体及Bingham粘塑性体串联而成)，并在此基础上将Bingham粘塑性体改进为黏弹塑性体，便得到加筋土黏弹塑性流变模型，如图3所示，对应的总应变：

ε＝ε₁+ε₂+ε₃ (12)

首先求加筋土体到达塑性状态所需要的时间T，根据Mohr-Coulomb准则，按下式确定：

当考虑σ_z和σ_x ^s为主应力时，

故即当σ_x ^s＝φ时，土体开始进入塑性状态，由方程：

及

可解得

当t≥T，加筋土体进入塑性阶段，其应力表现为恒力，其变形表现为蠕变特性。

在施加常应力σ＝σ₀作用下，蠕变大小可推导为：

令σ_s＝φ，则在塑性阶段有:

则加筋土体黏弹塑本构模型为：

为简化计算，假设从进入塑性阶段开始计时，即当t＝0时，应力σ＝σ₀>σ_s，同时保持σ不变，则有：

求解得：

同时可得到：

将公式(21)、(22)、(23)求和，得到：

本发明关于预应变加筋土黏弹塑变形的计算方法(公式(24))具有全面、准确等一系列优点,通车后的加筋土路基在车辆的反复碾压下具有黏弹塑性材料的全部特征,因此，可利用黏弹塑性计算方法来指导预应变加筋土体的施工工艺，确保其科学合理性。

将土工合成材料看作一种粘弹性材料，视土体为弹塑性材料，基于粘弹性和粘弹塑特性，借助有限元分别建立并对比分析这二种具有代表性的加筋土体本构模型。根据填筑过程与筋材布置方式建立高填方路堤加筋土有限元计算模型，土体采用四节点等参单元模拟，土工网采用杆单元模拟，在填土与筋材之间设置界面单元。加筋土底部为铰支座，路堤中央土体的边界采用水平约束条件，路堤外侧和土侧的边界为自由边界条件。

以湖南省常德至吉首高速公路红砂岩填料为研究对象，其液限与塑限分别为w_L＝31％与w_P＝17％，塑性指数为I_p＝14，重度为γ＝18.91kN/m³，天然含水量为w＝4.7％，干容重为γ_d＝21.7kN/m³，泊松比μ＝0.35。

借助有限元理论，以离心模型试验获得的实测值为衡量标准，对加筋土粘弹性模型和粘弹塑模型进行定性的对比，从而揭示哪一种模型理论值的变化趋势更接近实测值。为此，通过基于Levenberg－Marqurdt和全局优化问题的最优化求解理论来求解其模型参数。

运用上述最优化求解过程最后得到模型参数：E₁＝165kPa，E₂＝397kPa，E₃＝566kPa，η₂＝4954kPa·d，η₃＝1325kPa·d。第2、3、4层加筋土体的屈服强度分别为σ_s2＝77.32kPa，σ_s3＝51.54kPa，σ_s4＝25.80kPa。

①各观测点土体侧向变形的理论值与实测值求解误差如表1。

表1土体侧向变形模型参数求解误差

②各观测点土体竖向变形的理论值与实测值求解误差如表2。

表2土体竖向变形模型参数求解误差

③各观测点周围土体变形理论值与实测值求解误差如表3。

表3各观测点周围土体变形模型参数求解误差

基于上述二次开发并运用有限元理论，得到加筋土理论计算与实测结果的对比曲线，如图4～图6所示。

从表1～表3及图4-图6可知，同实测值相比，粘弹塑模型及粘弹性模型所得到的理论值均不同程度的存在误差，但总体来看，粘弹塑模型的理论值对比实测值，在误差及一致性方面明显比粘弹性模型要好，由此说明粘弹塑模型更能反映加筋土的力学特性和变形特点。

Claims (4)

1.一种加筋土路基施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据路基各分层对应的宽度B_i、分层高度H_i及反包长度L，准备长度不小于B_i+2H_i+2L的土工合成材料；

2)确定土工合成材料初始预应变Δε′_i，并利用下式确定施工后预应变加筋土体的黏弹塑变形量ε：；其中：E₁、E₂、E₃分别对应弹性阶段、黏性阶段及塑性阶段预应变加筋土体的弹性模量；ε₁、ε₂、ε₃分别对应弹性阶段、黏性阶段及塑性阶段预应变加筋土体的应变量；σ₀为预应变加筋土体的初始应力；σ_s为预应变加筋土体进入塑性阶段的应力；η₂、η₃分别对应黏性阶段及塑性阶段预应变加筋土体的黏性系数；t为预应变加筋土体从初始状态变形到塑性阶段的总时间；对于土工网，Δε′_i取值范围为6.29％～7.459％；对于土工格栅，Δε′_i取值范围为2.43％～3.759％；且Δε′_i+ε不超过所述土工合成材料的弹性应变容许值；

3)从下往上，待第i层土体的下面一分层，即第i-1层土体施工完后，在第i-1层土体的上表面安装张拉设备，采用先张法对土工合成材料进行一端或两端张拉，张拉伸长量为Δε′_i+ε，张拉到位后固定张拉设备；

4)摊铺第i层土体并压实到设计高度；

5)撤除张拉设备，并按规范要求进行反包；

6)借助土工合成材料放张之后的弹性回缩，使第i层土体自然形成一定的路拱；

7)重复步骤1)～6),对路基的其余分层进行处理。

2.根据权利要求1所述的加筋土路基施工方法，其特征在于，L取值不小于1.5m。

3.一种土工合成材料张拉系统，其特征在于，包括固定在土工合成材料两侧的夹紧装置；至少一个夹紧装置内侧设有用于防止该夹紧装置朝受力方向移动的紧固件；至少一个夹紧装置与设置在该夹紧装置外侧的张拉设备连接；所述张拉设备对所述土工合成材料的张拉伸长量为Δε′_i+ε；其中ε为施工后预应变加筋土体的黏弹塑变形量：其中：E₁、E₂、E₃分别对应弹性阶段、黏性阶段及塑性阶段预应变加筋土体的弹性模量；ε₁、ε₂、ε₃分别对应弹性阶段、黏性阶段及塑性阶段预应变加筋土体的应变量；σ₀为预应变加筋土体的初始应力；σ_s为预应变加筋土体进入塑性阶段的应力；η₂、η₃分别对应黏性阶段及塑性阶段预应变加筋土体的黏性系数；t为预应变加筋土体从初始状态变形到塑性阶段的总时间；对于土工网，Δε′_i取值范围为6.29％～7.459％；对于土工格栅，Δε′_i取值范围为2.43％～3.759％；且Δε′_i+ε不超过所述土工合成材料的弹性应变容许值。

4.根据权利要求3所述的土工合成材料张拉系统，其特征在于，所述张拉设备上安装有用于测定所述土工合成材料是否张拉到位的应变仪。