青岛疏港铁路加筋土挡墙试验探讨

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论文字数:47885 论文编号:sb2021091121350338059 日期:2021-09-16 来源:硕博论文网
本文通过对现场施工要点及现场监测数据的分析,结合有限元方法对得出一些有实际工程意义的结论。对加筋土挡墙设施工建设和设计检验提供了经验,但是并不完善仍需进一步研究和改进。 (1)加筋土挡墙筋土之间作用机理较为复杂,实际工程中对浇筑完成后墙面侧向土压力、墙体水平位移计算等仍需进行进一步研究。

第一章  绪论

1.1  前言
加筋土技术为人类服务由来已久,对“息壤”这种传说中的岩土材料进行了考据,传说中的“息壤”古代先人们利用草、木、竹、石、土按一定的经验配比创造出了加筋土,用以拦截阻挡洪水[1]。在古代筑造土墙时,也会在土中掺加茅草,用以提高强度[2]。以上说明加筋土技术早已应用在水利工程与建筑工程中,但由于没有成熟的理论支撑及技术总结,并且以天然植物作为筋材,其强度及耐久性难以保证。加筋土技术本质是以筋材加固土体,提高土体抗剪强度,实现筋-土体结构自稳的方法。在加筋土技术发展上,一直是实践经验先于理论分析。直到 20 世纪 60 年代 Vidal 发现了纤维材料渗入土体中,土体强度得到显著的提升[3]。Vidal 对加筋机理进行了分析,在 1965 年以锻镍钢条为筋材在比利牛斯山建成了世界上第一座加筋土挡墙[4]。
与传统挡土墙相比其具备以下几方面的优点[5]:
(1)施工工艺简单、周期短,对施工机具设备要求较低; (2)节约用地,可修建成很高的垂直墙体; (3)对地基承载力要求较低,适应性良好; (4)加筋土挡墙是柔性结构,可抵抗大变形,具备良好的抗震性能; (5)工程造价低,一般可以节约 30%以上的投资且墙高越高投资节约越高; (6)整体圬工量少,绿色环保。
加筋土挡墙因其优越性在世界各地推广应用。我国在七十年代中期对加筋土技术进行了引进及研究,1979 年在云南田坝贮煤场修成第一座加筋土挡墙,并于 1980 年在淮南铁路枢纽建成了铁路第一座加筋土挡墙,同年在山西陵川公路改造段建成了第一座公路工程加筋土挡墙[6]。在我国加筋挡墙技术在公路领域应用最为广泛,经过 40 多年积累的实际工程经验、试验研究、理论分析,我国已建成了很多公路加筋土挡墙。在成功应用的同时也伴随着一些病害问题,例如加筋土挡墙局部破坏,变形过大超过规范允许值等问题。
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1.2  加筋土挡墙研究现状
加筋土技术实践先于理论。为对加筋土挡墙进行研究分析,国内外专家学者分别从室内与现场试验、理论研究、数值模拟展开研究,做了大量工作,得出了许多成果。但对筋-土结构机理及设计理论等方面研究仍需完善。
1.2.1  加筋土挡墙试验研究现状
加筋土挡墙室内试验主要有两种研究方法,第一种是对加筋结构的直剪实验和筋材拉拔试验,第二种是通过室内足尺模型或离心模型模拟实际工程。室内试验都是以模拟实际工况为目的,通过进行相关室内试验,使理论研究向现场试验过渡。加筋土挡墙现场是通过现场实测值与其相对应理论允许值对比,最直接反映加筋土挡墙是否稳定的方法。室内与现场试验研究成果可以指导施工,并根据室内与现场的试验结果完善设计。
1.2.1.1   加筋土挡墙室内试验研究现状
Choudhary[10]通过直剪试验和拉拔试验,研究了不同类型填料与筋材的界面特性,土粒的粒径大小对土工合成材料界面摩擦角有重要影响。对于材料的范围,土体的平均土壤粒径越大筋土界面阻力也越大。土工格栅比土工织物和非织造布土工布都有更大的抗拔力,这是由于土工格栅材料网格的被动阻力引起的。
丁金华等[11]在原土-土工合成材料界面直剪试验仪的基础上,研制了新型的土工合成材料多功能试验机,采用不同类型筋材与砂土进行直剪试验,结果表明格栅型式和结构不同,格栅网格对土颗粒的嵌固作用大小也不同,这种嵌固作用近似土体的黏聚力。筋土界面似摩擦角一般都低于土的内摩擦角。
徐林荣等[12-13]通过对格栅与膨胀土界面摩擦阻力系数进行了拉拔试验,建立了当量拉拔位移的概念,对上覆压力、土体含水量、土工格栅尺寸和拉拔速度这四种影响因素进行研究,研究发现当填料类型不同时,四种因素影响程度也不同。
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第二章  加筋土挡墙构造设计与结构稳定性计算

2.1  加筋土挡墙构造设计
加筋土挡墙的主要组成结构为加筋材料、墙体填土、面板、墙面基础与帽石等,如图 2-1 所示。此外还有帽石、沉降缝、防排水设施对加筋土挡墙进行防护。
加筋土挡墙墙面多种形式,其对应的构造形式不同,结构力学特性也有一定差异。
图 2-1  加筋土挡墙结构示意图
图 2-1  加筋土挡墙结构示意图 
2.1.1  加筋土挡墙面板形式
2.1.1.1   预制混凝土模块式墙面
面板形式:预制混凝土模块式墙面是由素混凝土模块错位码砌而成的墙面,如图 2-2~2-3 所示。尺寸一般高 30 cm,宽 20-40 cm,长 30 cm。上下模块之间通过凹槽和凸隼拼接在一起,有时为增加墙面整体刚度,还会在竖向在上下模块预留贯穿孔当模块码砌高度达到 1.2 m 左右穿入钢筋并灌浆,加强模块之间的联系,土工格栅与模块采用刚性连接方法例如:将格栅浇筑到模块中或使用连接件将格栅与模块锚固等。结构特点:土工格栅和模块连接牢靠不易脱落,适应差异沉降能力强,模块之间植筋可提高面板整体刚度,模块式面板与加筋体需同步施工,筋-土之间没有变形协调的过程,所以在后期墙体发生水平变形时,模块会承担很大侧向土压力,并且由于施工碾压影响等面板局部受力不均匀。
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2.2  加筋土挡墙结构稳定性计算
加筋土挡墙应同时满足外部和内部稳定性及整体稳定性的要求。因试验研究主要与加筋土挡墙外、内部稳定性有关,所以重点介绍外、内部稳定性与现场试验测试结果相关理论计算。
外部稳定性是将加筋复合体视为一个具有一定刚度的普通挡墙来计算理论墙背侧向土压力、基底垂直土压力。内部稳定性要求对筋材拉力和抗拔稳定性计算、加筋复合体潜在滑裂面的预测。对整体稳定性计算进行了滑移面进行了归纳。 除以上项目还应对外部稳定性进行抗滑稳定性和抗倾覆稳定性及基底合力偏心距的计算,内部稳定性还应进行有不同荷载情况下筋材强度计算并选择合适的筋材类型和筋材间距。
2.2.1  外部稳定性计算
2.2.1.1   墙背侧向土压力计算
墙背侧向土压力是墙面板限制土体侧向变形所承担的水平土压力,侧向土压力在墙面面板为刚性面板时采用主动土压力进行计算,国内外针对墙背侧向土压力系数有不同的计算方法,以库伦土压力理论或朗肯土压力理论进行计算,铁路工程也给出对不同墙高的的墙背侧向土压力计算方法。
关于筋材拉力的计算方法,目前正应力均匀分布法应用最为多,我国以及日本都是通过这种方法计算筋材拉力。正应力梅氏分布法、剪胀区法,库仑合力法和合力矩法两种方法。下面将重点介绍应用于我国公路铁路规范的正应力均匀分布法和理论研究的库伦合力法。
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第三章   刚性面板包裹式加筋土挡墙现场试验分析 ......................... 26
3.1   工程概况 .................................. 26
3.2   现场试验方案 ....................................... 26
第四章   基于 PLAXIS 的刚性墙面包裹式加筋土挡墙数值模拟 ........................ 49
4.1   概述 ......................................... 49
4.2   数值模型建立 ............................... 49
第五章   施工关键技术与控制方法 ................................. 71
5.1   现场施工要点 ......................................... 71
5.2   现场路基压实度快速检测技术 ........................... 78

第五章  施工关键技术与控制方法

5.1  现场施工要点
5.1.1  土工格栅铺设张拉与固定
在对地基进行处理结束后,铺设表面应与条形基础上表面处于同一高度,清除表面的杂物,铺设第一层土工格栅,土工格栅应绷紧铺平,铺设底面应平整密实,先用 U 形钉将格栅前端固定并预留出反包和与下一层格栅连接所需的长度(≥3 m),末端通过张拉器拉紧土工格栅,张拉器由紧绳器、拉力器和三角形筢子组成,如图 5-1 所示。
为保证土工格栅紧贴地面并沿垂直于墙面方向受力,在土工格栅末端进行张拉,将三角筢子钩住末端格栅横肋,通过后方可靠反力使用张拉器具拉紧格栅,此时观察拉力器读数,当拉力达到 100 kN 用 U 型钉将格栅末端固定。
铺设第二层格栅的时候,将预留的第一层格栅返包回来,包紧包裹体,铺设第二层格栅并预留返包长度并在格栅,如图 5-2 所示。
图 5-1  张拉器具  图 5-2  格栅之间的连
图 5-1  张拉器具  图 5-2  格栅之间的连接
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第六章  结论与展望

6.1  主要结论
本加筋土挡墙以青岛疏港铁路加筋土挡墙为依托,分别从现场监测数据进行分析,结合 plaxis 有限元软件对刚性墙面包裹式加筋土挡墙与模块式加筋土挡墙进行各项指标对比及运营期预测分析,总结出了现场施工要点与检测方法得到了以下结论:
(1)加筋土挡墙垂直土压力,实测值曲线呈“双峰值”和“单峰值”分布,近墙处与筋材末端垂直土压力较小,填筑高度越高格栅对垂直土压力的分散作用越强。填筑高度达到 2.4 m 后呈现增长速率放缓的趋势,每填筑 0.3 m,垂直土压力值增长 3 kPa,为 1/2 理论土压力值。竣工后垂直土压力沿筋材两端减小中部增大。从数值模拟中发现刚性墙面模型比模块式墙面模型垂直土压力小,运营期垂直土压力变化浮动小更加稳定。
(2)加筋土挡墙侧向土压力,实测值自墙顶向下 1.2 m 与库伦值相同,1.2 m范围外实测值与铁标值趋势相近,实测值整体小于铁标值与库伦值。竣工后侧向土压力值随时间推移减小,墙体底部减小明显。模拟中发现在墙体底部侧向土压力刚性墙面模型比模块式墙面模型更小,在运营预测中发现随时间推移刚性墙面模型侧向土压力变化更小。
(3)加筋土挡墙格栅应变,应变分布曲线与对应垂直土压力值耦合,实测值峰值应变都在 0.57%以内,推算轴力为 10.4 kN 安全可靠。竣工后应变变化稳定,受填土及地基沉降影响,应变减小。模拟刚性墙面模型筋材轴力大于模块式墙面模型,说明刚性墙面模型内的筋材使用效率更高。
(4)加筋土挡墙潜在破裂面实测确定应以考虑不计第一次碾压后的格栅最大应变值连线更加准确,竣工后,由于格栅应变峰值位置没有变化,破裂面保持不表。模拟中发现模拟值与理论值接近,与实测值两种破裂面相差较大,这是由于挡墙并不处于极限状态导致的。模拟运营预测分析刚性墙面模型在墙体部分不易滑裂,模块式墙面模型更倾向于在墙踵处滑动破坏,刚性墙面包裹式加筋土挡墙不易发生局部破裂,稳定性更强。
参考文献(略)

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