土工格栅减小路堤支挡结构土压力的理论分析

作用在以往的路堤支挡结构物,如挡土墙、桩板墙等上的土压力,设计时一般采用主动库伦土压力或将其乘以一个大于1的增大系数[1]。但当其悬臂段高度太大(如超过12m)时,土压力很大,结构物尺寸大,不经济甚至技术上不可行。为了拓展其使用范围,本文根据加筋土的启示,来探讨在填料中铺设土工格栅以减小土压力的工程技术,下面进行论述。实际上,在填料中铺设土工格栅以减小土压力的设想是源于自然界的植物根系的加筋作用的原EndoandTsuruta(1969)在野外进行了大体积带有桤木树根的土体直剪实验,Ziemer(1981)在野外原地进行了大体积带有松木树根的土体直剪实验。的实验证明:单位体积土体中每增加一公斤树根,土体抗剪强度平均增加3.5kPa。这个数字有助于大致估计树根对土体抗剪强度的贡献量。只要通过实验确定了单位土体中单位重量的某种树根对土体强度的贡献,就可以根据某种树根的强度和土体中树根的含量,计算出土体抗剪强度增加量。与自然界的植物根系的加筋作用很相似,在填土中铺设土工格栅,同样可以提高土体的抗剪强度。但目前尚缺少相应的成熟的计算方法。
保华富[2]对土工格栅加筋碎石土的强度和变形特性进行了试验、分析,认为土工格栅可提高土体的刚度,约束土体的变形,从而减小土体对挡土墙的土压力,特别是当填料为不易风化的硬质填料时,效果更为显著。因此,对路堤支挡结构物当铺设土工格栅时建议采用强度较高且不易风化的硬质填料。
根据工程界迄今为止的研究成果,加筋土中筋—土相互作用减少土压力的基本原理通常可分为两类概念,第一种是准粘聚力原理,第二种是摩擦加筋原理。准粘聚力原理是将加筋土看作各向异性的复合材料,拉筋的弹性模量远大于填土的弹性模量,拉筋与填土共同工作,包括填土的抗剪力、填土与拉筋的摩阻力和拉筋的抗拉力的共同作用,使得加筋土的抗剪强度明显提高。
摩擦加筋原理是将土体作用在墙背上的土压力通过筋土间的摩擦力由锚固区内的筋土锚固力来抵消。该原理忽略了筋带在力作用下的变形,也未考虑土是非连续介质、具有各向异性的特点,对加筋材料本身模量较小、相对变形较大的合成材料,其结果是近似的。
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