在对有关文献资料分析的基础上,结合湖南省科委研究项目《土工合成材料加筋土的机理及其应用研究》,利用加筋土室内模型试验和实体工程观测资料,采用有限元法分析,研究了土工合成材料加筋土的强度和变形特性,加筋地基沉降计算方法,加筋路堤的变形特性、剪切屈服区特性和破坏模式。具体进行了以下几个方面的工作: (1)选取工程现场的红砂岩风化土作为土样,两种不同的土工合成材料作为筋材分别制备加筋土试件,进行加筋土固结排水和不固结不排水三轴试验,研究不同工况下加筋土的强度和变形特性。研究参数包括加筋层数、筋材模量、土体压实度、试验围压、饱和度以及排水条件等。 试验表明,在固结排水条件下,土工合成材料加筋提高了土体的强度和延性,改善了土体的应力-应变特性,且随加筋层数和筋材拉伸模量提高,加筋效果增大。加筋对试件的剪胀抑制作用明显,而对剪缩影响相对较小,因此,对于不同压实度的土体,由于土体体变特性不同,加筋在剪切过程中发挥的作用以及加筋效果不同。 在不排水试验中,由于剪切过程中存在较大的超孔隙水压力,剪切初期,筋材作用几乎被超孔隙水压力抵消,加筋甚至起负作用,加筋试件的强度低于素土试件。在较大应变时,加筋对抗剪强度仍有轻微的增强作用,主要是筋材对剪切滑移带运动过程的抵抗。与排水条件下的试验结果相比,在不排水条件下,筋材模量和加筋层数对加筋效果的影响不明显,因此,考虑土体排水畅通,消散孔隙水压力,对于发挥加筋增强土体强度的作用,改善土体应力应变特性至为关键,排水条件当为首要影响因素。 (2)建立了加筋路堤的有限元计算模型,编制了有限元计算程序,合理模拟筋材与土体间力的传递,该程序先后用于107国道株洲段和湖南宁横公路12座加筋桥头路堤沉降和侧向位移的计算,与沉降观测结果吻合良好。可以用于加筋路堤的沉降计算和应力分析。本文分析了加筋长度、加筋密度和加筋型式对加筋效果的影响,提出了加筋路堤的加固机理、减小路堤差异沉降的机理。 结果表明,加筋后,路堤内土体应力发生重分布,土体单元竖向应力和水平应力减小,土体的抗剪强度有效发挥,加筋体受力状态得到改善,抵抗变形和拉裂的能力得到增强,能够承受更大的荷载作用。加筋桥头路堤可以明显减小差异沉降,将桥背路堤与桥头交界处的台阶式跳车沉降转变为连续的斜坡式沉降,可作为公路工程处理差异沉降的有效方法。