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加筋土技术越来越成为解决岩土工程领域所遇到的各种问题一个有效、实用和经济的手段。加筋土结构在边坡工程种有着广泛的应用范围,它极大地取代了传统的边坡支挡和修复技术。特别是反包式土工格栅或土工织物加筋土陡坡技术,由于其能够产生绿色边坡效果而与周边环境在美学上有较好的协调性,因而成为一项应用前景广泛的边坡加固和修复技术。
本论文研究的出发点在于用加筋土技术解决诸如采石场复绿、路基加宽等问题。这些问题的一个共同特点是填土范围受到已有稳定边坡的约束,传统土压力理论所论及的潜在滑移面不能充分形成,因而其稳定性分析方法与传统挡土结构不同。另一方面,由于加筋土结构是一个内在稳定系统,要保持其稳定性必需要求筋材有足够的强度、在垂直方向按一定间距铺设且在水平方向上要有足够的长度。对于有限填土范围加筋土结构,由于岩石或超固结土体距离拟施工的加筋土结构坡面较近,筋材中的拉应力在到达其末端时可能不能消散完毕,也即在筋材中存在残余拉应力,因而需要采取有效的结构措施来进一步扩散筋材中的残余拉应力,从而提高加筋土结构的稳定性。众所周知,锚杆技术是一项成熟的边坡加固技术,如果加筋土技术能与之联合则可以通过锚杆将筋材中的残余拉应力扩散到稳定的岩土体中,这无疑是解决这个问题的一个突破口。
论文首先回顾了加筋土与锚组合结构的研究现状、介绍了加筋土结构的基本原理和常规填土范围加筋土结构的稳定性分析方法。对于加筋土挡墙的稳定性分析方法主要介绍了DIBt法、GEO和FHWA法;而对于加筋土陡坡则重点介绍了双楔体法和对数螺旋曲线法。
然后分别论述了有限填土范围加筋挡墙和加筋土陡坡的稳定性分析方法。对于有限填土范围加筋挡墙,在进行其外部稳定性分析时按照滑移楔体平衡分析方法计算作用在加筋土体上的土压力;而在进行内部稳定性分析时,则建议采用Lawson(2004,2005)提出的郎肯主动土压力系数折减法计算作用在每一层筋材上的拉力。对于有限填土范围加筋陡坡,应同时开展圆弧滑移稳定性分析和平面滑移稳定性分析,前者用于确定加筋土陡坡的内部和整体稳定性,而后者则是用来确定其直接滑移稳定性。在进行圆弧滑移稳定性分析时,采用简化Bishop边坡稳定性圆弧条分法并将筋材的拉力贡献作为一个水平向分量计入到力矩平衡方程中来计算;而进行平移稳定性分析时,则采用基于Spencer法的双楔体方法进行计算。
为探寻加筋土与锚组合结构的机理,论文着重开展了加筋土陡坡与锚组合结构的模型计算研究。按照加筋土陡坡与原始边坡之间的组合关系,主要考察了二者坡面平行和前者坡面陡于后者的两种情况。在每一种组合下,按照不同的宽高比条件进行了稳定性分析。
同时计算分析了在提高筋材强度、减少筋材间距和增设锚杆这三种情况下加筋土陡坡稳定性的变化。结果表明:
(1)对于有限填土范围加筋土陡坡来说,其稳定性随着坡体宽高比的减小而降低。仅当宽高比较大且加筋区坡角和刚性区坡角差别较小时(例如平行)才可以通过采用较高抗拉强度的筋材或者减少其铺设间距来较大幅度地提高其稳定性。
(2)通过筋材与锚的组合作用可以较明显的提高有限填土范围加筋土陡坡的稳定性。但当宽高比较小时,其组合效应并不十分明显,除非采用较高强度的筋材。实际设计中为降低工程造价可以仅在锚杆所在位置采用强度较高的筋材。
在上述研究工作的基础上,论文探讨了加筋土与锚组合结构的作用机理,提出了加筋土与锚组合结构的设计和施工方法,包括设计过程、锚杆拉力的计算方法、筋材与锚杆的连接方法以及施工工艺等方面。
最后,论文开展了三个工程实例研究,论证了加筋土与锚组合结构的有效性和实用性。第一个工程实例是关于组合结构用于岩石边坡防护和复绿的工程,锚杆的安设减少了筋材布设的层数、提高了加筋土陡坡和岩层边坡的稳定性。所形成的绿色边坡经过两年多运行,没有发现失稳的迹象,表明这个方案是安全可靠且符合环境保护要求的。第二个工程实例是组合结构用于滑坡防治的工程,由于该边坡较高,宽高比也很小,稳定性验算结果表明仅在加筋土陡坡后面安设锚杆并不能从根本上提高其稳定性,但当锚杆延伸到坡面时,相当于利用锚杆将整个加筋土体锚固到其后岩体上,其稳定性系数最终达到了设计要求。这个例子很好地说明筋材与锚杆之间既相互独立又彼此配合协同工作的特点,前者保证了加筋土陡坡不会发生局部失稳破坏,后者则确保其整体稳定性。第三个工程实例是关于路基加宽工程的,这个工程在加筋土陡坡施工之前要将原有路基边坡由原来的坡比1:1.5切陡至l:0.75,安设锚杆在此时起到了临时支护的作用,最终筋材与锚杆的联合作用提高了拟加宽加筋土路基的整体稳定性。
总之,加筋土与锚的组合运用扩大了加筋土技术在岩土工程中的应用领域。
论文的主要创新点包括以下两个方面:
(1)提出了有限填土范围加筋土结构稳定性计算的方法;
(2)通过理论分析和模型计算充分论证了有限填土范围加筋土与锚组合结构的作用机理,提出了关于组合结构系统的设计方法。