论文部分内容阅读
中图分类号：TU755文献标识码：A 文章编号：
摘要：对目前加筋土的设计理论进行了简要的介绍，并对其特点进行了一定的分析对比，为加筋土工程设计方法的进一步研究提供铺垫。指出了当前加筋土设计理论还有待发展，需要广大岩土工作者们共同努力开创新的局面。
关键词：加筋土，极限平衡，极限状态，有限元，颗粒流，对比
Abstract: at present the design theory of reinforced were briefly reviewed in this paper, and its characteristics of certain, by comparing reinforced for engineering design methods of further research to provide matting. Points out the design theory of reinforced remains to be development, need the geotechnical workers common efforts to create a new situation.
Keywords: reinforced, the limit equilibrium, limit state, finite element, particle flow, contrast
引言
自20世纪60年代法国工程师Henry Vidal开创了“加筋土”(reinforced earth)技术以来，加筋土技术因其具有施工简单、工期短、造价低、适用性强等优点而迅速风靡全球。 我国1979年首次应用加筋土技术是在云南修建了一座高2m的储煤仓下挡土墙，随后逐步在公路、水运、铁路、矿山和水利工程中广泛应用，取得了可观的经济和社会效益。
1加筋土的概念
土体具有一定的抗压和抗剪强度，而抗拉强度极低，在土体内铺设或掺入适当的加筋材料，可以不同程度地改善土体的力学性能，就好比在素混凝土中埋设钢筋可以改善混凝土的抗拉、抗弯性能一样。
2加筋土设计方法
2.1极限平衡方法
极限平衡法的思路是:首先假定可能的破坏形式，然后在极限平衡分析中计入加筋的拉力对加筋土结构稳定性的贡献。极限平衡法主要是对加筋土工程进行稳定性验算．即分析计算整体结构内、外部稳定破坏所需的拉筋材料强度及应力分配。极限平衡法概念直观简单，能给出安全系数，计算方便，设计时仅考虑强度方面的参数，便于操作，是岩土工程的传统分析手段，也是现在加筋设计中应用最广的使用方法。但是由于极限平衡法需要对拉筋、土体、滑动面做出许多假定。加上人为隔离强度与变形，与实际情况差异较大，所以此法计算结果精度较低。故一一般将极限平衡法作为半经验半理论的方法。通过不断积累工程经验并进行试验研究、理论分析，辅以合理的修正，以更接近工程实际。
2.2极限状态法
在極限状态法中，一个特点是同时考虑强度和变形，即承载力极限状态和正常使用极限状态。另一个特点是引入风险系数，即分项系数，来代替整体安全系数。对于基于极限状态设计方法的加筋土结构而言，一是考虑了不同极限状态下各种材料之间的应变兼容性，二是可以考虑内外部环境对材料耐久性的影响。因此，引入了临界极限状态分析、功能极限状态分析以及分项修正系数PF(PartialFactors)的概念，是极限状态法的核心思想。
在极限平衡设计方法中，直接以土的峰值强度(或残余强度)为指标，给定一个保证结构不发生破坏的总体安全系数，很少甚至没有考虑结构的变形。而对于广泛应用的加筋土结构而言，如果在设计中不考虑其变形明显是不够合理的。
2.3数值模拟方法
随着计算机技术的发展，数值计算方法越来越成为工程技术领域的一个重要研究手段。其理论主要为有限元等，所用程序有ANSYS、Abaqus等大型商用软件.有限单元法主要包括两类：分离式方法和复合式方法。有限元分离式方法就是把土和筋材分开考虑。分别划分不同的单元。引入界面单元来模拟筋－土之间的相互作用。该方法思路清晰。便于理解。应用也最为广泛。然而，在建模时，至少要考虑土体、筋材、筋－土界面这三种本构关系，尤其在界面特性复杂的条件下，故而很难准确地建模分析。相反，有限元复合式方法是将加筋土视为一种复合材料加以整体分析，原则上，该法可简化分析过程，但其难点在于如何准确地确定复合材料的应力－应变关系等。
3.方法比较
极限平衡法是目前应用最广泛的方法。它的优点是能给出安全系数的指标；设计时仅需考虑强度方面的系数，计算工作量小；而且与素土边坡及挡墙的分析方法相近，易为工程界接受。但它偏于保守，易造成浪费；对筋材强度，许可变形等取值具有很大的任意性；所研究的是假想的极限平衡状态而不是实际工作状态；没有充分揭示土与织物的相互作用机理，不能充分考虑各种影响稳定的因素；不能计算土体的应力和应变，也不能模拟施工进程。
极限状态法作为岩土工程设计的发展方向之一，有良好的理论基础和广泛的成功应用实例与经验，但仍存在模糊不清的地方，特别是功能极限状态的控制设计，还需做大量的工作。
与极限平衡法相比，有限元法可以提供受荷土体的应力场和位移场，在计算中考虑土体的非均匀和非线性、土性随时间的变化、施工程序和荷载变化，因而计算成果可反映从施工开始到运行期间土体性质变化的全过程。但是，由于有限元法计算中需要的加筋体的本构关系和相应的参数的确定尚很困难，所以这种方法在设计中应用受到了一定的限制。
4.结论与展望
综上所述，当前加筋土工程设计方法有三大类：极限平衡法、极限状态法和数值模拟法，而数值模拟方法主要有有限元法等。各种方法的基本假设、原理不同，其适应范围也就不一样。自1963发明加筋土理论至今，人们对于加筋土的作用机理尚处于研究阶段，还没有形成成熟可靠的理论设计方法。而另一方面则是，加筋新材料日益多样化，新结构形式层出不穷，工程所处环境和实际情况也越来越复杂，这些都是新时代下对加筋土理论提出的新要求。相信在广大岩土工程研究人员以及学者们的不懈努力下，将来的理论研究与计算方法会更为合理与完善的，会更好地指导加筋土在实际工程中的应用，为国民经济创造效益。
参考文献
[1] 雷胜友.现代加筋土理论与技术, 人民交通出版社. 2006.
[2] 王光庆，徐伟.邹建敏. 加筋土设计方法研究. 公路工程与运输. 2008，第3期，8-14
[3] 杨燕，张军，柏署.加筋土计算理论的发展.西部探矿工程.2007，第8期，25-28
[4] 王孝存. 破坏模式试验研究与颗粒流数值模拟.同济大学博士学位论文.2006，12-15
[5] 杨果林.现代加筋土技术应用与研究进展.力学与实践.2002，第1期，9-17
摘要：对目前加筋土的设计理论进行了简要的介绍，并对其特点进行了一定的分析对比，为加筋土工程设计方法的进一步研究提供铺垫。指出了当前加筋土设计理论还有待发展，需要广大岩土工作者们共同努力开创新的局面。
关键词：加筋土，极限平衡，极限状态，有限元，颗粒流，对比
Abstract: at present the design theory of reinforced were briefly reviewed in this paper, and its characteristics of certain, by comparing reinforced for engineering design methods of further research to provide matting. Points out the design theory of reinforced remains to be development, need the geotechnical workers common efforts to create a new situation.
Keywords: reinforced, the limit equilibrium, limit state, finite element, particle flow, contrast
引言
自20世纪60年代法国工程师Henry Vidal开创了“加筋土”(reinforced earth)技术以来，加筋土技术因其具有施工简单、工期短、造价低、适用性强等优点而迅速风靡全球。 我国1979年首次应用加筋土技术是在云南修建了一座高2m的储煤仓下挡土墙，随后逐步在公路、水运、铁路、矿山和水利工程中广泛应用，取得了可观的经济和社会效益。
1加筋土的概念
土体具有一定的抗压和抗剪强度，而抗拉强度极低，在土体内铺设或掺入适当的加筋材料，可以不同程度地改善土体的力学性能，就好比在素混凝土中埋设钢筋可以改善混凝土的抗拉、抗弯性能一样。
2加筋土设计方法
2.1极限平衡方法
极限平衡法的思路是:首先假定可能的破坏形式，然后在极限平衡分析中计入加筋的拉力对加筋土结构稳定性的贡献。极限平衡法主要是对加筋土工程进行稳定性验算．即分析计算整体结构内、外部稳定破坏所需的拉筋材料强度及应力分配。极限平衡法概念直观简单，能给出安全系数，计算方便，设计时仅考虑强度方面的参数，便于操作，是岩土工程的传统分析手段，也是现在加筋设计中应用最广的使用方法。但是由于极限平衡法需要对拉筋、土体、滑动面做出许多假定。加上人为隔离强度与变形，与实际情况差异较大，所以此法计算结果精度较低。故一一般将极限平衡法作为半经验半理论的方法。通过不断积累工程经验并进行试验研究、理论分析，辅以合理的修正，以更接近工程实际。
2.2极限状态法
在極限状态法中，一个特点是同时考虑强度和变形，即承载力极限状态和正常使用极限状态。另一个特点是引入风险系数，即分项系数，来代替整体安全系数。对于基于极限状态设计方法的加筋土结构而言，一是考虑了不同极限状态下各种材料之间的应变兼容性，二是可以考虑内外部环境对材料耐久性的影响。因此，引入了临界极限状态分析、功能极限状态分析以及分项修正系数PF(PartialFactors)的概念，是极限状态法的核心思想。
在极限平衡设计方法中，直接以土的峰值强度(或残余强度)为指标，给定一个保证结构不发生破坏的总体安全系数，很少甚至没有考虑结构的变形。而对于广泛应用的加筋土结构而言，如果在设计中不考虑其变形明显是不够合理的。
2.3数值模拟方法
随着计算机技术的发展，数值计算方法越来越成为工程技术领域的一个重要研究手段。其理论主要为有限元等，所用程序有ANSYS、Abaqus等大型商用软件.有限单元法主要包括两类：分离式方法和复合式方法。有限元分离式方法就是把土和筋材分开考虑。分别划分不同的单元。引入界面单元来模拟筋－土之间的相互作用。该方法思路清晰。便于理解。应用也最为广泛。然而，在建模时，至少要考虑土体、筋材、筋－土界面这三种本构关系，尤其在界面特性复杂的条件下，故而很难准确地建模分析。相反，有限元复合式方法是将加筋土视为一种复合材料加以整体分析，原则上，该法可简化分析过程，但其难点在于如何准确地确定复合材料的应力－应变关系等。
3.方法比较
极限平衡法是目前应用最广泛的方法。它的优点是能给出安全系数的指标；设计时仅需考虑强度方面的系数，计算工作量小；而且与素土边坡及挡墙的分析方法相近，易为工程界接受。但它偏于保守，易造成浪费；对筋材强度，许可变形等取值具有很大的任意性；所研究的是假想的极限平衡状态而不是实际工作状态；没有充分揭示土与织物的相互作用机理，不能充分考虑各种影响稳定的因素；不能计算土体的应力和应变，也不能模拟施工进程。
极限状态法作为岩土工程设计的发展方向之一，有良好的理论基础和广泛的成功应用实例与经验，但仍存在模糊不清的地方，特别是功能极限状态的控制设计，还需做大量的工作。
与极限平衡法相比，有限元法可以提供受荷土体的应力场和位移场，在计算中考虑土体的非均匀和非线性、土性随时间的变化、施工程序和荷载变化，因而计算成果可反映从施工开始到运行期间土体性质变化的全过程。但是，由于有限元法计算中需要的加筋体的本构关系和相应的参数的确定尚很困难，所以这种方法在设计中应用受到了一定的限制。
4.结论与展望
综上所述，当前加筋土工程设计方法有三大类：极限平衡法、极限状态法和数值模拟法，而数值模拟方法主要有有限元法等。各种方法的基本假设、原理不同，其适应范围也就不一样。自1963发明加筋土理论至今，人们对于加筋土的作用机理尚处于研究阶段，还没有形成成熟可靠的理论设计方法。而另一方面则是，加筋新材料日益多样化，新结构形式层出不穷，工程所处环境和实际情况也越来越复杂，这些都是新时代下对加筋土理论提出的新要求。相信在广大岩土工程研究人员以及学者们的不懈努力下，将来的理论研究与计算方法会更为合理与完善的，会更好地指导加筋土在实际工程中的应用，为国民经济创造效益。
参考文献
[1] 雷胜友.现代加筋土理论与技术, 人民交通出版社. 2006.
[2] 王光庆，徐伟.邹建敏. 加筋土设计方法研究. 公路工程与运输. 2008，第3期，8-14
[3] 杨燕，张军，柏署.加筋土计算理论的发展.西部探矿工程.2007，第8期，25-28
[4] 王孝存. 破坏模式试验研究与颗粒流数值模拟.同济大学博士学位论文.2006，12-15
[5] 杨果林.现代加筋土技术应用与研究进展.力学与实践.2002，第1期，9-17