收稿日期:2001-11-26
作者简介：彭良泉，男，长江水利委员会设计院库区处，助理工程师，博士研究生。
文章编号:1001-4179(2002)05-0008-03
彭良泉 黄金钗 周 进 王吉祥
(长江水利委员会设计院，湖北武汉430010)
摘要：大量工程实践表明，加筋土边坡的侧向变形与边坡的沉降和稳定性有着密切的联系，如何充分考虑和利
用加筋土体侧向变形对边坡沉降和稳定的影响，是一个值得研究的课题。通过工程实例，阐述了加筋土边坡破坏的原因，并对边坡的稳定性及沉降进行了研究，指出加筋材料加固机理的实质是加筋材料与土体的位移协调一致，通过两者之间的作用，充分发挥加筋材料的抗拉强度，进而限制加筋土体的侧向变形，在某种意义上提高土体的抗剪强度，达到加固土体的目的。尽管极限平衡法不能直接考虑土体侧向变形对边坡稳定性的影响，但是，可以在该方法中通过调整土体强度指标的方法来间接反映这种影响。 限制加筋土体的侧向变形，能够有效减少加筋土体的不均匀沉降和总沉降量，研究表明，不考虑侧向变形影响得出的沉降值小于实测值，其误差在20%～30%之间。关 键 词：加筋土边坡；侧向变形；抗剪强度；边坡稳定性；沉降分析中图分类号:T V223.21 文献标识码:A
1 工程实例
渝东某超高加筋挡土墙工程，场地原为一“V ”形冲沟，沟底高程约196m (黄海高程，下同)。1996年，因修建城市道路的需要，将冲沟进行了回填，回填后路面高程约250m 。1996年下半年，路基加筋挡土墙开始修建，支挡结构采用条石面墙土工合成材料加筋土，加筋挡土墙最大墙高为57.5m ，属特殊高路堤。随后，对该挡土墙前缘进行了回填，形成第2级平台，回填后加筋挡土墙实际最大高度约30m 。1997年上半年道路建成通车。1997年下半年，加筋挡土墙墙体中下部出现十分明显的挤压裂缝，墙体开裂，整个墙面明显向外倾斜，局部墙面出现不均匀的凸出鼓胀，局部用于加固的构筑物被破坏，失去加固的功能。观测表明，道路建成后路面沉降已高达1.5m 。
2 加筋挡土墙的变形原因
根据场地工程地质勘察报告，该回填区位于沟谷地带，两侧沟坡由砂岩、粘土岩斜坡组成，场地总体稳定性好。
加筋挡土墙墙面采用条石，条石断面尺寸为250mm ×250mm ，长度为750～900mm 。墙面砌筑砂浆为M7.5。加筋土中的加筋材料采用聚烯烃复合土工带，宽30mm ，厚2mm ，破断拉力大于8.5kN/根，破断延伸率小于2.0%。加筋土填料为就地取材的粉质粘土和块碎石土，并掺合2.0%的石灰，最大粒径不超过15cm ，且含量小于15%。路堤墙内侧地下水通过底部盲沟引入沟底涵洞排出。墙面排水通过条石留缝形成，间距为4m ×4m 。根据有关设计资料，对该挡土墙的设计进行了复核，复核中没有发现该挡土墙设计存在明显的错误。
据调查，该加筋挡土墙1996年下半年开始施工,1997年上
半年道路就建成通车，施工时间相当短，回填土施工质量远远未达到设计标准。工程地质钻孔揭示，墙后回填料主要由粘性土、碎块石及少量砂岩块石组成，成分极不均匀，且局部存在架空现象。在土体自重、上部车载以及建筑物荷载的作用下，高达50多米的回填土本身必将产生较大的沉降。其次，该回填区位于沟谷地带，在设计回填时，除对加筋挡土墙面板基础进行了一定
的处理外(桩基础)，对加筋挡土墙墙面后的高填方地基未作任何处理，地质勘测资料表明，原天然地基有约12m 厚的粘性土覆盖层，在填土高度达57.5m 的土体自重作用下，天然地基将产生较大的沉降。这样，由于回填土自身的沉降和在上部填土荷载作用下天然地基产生的沉降，使得整个土体的沉降量相当大，观测也证明，道路在建成后路面沉降已高达1.5m ，远远超过了有关规范的限制要求。
3 加筋土边坡的稳定性分析
3.1 加筋土的加固机理
土体具有一定的抗压强度，但抗剪强度很低。对一自由土体而言(其侧面上全无约束)，当在其顶面施加压力时，即使压力很小，土体也将被压坏；但同样的一块土放进刚性盒中(即其侧面受到完全约束，不可能有横向扩张)，当在其顶面施加压力时，尽管压力达到较大的值，土体也不会被压坏。这个现象说明了这样一个道理：土体受压时，其破坏与否与土的侧向变形有关，允许的侧向变形越小，它所承受的压力将越高。因此，要提高土的承受能力，应当设法从减小土的侧向变形入手。当在土体中的一定部位铺设水平方向的加筋材料，将土压实后，土就与加筋材料密切结合成一复合土体，即加筋土。当在加筋土体上施加
第33卷第5期人 民 长 江
V ol.33,N o.5
2002年5月
Y angtze River May ,2002
荷载，由于加筋材料与其包裹土体之间存在摩擦力，限制了土的侧向变形，从而相当于在土体侧面上施加了约束力，提高了土体的承受能力，达到加固的目的。
加筋土在形式上类似钢筋混凝土。在加筋土中，加筋材料受土包围并受其约束，从而加强土体；在钢筋混凝土中，加筋材料由混凝土包围并受其约束，从而加强混凝土。然而，在钢筋混凝土中，加筋材料是布置在构件的拉力区用来承受拉力的；而在加筋土体中，特别是在无粘性土体中，则很可能只有压力区而没有拉力区。因此，加筋土中的加筋材料，其加强作用不是以承受拉应力的形式体现的，而是以减少或约束某一正应变的形式来体现的。
根据现代土力学理论，对于半无限无粘性土体来说，深度h 处的垂直应力为:
σZ=γS h(1)式中γS为土的容重。静止侧向应力为:
σx=K0σZ=K0γS h(2)式中K0为静止侧压力系数;K0=1-sin<′;<′为土体的有效内摩擦角。如果土体发生侧向变形，则侧向应力就会由K0σZ减少到其极限值KασZ，即主动土压力值，其中Kα=tan2(45°-</2)。
在加筋土体上作用垂直应力σZ时，会产生侧向变形δX和轴向压缩δZ。加筋材料水平布置于土体中，在加筋材料与土体之间存在有凝聚力或摩擦力，若假定加筋材料是刚性的，那么，土体就好象受到了
某种侧向力的约束。这一侧向约束力就等值于静止土压力K0σZ，也就是说，加筋的作用相当于限制了某一正应变。
adma单位土体传递给加筋材料的力，等于静止侧向应力K0σZ，因此加筋材料所受的拉力为K0σZ/a r,a r为加筋材料的横截面积，所以加筋材料的应变为:
δX=K0σZ
a r E r
(3)
隧道式高温烧结炉
式中E r为加筋材料的弹性模量。
根据位移协调一致原则，土体在加筋材料布置方向的应变
ε
r 应该等于δX，即εr=δX=
K0σZ
a r E r
文件传输解决方案
，如果加筋材料的有效刚度
(a r E r)相当大，则ε0→0；当有效刚度减小时,εrξ，静止土压力系数K0也就趋近于主动土压力系数Kα，加筋土体趋于破坏。
从以上分析可知，加筋土加固机理的实质就是利用加筋材料与土体应变的协调一致来限制土体的侧向变形，从而提高土体的承载能力，达到加固的目的。
3.2 加筋土边坡的稳定性分析
加筋土边坡的稳定性分析包括局部稳定性分析和整体稳定性分析。其中局部稳定性分析包括3个方面:①加筋带的断裂破坏;②加筋带的拔出破坏;③加筋带的过分拉长。本文在此只考虑整体稳定性，对局部稳定性不再赘述。
目前已有人[1]采用有限元法对加筋土体的稳定性进行分析。有限元法既考虑了材料的应变特性，又服从了材料的破坏准则。对加筋土体的有限元模拟来说，一般采用现有的土的本构关系，在补充加筋材料本身和土与加筋材料相互作用的应力应变关系后，就可以按常规的有限元方法进行计算。计算中，土体单元可用三角形或四边形单元，为模拟加筋材料及其与土相互作用需补充两种单元，即模拟加筋
材料的线性单元和模拟加筋材料与土相互作用的弹簧单元。有限元法无疑是计算加筋土体稳定的一种较精确的方法，问题是对无加筋土体的数学模型就必须有若干参数需要通过试验测定，在加筋土中，需要测定的参数就更多了，因此计算结果不一定就能很好地反映实际情况。
衣架勾
在历届国际土工织物会议上，多倾向采用极限平衡法进行加筋土体的稳定性分析，现行国家标准[2]也建议采用极限平衡法进行加筋土体的稳定性分析。极限平衡法的最大缺点就是在计算中不能考虑加筋带的变形(也就是土体的变形)。笔者认为，尽管极限平衡法不能直接考虑加筋带的变形影响，但是，可以在极限平衡方法中通过调整土体的抗剪强度指标C和<；来间接反映加筋带变形的影响。其理论依据是：一方面，加筋带不仅能承受来自土体的压力，而且可反过来给土体施加压力，使加筋土体处于三向应力状态，从而改善土体的受力性能，使土体的强度得以提高；另一方面，加筋带可加固土层中的软弱面，从而阻止土体强度的削弱。因此，加筋的作用不仅能够及时阻止土体C和<；值的下降，甚至还能提高土体的C和<。由于加筋材料的作用，将本来分开的单个土颗粒联系在一起，从而产生了一种“拟凝聚力”。笔者认为，在此理论基础上，在加筋土体的稳定性分析中既考虑加筋带的作用又避免使用加筋单元的方法是切实可行的。大量实践表明，加筋后土体的内摩擦角改变不大，而土体的凝聚力则可以采用如下经验关系确定[3]:
C′=C
τ
a
A
ie
(4)式中C、C′分别为加筋前、后土体的凝聚力;τa为加筋带抗剪强度;A为加筋带截面积;i为加筋带横向间距;e为加筋带纵向间距。
极限平衡法在计算土体的稳定性时，是假定滑动面上的剪应力τ都达到了材料的抗剪强度τf，即:
τ=τf=C+σtan<(5)
在加筋土体中，当根据上述方法考虑加筋材料的变形影响后，就可按常规的极限平衡方法进行稳定性分析。根据工程场地岩土体强度试验指标，综合考虑加筋材料变形的影响，可采用表1中的物理力学指标进行稳定性分析。
表1 稳定性分析土体物理力学指标建议值
岩土名称
土体凝聚力
C/kPa
土体内摩擦角
</(°)
土体容重
γ/(kN・m-3)粘土夹碎石20(14)1820
注：括号中的值为不考虑侧向变形影响时土体的凝聚力值。
根据表1中加筋土体的物理力学指标，利用BISH OP方法对加筋挡土墙进行了稳定性计算，计算中假定滑动面为圆弧面。计算结果表明，加筋挡土墙最小稳定性系数为1.243，这说明加筋挡土墙在目前状态下整体稳定。假如不考虑加筋材料对土体抗剪强度的影响，即采用原状土的凝聚力值进行计算，加筋挡土墙的稳定安全系数只有1.015。两者对比可得出如下结论：加筋土体产生沉降，使加筋土发生侧向位移，加筋带产生变形；反过来，由于加筋材料的侧向约束作用，减小了土体的侧向变形，提高了加筋土体的稳定性。
4 加筋土边坡的沉降分析
加筋能够有效地提高边坡的稳定性，多年来已在工程界取得了共识。但对于加筋能否减少加筋土体的沉降量，工程界尚存在两种不同的观点[4]：一种是认为加筋能有效地减少地基的沉降量；另一种是认为加筋对减少沉降量不明显。这两种观点都有其实测数据或有限元计算结果支持，而且目前尚无取得一致意见的迹象。
9
第5期彭良泉等：加筋土边坡侧向变形对沉降和稳定性的影响
笔者认为：在垂直荷载作用下，尽管加筋带受到的是土体的压力作用，但实际上加筋带表现出拉力，这是由于在垂直荷载作用下，加筋土体产生沉降，发生侧向位移，但由于加筋材料和土体间存在摩擦力，迫使加筋带发挥抗拉作用。加筋带的抗拉作用约束着土体的侧向位移，加筋带的抗拉作用越大，则产生的侧向约束力也就越大，并迫使土体中的垂直应力重分布，改变加筋体系的应力场，使土体的竖向变形减少。其次，由于加筋层的扩散作用，均化了填土荷载的压力，从而可以减少不均匀沉降。因此，只要充分发挥加筋材料的抗拉作用，就能有效地减少加筋土体的不均匀沉降和总沉降量。
一般来说，土体的沉降包括瞬时沉降S d、固结沉降S e、次固结沉降S s，即总沉降S为:
S=S d+S e+S s(6)次固结沉降S s一般不考虑，固结沉降S e是土体沉降的主体，采用单向分层总和法计算，即:
S e=6(e0i-e1i)h i/(1+e0i)(7)式中e0i、e1i分别为土层在原位应力下和在原位及附加应力下的孔隙比;h i为分层土厚(m)。瞬时沉降S d为无体积变化的弹性剪变形，即侧向变形，采用经验系数m S考虑或采用式(8)进行计算:
S d=F・P・B/E(8)式中F为中线沉降系数;P为路堤底面中心附加应力(kPa);E 为变形模量(kPa);B=(a+b)/2,a=堤高×坡率(m),b为路面半宽。
但是，应该指出和注意的是，式(7)中的各种参数均为在有侧限变形条件下(即K0受力状态下)求得的，因此它不包括侧向变形及σX≠K0σZ那一部分剪胀变形；式(8)中E值是在三轴无侧限条件下求得的，但仍限制在弹性范围内。两式均没有考虑大的塑性变形，其受力条件远小于土体的屈服应力，没有涉及破坏问题。因此，传统的土体沉降计算公式在土体大变形情况下不再适用。
本文利用双曲线估算法[5]对加筋土体的沉降进行计算，其公式为:
S=(t2-t1)/(t2/S2-t1/S1)(9)式中S为最终沉降量;t1、t2分别为观测时间;S1、S2分别为对应t1、t2的沉降量。预测结果与实测结果对比见表2。
表2 实测沉降与预测沉降对比
时间
(年)
沉降量FOSY
实测
/m
公式(9)
/m
误差
/%
公式(6)
/
m
误差
/% 1997 1.250.8234.4
1998 1.38 1.278.00.9332.6
1999 1.43 1.35 5.6 1.1221.7
智能装备与系统
2000 1.48 1.41 4.7 1.1720.9
2001 1.50 1.46 2.6 1.2318.0
注：沉降量中包括工后沉降0.4m。
表2说明，利用公式(9)得出的预测值非常接近实测值，最大误差不超过8%。这说明沉降预测公式(9)的预测结果基本合理。而利用公式(6)计算的沉降值误差较大，介于20%～30%之间，这从侧面说明了不考虑侧向变形得出的沉降值偏离实测值较远。
5 结论
通过上述分析，得到以下认识:
(1)加筋材料加固机理的实质就是利用加筋材料与土体应变协调一致来限制土体的侧向变形，从而提高土体的抗剪强度，达到加固土体的目的。
(2)尽管极限平衡法并不能直接考虑土体侧向变形影响，但是，可以在极限平衡法中通过调整土体的抗剪强度指标C和<；来间接反映加筋带变形对土体稳定性的影响。
(3)限制加筋土体的侧向变形，能充分发挥加筋材料的抗拉作用，减少加筋土体的不均匀沉降和总沉降量。分析表明，不考虑侧向变形得出的沉降值偏离实测值较远，其误差在20%～30%之间。
参考文献:
[1] 田小革，应荣华，张起森.应用土工格栅处理软土地基土的桥头跳
车问题.岩土工程学报,2000,22(6):744～746.
[2] 中华人民共和国交通行业标准.公路加筋土工程设计规范.北京:
人民交通出版社,1999.
[3] 孙钧，侯学渊.地下结构(下).北京：科学出版社,1987.
[4] 包承纲.堤防工程土工合成材料应用技术.北京：中国水利水电出
版社,1999.
[5] 陈环.土力学与地基.天津：天津大学出版社,1980.
(编辑：徐诗银)
・简讯・
紫坪铺水利枢纽工程2002年底将实现大江截流
国家实施西部大开发的十大标志工程之一、国家“十五”基础设施建设的重点工程—紫坪铺水利枢纽工程自2001年3月底开工建设以来，各项目建设开局良好，进展顺利，已累计完成投资4.5亿元。
紫坪铺开发公司认真履行业主职责，始终坚持业主负责制、招标投标制、建设监理制、合同管理制原则，精心组织。监理和承包商克服了诸多困难，顺利完成土建、金属结构制造安装、材料、工程监理、技术咨询等项目招标26项，稳步推进了导流洞工程、213国道绕坝公路工程、左岸场内主干道工
程、龙池公路临时交通桥工程、紫下大桥工程及左右岸坝肩开挖工程建设，累积完成实物工程量土方开挖82万m3，石方开挖75万m3，混凝土浇筑3万m3。其中部分工程已经建成，大坝主体标、引水发电系统标、主机设备招标工作正按计划进行。
在抓好工程建设的同时，紫坪铺开发公司按照建设现代企业制度的要求，认真贯彻国家法律、大胆借鉴国内外工程建设管理经验，完善了工程建设管理体制，建立健全了工程质量、安全、进度、合同管理体系和制度，为工程建设的顺利推进和截流目标的如期实现奠定了坚实的基础。
2002年是紫坪铺水利枢纽工程主体工程建设的关键一年，全年计划安排投资10.69亿元，年底完成工程截流。全年要完成的主要工程形象为导流洞工程,10月底完成混凝土衬砌和闸门安装，具备通水条件；左右岸坝肩开挖完成；左岸场内主干道建成通车;2002年底前实现工程截流。
(长江)
01 人 民 长 江2002年
第33卷第5期人 民 长 江V ol.33,N o.5 2002年5月Y angtze River May, 2002 Study on incipient velocity of uniform sand
HE Wen2she F ANG Duo L EI Xiao2zhang LI Chang2zhi G UO Zhi2xue
(National Major Experimental Laboratory on High S peed Hydraulics,S ichuan University,Chengdu610065,China)
Abstract: The m otion mechanism of uniform sand is presented in view of its incipient characteristics.In the light of rolling incipient m ode and introducing the concept and formula of additional mass force and index of relative exposure degree, the calculation formula of incipient velocity of uniform sand is established and verified by measured data,which is m ore reas on2 able than the formulas suggested by other scholars,its coefficients include other formulas’.In the meantime,the formula of in2 cipient velocity of uniform sand taking viscosity into account is als o establised.The formulas in this paper fundamentally reflect the incipient characteristics of uniform sand.
K ey w ords: uniform sand;additional mass force;relative exposure degree;incipient velocity
I nfluence of lateral deformation of a reinforced earthslope
on its settlement and stability
PENG Liang2quan HUANG Jin2chai ZHOU Jin WANG Ji2xiang
(Design Institute,Changjiang Res ources C ommission,Wuhan430010,China)
Abstract: A number of engineering exam ples show that the lateral deformation of a rein forced earth slope has close re2 lations with its settlement and stability.H ow to take account of and make use of the effect of the rein forced earth slope’s lateral deformation on its settlement and stability is a subject w orth being studied.Based on s ome case histories,the reas ons for the failure of rein forced earth slopes are expounded,and their stability and settlement are investigated.The mechanism for the strengthening of earth slopes by using rein forcing material is that the rein forcing material and the earth mass can coordinately w ork due to friction between them,the tensile strength of rein forcing material is fully utilized to restrict the lateral deformation of the rein forced earth mass,resulting in increasing the shear strength of the earth mass in a strengthening the earth slope.Though the effect of the lateral deformation of earth mass on the slope stability can not be taken directly into account in using the ultimate equilibrium method,this effect can be indirectly reflected by means of adjusting the strength index of earth mass.Restriction of the lateral deformation of rein forced earth mass can give full play to the tensile performance of the rein forc2 ing material and decrease the non-uniform settlement and the total settlement.Research results show that the settlement taking no account of the effect of lateral deformation is less than the observed settlement,with their difference being20%～30%.
K ey w ords: rein forced earth slope;lateral deformation;tensile strength;slope stability;settlement analysis Application of shallow layer seismic imaging method for
nondestructive detection in dykes
LIU Jiang2ping CHEN Chao HOU Wei2sheng
(G eophysics Department,China University of G eosciences,Wuhan430074,China)
Abstract: In order to exactly and effectively conduct nondestructive detection of fissures(or cracks)in dykes and dams,based on establishing a mathematical m odel of reflected wave caused by a vertical fissure(or crack),the numeric simula2 tion and physically ultras onic simulation are conducted for a vertical fissure(or crack).The simulated results are com prehensive2 ly discussed and analyzed.The method of shallow layer seismic image is used to test a rein forced concrete dam and the test re2 sults are com prehensively analyzed.The results show that if the shallow layer seismic image technology is used to detect vertical fissures(or cracks),non-zero equal offsets must be selected for obtaining the reflection of a vertical fissure(or crack),other2 wise vertical fissures(or cracks)are hardly effectively detected;the reflex point on a horizontal interface is always at the same side as the emitting and receiving points,and the distance between the reflex point and the projective
point of the vertical fissure (or crack)on the interface is one half of the selected offset regardless the position of the emitting and receiving points;the shal2 low layer seismic image technology is an effective method for nondestructive detection of fissures(or cracks)or defects in dykes and dams.
K ey w ords: seismic image method;vertical fracture;numeric simulation;ultras onic physical simulation;nondestruc2 tive detection
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议