加筋土路基力学行为与设计方法的研究-交通科技管理中心

1、加筋土路基力学行为与设计方法的研究研究报告简本 1 加筋土路基力学行为与设计方法的研究加筋土路基力学行为与设计方法的研究 摘要摘要：针对加筋土路基的关键问题，通过现场调查、理论分析、室内试验、数值模拟 和现场测试，对加筋土路基的主要工程问题、静力荷载和行车荷载作用下加筋土路基的力 学行为、加筋土路基的设计计算理论、方法和参数以及加筋土路基施工技术进行了深入系 统的研究。提出了加筋土路基的层位分类法，明确了加筋土路基病害的成因机理、失效模 式和控制因素，揭示了静力荷载和行车荷载作用下加筋土路基应力-应变关系、强度特征、 变形规律和破坏模式，掌握了路面结构对路基变形的力学响应。在此基础上，提出了“

2、稳 定控制和变形控制并重”的加筋土路基设计思想，并创建了基于极限上限定理和可靠度理 论的两种稳定性控制设计方法以及基于累积塑性变形、工后沉降和不协调变形控制的变形 控制的设计方法，提出了加筋土路基设计参数和标准，总结了各种加筋土路基的施工技术， 并在重庆、广东、上海三地 5 项依托工程中得到了应用和验证，编制了公路加筋土路基 设计施工技术指南 。项目研究改进和发展了加筋土路基的分析计算理论，突破了加筋土 路基设计的关键技术，为相关技术规范的修订提供了科学依据。 Abstract: Although the reinforcement technology has been applied wi

3、dely in highway construction, there are many challenges in the field which puzzle highway engineer for a long time in China. Mechanical behavior and design method of reinforced subgrades in highways have been studied thoroughly based on investigation, numerical analysis, experiment and in-situ measu

4、re. A new classification method of reinforced subgrades is built. Furthermore, the characteristics of the accumulated deformation, post-construction settlement and uncoordinated deformation of reinforced subgrades under different loads and the mechanical response and failure characteristics of pavem

5、ent structure correspond to subgrade deformations have been exposed. Consequently, the design methods and construction technology of reinforced subgrades are established, which based on the stability control theory and deformation control theory. The above research achievements are applied and verif

6、ied in 5 trial projects in Chongqing，Guangdong and Shanghai. Forming Guide for designing and construction technology of reinforced subgrades in highways，it can provide scientific basis for the revision of correlated technology specifications. 加筋土路基力学行为与设计方法的研究研究报告简本 2 1 前言 近年来，我国的公路建设发展迅猛。至 2005 年底，

7、全国公路总里程达到 193.05 万 km， 其中，高速公路 41005km，二级以上公路已达 325828km，公路对国民经济发展的作用越来越 显著。但是，与发达国家相比，我国在公路密度、技术等级和高等级公路比重等方面还有很大 差距。同时，我国公路的区域发展也很不平衡，目前西部地区的公路密度不到东部的 1/5；东 部地区二级以上公路里程占总里程的比重为 17.7%，而西部仅为 6.6%。随着我国西部大开发战 略的实施，在我国西部将还会有大量的公路亟待建设。在当前的公路建设中，路基的过度沉降， 路基结合部的不协调变形以及路堤边坡的失稳破坏等一些与路基相关的问题仍然是制约公路建 设飞速发展的技术

8、难题，由此造成道路路况和行车条件恶化，道路服务水平下降，直接导致道 路行车安全受到影响，车辆运营成本上升，道路使用寿命缩短，道路维护投入提高，严重影响 了公路工程的项目经济效益和当地的社会效益。这就在客观上要求西部地区在进行公路建设时 应积极采用新材料、新工艺、新技术，以提高公路建设的科技含量。在公路工程领域采用的新 材料、新工艺、新技术中，现代加筋土路基技术是发展应用较快的一种。 由于加筋土路基不仅具有较大的变形适应能力，且稳定性好，能因地制宜、就地取材，对 原有地质环境扰动小，节省土地等优点，目前该技术已经在公路工程领域得到了广泛的应用， 并取得了良好的经济、社会和生态环境效益。但就总体而

9、言，我国在公路加筋土路基力学行为 和设计方法方面的研究还远远不够，主要存在的问题有：缺少科学的加筋土路堤分类方法和实 用的加筋土路堤性能指标评价体系；基础理论研究严重滞后于工程应用；对加筋土路基的研究 深度不够。 本项目就是针对我国加筋土路基技术的发展现状及其对国民经济和社会发展的影响，在借 鉴国内外相关研究成果，吸收各地成功经验的基础上，充分考虑加筋土路基的成因机理、适用 条件和控制因素，结合西部地区的具体情况，从力学机理分析、设计和施工等各个角度，对加 筋土路基技术进行了深入的研究，为相关规范的修订提供系统、可靠的技术依据。 2 加筋土路基分类方法和主要工程问题 （1）在国内外资料以及云南

10、、重庆等 6 省（市）11 条既有加筋土路基调研的基础上，建 立了加筋土路基层位分类法；根据加筋部位和加筋目的不同，提出了加筋土路基的层位分类法， 即加筋土路基可分为路床加筋（包括填方路床加筋、零填或挖方路床加筋） 、路堤加筋（包括 边坡加筋、基底加筋和堤身加筋）和结合部加筋（包括新老路基结合部加筋和填挖结合部加筋） 三大类、七小类，为加筋土路基的设计和施工提供了依据。 （2）通过大量现场调研，总结归纳了加筋土路基的三种常见病害，即路基损坏（包括路 基沉陷、路基局部滑塌和路基纵、横向开裂） 、支挡结构损坏（包括挡墙鼓凸、挡墙倾斜、挡 墙沉陷和挡墙漏土）和路面损坏（包括沥青路面损坏和水泥混凝土路

11、面损坏） 。 （3）从加筋土路基稳定性不足和加筋土路基变形过大两个方面系统分析了加筋土路基的 加筋土路基力学行为与设计方法的研究研究报告简本 3 病害机理。加筋土路基稳定性不足是指加筋土路基自身稳定性不能充分满足稳定要求，其产生 的原因主要包括路基填料质量差、筋材性能降低、筋土界面性能降低以及地基条件差。加筋土 路基的过量变形以不协调变形和工后沉降为主，这些变形包括道路纵向不协调变形、横向不协 调变形和工后沉降。加筋土路基过大的变形主要来源于路基压实度不足和不协调变形两个方面。 （4）通过国内外资料和既有工程实体调研分析表明，加筋土路基失效模式可以分为两大 类：一类是与稳定相关的失效模式，包括

12、内部失稳、整体失稳和坡面局部失稳三种。其中内部 失稳包括筋材拔出和筋材断裂等；整体失稳包括路基基底滑动、深层整体滑动、地基承载力不 足和地基土薄层挤出等。一类是与变形相关的失效模式，如路基沉降过大和不协调变形过大等。 3 静力荷载作用下加筋土路基的力学行为 （1）采用筋土分离模型、流固耦合技术，建立了加筋土路基的数值分析模型。分析表明， 加筋使土体的应力-应变关系得到改善，土体的延性明显提高，剪切强度增大，残余强度的降 幅减小，且达到峰值强度时的剪切位移增大。提高筋材模量或土体模量、增加加筋层数，可以 提高加筋土体的强度和抗变形能力。 （2）数值模拟结合室内试验，系统研究了静力荷载作用下三大类

13、加筋土路基的力学行为。 路床加筋 a）半刚性基层路面路床顶加筋：在保证底基层与筋材之间摩擦咬合作用的情况下，加筋 可以减小路表弯沉，底基层弯拉应力减小最为显著. b）半刚性基层路面上路床换填加筋：软弱地基上路床换填加筋的效果取决于加筋位置和 加筋层数；加筋位置不合理，单纯增加加筋层数，未必得到理想的加筋效果。上路床换填加筋 的适宜位置是筋材位于上路床的下部，多层加筋时宜自下而上增加层数；软弱地基顶面的压应 力分布更加均匀；相对于路床顶加筋，上路床换填加筋效果更好。 c）粒料基层路面路床顶加筋：筋材与粒料间的摩阻力对基层粒料起侧向约束作用，可抑 制粒料的侧向变形，提高基层刚度，从而显著减小基层的

14、塑性变形；加筋对于延长路面使用寿 命具有重要作用。加筋效果和筋材与基层的模量比密切相关，相对于半刚性基层，粒料基层路 面加筋效果更佳。 路堤加筋 可以有效提高路堤边坡的稳定性。对于良好地基而言，路堤加筋对减小路堤沉降并不明显； 对软弱地基，路堤加筋可在一定程度上减小路堤顶面的沉降，但并不突出。增大筋材模量、增 加加筋层数、采用内摩擦较好的填料，有助于提高加筋的作用效果。 路基结合部加筋 可提高路基的整体稳定性，减小路基顶面的不协调变形，减小量可达 6.5%左右。增加加 筋层数、筋材模量、筋材长度和填料强度等有助于不协调变形的减小，且加筋位置在结合部底 加筋土路基力学行为与设计方法的研究研究报告

15、简本 4 部效果最为明显。 4 行车荷载作用下加筋土路基的力学响应与破坏模式 对行车荷载作用下三大类加筋土路基的动力响应进行了分析。 （1）路床加筋 行车荷载作用下，加筋效果与加载时间紧密相关，行车速度越快，加载时间越短，应 力影响深度越浅，筋材发挥作用的程度越低。 相对于静力加载，行车荷载作用下，加载中心线附近发生明显的应力集中，行车速度 越快，应力集中越强。 行车荷载引起的动偏应力明显大于静偏应力，而偏应力是引起路基累积塑性变形的关 键因素，因此，路床加筋的力学行为分析有必要考虑动力响应。分析表明，加筋可以明显减小 行车荷载作用下路基中的动偏应力，从而减小行车荷载作用下路基的累积塑性变形。

16、 （2）路堤加筋 从行车荷载作用下路堤加筋的荷载-变形特征可知，当地基强度较大时，行车荷载作用所 引起的加筋路基累积塑性变形相对于土体固结变形而言可以忽略不计。综合考虑行车荷载引起 的附加弯拉应力与路基不协调变形引起的弯拉应力得出，行车荷载的速度越小，路基不协调变 形引起的变坡率越大；基层的强度越高，则基层中所产生的附加弯拉应力越大。 （3）结合部加筋 根据对行车荷载引起的路基结合部两侧的动偏应力分析可以得到，行车荷载引起的累积塑 性变形很小，所以加筋对于减小结合部两侧的累积塑性变形几乎没有效果，但加筋可以通过减 小路基顶面的不协调变形，从而减小基层的弯拉应力，延缓路面结构的损坏。 5 加筋土

17、路基设计理论、方法和参数 （1）针对加筋土路基的稳定失效模式，提出了相应的设计状态，并进一步建立基于稳定 控制的加筋土路基设计计算理论、方法和标准。 对国内外 6 种加筋土路基稳定性分析方法进行分析和比较，明确了我国公路现行规范 所推荐的加筋土路基稳定分析方法偏于保守，主要原因是未考虑筋材抗拉阻力的垂直分量。 根据塑性极限上限定理，考虑土体内部的应力-应变关系和库仑材料相关联流动法则， 得到了加筋土路基稳定极限分析条分法。公式中采用的条分法平移破坏原理，不仅可以给出一 个清楚的机动许可速度场，而且安全系数计算结果与传统条分法（如荷兰法和瑞典法）所得的 计算结果具有可比性，因此该公式可作为分析验

18、算加筋土路基稳定的计算方法。 根据大量工程实测资料的统计分析，初步确定了填料容重、填料抗剪强度指标、汽车 荷载、筋材抗拉强度、筋土界面参数和路基几何参数等参数不定性系数的统计结果和概率分布 模型，并按照抗力最小二乘原理，优化出了加筋土路基在 4 种失效模式下的设计分项系数，如 加筋土路基力学行为与设计方法的研究研究报告简本 5 表 1。 表表 1 恒载恒载+汽车荷载组合下分项系数表汽车荷载组合下分项系数表 稳定状态恒载分项系数 G 活载分项系数 Q 抗力分项系数 R 筋材抗拉1.11.41.58 内部稳定性 筋材抗拔1.11.21.02 抗基底滑动1.11.31.05 外部稳定性 抗深层滑动1

19、.21.21.17 （2）针对加筋土路基的变形失效模式，提出了相应的设计状态，并进一步建立了基于变 形控制的加筋土路基设计计算理论、方法和标准。 采用传统指数模型，结合有效固结应力理论，建立了考虑先期固结应力影响的路床加 筋累积塑性变形计算方法。该方法既适用于由不固结不排水抗剪强度指标、也适用于由固结不 排水抗剪强度指标来计算路基的累积塑性变形。 以路基顶面累积塑性变形、工后沉降和不协调变形（变坡率）为设计指标，基层底面 弯拉应力为验算指标，系统地提出了加筋土路基变形控制的设计标准。路床加筋的累积塑性变 形控制标准以行车荷载产生的弯拉应力和累积塑性变形产生的附加弯拉应力进行叠加，其值控 制在基

20、层设计弯拉强度以下；路堤加筋和结合部加筋的不协调变形变坡率控制标准见表 2。 表表 2 不协调变形的变坡率设计标准不协调变形的变坡率设计标准 路基顶面容许变坡率（%） 路基类型 挖方（老）路基填方（新）路基 路堤加筋0.5 横向结合部加筋0.40.45 结合部加筋 纵向结合部加筋0.450.5 （3）以室内试验结果为基础，参照国外相关标准及文献资料，重点推荐了加筋土路基设 计中无试验资料时的土工格栅蠕变折减系数和施工损伤强度折减系数的取值范围，以及筋土界 面参数取值范围。 6 加筋土路基施工工艺与质量控制 针对三大类加筋土路基，分别提出了相应的施工工艺及质量控制技术，作为加筋土路基施 工的技术

21、参考。 （1）路床加筋 路床加筋的筋材搭接长度直接影响施工质量，搭接长度需满足一定要求，可参照下表 3。 表表 3 筋材搭接要求筋材搭接要求 加筋土路基力学行为与设计方法的研究研究报告简本 6 CBR最小搭接长度（mm）CBR最小搭接长度（mm） 23004500.51900 126009000.5缝合 基层初始铺设厚度：对于粒料基层，当路基 CBR3，初始厚度不小于 200mm；当路 基 CBR3 时，初始厚度不小于 150mm。 施工设备：施工设备重量须满足初始浇筑层碾压后车辙小于 75mm，当车辙大于 75mm 时，须采用轻量级设备。 （2）路堤加筋 根据试验研究及参考有关施工技术规范，

22、提出表 4表 6 所示的土工合成材料加筋土路堤 检查项目及标准。 表表 4 土工合成材料铺设质量检查项目及标准土工合成材料铺设质量检查项目及标准 序号检查项目规定值或允许偏差检查方法和频率 1力学性能指标符合设计要求抽查材料检测报告 2铺设长度（mm） 50 抽查 2% 3铺设宽度（mm） 50 抽查 2% 4反包长度（mm） 50 抽查 2% 5锚固长度（mm）+100抽查2% 6受力方向搭接宽度（mm）符合设计要求抽查2% 7搭接缝错开距离（mm）符合设计要求抽查2% 8轴线偏位符合设计、规范要求抽查 2% 表表 5 加筋土路堤填土层检查项目及标准加筋土路堤填土层检查项目及标准 序号检查项

23、目规定值或允许偏差检查方法和频率 1压实层厚30cm每 200m 检查 4 断面 2宽度不小于设计每 200m 测 4 处 3下承层平整度30mm3m 直尺每 200m 测 4 处3 尺 4边坡不陡于设计每 200m 测 4 处 5压实度满足设计要求每 200m 测 4 处 6顶面高程满足设计要求每 200m 测 4 处 表表 6 砂（砾石）垫层质量检查项目及标准砂（砾石）垫层质量检查项目及标准 序号检查项目规定值或允许偏差检查方法和频率 1厚度（mm）符合设计要求每 200m 检查 4 处 2宽度（mm） 50 每 200m 检查 4 处 3平整度（mm）/ 拱度 50/0.5% 每 200

24、m 检查 4 处 4压实度碾压遍数符合要求查施工纪录 （3）结合部加筋 根据原地基（路基）坡度的不同，可采用长型 U 形钉、台阶根部方形沟的回填填料和或 加筋土路基力学行为与设计方法的研究研究报告简本 7 台阶根部现浇钢筋混凝土 3 种方式加强筋材与原有地基（路基）的结合，且应注意以下质量控 制和检测。 加长型 U 形钉长度检查，其长度应在设计长度 L10mm 内，检查频率应抽查 2%。 台阶根部方形沟的回填填料的粒径应不大于 6cm，应设旁站进行检查，压实度宜大于 等于同层位其它填土压实度，检查频率宜每 100m 沟长测 4 处。 。 台阶根部现浇钢筋混凝土质量应符合其它有关规范要求。 7

25、依托工程实施与效果评价 （1）通过对重庆、广东、上海等地进行实地调研，确定了重庆忠县垫江高速公路、天 津汕尾高速工程广东境内梅县城东至扶大段、上海沪宁高速公路（上海段）拓宽工程 3 条高 速公路作为依托工程，各试验路按照拓宽条件的不同分别划为若干个试验路段。 （2）根据各依托工程的加筋目的，采取的加筋方案包括填挖结合部加筋、基底加筋、新 老路基结合部加筋以及堤身加筋等。 （3）对于各试验工程，主要通过沉降板、沉降管、沉降钉、位移桩、显示滑动式沉降仪 等分别进行沉降、水平位移和分层压缩变形的观测；埋设土压力盒进行水平土压力和竖向土压 力观测；安置柔性位移传感器量测土工格栅的变形和受力大小分布情况

26、。 （4）通过对试验路实施效果的跟踪观测和评价，证实了项目各项成果的合理性和可靠性。 8 结论、创新和建议 （1）主要成果： 加筋土路基的分类。 加筋土路基病害及成因机理。 典型加筋土的应力应变特征及其影响因素。 静载作用下加筋土路基的强度、破坏特征及其变形规律。 行车荷载作用下加筋土路基的荷载变形特征、破坏模式和影响因素。 加筋土路基设计理论和方法。 加筋土路基的设计指标和标准。 加筋土路基的设计参数的确定和取值方法。 加筋土路基施工工艺和质量控制方法。 公路加筋土路基设计施工技术指南的编写及依托工程试验路的实施验证。 （2）主要创新点： 加筋土路基力学行为与设计方法的研究研究报告简本 8

27、针对加筋土路基的工程特性，并依据路基加筋部位和目的的不同，首次提出了加筋土 路基的层位分类法，并将加筋土路基分为路床加筋、路堤加筋和结合部加筋三大类，统一了加 筋土路基的工程分类，有利于公路路基加筋技术的研究与应用。 采用筋土分离和流固耦合技术，建立了加筋土路基的弹塑性数值分析模型，系统分析 并得到了典型加筋土路基的应力-应变、强度和破坏特征，揭示了各种加筋土路基在静力荷载 作用下的力学行为、加筋效果及其影响因素。 采用隐式动力有限元技术，首次获得了行车荷载作用下加筋土路基的动应力分布特征、 动力变形规律和破坏模式，揭示了加筋对于减小路基累积塑性变形和不协调变形的力学机理和 工程途径。 根据公路加筋土路基的力学行为和失效模式，提出了“稳定控制与变形控制并重”的 加筋土路基设计思想。 首次建立了基于极限上限定理并考虑筋材能量耗散率的加筋土路基稳定极限分析条分 法，改进了传统极限分析条分法对筋材加筋作用的考虑不足。同时，建立了基于可靠度理论的 加筋土路基分项系数设计方法，充分考虑了加筋土路基设计中各种因素的不确定性，为现行规 范从确定型设计方法向概率极限状态设计方法的发展提供了基础。 创建了基于变形控制的加筋土路基设计计算理论和方法。对于路床加筋，以行车荷载 作用下的累积塑性变形为指标，并提出了以有效固结应力理论为基础，考虑先期固结应力影响 的累积塑性变形计算方法；对于路堤加