一種多層加筋墊層內(nèi)部土工格柵拉力計算方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖土工程學科中的路基設計計算領域，尤其是涉及一種多層加筋墊層 內(nèi)部土工格柵拉力計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 樁網(wǎng)復合地基作為一種軟弱地基處理措施，具有沉降變形小、變形穩(wěn)定歷時短、施 工質(zhì)量易控、經(jīng)濟性好的優(yōu)點，被廣泛應用于軟土地區(qū)的路基加固工程。為有效均化上部填 土荷載，減少樁帽邊緣位置的應力集中，提高復合地基承載力，減小復合地基總體沉降量， 樁網(wǎng)復合地基樁頂位置一般鋪設一定厚度的加筋墊層。因而，多層加筋墊層結(jié)構(gòu)也被廣泛 應用于建筑基礎及路基加固工程。加筋墊層由大粒徑散粒體（砂石、碎石、中粗砂等）及土 工格柵兩部分組成，其中散粒體粗粒料僅能承受壓應力作用，而柔性的土工格柵只能承擔 拉應力，故兩者間的共同作用也是構(gòu)成多層加筋墊層結(jié)構(gòu)正常工作的核心。必須指出的是， 土工格柵拉力計算計算結(jié)果直接決定了墊層中需要鋪設的土工格柵層數(shù)和其力學性能指 標的選擇，多層加筋墊層中土工格柵鋪設工藝的確定必須基于相對準確的土工格柵拉力計 算結(jié)果，因此，墊層內(nèi)部土工格柵拉力的準確計算也多層加筋墊層設計的核心內(nèi)容之一。
[0003] 現(xiàn)在最常使用的土工格柵拉力計算方法，主要基于土拱理論和張力膜理論，先后 也有不同的土拱模型被提出，如Trench模型、二維或三維棱錐模型、半球冠模型等，但這些 模型均只能用于分析計算鋪設單層土工格柵情形。此外，在土工格柵拉力計算中，現(xiàn)有土工 格柵拉力計算方法大多忽略土工格柵下部地基反力作用，假定單層土工格柵在路堤填土荷 載作用下變形后是形狀為拋物線或懸鏈線，根據(jù)最終據(jù)土工格柵長期承載所允許的最大應 變emax來確定土工格柵變形穩(wěn)定后的形狀參數(shù)和對應的土工格柵拉力。
[0004] 然而，上述已存在的加筋墊層中土工格柵拉力計算方法，計算得到的單層土工格 柵拉力存在較大誤差：即假定土工格柵下方為空穴，忽略地基反力對土工格柵承載及變形 控制的有利影響；同時也無法考慮墊層中鋪設多層土工格柵情形下，每一層土工格柵拉力 的相對大小。此外，現(xiàn)有土工格柵拉力計算方法通過假定土工格柵長期應變emax(4%? 6% )方法計算土工格柵拉力，顯然沒有考慮路堤填土荷載和地基反力等因素對土工格柵 長期應變的影響，僅是理論上的土工格柵拉力最大值。因而，目前忽略地基反力影響、假定 土工格柵最大拉應變并只能進行單層鋪設情形下的土工格柵拉力計算方法，直接導致加筋 墊層中土工格柵鋪設的工藝參數(shù)和力學性能參數(shù)的優(yōu)化選擇存在較大的盲目性。
[0005] 將多層加筋墊層等效為復合板結(jié)構(gòu)后，等效復合板結(jié)構(gòu)本身將具有一定的剛度， 其變形后也將使得土工格柵下部地基土體由于變形協(xié)調(diào)作用受壓后表現(xiàn)出地基反力作用； 因此，可以根據(jù)彈性地基梁理論模型進行多層加筋墊層等效復合板的變形及內(nèi)力大小的計 算，有效避免現(xiàn)有土工格柵拉力計算方法中忽略土工格柵下部地基反力作用的缺陷。為解 決多層加筋墊層中土工格柵拉力計算問題，考慮到加筋墊層內(nèi)部散粒體和土工格柵的共同 承載作用，將多層加筋墊層等效為可以承受彎矩和剪力作用的復合板結(jié)構(gòu)，根據(jù)等效復合 板結(jié)構(gòu)表面線性分布荷載和地基反力作用下的變形協(xié)調(diào)條件以及內(nèi)、外力平衡條件，得到 多層加筋墊層等效復合板的變形方程和內(nèi)力方程，進而得到多層加筋墊層中每一層土工格 柵拉力在板跨范圍內(nèi)的橫向分布方程。
[0006] 此外，墊層中多層鋪設的土工格柵拉力相對大小與其鋪設位置有關，底層土工格 柵拉力最大，每一層土工格柵拉力不可能完全相同。因而，根據(jù)加筋墊層等效復合板不同位 置處的彎矩計算每一層土工格柵拉力相對大小（路堤填土沉降變形引起的土工格柵拉力 第一分量），是一種能夠反映出每一層土工格柵拉力差異化特征的有效方法。與此同時，根 據(jù)多層加筋墊層等效為復合板結(jié)構(gòu)彈性地基梁模型的解析解答，可得到復合板剪力分布參 數(shù)，但加筋墊層中散粒體本身不能承受堅向剪力作用，墊層截面上剪力應由土工格柵拉力 在堅直方向上的分力提供。因此，可以根據(jù)等效復合板剪力分布方程和復合板變形曲線方 程，確定墊層截面剪力引起的土工格柵拉力第二分量。
[0007] 因此，多層加筋墊層內(nèi)部土工格柵拉力計算是樁網(wǎng)復合地基樁頂加筋墊層設計的 重點內(nèi)容，而現(xiàn)有土工格柵拉力計算方法只能進行單層土工格柵拉力計算并且忽略格柵下 部地基反力的影響，導致最終的土工格柵拉力計算參數(shù)存在很大誤差，工程設計計算中難 以米用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的問題是提供一種多層加筋墊層內(nèi)部土工格柵拉力計算方法，在樁 網(wǎng)復合地基樁頂墊層鋪設多層土工格柵情形下，能高精度的計算墊層內(nèi)部每一層土工格柵 拉力參數(shù)。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種多層加筋墊層內(nèi)部土工格 柵拉力計算方法，包括如下步驟：
[0010] ①首先判定樁網(wǎng)復合地基平面布置參數(shù)，確定加筋墊層表面位置處的等效線性分 布荷載；
[0011] ②確定加筋墊層等效復合板結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)；
[0012] ③根據(jù)彈性地基梁解析方法，由變形協(xié)調(diào)邊界條件，確定加筋墊層變形方程和內(nèi) 力方程；
[0013]④根據(jù)加筋墊層變形方程和內(nèi)力方程，計算路堤填土沉降變形引起的土工格柵拉 力；
[0014]⑤根據(jù)路堤填土橫向滑動極限狀態(tài)下的內(nèi)力平衡方程，按多層土工格柵拉力平均 分配原則計算路堤橫向滑動引起的土工格柵拉力；
[0015]⑥將路堤填土沉降變形和橫向滑動引起的土工格柵拉力疊加，得到所需土工格柵 拉力參數(shù)。
[0016]進一步，步驟①中，在正方形和三角形布樁情形下，加筋墊層荷載傳遞區(qū)均為三角 形區(qū)域，加筋墊層表面荷載最終等效為對稱梯形分布線性荷載。
[0017] 進一步，步驟②中，將多層加筋墊層等效為復合板結(jié)構(gòu)時，正方形布樁情況下，樁 或樁帽按面積相等原則等效為正方形截面，樁或樁帽間加筋墊層的荷載傳遞區(qū)域為1/2樁 頂平面正方形區(qū)域；三角形布樁情形下，樁或樁帽按面積相等原則等效為正六邊形截面，樁 或樁帽間加筋墊層承擔荷載區(qū)域為2/3樁頂平面三角形區(qū)域。
[0018]進一步，步驟③中，確定加筋墊層變形方程和內(nèi)力方程時，其邊界條件為：加筋墊 層兩端鉸支，且鉸支點位移和彎矩均為零。
[0019] 進一步，步驟④中，路堤填土沉降變形引起的土工格柵拉力包括加筋墊層截面彎 矩引起的土工格柵拉力第一分量和墊層截面剪力引起的土工格柵拉力第二分量兩部分；并 且彎矩方程計算土工格柵拉力時，加筋墊層截面保持為平截面，土工格柵拉力與鋪設位置 相關，剪力方程計算土工格柵拉力時，多層土工格柵拉力平均分配。
[0020] 進一步，步驟⑤中，確定路堤橫向滑動產(chǎn)生的土工格柵拉力時，僅考慮最上層土工 格柵上表面和最底層土工格柵下表面兩個接觸面上的側(cè)摩阻力。
[0021] 本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：多層加筋墊層表面等效荷載的簡化處理方式， 充分考慮了樁網(wǎng)復合地基樁體平面布置方式對多層加筋墊層表面等效線性分布荷載相對 大小的影響，提高加筋墊層表面分布荷載確定結(jié)果的可靠性。此外，本發(fā)明在土工格柵拉力 計算中，采用彈性地基梁模型解析算法計算墊層中鋪設的每一層土工格柵拉力，相較于傳 統(tǒng)土工格柵拉力計算方法只能用于單層土工格柵鋪設情況具有極大進步，同時考慮加筋墊 層下部地基土體反力對多層加筋墊層等效復合板變形的影響，使得加筋墊層內(nèi)部土工格柵 拉力參數(shù)計算結(jié)果更為接近于其真實值，防止傳統(tǒng)的"空穴"假定和忽略地基反力假定等引 起的土工格柵拉力參數(shù)計算結(jié)果的失真。因此，本發(fā)明可有效提高多層加筋墊層內(nèi)部每一 層土工格柵拉力計算結(jié)果的合理性、準確性和可靠性，能夠應用于多層加筋墊層內(nèi)部土工 格柵拉力的計算。
【附圖說明】
[0022] 圖1是路堤填土樁網(wǎng)復合地基各部分組成結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0023] 圖2是多層加筋墊層在表面荷載和地基反力共同作用下?lián)隙扔嬎愫唸D；
[0024] 圖3是正方形布樁情形下樁間加筋墊層表面荷載轉(zhuǎn)移區(qū)域的示意圖；
[0025] 圖4是三角形布樁情形下樁間加筋墊層表面荷載轉(zhuǎn)移區(qū)域的示意圖；
[0026] 圖5是鋪設單層土工格柵的加筋墊層等效復合板截面受壓區(qū)壓應力和土工格柵 拉應力的示意圖；
[0027] 圖6是鋪設雙層土工格柵的加筋墊層等效復合板截面受壓區(qū)壓應力和土工格柵 拉應力的示意圖；
[0028] 圖7是鋪設三層土工格柵的加