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土工合成材料加筋挡土墙的加筋荷载和基于工作应力的新设计方法
摘要
本文提供了作者的综合研究成果，其目的在于开发一种新的工作应力方法来计算土工合成加筋土墙的加筋荷载。作为这一目标的先导，对安装了监控设备和观测元件的现场足尺加筋挡土墙和室内模型墙的观测数据进行的仔细分析，证明了目前美国国家公路和运输协会（AASHTO）在北美所使用的简化方法有些问题，通过这种方法所得到的能满足墙体的长期良好性能所需的加筋量是过于保守的。新的设计方法着重强调了不同的墙体构件和特性对加筋荷载的重要影响。该方法使用对加筋应变的仔细解读和挑选合适的加筋刚度值将应变转化为荷载的方式来对测量的现场墙体加筋荷载进行校准。该方法的一个新特征是设计墙体加强，以防止墙内回填土内的土壤达到破坏极限状态，也让其符合工作压力条件的原则。
1.介绍
土工合成加筋土墙已经使用了超过25年，绝大多数情况下表现出来的性能都非常良好。但尽管如此，这种方法的安全性与稳定性优势还没有被用系统化的方式量化证明。这种量化证明的缺乏，使得北美的一些从业人员和政府机构对这项技术并不是十分接受。
本文回顾了目前北美土工合成材料加筋土墙在实际内部稳定性设计方面的保守性。保守主义的量化评估基于精心挑选的仪器化和可监测化的土工合成加筋结构的数据，这些数据来自于北美，欧洲和斯堪的纳维亚以及加拿大皇家军事学院（RMC）建造的全尺寸墙体实验室所。此研究案例还有另一个被接受标准，就是从特定项目或与加强材料组件相关的实验测试得到的数据与回填土的可靠强度数据。从案例研究中获得的数据已经证明了当前北美实行的方法的保守性，并确定了在施工结束时和结束以后的加筋荷载的大小和分布的量化行为。
评估目前设计实践中的保守性并验证新设计方法的基本要求是可靠的估计加筋层的荷载。然而，在案例研究中，直接测量加筋载荷很少见。该论文描述了使用加载应变测量和通过被挑选出来加筋刚度值将加载应变转化为加筋荷载的方法来估计加筋层荷载。这种方法还需要量化来自不同测量仪器的应变测量的可靠性和准确性。
接下来，本文主要基于对隔离实验室测试的解释，同时考虑到土壤限制，应变水平，加载持续时间和温度等因素的影响，检查了选择土工合成加筋产品的合适刚度值的方法。
根据案例研究数据库对加筋荷载的最佳估计，得出基于经验的梯形形状加筋荷载分布比当前北美实践中所假设的三角形分布更准确。
最后，本文回顾了一种新的基于经验的设计方法，与从被监测墙体数据库中获取的值相比，该方法被证明可以更好地预测工作应力条件下的内部加筋荷载和应变。
2.案例研究
作者收集了20篇案例记录（包括35个不同的墙段），这些案例有的来自公开发表的文献中，而有些来自未公开的文献。 这些案例的细节是由Allen et al.(2002)所提供的。这些结构中的土工加筋产品包括由聚丙烯（PP），高密度聚乙烯（HDPE）和聚酯（PET）等各种聚合物制造的土工布和土工格栅。这些材料是带状的连续加筋材料，其抗拉强度范围从12到200 kN / m，墙体结构末端的加筋刚度值在2％的应变下从43到7400 kN / m。加筋垂直间距从0.3到1.6米不等。
墙面倾斜角从01(垂直)到271变化，虽然大部分墙面倾斜角为81或更小。墙高从3.0米到12.6米不等，填土高度高达5.3米。面层类型包括土工合成材料包裹面，电焊丝，预制混凝土板和模块化混凝土砌块。
三轴或直接剪切试验测量得摩擦角峰值变化范围为391至491（42-571平面应变）。根据Lade和Lee（1976）的公式，在颗粒土三轴压缩试验的参考文献中所报道的峰值摩擦角被校正为峰值平面应变摩擦角。使用Bolton（1986）和Jewell和Wroth（1987）提出的表达式将密砂的直接剪切峰值摩擦角值转换为峰值平面应变值。在少数情况下，测得的平面应变土壤摩擦角数据是可用的。
在实践中可能遇到的大多数情况都包含在这些案例记录中。所有的案例都采用了相对干净的粒状回填土（即淤泥含量小于15％，如果有的话，可塑性很小），并放置在相对坚固的基础上。因此，本文的范围仅限于具有相对清洁的非粘性砂或砾石回填的土工合成材料加筋土挡墙。最后，本文介绍的墙体案例不包括用作在桥台的分层结构或墙体。
3.目前实践中过度保守主义的证据
量化现有土工合成材料挡土墙的全局安全边际的一种方法是计算加筋荷载能力（R阻力）的总和，并将该值除以被假设加筋层的总水平荷载（D-需求）（Allen等人，2002）。阻力-需求比（RD）公式可以表示为：
RD==
其中Ti是加筋载荷; 主动土压力的水平分量Ka;土壤的平面应变摩擦角峰值（如果测量的平面应变剪切强度数据不可用，根据回填土的三轴或直剪实验数据估算）;omega;墙面倾斜；delta;墙面与回填土之间的界面剪切角（根据美国国家公路交通协会（AASHTO，2002）所定义的现行做法，假设为0）;H从墙趾到墙后的土壤表面的总高度；gamma;土壤的重度和q土壤表面均匀分布的超载荷载的大小。经过Allen等人在2002的验证，这个计算可以在施工结束且设计寿命（75年）的条件下进行。
图1显示了当前AASHTO（2002）准则所计算的长期RD值比率的分布，同时也显示了对加筋层长期使用能力的RD值得最佳估计。这些数据是那些被Allen和Bathurst (2002b)所定义的性能良好的墙所提供的
- 加强应变很小（通常小于3％）。
- 蠕变应变和应变率随着时间增加而减小（仅有初级蠕变能被观测到）。
- 墙后回填土不会出现失稳迹象（开裂，塌陷等）。
- 施工后的最大变形在墙顶，在第一个10,000小时内不到30毫米。
需要进一步解释以了解图1中的RD比率是如何计算的。AASHTO方法的RD值（式1的结果）是通过使用AASHTO所推荐的强度降低因素来计算的，这些因素包括RFID（安装损坏），RFCR（蠕变破裂）和RFD（化学品 和生物降解），他们都是在设计墙体时考虑墙体回填土和加筋产品的长期性能得到的。
FS=1.5是整体安全系数，；数量 TImax是使用基于AASHTO“简化方法”的方法计算的加筋最大载荷（见第5.1节）：
频率
AASHTO长期RD与实际长期RD的比率
这里是附属区域（加筋间距），是使用土壤峰值摩擦角的“设计值”计算出来的（即，使用基于当地经验的工程判断来估计三轴或直接剪切摩擦角，因为通常情况下，墙上的回填土不能用于测试），zi是加筋层在墙顶以下的距离，S是在墙顶部之上的土壤平均附加深度。 所有其他参数先前已定义。
为了计算估算的长期RD比率的表达式中的Ti值，可以使用退化机制的“最佳估计值”，或者了来自挖掘和加筋试验的实际测量损失（即，在公式（2）中用RFactual替换RFdesign）。公式（3）用于计算Kah的摩擦角采用平面应变峰值摩擦角（），因为使用目前的AASHTO简化方法（Allen和Bathurst，2002a）可以更好地估计加筋荷载。如前所述，需求期限的计算保持不变。 这是为了将保守主义的来源与计算长期加筋荷载的方式隔离开来的（即峰值摩擦角的保守选择和较大的强度折减因素的综合效应）。因此，长期设计RD比率与“最佳估算”（实际）长期RD比率（图1中的横轴）的比率表示为:
图1中的数据显示，对于数据库中具有良好长期性能的大多数墙壁，RD大于1，表明AASHTO的原始设计与使用较大（平面应变）峰值摩擦角和较低（实际）强度折减系数的AASHTO设计相比过于保守。但是，如图1所示，即使RD比率小于1，墙壁也表现出良好的性能。事实上，仔细分析表明，即使在计算中使用了对摩擦角和强度折减系数的最佳估计值，这些墙实际上也只包含了当前AASHTO方法所需的加筋的一半。在某些情况下，只有所需加筋的八分之一。由研究者对数据中的所有墙体的进一步调查显示，还有其他的设计保守源，包括对三轴或直接剪切试验结果的低估计，以及在墙顶下的深度作用下加筋强度与需求的不完全匹配。如果这些来源被解释，剩下的保守主义看起来就相当于一个额外的安全系数1.5-4，而且很可能是由于在当前的AASHTO(Allen et al.， 2002)简化方法中使用的荷载预测模型的保守性(不准确)。在目前的加筋设计实践中减少过度保守主义的潜力是显而易见的。
4.估算土工合成材料加筋层的荷载
虽然前面的部分已经确定了当前的设计方法中所使用的加筋拉伸能力和需求过度保守性，但要对当前的简化方法做出有说服力的放弃或者修改必须基于测量荷载与预测荷载的比较。不幸的是，直接测量的加筋荷载仅在一例文献中有过报到（Fannin，1988）。通常情况下，加筋层的荷载由应变仪或附加在层上的伸长计的测量来推断。本节回顾了使用不同的仪器技术对应变的相关解释，以及从阅读材料中可能获得的资料的准确性。接下来，讨论选择适当的加筋刚度值将应变转换为荷载的技术，并使用隔离实验测试来执行所选择的方案，然后加以总结。
4.1应变测量
对连接在土工合成材料加筋层上的装置的应变读数的解释取决于装置的类型（Perkins和Lapeyre，1997）。最常见的设备类型是直接粘合到土工合成加筋材料和引伸计表面的应变仪。由引伸计记录的位移来计算监测点之间的全局应变，这些监测点之间的距离被假定为恒定的。在作者所审查的一个案例研究中，电感线圈被用来推断应变。
4.1.1 应变计
必须根据加筋材料的“真实”全局应变来校准粘合在加筋材料上的小型高伸长应变计。粘结在机织土工格栅或土工织物上的应变仪通常会产生局部“硬点”，导致整体拉伸应变不明显。 粘结到整体拉伸PP和HDPE土工格栅上的应变仪将记录附着点的局部应变，而这些附着点的应变可能由于产品几何形状（横截面积）和聚合物模量（制造过程中的拉伸过程的结果）的不同而不同。计量器、粘接技术、加筋类型和计量器位置的特殊组合的校准因子（CF），通常是由应变速率（CRS）的非隔离拉伸试验（(例如，美国测试和材料学会，ASTM D 4595或ASTM d6637）确定的，他被定义为全局应变除以应变计应变。
图2显示了典型的HDPE土工格栅的多孔平均应变对应的全局应变和局部应变的关系（欠配准）。在这种情况下，局部应变通过安装在纵向构件上的单个应变片来记录，这种纵向构件是安装在相邻的横向构件之间的中点。
全局应变（%）
局部应变（%）
- 在局部应变为2％的情况下，对于机织或针织土工织物而言，欠配准的应力计度读数（CF值的大小）最大，而对于挤压拉伸PP土工格栅来说，读数接近一致
- 编织土工织物的应变计响应变化最大。
- 全局应变的非线性幅值对于编织土工织物和土工格栅是最大的，对于单轴HDPE土工格栅来说最小。图2显示了大应变下应变响应的非线性示例。
- 在所有被审查的墙体案例中，CF值得大小都大于或等于1
对于作者研究的挤压拉伸PP土工格栅试样来说，恒定荷载校准试验所得到的CF值与相同材料在CRS条件下测试的所得到的结果相比较小。测试类型和加载顺序对CF测定的影响值得进一步研究。
4.1.2来自引伸计的原位全局应变
如果使用附着在土工合成材料上的引伸计，则不需要修正系数。尽管如此，从引伸计推断出的应变可能会高估土工合成纱线或肋部的应变，这是因为在填充位置的土工合成物的表面会起皱和翘曲或者由于在伸长计索线的初始松弛而导致低估了应变。然而，作者的经验是，这些与施工有关的因素不会显着影响在有关应变水平上（即，稍后讨论的2％应变）引伸计读数对全局应变的估计
4.1.3 其他设备
连接在土工格栅加筋上和与其相同的平面上的电感线圈对已被用于推断应变。距离墙面相同距离的三套设备的平均全局应变在超载末端时高达0.9％ (Fannin and Hermann, 1990)，同时也具有0.1％的差率(Fannin,1988).。这些设备在隔离状态下进行校准，不需要校正系数。然而，电感线圈的信号对由于填充位置，土体位移和钢筋弯曲而可能产生的平面外运动的幅度十分敏感
4.1.4 冗余度测量
在几个案例研究中，多个应变仪被放置在名义上距墙面完全相同的位置。这种方法可以使读数在墙壁宽度上取平均值，并且在一组多个测量仪中的一个发生故障的情况下也能提供冗余度。图3显示安装在PP土工格栅上的一组应变仪的未校正响应可能在2％应变的平均读数的15％上下变化，这是在95%的预测水平的情况下
对机械化的墙体结构的物理数据进行分析审查后，作者们可以定性和定量评估应变数据的可靠性（Bathurst et al。，2002）。特别的：
- 根据仪器化拉伸PP土工格栅的可测的数据，对于≧0.02％应变下，应变计读数的变异系数（COV)为13％。对于针织PET土工格栅的类似数据给出对，当应变 ≧0.1时，变异系数COV=14％。
- 根据仪器化PP土工格栅的数据，应变计可以在低应变水平（0.02-2％）下准确估计加筋应变。对于加筋应变≧2％，引伸计的测量更加可靠。对于编织的PET土工格栅，应变对大于0.1％时应变计提供了可靠的读数。
两个应变仪的生存极限
预测极限
预测极限
仪表应变（%）
平均应变（%）
- 对电感线圈读数的分析表明，这些仪器给出了所研究的三种测量技术的最不可靠的读数（例如，对于在应变在0.2-0.9％范围内，变异系数COV=32％）。
-
在现场粘结应变仪产生通常会产生非线性响应或在应变大于3％时失效; 因此，引伸计提供了在大应变水平下估算加
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