一种预应变加筋试验中预应变筋材总变形测量方法

摘要

本发明公开了一种预应变加筋试验中预应变筋材总变形测量方法，预应变筋材总变形ε

说明书

技术领域

本发明涉及岩土体应力变形及灾害、弹性力学与塑性力学领域,特别是一 种预应变加筋试验中预应变筋材总变形测量方法。

背景技术

预应变加筋法是近几十年来逐步发展起来的一门新的施工技术，即在加 筋土体承受外荷载前，张拉土工合成材料使其产生一定的变形量，借助土工 合成材料的弹性回缩，预先在加筋土体的受拉区对界面施加预压力，这种压 力通常称为预应力。加筋土体在外部荷载作用下产生拉应力，需要抵消这种 预压应力，推迟上覆土体裂缝的产生，限制了裂缝的发展，最终提高了加筋 土体的稳定性。

目前，国内外关于土工合成材料等之类的非金属材料的预拉伸变形处理 技术相对落后，目前都是根据经验估计预应变筋材总变形，因此可靠性不高， 且无法保证估计的准确性，无法保证对筋材进行张拉时筋材的初始变形适度， 从而可能导致因路堤的沉降变形所引起的筋材附加变形过大，筋材的总变形 超过其容许应变而断裂失效，最终导致高陡边坡大滑移等环境地质灾害的发 生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种预应变加 筋试验中预应变筋材总变形测量方法，准确可靠地估计预应变筋材总变形， 保证对筋材进行张拉时筋材的初始变形适度，从而避免因路堤的沉降变形所 引起的筋材附加变形过大，避免筋材的总变形超过其容许应变而断裂失效， 科学预防和减少高陡边坡大滑移等环境地质灾害的发生。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种预应变加筋试 验中预应变筋材总变形测量方法，该方法为：

1）测量预应变筋材初始预应变Δε′_i、土体自身压缩引起的预应变筋材的附 加应变Δε_ci和筋材蠕变率Δε′_ri；

其中，对于土工网，Δε′_i取值范围为6.29%～7.459%；对于土工格栅，Δε′_i取值范围为2.43%～3.759%；

土体自身压缩引起的预应变筋材的附加应变Δε_ci的测量过程为：

a）测量第k层土由于第j层填土而引起的自身压缩量S_(k,j)以及第j 层填土引起的第i层填土的自身压缩量S_(k,j)在t_j～T时段内所完 成的固结度U_T(k,j)，得到第i层填土下面的土层从填筑之时到T 时产生的固结沉降S_LT(i)1，，其中，k＜i， j＞=i＞k；

b）测量上述自身压缩量S_(k,j)在t_i～t_j时段内所完成的固结度U_T(k,j,i)， 得到第i层填土下面的土层从填筑之时到第i层填筑完毕时产生 的固结沉降S_LT(i)2，$S_{\mathrm{LT}\left(i\right)2}=\underset{k=1}{\overset{i}{\Sigma }}\underset{j=i}{\overset{n}{\Sigma }}{S}_{(k,j)}\times U_{T(k,j,i)};$

c）由上述S_LT(i)1和S_LT(i)2计算第i层土下面的土层从t_i时刻到T时刻发 生的固结沉降值S_LT(i)，S_LT(i)=S_LT(i)1-S_LT(i)2；

d）测量T时刻第i层填土所产生的压缩变形量S_T(i)， $S_{T\left(i\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{j=i}{\overset{n}{\Sigma }}{S}_{(i,j)}·U_{T(i,j)};$

e）利用上述S_LT(i)和S_T(i)计算预应变加筋试验中第i层填土的压缩变 形量S_ci，S_ci=S_T(i)+S_LT(i)；

f）土体自身压缩引起的预应变筋材的附加应变Δε_ci的计算公式为： 其中B_i为预应变加筋试验中第i层填土顶部的宽度；

2）预应变筋材总变形ε_i计算公式为：ε_i=Δε′_i+Δε_ci+Δε′_ri。

所述步骤1）中，筋材蠕变率Δε′_ri的测量方法为：第t年筋材蠕变率Δε′_ri计 算公式为：，t→0，Δε′_ri→ε₀；其中：σ_c为筋材的极限抗拉强 度，单位为MPa，ε₀为筋材的初始应变量（%），E为筋材在t时刻对应的蠕变 弹性模量，单位为MPa，η为筋材在t时刻对应的粘滞系数，单位为MPa，时 间t的单位为年。上述的E、η通过蠕变试验曲线拟合得到。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明结合工程实际提 出了一种预应变筋材总变形的测量公式，准确可靠地估计预应变筋材总变形， 保证对筋材进行张拉时筋材的初始变形适度，从而避免了因路堤的沉降变形 所引起的筋材附加变形过大，避免了筋材的总变形超过其容许应变而断裂失 效，能科学地预防和减少高陡边坡大滑移等环境地质灾害的发生。

附图说明

图1为加筋路堤沉降变形示意图；

图2为蠕变试验装置的夹具示意图；图2（a）为主视图；图2（b）为侧 视图；

其中：

1：筋材；2：上钢板；3：下钢板；4：螺母孔；5：悬挂孔；6：吊物孔； 7：重物；8：刻度尺；9：读数针。

具体实施方式

本发明的预应变筋材总变形计算公式如下：

ε_i=Δε′_i+Δε_ci+Δε′_ri。

以下详细阐述上述总变形计算公式各个部分的计算过程。

（1）Δε′_i：预应变筋材初始预应变。通过多年的土工合成材料蠕变试验得 到：对于土工网Δε′_i=6.29～7.459%，对于土工格栅Δε′_i=2.43～3.759%；

（2）Δε_ci：土体自身压缩引起的预应变筋材的附加应变。

各土层填筑完成后，除受到上面土层的荷载而引起变形外，下面土层的 固结变形也会导致该土层下沉。因此，要深入研究各填土层在路堤中实际发 生的沉降量，就必须考虑填土自身的排水固结问题，尤其是非饱和土。

假设第i层填土顶部宽度为B_i，填筑完工时间为t_i(i=1…n)，填筑后至 某一时刻T(T＞t_i)所产生的压缩变形量为S_ci，此时，置于路堤中第i层筋材的 长度由B_i延伸为L_i（如图1）按圆弧法计算：

$L_i=2\times 2\mathrm{arctg}\frac{S_{\mathrm{ci}}}{\frac{B_i}{2}}\times \frac{{{4S}_{\mathrm{ci}}}^2+{B_i}^2}{{8S}_{\mathrm{ci}}},$

$\approx \frac{{8S}_{\mathrm{ci}}}{B_i}\times \frac{{{4S}_{\mathrm{ci}}}^2+{B_i}^2}{{8S}_{\mathrm{ci}}}=B_i+\frac{{{4S}_{\mathrm{ci}}}^2}{B_i}$

则土体自身压缩引起的筋材的附加应变：

${\mathrm{\Delta ϵ}}_{\mathrm{ci}}=\frac{{\mathrm{\Delta L}}_i}{B_i}=\frac{L_i-B_i}{B_i}=4{\left(\frac{S_{\mathrm{ci}}}{B_i}\right)}^2---\left(1\right)$

以下说明求解S_ci的过程：

从公式（1）可知，只要求出土体压缩变形量S_ci，便可得到土体自身压缩 引起的筋材的附加应变Δε_ci。对第i层填土，假设填筑完工时间为t_i(i=1…n)， 则填筑后至某一时刻T(T＞t_i)所产生的压缩变形量为：

S_ci=S_T(i)+S_LT(i)                            （2）

上述公式（2）中S_T(i)为T时刻第i层土所产生的压缩变形量，而引起这种 变形的荷载是由第i层土本身的重量同该层以上所有土层重量之和组成的。

S_LT(i)为第i层土下面的土层从t_i时刻到T时刻所发生的固结沉降值。

其中：

$S_{T\left(i\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{j=i}{\overset{n}{\Sigma }}{S}_{(i,j)}{·U}_{T(i,j)}---\left(3\right)$

式（3）中：S_(i,j)为第j层填土引起的第i层填土的自身压缩量（其中S_(i,i)为第i层填土自重所引起的压缩量）；U_T(i,j)为自身压缩量S_(i,j)在T时刻的固 结度，此时，固结时间为Δt_i=T-t_j，按太沙基一维固结理论近似计算。

同时，S_(i,j)又可按下式计算：

$S_{(i,j)}=\frac{{\mathrm{\Delta \sigma }}_{\mathrm{ij}}}{E_{\mathrm{si}}{h}_i}---\left(4\right)$

式中，Δσ_ij为第j层填土施加后在第i层填土中所增加的附加应力；E_si为和总 应力水平σ_i+Δσ_ij及自重应力水平σ_i相对应的压缩模量；h_i为第i层填土的高 度。

对于公式（2）中S_LT(i)，有：

S_LT(i)=S_LT(i)1-S_LT(i)2                     （5）

上述式（5）中S_LT(i)1为第i层填土下面的土层（1～（i-1）层）从填筑 之时到T时产生的固结沉降；S_LT(i)1由下式计算：

$S_{\mathrm{LT}\left(i\right)1}=\underset{k=1}{\overset{i}{\Sigma }}\underset{j=i}{\overset{n}{\Sigma }}{S}_{(k,j)}\times U_{T(k,j)}---\left(6\right)$

式（6）中S_（k,j）为第k层土（k＜i）由于第j层填土（j＞=i＞k）而引起的 自身压缩量；U_T(k,j)为自身压缩量S_(k,j)在t_j～T时段内所完成的固结度，其固结 时间为ΔT=T-t_j；

公式（5）中S_LT(i)2为第i层填土下面的土层（1～（i-1））层从填筑之时 到第i层填筑完毕时产生的固结沉降；S_LT(i)2由下式计算：

$S_{\mathrm{LT}\left(i\right)2}=\underset{k=1}{\overset{i}{\Sigma }}\underset{j=i}{\overset{n}{\Sigma }}{S}_{(k,j)}\times U_{T(k,j,i)}---\left(7\right)$

式（7）中，U_T(k,j,i)为自身压缩量S_(k,j)在t_i～t_j时段内所完成的固结度，其 固结时间为ΔT=t_j-t_i。

最终通过编程求解S_ci，从而得到土体初始沉降及其各压缩层的正常沉降 变形。

（3）Δε′_ri：筋材蠕变率。

在没有条件做蠕变试验的情况下，t时刻筋材蠕变率Δε′_ri(t)可按下列公式 估算：

第t年筋材蠕变率Δε′_ri计算公式为：，t→0，Δε′_ri→ε₀； 公式中：σ_c为筋材的极限抗拉强度(MPa)，ε₀为筋材的初始应变量(%)，E为筋 材在t时刻对应的蠕变弹性模量(MPa)，η为筋材在t时刻对应的粘滞系数 (MPa)，时间t的单位为年。上述的E、η通过蠕变试验曲线拟合得到。

图2提供了一种蠕变试验装置的夹具，采用二块厚钢板配合高强度螺栓， 两块钢板将土工合成材料夹在中间，螺栓穿过钢板和土工合成材料，将土工 合成材料固定，并在土工合成材料下部钢板上设置重物加载环，以固定下部 加载的重物，内衬橡胶垫。钢板尺寸：180×50×50mm，5个预留螺丝孔，1 个吊物孔。由于土工合成材料加载的瞬间，变形量较大，甚至超过10cm，而 且最初几天内，每一天的平均变形量也在1cm左右，所以无法使用常规的测 量变形的百分表，为此，在夹具上增加了刻度尺和读数的指针，读取蠕变量。

特别值得注意的是，土工合成材料受拉时，瞬间横向变形也相对较大。 为防止拉伸时的横向收缩对试样产生断裂破坏，加载瞬间夹具两边的螺栓不 宜拧得过紧。待纵向变形趋于稳定后（大约半小时），再将螺栓拧紧。