地基處理技術(shù)第八章

1、2022-3-5地基處理技術(shù)1一、概述一、概述 （一）土工合成材料的含義 土工合成材料是一種新型的巖土工程材料。它以人工合成的聚合物，如塑料、化纖、合成橡膠等為原料，制成各種類型的產(chǎn)品，置于土體的內(nèi)部、表面或各層土體之間，發(fā)揮加強(qiáng)、保護(hù)土體等作用。 土工合成材料應(yīng)用于土建工程始于20世紀(jì)30年代，人們?cè)谟斡境刂惺褂镁勐纫蚁┍∧し罎B。到目前為止，全世界10萬(wàn)余項(xiàng)各類工程中已鋪設(shè)了3億多平方米的土工合成材料。60年代土工合成材料開(kāi)始在我國(guó)應(yīng)用，首先用于渠道防滲；1976年在長(zhǎng)江的一些護(hù)岸工程中用聚丙烯編織布，結(jié)合聚氯乙烯繩網(wǎng)和砼塊壓重，組成軟排體，防止河岸沖刷；1981年在天津新港試用了塑料排水板

2、；1998年在特大洪水中使用了大量土工合成材料。2022-3-5地基處理技術(shù)2(二)土工合成材料的分類 目前尚無(wú)統(tǒng)一的準(zhǔn)則，土工合成材料世界（Geosynthetics Word）將土工合成材料分為如下五類： 1.土工織物（透水性土工合成材料） （1）編型土工纖維：由單股線或多股線編織而成。 （2）織型土工纖維即機(jī)織物： 它是由相互正交纖維織成，其特點(diǎn)是孔徑均勻，沿經(jīng)緯線方向的強(qiáng)度大，而斜交方向強(qiáng)度低，拉斷的延伸率較低。 （3）非織造（無(wú)紡）型土工織物：它由合成纖維原料加工的連續(xù)長(zhǎng)絲以不規(guī)則的排列聯(lián)結(jié)起來(lái)而成。這類土工纖維抗拉強(qiáng)度各向一致。與織造物相比抗拉強(qiáng)度略低，但延伸率較大，孔徑不很均勻，

3、是當(dāng)前世界上應(yīng)用最廣的一種土工織物。2022-3-5地基處理技術(shù)3 2.土工膜 分瀝青和聚合物兩大類，主要特點(diǎn)是透水性低。 3.土工格柵 經(jīng)過(guò)拉伸形成的具有方形或矩形格柵的聚合物板材，常用作加筋土結(jié)構(gòu)的筋材。 4.土工網(wǎng) 由合成材料條帶、粗股條編織或合成樹(shù)脂壓制的具有較大孔眼、剛度較大的平面結(jié)構(gòu)或三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀土工合成材料，用于軟基加固墊層、坡面防護(hù)等。 5.土工排水材 以無(wú)紡?fù)凉た椢锖屯凉ぞW(wǎng)、土工膜或不同形狀的土工合成材料組成的土工應(yīng)用的排水材料，如塑料排水板。 6.土工復(fù)合材 上述各種材料復(fù)合而成。2022-3-5地基處理技術(shù)4二二、土工合成材料的作用及原理土工合成材料的作用及原理 土

4、工合成材料應(yīng)用在工程上，概括起來(lái)為以下六種作用。 （一）過(guò)濾作用 把土工織物置于土體表面或相鄰?fù)翆又g，可以有效地阻止土顆粒通過(guò)，從而防止由于土顆粒的過(guò)量流失而造成土體的破壞，同時(shí)允許土中的水或氣體穿過(guò)織物自由排出，以免由于孔隙中的水壓力升高造成土體的失穩(wěn)等不利后果，圖8-1。土工織物圖8-1 過(guò)濾作用應(yīng)用a-土石壩內(nèi)排水體的濾層；b-擋土墻回填土中排水系統(tǒng)的濾層2022-3-5地基處理技術(shù)5(二) 排水作用 具有一定厚度的土工織物具有良好的三維透水特性，可以在土體中形成排水通道，把土中的水匯集起來(lái)，沿著材料的平面排出。較厚的針刺型無(wú)紡織物和某些具有較多孔隙的復(fù)合型土工合成材料都可以起排水作用

5、，圖8-2。圖8-2 排水作用應(yīng)用 a-土石壩護(hù)面下的排水；b-軟基處理中垂直排 2022-3-5地基處理技術(shù)6（三） 隔離作用 有些土工合成材料能夠把兩種不同粒徑的土、砂、石料，或把土、砂、石料與地基或其它建筑物隔離開(kāi)來(lái)，以免相互混雜，失去各種材料和結(jié)構(gòu)的完整性，或發(fā)生土粒流失現(xiàn)象，圖8-3。圖8-3 隔離作用應(yīng)用 a-壩體與地基間的隔離層；b-石籠、砂袋與地基之間的隔離層2022-3-5地基處理技術(shù)7 （四）加筋作用 土工合成材料埋在土體中，可以改變土中的應(yīng)力狀態(tài)，增加土體的模量，限制土體側(cè)向位移；還增加土體和其它材料之間的摩阻力，提高土體及相關(guān)建筑物的穩(wěn)定性，圖8-4。 1.用于加固土坡

6、和堤壩（圖8-16a） 2.用于加筋土擋墻（圖8-4b）圖8-4 加筋作用應(yīng)用a-加強(qiáng)堆土或邊坡穩(wěn)定性；b-擋土墻回填土中的加筋2022-3-5地基處理技術(shù)8（五）防滲作用 土工膜和復(fù)合型土工合成材料，可以防止液體的滲漏、氣體的揮發(fā)，保護(hù)環(huán)境和建筑物的安全，圖8-5。 圖8-5防滲作用應(yīng)用a-壩基下垂直防滲墻；b-灌區(qū)內(nèi)的低壓輸水管道2022-3-5地基處理技術(shù)9（六）防護(hù)作用土工合成材料對(duì)土體或水面可以起防護(hù)作用，圖8-6。圖8-6 防護(hù)作用應(yīng)用a-防止水蒸發(fā)或空氣中的灰塵污染水面；b-防止海岸或河岸被沖刷2022-3-5地基處理技術(shù)10 上述六種土工合成材料的基本功能，有的含意較明確，有的

7、易混淆。例如“過(guò)濾”與“隔離”兩種功能十分相似。實(shí)際上“過(guò)濾”與“水”分不開(kāi)的。起“過(guò)濾”作用的土工合成材料，不但要阻止土顆粒的通過(guò)，同時(shí)還要允許水分通過(guò)，而“隔離”作用是防止兩種材料混在一起。再如“排水”與“過(guò)濾”也容易混淆。實(shí)際上起排水作用的土工合成材料本身就是一個(gè)排水通道，土中的水分主要靠它來(lái)排出，對(duì)于“過(guò)濾”則不一定要求本身是排水通道。只有掌握各種功能的特點(diǎn)和彼此的區(qū)別，才能選用合適的土工合成材料。2022-3-5地基處理技術(shù)11 有時(shí)一種土工合成材料用于某項(xiàng)工程中同時(shí)具備幾種功能，但重要程度不一。例如在公路的碎石基層與地基之間鋪放土工織物，同時(shí)具備“隔離”、“過(guò)濾”、“加筋”和“排水

8、”等多種作用。在一般情況下，“隔離”是主要的，“過(guò)濾”和“加筋”是次要的，“排水”則不甚重要。設(shè)計(jì)者不能只考慮主要功能，而忽略次要功能，在上例中，如果只考慮對(duì)“隔離”的要求，不考慮對(duì)“過(guò)濾”和“加筋”的要求，而采用光滑的土工膜來(lái)代替土工織物，則可能引起路基中孔隙水壓力的升高，甚至造成路基的滑動(dòng)和失穩(wěn)。尤其在軟弱路基上修路，“加筋”可起控制作用。2022-3-5地基處理技術(shù)12 三、土工合成材料加固路堤時(shí)的設(shè)計(jì)計(jì)算三、土工合成材料加固路堤時(shí)的設(shè)計(jì)計(jì)算 以土工合成材料加固路堤時(shí)的穩(wěn)定性為例來(lái)說(shuō)明。 （一）設(shè)計(jì)所需的基本資料 1.設(shè)計(jì)要求：堤高、堤長(zhǎng)、堤寬、邊坡及各項(xiàng)外荷載。 2.地基土特性：地層剖

9、面、地下水位、重度、不排水及排水抗剪強(qiáng)度、固結(jié)指標(biāo)和土中的化學(xué)成分。 3.填土特性：顆粒的粒徑分布、塑性指標(biāo)、壓實(shí)指標(biāo)及強(qiáng)度等。 （二）厚層軟基上的加筋路堤 深厚軟土層堤壩，破壞常為圓弧滑動(dòng)，填土加筋層和地基都可能產(chǎn)生破壞，且滑動(dòng)受最大拉力點(diǎn)控制。2022-3-5地基處理技術(shù)13 1.設(shè)計(jì)原理 土工合成材料加筋相當(dāng)于在地基與填土之間或填土中增加一個(gè)抗拉力（筋材克服摩擦阻力產(chǎn)生），采用簡(jiǎn)化的Bishop條分法計(jì)算/cos/sinsincosi iii iiiiilsiiiiiisclWul tgmTFKWtgmK式中 ci、i計(jì)算第i條土的有效粘聚力和內(nèi)摩擦角； li計(jì)算第i條土的寬度； Wi計(jì)

10、算第i條土的重量； ui計(jì)算第i條土的孔隙水壓力； Ti計(jì)算第i條土的筋材容許抗拉強(qiáng)度； Fl計(jì)算第i條土的加筋摩擦阻力發(fā)揮程度系數(shù)，1.5； i計(jì)算第i條土的滑動(dòng)面切線與水平面夾角。2022-3-5地基處理技術(shù)142.筋材確定 根據(jù)需求的安全系數(shù)Ks，可以求出所需筋材的抗拉強(qiáng)度、加筋長(zhǎng)度和寬度。 假定不加筋時(shí)，不考慮 項(xiàng)，求得最小的安全系數(shù)Ks0。 已知Ks，則二者差為Ks= KsKs0 ，即liiFT/cosiiliisWFTKsin/cosliiiiFBLfT2式中 i第i條土中計(jì)算點(diǎn)的豎向正應(yīng)力； f筋材與土的拉、拔摩擦系數(shù)，約為0.8tgi； Li、Bi筋材的長(zhǎng)度與寬度。 一般采用試

11、算：假定加筋的位置、筋材的長(zhǎng)度、寬度，按（8-3）求Ti；按（8-2）驗(yàn)算是否滿足Ks值。Ti應(yīng)滿足TaTi，Ta為筋材允許的抗拉強(qiáng)度。 2022-3-5地基處理技術(shù)15 （三）淺層軟基土上的加筋路堤 當(dāng)?shù)鼗浲翆硬缓駮r(shí)，產(chǎn)生圓弧滑動(dòng)的可能性很小。土堤將以下列形式之一失穩(wěn)。應(yīng)分別計(jì)算、校核。 1.沿下臥硬層頂面滑動(dòng)（圖8-7a）土工織物軟土硬土abcdTrPABPPa 沿硬層頂面滑動(dòng)滑動(dòng)面土工織物軟土硬土PAFB滑動(dòng)面LcLsb 沿筋材頂面滑動(dòng)圖8-7淺層軟基上加筋路堤的穩(wěn)定性核算2022-3-5地基處理技術(shù)16 抗滑安全系數(shù)Ks為： （8-4）式中 Paab面上主動(dòng)土壓力，Pa= ； 坡土與

12、地基土的平均重度； Ka主動(dòng)土壓力系數(shù)，； 坡土與地基土的平均內(nèi)摩擦角； Ppcd面上的被動(dòng)土壓力（為安全計(jì)以靜止土壓力P0代替）5 . 1arBpsPTPKaKh 22124502tgKa02021KhPff2022-3-5地基處理技術(shù)17 地基土的重度； 地表面至硬層頂?shù)暮穸龋?K0靜止土壓力系數(shù)，K0=1-sin/； /地基土的有效內(nèi)摩擦角； h硬層以上至坡頂?shù)母叨龋?Tr筋材的抗拉力（摩擦力）； B硬層頂面抗滑力，； c硬層頂面處的粘聚力。 2.沿筋材頂面滑動(dòng)（8-7b） 抗滑安全系數(shù)Ks為：ffh2022-3-5地基處理技術(shù)185 . 1aBsPFK式中 Pa主動(dòng)土壓力，Pa= ；

13、Ka主動(dòng)土壓力系數(shù)，； 、堤土的重度和內(nèi)摩擦角； 堤土的高度； FB滑楔底面上的抗滑力，與筋材和填料等有關(guān) 當(dāng)?shù)掏翞闊o(wú)黏性土，編織土工織物時(shí) 式中 Lc、Ls計(jì)算長(zhǎng)度，見(jiàn)圖8-19a sg土與土工織物間摩擦角。affKh2/21245/02tgKa/f/ 、fhsgcsffBtgLLhF21/2022-3-5地基處理技術(shù)19當(dāng)?shù)掏翞轲ば酝粒幙椡凉た椢飼r(shí) 式中 cg土與土工織物間粘聚力。當(dāng)?shù)掏翞闊o(wú)黏性土，大開(kāi)孔土工網(wǎng)時(shí)式中 A0筋材網(wǎng)的開(kāi)孔百分率。當(dāng)?shù)掏翞轲ば酝?，大開(kāi)孔土工網(wǎng)時(shí) gcssgcsffBcLLtgLLhF21/0/21AtgLLhFsgcsffB00/21AcLLAtgLLhFgc

14、ssgcsffB2022-3-5地基處理技術(shù)20 （四）有軟弱薄夾層的加筋路堤 當(dāng)?shù)鼗杏熊浫醣A層時(shí)，受上部堤壩重量的作用，軟土在側(cè)向土壓力作用下很可能產(chǎn)生側(cè)向擠出破壞。土工織物軟土硬土PALsabcd破壞區(qū)（擠出）TBPp圖8-8 地基土抗擠出破壞核算 采用極限平衡法，軟土體abcd，ab上受主動(dòng)土壓力PA和cd上受被動(dòng)土壓力PP的作用，其抗擠出安全系數(shù)Ks為 2022-3-5地基處理技術(shù)21ABTPsPPK式中 T、B分別為軟土體abcd頂面和底面的抗滑力 csg、sg分別為軟土和加筋材相互作用的粘聚力和內(nèi)摩擦角； c、分別為軟土的粘聚力和內(nèi)摩擦角； v1、v2由于路堤重量而作用于ab面

15、和bc面上的法向應(yīng)力。2022-3-5地基處理技術(shù)22 四、施工技術(shù)四、施工技術(shù)（一）土工合成材料的連接方法 1.搭接法 將一片土工織物的末端自由地壓在另一片的始端上。搭接的寬度為7501500mm，地層越軟，搭接寬度越大。搭接法耗費(fèi)土工織物較多。 2.縫接法 用手提縫紉機(jī)將兩片土工織物縫起來(lái)，其搭接量一般小于25cm，各種縫接法見(jiàn)圖8-21。 3.膠接法 用適用于各種土工膜的膠粘劑，如聚氯乙烯膠及聚氨脂類膠等，涂抹在被砂紙打毛揩凈的土工膜搭接部位，壓緊、固化24h后，便粘合牢固。 4.電熱鍥焊接法 電熱鍥夾在在兩層被焊土工膜之間將膜加熱，熱鍥向前移動(dòng)時(shí)，其后的兩輥輪一起向前移動(dòng)將兩膜壓合，見(jiàn)圖8-22。2022-3-5地基處理技術(shù)23一般縫法丁縫法蝶形縫法圖8-9 土工織物縫接方法土工膜電熱鍥雙輥輪已焊接的土工膜圖8-10 電熱鍥焊接示意圖5.溶劑焊接 溶劑將土工膜表面溶化成膠狀然后粘結(jié)，例如THF溶劑，兩膜搭接80100mm，搭接面擦拭干凈將溶劑涂刷在