地下空間工程土工合成材料課件2018

1、土 工 合 成 材 料土工合成材料 1 概述 2 加筋的作用機(jī)理 3 加筋擋墻及其設(shè)計(jì)原理 4 堤壩軟基加筋 5 建筑物地基加筋 1 概述土工合成材料(Geosynthetics)： 以聚酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯 (PVC)等高分子聚合物和玻璃等為主要原材料制成的一種新型的工程材料，應(yīng)用于巖土工程。曾稱為土工聚合物、土工織物。優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、彈性好、耐磨、耐酸堿、不易腐 爛、不易蟲蛀、吸濕性小等；缺點(diǎn)：在陽光下易老化，埋于土中并采取措施可滿足工程要求。 1.1 土工合成材料的分類按制造工藝和工程性能，分為：（1）土工織物(Geotexti

2、les) a. 不織土工布(俗稱 無紡布) b. 編織土工布（絲帶編成） c. 機(jī)制土工布（編制機(jī)制成）（2）土工格柵(Geogrids) 聚合物板經(jīng)沖孔、單向(雙向)拉伸，形成單軸(雙軸)格柵； 玻璃絲或滌綸絲織成玻璃絲格柵。 土工格柵示意圖（3）土工網(wǎng)格(Geonets) 聚合物材料經(jīng)過熱熔壓拉制成一定形狀的網(wǎng)格板；（4）土工膜(Geomenbranes) 聚合物、橡膠等制成的 膜片，用于隔水防滲。（5）土工復(fù)合材料(Geocomposites) 由兩種或兩種以上的土工合成材料、高強(qiáng)合金鋼絲、玻璃絲纖維等制成的復(fù)合材料。 土工復(fù)合材料分類： 復(fù)合加筋材料(如土工格柵與土工布復(fù)合, 土工布和

3、土工膜復(fù)合) 復(fù)合排水材料，如排水帶； 復(fù)合隔水防滲材料土工粘襯墊。（6）其它 如加筋條帶、土工模袋等，加筋帶工程實(shí)例：土工加筋帶 1.2 土工合成材料的性能（1）物理性質(zhì) 比重、單位面積的質(zhì)量、厚度(壓力為2kPa時厚度)（2）力學(xué)性質(zhì) 抗拉強(qiáng)度；伸長率 撕裂強(qiáng)度、握持拉伸強(qiáng)度、摩擦試驗(yàn)強(qiáng)度、拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度、 壓縮性：厚度隨法向壓力變化的性質(zhì) 蠕變性: 其它強(qiáng)度試驗(yàn)，如脹破試驗(yàn)強(qiáng)度、頂破試驗(yàn)強(qiáng)度等（3）水力性質(zhì) 滲透性 等效孔徑：為最大孔徑D95，篩分法確定。 1.3 1.4 土工合成材料的主要功能及工程應(yīng)用（1）濾層作用 (反濾作用) 防止細(xì)粒土流失；不被淤堵 （2）排水作用排水通道例如地基

4、處理排水固結(jié)法中的塑料排水帶，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂井（3）加筋作用 工程應(yīng)用I 加筋路堤工程應(yīng)用II 加筋擋墻實(shí)例加筋擋墻錨固式加筋（4）隔離作用 防止兩種不同材料相互混雜。（5）防護(hù) 河岸、海岸邊坡及底部鋪設(shè)一層或多層土工合成材料，防止水流、風(fēng)浪的沖刷和侵蝕。（6）防滲、隔水和封閉工程應(yīng)用I 三峽二期圍堰的防滲墻上部采用土工膜三峽二期圍堰工程應(yīng)用II 固體廢物填埋場表土覆蓋層表面隔斷層基礎(chǔ)隔斷層地基基礎(chǔ)垃圾滲水和地下水的距離滲水導(dǎo)管氣體導(dǎo)管豎井地質(zhì)屏障經(jīng)處理的地質(zhì)屏障地下水氣體收集滲水收集垃 圾 體垃圾填埋體的主要構(gòu)成排水溝工程應(yīng)用III 固體廢物填埋場表土覆蓋層GCL：膨潤土防水毯 2 加筋的作用

5、機(jī)理以砂土加筋情況為例， 假設(shè)砂土中加筋間距為Sv， 比較無筋砂土和加筋砂土的三軸試驗(yàn)結(jié)果。SV筋材比較無筋砂土和加筋砂土 側(cè)向變形：約束作用：筋材與土之間的摩擦，限制了砂土的側(cè)向變形，或者增加了土土中的側(cè)向應(yīng)力。 應(yīng)力圖 無筋砂土： Mohr圓1：天然狀態(tài)； Mohr圓2：主動破壞狀態(tài)；加筋砂土： 施加與無筋砂土極限平衡狀態(tài)相同的應(yīng)力，Mohr圓2，筋材相當(dāng)對加筋砂土施加了約束圍壓，必須增大豎向應(yīng)力，才能使加筋砂土達(dá)到破壞狀態(tài)，從而提高了其強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，與無筋砂土比較： 加筋砂土的內(nèi)摩擦角變化不大； 加筋砂土的粘聚力提高了cR。則加筋砂土極限平衡條件寫成：式中：cR是由于筋材對砂土的圍壓引

6、起的。cR如何計(jì)算？建立粘聚力cR和筋材引起的圍壓增量的關(guān)系：考慮筋材引起圍壓增大3，砂土的強(qiáng)度可寫成：與加筋砂土強(qiáng)度公式比較有筋材引起的圍壓增量3計(jì)算？假設(shè)筋材寬度(或周長)為B，加筋作用引起的砂土圍壓增量為其中，Rf為筋材的極限抗拉強(qiáng)度，kN/m。Rf不同于一般的材料強(qiáng)度(kN/m2), 它是指單位寬度筋材能夠承受的最大拉力。代入加筋砂土的凝聚力cR計(jì)算公式：上面的分析說明： 加筋砂土強(qiáng)度的提高，是由于筋材通過對砂土的約束作用 提高量取決于筋材的極限抗拉強(qiáng)度。 3 加筋擋墻及其設(shè)計(jì)原理 3.1 概述加筋擋墻根據(jù)筋材鋪設(shè)分為： 筋帶式加筋擋墻、滿鋪包裹式擋墻：加筋擋墻的破壞分析包括： 內(nèi)部穩(wěn)

7、定性分析筋材被拉斷或拔出； 外部穩(wěn)定性分析地基破壞、傾覆破壞、滑動破壞等分析內(nèi)部穩(wěn)定性，需要確定擋土墻中筋材的受力特點(diǎn)在擋土墻中筋材的受力特點(diǎn)：筋材面上受到的剪應(yīng)力沿筋材是變化的；筋材內(nèi)的拉力沿筋材是變化的，拉力最大處將是筋材斷裂位置。筋材軸力最大位置的跡線構(gòu)成： 潛在破裂面。潛在破裂面位置： 頂部：距擋墻0.3H； 底部：與水平面成45o+/2. 3.2 加筋擋墻設(shè)計(jì)要點(diǎn)加筋擋墻設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 （1）加筋體的斷面形式 (a) 矩形加筋體：墻高H5m，加筋寬度max(0.7H, 3m) (b) 倒梯形：斜坡地帶，如圖； (c) 正梯形：寬敞的填土地帶，如圖。 （2）填料 與一般擋土填料要求一致

8、，盡量選用砂性土， 淤泥、腐殖土、生活垃圾不宜作為填土。 （3）加筋材料 抗拉強(qiáng)度高、延伸率小、表面摩擦力大。 （4）墻面板 鋼筋混凝土制成。 （5）墻面板的基礎(chǔ) 采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬度0.5m, 高度0.15m。2. 內(nèi)部穩(wěn)定性分析(1)土壓力計(jì)算 土壓力由填土自重、超載和活載引起h； 填土自重、超載計(jì)采用庫侖、朗肯理論； 集中活載土壓力，按Boussinesq解 （2）加筋布置的間距 筋材滿鋪，豎向間距Sv： 筋帶式鋪設(shè)，取水平1m寬度范圍，其中帶寬度b，豎向間距Sv： Ta筋材的容許抗拉強(qiáng)度(kN/m)，Ks安全系數(shù)1.31.5 （3）加筋錨固長度 每一層加筋的長度L：由主動區(qū)加筋的長度

9、LR與需要的錨固段長度Le為： 筋材受到的拉力為 在錨固段中摩擦力提供的抗拔力 筋材不被拔出，并考慮一定的安全儲備筋材抗拉強(qiáng)度與土壓力的關(guān)系：（4）回包的寬度L03. 外部穩(wěn)定性驗(yàn)算 在保證內(nèi)部穩(wěn)定性的前提下，加筋擋土墻可以看出一般重力式擋土墻分析，與一般擋土墻的驗(yàn)算相同。 4 堤壩軟基加筋 4.1 概述堤壩軟基加筋土墊層 在堤壩軟基表面按一定間距水平和垂直鋪設(shè)高強(qiáng)度的土工織物、土工格柵等與填土組成一定厚度的加筋土體。堤壩軟基加筋土墊層的作用： 增強(qiáng)基底抗拉力，防止壩基底開裂，保持基底整體性，均化堤壩荷載引起的基底壓力，約束壩底下淺層地基軟土的側(cè)向變形，改變地基應(yīng)力場，防止地基的剪切破壞，提高

10、地基的穩(wěn)定性和承載力，調(diào)整不均勻沉降。 堤壩軟基鋪設(shè)加筋后，堤壩的失穩(wěn)及地基的破壞形式： 4.2 堤壩軟基加筋設(shè)計(jì)分析加筋堤壩的承載力分析 一般了解 2. 加筋整體滑動分析加筋堤壩整體滑動分析：簡單條分法3. 其它情況的分析 其它破壞形式，一般了解 5 建筑物地基加筋 5.1 概述加筋墊層： 建筑物基礎(chǔ)下軟土地基上，沿水平方向布置一層或多層土工合成材料，可以提高地基承載力，調(diào)整不均勻沉降。 5.2 設(shè)計(jì)計(jì)算加筋地基破壞機(jī)理：兩個剪切滑動面： 基礎(chǔ)邊緣開始，連接各水平面上的最大剪力點(diǎn)的跡線。兩類破壞區(qū)域： 剪切滑動面將加筋地基分成兩類區(qū)域：主動區(qū)（一個）、錨固區(qū)（兩個）。 主動區(qū)內(nèi)，在豎向荷載作用下，在筋材內(nèi)形成拉力； 錨固區(qū)內(nèi)，筋材對主動區(qū)的筋材形成錨固。如何設(shè)計(jì)？加筋地基應(yīng)避免筋材被拉斷和被拔出： 其中： TD筋材的拉力； Rf筋材的抗拉強(qiáng)度； Tf單層筋材的抗拔阻力；據(jù)此，設(shè)計(jì)筋材的抗拉強(qiáng)度、數(shù)量形式、布置等（1）拉力TD的計(jì)算和加筋材料的選取公式簡單說明:n加筋的層數(shù)；b基礎(chǔ)寬度；h筋材的豎向間距；q0, q天然, 加筋地基承載力；J 加筋層深度z的豎向應(yīng)力系數(shù)；I 加筋層深度z的剪應(yīng)力系數(shù)；J、I與z/b、L0/b有關(guān)。設(shè)計(jì)需要的筋材，應(yīng)滿足拉力TD作用下不被拉斷：（2）抗拔力Tf計(jì)算與加筋材料寬