土工合成材料加筋技術(shù)教學(xué)提綱

第十二章土工(tǔɡōnɡ)合成材料加筋技術(shù)地基(dìjī)處理技術(shù)第一頁，共46頁。土工(tǔɡōnɡ)合成材料加筋技術(shù)第一節(jié)加筋法與土工(tǔɡōnɡ)合成材料加筋法是在土中加入條帶、纖維或網(wǎng)格等筋才，構(gòu)成加筋土，從而改善土的力學(xué)性能，提高土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。土工合成材料(Geosynthetics)：以人工合成的聚化物為原料制成的各類土工產(chǎn)品總稱。由高分子聚合物通過紡絲和后處理工藝制成纖維，然后(ránhòu)加工形成的用于巖土工程領(lǐng)域的建筑材料。第二頁，共46頁。土工合成材料(cáiliào)的分類第三頁，共46頁。1、土工格柵（geogrid）：由聚乙烯或聚丙烯通過打孔、單項(xiàng)或雙向拉伸擴(kuò)孔而成，孔格尺寸為10-100mm圓形、橢圓形獲長(zhǎng)方型格柵。土工合成材料中發(fā)展迅速的一個(gè)種類。最初的土工格柵由英國(guó)耐特龍(Netlon)公司制造。1980年前后，英國(guó)開發(fā)出經(jīng)編格柵，采用(cǎiyòng)聚酯纖維材料。此外，還有玻纖格柵。我國(guó)已有上述格柵的生產(chǎn)能力。第四頁，共46頁。單向(dānxiànɡ)土工格柵雙向土工(tǔɡōnɡ)格柵雙向玻纖土工(tǔɡōnɡ)格柵第五頁，共46頁。2、土工織物土工織物采用編織技術(shù)生產(chǎn)的可滲透的土工合成材料.分為：有紡?fù)凉た椢锖蜔o紡?fù)凉た椢铮?）有紡?fù)凉た椢铮涸谄胀徔棛C(jī)上由單絲或多股絲織成,或有薄膜切成的扁絲編制而成，與通常的棉毛制品相似。經(jīng)緯向具有較高的強(qiáng)度和剛度，拉斷延伸率低，過濾／排水特性較差。有紡?fù)凉た椢镏饕龀筛鞣N土工合成材料產(chǎn)品，如編織袋、防汛(fánɡxùn)帶、土工膜袋等。（2）無紡?fù)凉た椢镉啥汤w維或噴絲長(zhǎng)纖維隨機(jī)鋪成絮墊，再經(jīng)機(jī)械纏合（針刺）或熱粘，或化學(xué)粘合而成。與通常的毛毯相似。具有低到中等的強(qiáng)度和高斷裂延伸率，過濾／排水性能良好。無紡?fù)凉た椢镏饕猛臼亲鳛榕潘礊V層。第六頁，共46頁。無紡?fù)凉げ加屑復(fù)凉げ嫉谄唔摚?6頁。3、土工網(wǎng)由連續(xù)的聚合物肋條以一定角度的連續(xù)網(wǎng)孔平行擠出(jǐchū)而成。較大的孔徑使其形成了像網(wǎng)一樣的結(jié)構(gòu)，同時(shí)能承受一定的法向壓力孔徑不顯著減小。主要功能主要應(yīng)用于排水領(lǐng)域。在土中需和外包無紡?fù)凉た椢锓礊V層構(gòu)成土工復(fù)合材料。三維土工網(wǎng)土工網(wǎng)第八頁，共46頁。土工網(wǎng)作用：草皮長(zhǎng)成前，可保持土地表面免遭風(fēng)雨的侵蝕。與植物(zhíwù)形成的復(fù)合保護(hù)層可經(jīng)受高水位、大流速的水流沖刷?？商娲炷?、瀝青、塊石等坡面材料，主要用于公路、鐵路、河道、堤壩、山坡等坡面保護(hù)。效益：可大幅降低工程造價(jià)，造價(jià)為混凝土護(hù)坡和干砌石護(hù)坡的1/7，漿砌塊石護(hù)坡的1/8。采用高分子材料以及抗紫外線穩(wěn)定劑，其化學(xué)穩(wěn)定性高，對(duì)環(huán)境無污染（降解型的網(wǎng)墊二年后在土中不留痕跡）施工簡(jiǎn)便，將地表平整后，即可施工。第九頁，共46頁。高密度聚乙烯土工膜4、土工膜由聚氯乙烯、聚乙烯、氯化聚乙等制成的滲透性很低的膜或薄片(báopiàn)，分為加筋與不加筋兩類，厚度0.25-4mm，幅度1.5-10m。第十頁，共46頁。土工膜用于垃圾(lājī)填埋場(chǎng)防滲第十一頁，共46頁。復(fù)合(fùhé)土工膜一布一膜二布一膜第十二頁，共46頁。5、土工格室菱形或蜂窩(fēngwō)網(wǎng)狀土三維工合成材料，厚度5-20cm,空格尺寸約80-400mm.格中充填土、砂和碎石。第十三頁，共46頁。土工(tǔɡōnɡ)合成材料應(yīng)用1、加筋路堤(lùdī)筋材：土工織物(zhīwù)、土工格柵和土工格室。作用：提高路堤和地基穩(wěn)定性減小不均勻沉降第十四頁，共46頁。作陡變(dǒubiàn)坡，節(jié)省用地第十五頁，共46頁。2、路面(lùmiàn)及基層加筋筋材：無紡?fù)凉た椢?，土工格柵鋪設(shè)位置：新建瀝青路面面層底部；作用(zuòyòng)：減少半剛性基面對(duì)瀝青路面面層反射裂縫；2.舊瀝青路面、混凝土路面上的瀝青加鋪層底部；作用(zuòyòng)：減少或延緩舊路面對(duì)瀝青加鋪層的反射裂縫。第十六頁，共46頁。3、加筋擋土墻筋材：土工(tǔɡōnɡ)格柵作用(zuòyòng)：拉筋作用(zuòyòng)武漢大學(xué)(wǔhàndàxué)加筋擋土墻第十七頁，共46頁。5、加筋橋臺(tái)(qiáotái)第十八頁，共46頁。4、防護(hù)(fánghù)土工模袋坡面防護(hù)、河岸(héàn)防沖刷第十九頁，共46頁。4、防護(hù)(fánghù)坡面防護(hù)、河岸防沖刷、防路面(lùmiàn)反射裂縫第二十頁，共46頁。6、排水與反濾（用作反濾的土工織物(zhīwù)一般為無紡?fù)凉た椢?zhīwù)）反濾：使用土工織物作過濾層，允許水流過土工織物，但細(xì)粒土不會(huì)大量(dàliàng)進(jìn)入排水集料或管中。在同樣反慮效果時(shí)，土工格柵材料質(zhì)量只有沙層的1/1000-1/10000第二十一頁，共46頁。7、隔離(gélí)將土工合成(héchéng)材料置于兩種不同特性材料之間，防止不同土壤層（通常為細(xì)粒土層和粒狀排水土層）顆粒的相互混合。第二十二頁，共46頁。8、防滲防止(fángzhǐ)液體滲漏、氣體揮發(fā)，保護(hù)建筑物安全。第二十三頁，共46頁。第二節(jié)加筋法加固(jiāɡù)機(jī)理表面(biǎomiàn)摩擦1、筋材的應(yīng)力(yìnglì)傳遞：筋材水平鋪于土中，高抗拉強(qiáng)度、高模量的筋材于土界面應(yīng)力(yìnglì)傳遞方式：表面摩擦和利用橫桿的被動(dòng)抗力。（1）依靠表面摩擦力傳遞上覆壓力和筋土間摩擦角越大，傳遞的摩擦力越大；筋材表面越粗糙，土粒徑越大且?guī)в欣饨?，傳遞的摩擦力越大。筋材應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和彈模，保證筋土間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)前不被拉出。第二十四頁，共46頁。2、依靠筋材橫桿被動(dòng)土抗力(kànɡlì)傳遞（格柵、格室）格柵與土發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，除有摩擦抗力外，格柵橫桿側(cè)面受到與之垂直(chuízhí)的被動(dòng)土壓力。加筋作用(zuòyòng)機(jī)理側(cè)壓力贈(zèng)量理論

與無加筋土比較，加筋土限制土的側(cè)向位移，等效于給土體施加了一個(gè)側(cè)壓力增量。視凝聚力理論與無加筋土比較，加筋土的凝聚力有很大提高，內(nèi)摩擦角基本不變。第二十五頁，共46頁。圖（a）為未加筋的土單元(dānyuán)，當(dāng)保持3不變，1增加時(shí)，土單元(dānyuán)體產(chǎn)生豎向壓縮和側(cè)向膨脹。隨著1逐漸增大，在豎向變形增大的同時(shí)側(cè)向膨脹也越來越大，直至破壞，其相應(yīng)的極限應(yīng)力圓為圖（c）中的A圓。第二十六頁，共46頁。假如在土單元中設(shè)置水平向拉筋，如圖（b）所示，通過拉筋與土顆粒之間的摩擦作用，把引起(yǐnqǐ)側(cè)向膨脹的力傳遞給拉筋，土體的側(cè)向變形受到約束，則在與圖（a）相同的極限作用下，由于側(cè)向變形較小，土單元就不會(huì)破壞。只有當(dāng)豎向應(yīng)力從1f增加到1f+△1f時(shí)，加筋的土單元才破壞，如圖（c）中的B圓。這時(shí)的強(qiáng)度包線如圖（c）中的虛線所示。實(shí)驗(yàn)證明，有加筋作用時(shí)，土體的內(nèi)摩擦角與未加筋土體相近，所不同的是增加了內(nèi)聚力，因此，加筋作用相當(dāng)于使土體增加了內(nèi)聚力。第二十七頁，共46頁。在三軸試驗(yàn)中，用土工織物加筋與未加筋土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如下圖所示。當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，加筋對(duì)土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本上無影響。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某一界限時(shí)，加筋對(duì)土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響逐漸顯著，強(qiáng)度隨土的應(yīng)變?cè)龃蠖龃蟆＜咏顚?duì)土的抗剪強(qiáng)度提高在產(chǎn)生較大的應(yīng)變后才得以(déyǐ)發(fā)揮。加筋土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系第二十八頁，共46頁。第三節(jié)加筋土的應(yīng)用(yìngyòng)一、加筋土墊層

加筋土墊層就是在墊層中水平鋪設(shè)一層或數(shù)層土工合成材料形成的復(fù)合墊層。加筋墊層加固地基的原理是：通過墊層中土工加筋帶的作用，增強(qiáng)了墊層的整體性和剛度，可調(diào)整不均勻沉降；由于墊層剛度增大(zēnɡdà)的影響，可通過復(fù)合墊層的應(yīng)力擴(kuò)散，擴(kuò)大荷載的分布范圍，調(diào)整應(yīng)力分布使應(yīng)力更趨均勻；通過加筋帶與墊層材料間的摩擦力，增加了復(fù)合墊層的側(cè)限能力，可減小軟弱地基土的側(cè)向擠出和隆起，從而減小沉降變形；同時(shí)，由于軟土水平位移減小，軟土內(nèi)剪應(yīng)力和剪應(yīng)變減小，豎向承載力提高。第二十九頁，共46頁。加筋土墊層中筋材的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面的因素：1．復(fù)合墊層中所用的土工合成材料應(yīng)具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸率，材料表面應(yīng)具有較大的摩擦系數(shù)，在施工過程中不應(yīng)出現(xiàn)土工合成材料被頂破、撕裂的現(xiàn)象。在砂卵石墊層中的土工合成材料應(yīng)形成網(wǎng)格狀，網(wǎng)格處應(yīng)采取一定的措施加以固定(gùdìng)，以免土工合成材料在墊層內(nèi)來回錯(cuò)動(dòng)，影響其受力特性。2．加筋墊層的厚度、土工合成材料的層數(shù)和網(wǎng)格密度應(yīng)滿足上部結(jié)構(gòu)物對(duì)地基強(qiáng)度和沉降的要求。3．土工織物加筋層應(yīng)位于墊層的中底部，且不宜直接置于下臥層的頂面。大板基礎(chǔ)的基底應(yīng)力分布為中間大邊緣小，故在基礎(chǔ)邊緣部位至筋帶彎折部位土工織物網(wǎng)格應(yīng)加密，并在彎折處用砂卵石袋壓緊。第三十頁，共46頁。二、加筋土地(tǔdì)基對(duì)于公路、鐵路、河海堤防等構(gòu)筑物下的軟土地基，采用土工(tǔɡōnɡ)合成材料加筋處理，對(duì)提高軟基上堤壩填土的極限高度、增加地基穩(wěn)定性、減少地基不均勻沉降量有顯著的效果。加筋土地基有三種可能的破壞形式：（1）加筋拔出當(dāng)土工(tǔɡōnɡ)合成材料與土的界面摩擦強(qiáng)度小于土工(tǔɡōnɡ)織物的抗拉強(qiáng)度，界面上的剪應(yīng)力隨填土荷載的增加而逐漸增大，直到發(fā)生剪切破壞，接著合成材料被拔出，地基發(fā)生破壞。（2）拉斷當(dāng)土工(tǔɡōnɡ)合成材料與土的界面摩擦強(qiáng)度大于它的抗拉強(qiáng)度時(shí)，界面上的剪應(yīng)力增大到一定值將使土工(tǔɡōnɡ)合成材料拉斷，地基出現(xiàn)整體滑動(dòng)破壞。

第三十一頁，共46頁。（3）地基失穩(wěn)破壞(pòhuài)軟土深厚，土工合成材料拉伸應(yīng)變很大時(shí)，在荷載增加的過程中，土工合成材料與土的應(yīng)變均連續(xù)增加，在土工合成材料應(yīng)變達(dá)到加拿大Rowe教授提出的“允許相容應(yīng)變”后，地基出現(xiàn)圓弧滑動(dòng)破壞(pòhuài)。允許相容應(yīng)變：假設(shè)土工合成材料的抗拉模量小到可以忽略不計(jì)，此時(shí)土工合成材料對(duì)堤壩的穩(wěn)定作用受土工合成材料與土體的變形相容性和相對(duì)模量控制。第三十二頁，共46頁。三、加筋土邊坡

加筋土邊坡有兩種形式：人工填土加筋土邊坡和天然邊坡的加筋處理。人工填土加筋土邊坡中，加筋材料隨填土加高，分層加筋分層壓實(shí)形成坡面。天然邊坡的加筋處理是對(duì)已有邊坡的加固(jiāɡù)，筋材不是分層埋入而是鉆孔錨入邊坡，又稱錨釘法，一般要求筋材有較高的強(qiáng)度和拉伸模量。加筋土邊坡是利用筋材的抗剪、抗拉性能提高土的強(qiáng)度以達(dá)到(dádào)提高邊坡穩(wěn)定性的目的。加筋土邊坡設(shè)計(jì)采用(cǎiyòng)極限平衡理論，可按圓弧滑動(dòng)法或楔體滑動(dòng)法核算土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。筋材強(qiáng)度驗(yàn)算和內(nèi)部穩(wěn)定驗(yàn)算與加筋土擋墻驗(yàn)算相同。第三十三頁，共46頁。四、加筋土擋墻加筋土擋墻是由填土、填土中布置一定數(shù)量(shùliàng)的帶狀拉筋和直立墻面板三部分組成的整體復(fù)合結(jié)構(gòu)。第三十四頁，共46頁。第四節(jié)加筋路堤(lùdī)設(shè)計(jì)一、加筋路堤破壞形式：(a)路堤沿筋材滑動(dòng)(b)路基土擠出(c)整體(zhěngtǐ)滑動(dòng)(d)過大沉降第三十五頁，共46頁。yi二、加筋路堤穩(wěn)定性驗(yàn)算1、整體穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算（瑞典法）按無筋情況確定(quèdìng)最危險(xiǎn)滑弧圓心位置，假定加筋后滑弧不變，拉力水平方向，按下式計(jì)算安全系數(shù)：Ti：第i層筋材提供的水平(shuǐpíng)拉力，取筋材容許抗力強(qiáng)度Yi：第i層筋材到滑心豎直距離。若有n層筋，Ti取nTi，要求Fs≥1.3第三十六頁，共46頁。2、抗拔穩(wěn)定性若有筋材沒有滿鋪，處于滑弧之外的筋材應(yīng)具有足夠的錨固長(zhǎng)度，應(yīng)驗(yàn)算筋材拉力作用下的抗拔出(báchū)穩(wěn)定性。筋材拉力方向與其模量有關(guān)。拉力方向水平時(shí)力臂較短，安全系數(shù)較小，因此，上述公式計(jì)算偏遠(yuǎn)全。第三十七頁，共46頁。3、堤坡滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算滑動(dòng)力(dònglì)：抗滑力：抗滑安全系數(shù)：若取抗滑安全系數(shù)為2.0，則EaLTH筋材堤坡滑動(dòng)(huádòng)受力圖第三十八頁，共46頁。4、地基土擠出穩(wěn)定性演算(yǎnsuàn)擠出力：抗擠出力：筋材摩擦力：硬基對(duì)于軟基摩擦力：

γ:填土重度Cs、φs：軟基強(qiáng)度指標(biāo)γs:軟土重度Φsg:筋材與軟基界面摩擦角Ka、kp：軟基主、被動(dòng)土壓力(yālì)系數(shù)。堤坡(dīpō)下軟土受力圖第三十九頁，共46頁。二、加筋路堤承載力驗(yàn)算1、承載力驗(yàn)算可采用條形基礎(chǔ)加筋地基承載力驗(yàn)算方法和公式。2、也可采用下面(xiàmian)改進(jìn)太沙基承載力公式Pu:加筋地基極限承載力；θ：筋材拉力與水平面夾角，取45°+φ/2Cf、γf：地基土凝聚力和重度D:沉降加側(cè)邊隆起量T：筋材拉力，可取容許抗拉強(qiáng)度(kànɡlāqiánɡdù)R：兩側(cè)地基土隆起的假象圓半徑。一般取3m，較淺軟基取其厚度之半。第四十頁，共46頁。R：兩側(cè)地基土隆起的假象圓半徑(bànjìng)。一般取3m，較淺軟基取其厚度之半。B`:平均堤寬，取堤頂和底寬度之半Nc、Nq：承載力因數(shù)。可從相關(guān)教材查出。第四十一頁，共46頁。加筋地基(dìjī)第五節(jié)條形基礎(chǔ)加筋地基(dìjī)設(shè)計(jì)一、地基承載力驗(yàn)算步驟（1）初定加筋材料