土工合成材料加筋地基

土工合成材料加筋地基第1頁/共50頁（二）加筋用土工合成材料1、

土工織物

geotextiles土工織物是采用編織技術(shù)生產(chǎn)的透水性土工合成材料，成布狀，故俗稱土工布。主要特點(diǎn)是重量輕、整體連續(xù)性好、施工簡便、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕。土工織物又分為有紡?fù)凉た椢铮╳ovengeotextiles）和無紡?fù)凉た椢铮╪onwovengeotextiles），前者由單絲或多股絲織成，或由薄膜切成的扁絲編織而成；后者由短纖維或噴絲長纖維隨機(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（參見彩圖1和2）。第2頁/共50頁圖1有紡織物圖2無紡織物隔離、加筋第3頁/共50頁

2、土工格柵geogrids

土工格柵是一種以高密度聚乙烯或聚丙烯塑料（包括玻璃纖維）為原料加工形成的開口的、類似格柵狀的產(chǎn)品，具有較大的網(wǎng)孔。塑料土工格柵可以在一個方向或兩個方向上進(jìn)行拉伸取向以提高力學(xué)性能。另一種更靈活的、織物狀的土工格柵由英國的ICI開發(fā)出來，采用的是聚酯纖維，這導(dǎo)致了在編織機(jī)上制造聚脂格柵的發(fā)展，產(chǎn)品稱為經(jīng)編（knitted）格柵。在這種工藝中，眾多的纖維在一起形成了縱向和橫向肋條，上面涂有一些保護(hù)材料，如PVC，乳膠或?yàn)r青。此外，還有玻纖(glassfiber)格柵，它也是一種經(jīng)編格柵（參見彩圖3）。目前，我國已具有上述格柵的生產(chǎn)能力。第4頁/共50頁加筋、隔離圖3單向塑料格柵雙向塑料格柵經(jīng)編土工格柵第5頁/共50頁3、土工網(wǎng)geonets土工網(wǎng)是由連續(xù)的聚合物肋條以一定角度的連續(xù)網(wǎng)孔平行擠出而成。較大的孔徑使其形成了象網(wǎng)一樣的結(jié)構(gòu)，同時能承受一定的法向壓力不顯著減小孔徑。其設(shè)計功能主要應(yīng)用在排水領(lǐng)域，即需要輸導(dǎo)各種液體的地方。在土中需和外包無紡織物反濾層構(gòu)成土工復(fù)合材料使用，也起到加筋作用。第6頁/共50頁4、土工膜－土工格柵型復(fù)合材料由于某些土工膜和土工格柵可用同種原料生產(chǎn)，如高密度聚乙烯，它們可以粘合在一起形成一個不透水的屏障，且其強(qiáng)度和摩擦力都有所提高。5、土工織物－土工格柵型復(fù)合材料這些低模量、低強(qiáng)度和高延伸率的土工織物（通常是無紡織物）可通過用土工格柵做成復(fù)合材料而使其弱點(diǎn)得到克服，共同發(fā)揮隔離、反濾和加筋作用。第7頁/共50頁

6、土工－其它材料geo-others為了解決工程實(shí)踐中出現(xiàn)的新問題，新型土工合成材料產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)：（1）土工格室（geocell）和土工網(wǎng)格（geoweb）這是一種呈菱形或蜂窩網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的土工合成材料，鋪設(shè)厚度為50~200mm,中間空格尺寸大約80~400mm。格中填土、砂、碎石或混凝土，起侵蝕控制作用，亦可用于加筋地基、加筋土擋土墻。第8頁/共50頁（2）土工條帶（geostrips）

該產(chǎn)品用高強(qiáng)度的合成材料或玻璃纖維作抗拉筋材，外面裹以塑料套，一般在套的表面具有防滑花紋，增大與土的摩擦力。土工條帶多用于加筋土擋墻。

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（三）應(yīng)用設(shè)計屬于“功能設(shè)計”的范疇，即根據(jù)土工合成材料應(yīng)用的主要功能和設(shè)計理論確定土工合成材料要求的性能指標(biāo)，根據(jù)材料試驗(yàn)結(jié)果和不同的折減系數(shù)得到土工合成材料的允許特性指標(biāo)，則設(shè)計的安全系數(shù)Fs用下式計算：

其中，設(shè)計理論來自相關(guān)工程設(shè)計中成熟的模型，并結(jié)合土工合成材料的特點(diǎn)作一些必要的修正；折減系數(shù)素須綜合考慮材料的蠕變、施工破壞、化學(xué)破壞和生物破壞等的影響。第10頁/共50頁（一）條形基礎(chǔ)的加筋地基

理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察都表明，基礎(chǔ)下方的土在沉降的同時向兩側(cè)擴(kuò)張，地基土破壞時，基礎(chǔ)兩側(cè)的地表隆起，因此在基礎(chǔ)下方存在著一個拉伸變形區(qū)域，如果將土工合成材料布置在這個區(qū)域，將產(chǎn)生拉力，提高地基的承載力。1、

工程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2-1為南京某煉油廠的原油油罐及基礎(chǔ)，油罐的直徑40.5m，高15.8m，下臥40m厚的軟土。油罐的浮動頂對基礎(chǔ)的沉降差要求很嚴(yán)，采用逐層鋪設(shè)土工織物和砂墊層的方法處理地基，達(dá)到了設(shè)計要求（王鐵儒等，1987）。

圖2-1二、加筋地基第11頁/共50頁

模型試驗(yàn)圖2-2所示裝置，為基礎(chǔ)寬度，加筋織物長度為，和分別表示頂層和最低層土工織物的深度，為無加筋時的極限荷載，為加筋條件下沉降與無加筋達(dá)時的沉降相同情況下的荷載。圖2-2

令承載比，主要的結(jié)論如下：

(1)對于相對密度>50％的砂，BCR值較小，但當(dāng)沉降較大。例如達(dá)到10％時，不同密度砂的BCR穩(wěn)定在1.7左右，即不受密度的影響；

(2)頂層加筋的最佳深度，有效加筋范圍為≤2；

(3)在有效深度內(nèi)，層數(shù)N增加，BCR增加，直到N=6，達(dá)峰值，層數(shù)再增加，

BCR無明顯改變；

(4)織物長度增加至?xí)r，BCR接近最大，再增加L只是增加了錨固段長度，幾乎沒有變化；

(5)當(dāng)織物抗拉強(qiáng)度增加時，BCR增大，例如從67kN／m增加到216kN／m，BCR由1.7增加到2.6。第12頁/共50頁

地基承載力試驗(yàn)（宇都宮大學(xué)）第13頁/共50頁

2、軟土地基加筋提高整體穩(wěn)定性可用堤基分層加筋代替第14頁/共50頁分析土工織物對地基的加筋作用主要有以下四個方面：（1）隔離堤身和軟基，堤底下凸、堤頂受擠壓防裂，增加滑弧長度（且處于堤身滑弧的抗剪強(qiáng)度大）。（2）下凸增加堤基埋深。（3）擴(kuò)散應(yīng)力，使壓縮應(yīng)力分布均勻。（4）約束軟弱土的側(cè)向變形。第15頁/共50頁（二）條形淺基礎(chǔ)的加筋土地基的設(shè)計1、筋材布置太沙基等研究者將條形淺基礎(chǔ)破壞時（整體滑動破壞）的地基分成三個區(qū)，即主動極限平衡區(qū)Ⅰ、被動極限平衡區(qū)Ⅲ和過渡區(qū)Ⅱ，并推導(dǎo)出地基極限承載力公式（2-1）。（2-2）

（?）051015202530

（×b）7.007.504.144.976.067.539.58

（×b）0.710.790.891.011.161.351.59模型試驗(yàn)揭示地基極限承載力隨筋材長度和深度增加至一定值后，極限承載力增加緩慢，但理論上只有達(dá)到表2-1所列深度和長度時，極限承載力才停止增長。第16頁/共50頁筋材的布置范圍，筋材層數(shù)N為3—6，且長度L足夠。此時加筋地基的破壞表現(xiàn)為筋材的斷裂，其斷裂點(diǎn)在基礎(chǔ)下方，接近筋材與壓力擴(kuò)散線的交點(diǎn)。從0增至30時，

從3.0b增至9.58b，筋材的增長大幅度增加了基坑開挖的工程量，故適當(dāng)減短長度，損失一定的承載力是合理的。d——基礎(chǔ)埋深，m；——土與筋材的界面摩擦系數(shù)，由試驗(yàn)確定。無試驗(yàn)資料時，土工織物可取0.67tan，土工格柵可取0.8tan，為加筋砂墊層中砂的內(nèi)摩擦角?！獕毫U(kuò)散角，可以從《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007－2002中查找，度；——筋材抗拔出安全系數(shù)，可取2.5；

—加筋砂墊層中砂的容重,kN/m3。

第17頁/共50頁2、地基承載力設(shè)計公式筋材拉力對地基承載力的貢獻(xiàn)包括以下兩個方面（王釗、王協(xié)群巖土工程學(xué)報，2000（6））：一是拉力向上分力的張力膜作用，二是拉力水平分力的反作用力所起的側(cè)限作用?！鼗休d力安全系數(shù)，。

—最低一層筋材的深度，m?？紤]因埋深修正而提高的承載力和墊層壓力擴(kuò)散提高的承載力，則加筋地基增加的地基承載力設(shè)計值：ΔfR=ηdγ（d+zn－0.5）+pk+Δf

ηd—基礎(chǔ)埋深的地基承載力修正系數(shù)；——基礎(chǔ)底面處的平均壓力值，kPa。

ηd

加筋土（砂）墊層地基承載力設(shè)計公式為：

pk－≤ΔfR—墊層下軟土地基承載力特征值，kPa；第18頁/共50頁[例]

黃石市某泄洪閘的閘室底寬b為5.0m，基底壓力設(shè)計值=280kPa，埋深d=3.37m，地基淤泥質(zhì)土的容重γ=18.4kN/m3，地基承載力特征值fak=100kPa，粘聚力c=40kPa，內(nèi)摩擦角=16°。初步設(shè)計擬在閘室及前面二節(jié)和后面一節(jié)箱涵的下方采用外徑50厘米，長14米的微孔樁93根處理地基。施工圖設(shè)計階段改為土工格柵加筋土墊層。試完成設(shè)計。解：設(shè)計用三層土工格柵構(gòu)成加筋土地基。第一層到基底面距離z1=0.6m，第3層到基底面距離zn=1.6m，間距△H=(zn－z1)/(3-1)=0.5m。試驗(yàn)測得砂墊層中砂的內(nèi)摩擦角s=34°。第19頁/共50頁(1)求加筋提高的承載力ΔfR

=－fak

=280kPa-100kPa=180kPa

將ΔfR=180kPa和查得的ηd=1.1，θ=25°

)得Δf=ΔfR－ηdγ（d+zn－0.5）-=180kPa－1.1×18.4×(3.37+1.6-0.5)kPa－280×kPa=180kPa－90.47kPa－68.36kPa=25.17kPa從上面計算中可見因埋深修正增加的承載力達(dá)90.47kPa，因壓力擴(kuò)散增加的承載力達(dá)68.36kPa，而要求筋材提供的承載力增量Δf僅為25.17kPa。

第20頁/共50頁(三)土工合成材料加筋土模型

（殷建華）

一維(1-D)Pasternak模型

一維(1-D)TimoshenkoBeam模型 二維(2-D)連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模型1.一維Pasternak剪切層模型(a)一維(1-D)Pasternak模型-線性梁，線性彈簧

qs=ksw(b)一維(1-D)Pasternak模型-非線性梁，非線性彈簧

第21頁/共50頁Fig.1SchematicillustrationoftheextendedPasternakshearlayermodel(afterYin1997a)第22頁/共50頁Fig.2.Threeelementsfromanverticalsegmentofinfinitesimalwidth,forcesandstresses(afterYin1997a)第23頁/共50頁Fig.3. SheardeformationsduetotheincreaseinmembranetensionforceFig.4. Stretchingandrotationofamembraneelement第24頁/共50頁Fig.4.(a)Schematicillustrationoftheproposed1-Dfoundationmodel,(b)twoindependentvariableswandandtheirpositivedirectionand(c)dimensionsofabeamelementandforces(positiveasshown)(afterYin1999)2.一維(1-D)TimoshenkoBeam模型第25頁/共50頁3.二維(1-D)連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模型

二維(2-D)有限差分模型-連續(xù)介質(zhì)力學(xué)FLAC計算模型Fig.5.DimensionsofFDmodelwithH/Bchanges第26頁/共50頁Fig.6.DisplacementvectorsforH/B=0.25,(a)withoutgeomembraneand(b)withgeomembrane第27頁/共50頁Fig.7.(a)Geomembranesettlementand(b)mobilisedtensionforce第28頁/共50頁4.今后值得研究的課題土工合成材料加筋土的極限承載力簡單模型更合理的一維變形計算模型二維和三維連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模型試驗(yàn)室設(shè)備和測試現(xiàn)場設(shè)備和測試第29頁/共50頁（四）土工帶加筋砂墊層現(xiàn)場試驗(yàn)（白曉紅）第30頁/共50頁第31頁/共50頁UHZB3B（2B、B）

承壓板寬度（基礎(chǔ)寬度）加筋參數(shù):N:加筋層數(shù)U:首層加筋間距H:加筋帶間距LDR:加筋線密度(筋帶寬度/筋帶水平間距）

LDR=B/4B（3B、2B）測試項(xiàng)目：沉降觀測墊層底的土壓力測定加筋帶的應(yīng)變測定第32頁/共50頁第33頁/共50頁

第34頁/共50頁第35頁/共50頁第36頁/共50頁第37頁/共50頁第38頁/共50頁小結(jié)：1碎石薄墊層（Z/B=0.2）經(jīng)土工帶加筋后地基承載力提高,沉降增長延緩。極限狀態(tài)時（TG筋帶）單層加筋較素墊層地基承載力提高1.22~1.26倍，雙層加筋較素墊層地基承載力提高1.53~1.61倍。2加筋材料的發(fā)揮與地基變形有關(guān)。荷載小時，靠近基底的筋材先發(fā)揮作用，遠(yuǎn)離基底的筋材只有荷載加到一定值，地基變形大時才能發(fā)揮作用。3本次試驗(yàn)結(jié)果表明：TG土工帶加筋墊層地基最優(yōu)參數(shù)：加筋層數(shù)N=2，首層加筋間距U/Z=0.17，加筋間距H/Z=0.5，加筋線密度LDR=33.3%。

影響加筋效果的主要因素:

加筋層數(shù)、加筋帶間距。

第39頁/共50頁

（五）

軟土地基上的加筋堤

軟土為天然含水量大、空隙比大、壓縮性高，承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成的土，主要有淤泥、淤泥質(zhì)土及泥炭。加筋可提高軟土地基上堤的填土高度，能有效約束側(cè)向位移和側(cè)向擠出量，增加地基抗滑穩(wěn)定性，加快路堤填土速度，減小地基最終沉降量，對土體應(yīng)力具有協(xié)調(diào)作用，可有效減小地基的不均勻沉降。土堤和加筋土地基可能產(chǎn)生的破壞形式有：（1）土堤的堤坡部分沿著筋材表面水平滑動，圖6-26(a)；（2）基土擠出破壞(b)；（3）堤和地基整體滑動破壞（c）；（4）地基產(chǎn)生過大的沉降(d)。應(yīng)針對每一種破壞形式，提出預(yù)防的設(shè)計方法。第40頁/共50頁1、整體滑動設(shè)計采用修正的圓弧滑動條分法。這個方法的要點(diǎn)是先試算出沒有加筋材料時最危險圓弧的位置，并假定加筋后滑弧的位置不變。筋材拉力的方向和筋材的拉伸模量有關(guān)，對柔性筋材可假設(shè)拉力的方向與滑弧相切，，則抗整體圓弧滑動的安全系數(shù)見下式1；對剛性性筋材假設(shè)拉力的方向沿水平方向，則抗整體圓弧滑動的安全系數(shù)見下式2。

（1）

（2）

圓弧滑動分析法

第41頁/共50頁抗整體圓弧滑動的安全系數(shù)Fs要求不小于1.3。如果有些層的筋材沒有滿鋪，處于滑弧以外（穩(wěn)定土體側(cè)）的筋材應(yīng)具有足夠的錨固長度，即校核筋材在允許抗拉強(qiáng)度的拉力作用下抗拔出的穩(wěn)定性。

2、堤坡滑動

3、基土擠出

4、承載力校核土工合成材料加筋地基在荷載作用下，荷載作用面的正下方產(chǎn)生沉降，周邊地基土體產(chǎn)生側(cè)向位移和部分隆起。承載力校核可參見第五節(jié)條形基礎(chǔ)加筋地基中的計算。也可用改進(jìn)的太沙基承載力公式計算（Yamanouchi，1979）：沿堤基布置土工合成材料后，地基和筋材的變形情況參見下圖。地基的極限承載力：

第42頁/共50頁——沉降及側(cè)邊隆起量，m；——筋材的拉力，可取允許拉伸強(qiáng)度，kN/m；R——兩側(cè)基土隆起的假想圓半徑，一般取3m，或?qū)^淺的軟基采用其厚度的一半；——筋材拉力與水平面夾角，由主動破壞面確定，即；

——平均堤寬，取堤頂與堤底寬度的平均值，m；式中，第一項(xiàng)為天然地基土原有的承載力；第二項(xiàng)為旁側(cè)荷載的影響，其中為薄壁圓筒容器公式值的一半，它代表了基土部分隆起使筋材產(chǎn)生拉力所起的鎮(zhèn)壓作用；最后一項(xiàng)代表筋材拉力產(chǎn)生的張力膜效應(yīng)，為土工合成材料拉力的垂直分量，起到減小有效荷載的作用?？沟鼗休d力破壞的安全系數(shù)，要求≥，這里為堤的填土容重，為堤高。第43頁/共50頁

曼谷現(xiàn)場試驗(yàn)堤（1997年）參考堤破壞堤高：4.2米3*9kN/m+1*19kN/m加筋破壞堤高：4.6米提高到1.1倍1*200kN/m加筋破壞堤高：6.7米提高到1.6倍第44頁/共50頁堤基加筋提高穩(wěn)定性機(jī)理：1、筋材抗拉力產(chǎn)生的抗滑力矩；2、筋材的隔離作用；（1）堤基沉入、埋深增加、承載力增加，（2）滑弧經(jīng)過堤身材料段增長，其抗剪強(qiáng)度較高，故抗滑力增加，（3）堤基成鍋底形，對堤頂有擠壓作用，防止堤頂拉伸裂紋的產(chǎn)生。第45頁/共50頁不帶土工格室?guī)凉じ袷覇蝹€土工格室t(格室厚)圖5-6-2帶/不帶土工格室組合體破壞機(jī)理示意圖（引自Koerner,1998）（六）土工格室加筋地基承載力分析第46頁/