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1、土工袋加筋技术及其应用 乔丽平王钊 ( 武汉大学土木建筑学院武汉4 3 0 0 7 2 ) 摘要：本文介绍了土工袋加筋技术。分析了其力学特性，当土工袋受到外力作用时， 袋体发生形变，土工袋中产生的张力反过来产生附加粘聚力c ，使得土工袋有较高的压缩 强度；同时，由于袋体的作用，土工袋还有一定的拉伸强度。随后讨论了其在工程上的应 用，如可用于加强铁路路基和建筑物软基，修建挡土墙和土堤以及软心堤等。实践表明， 该法具有提高地基承载力、减小车辆产生的振动影响、寒冷地区防止地基冻胀、建筑废弃 物再利用以及施工简单无噪音污染等优点。 过去，人们往往只将土工袋用于防洪减灾或临时性工程中。很少有人用它建筑永
2、久性 结构，可能是由于人们缺乏对它的认识。近些年，在日本土工袋被成功的应用于铁路路基、 建筑物的软基处理以及挡土墙建设中，同时取得较多研究成果【l 卜【z 引。 1 土工袋附加凝聚力C 及强度特性 1 1 土工袋附加凝聚力C I I I II I 袋- F 怅力T t I 麟毒I1 黼 袋子囊力T B ：一 ( b ) 作用在土工囊一水土忙上的应力 飞。詈 o g , - 。 l I ) 、 图1 二维模型土工袋的受力分析图2 土工袋附加粘聚力c ( 8 ) 的变化 如图1 ( a ) 所示，表示一二维模型土工袋受到外应力ol 和o3 的作用，土工袋形状将 发生变化。当土工袋周长伸长时( 如短
3、轴方向缩短，长轴方向伸长) ，土工袋将会产生一 张力T 。该张力T 反过来产生一附加应力oo 。和o0 3 作用于土工袋内部的土体上： 1 r 彳、， O “ 0 1 = 么B x l ) = 2 1 ) ( 1 ) 式中B 和H 分别为土工袋的宽度和高度。 因此，作用在土工袋内部土体上的总应力为外部施加的应力0l 、o3 和由张力产生的 附加应力oo I 、O0 3 之和，如图1 0 9 ) 所示。当土工袋内部土体处于极限状态时，可得到下 式： 百2 T 咆( 予 ( 2 ) 式中 忌p = r 1 + 面s i n 为土工袋内部土体的被动土压力系数，妒为土的内摩擦角。 比较式( 2 ) 和
4、强度表达式仃l = D 3 七，+ 2 c i 可得到附加凝聚力c 的表达式： c 一去c 争棚 实际工程中，土工袋可能受到各种方向外力的作用。假设土工袋的倾斜角为6 ，工程 中，为了安全和使用上的方便，常使用如下关系4 1 ： 当0 0 6 4 5 0 时c ( 6 ) = c ( 5 = 0 ) c o s t 多 当4 5 0 6 9 0 0c ( 6 ) = 0 ( 4 ) 式中c ( 6 = 0 ) 由式( 3 ) 计算得到。由式( 4 ) 可以看出，附加凝聚力C ( 6 ) 随着倾斜 角6 增大而减小，当6 4 5 。时，其值为0 。图2 为土工袋附加粘聚力c ( 6 ) 的变化曲
5、线。 文献【5 】中曾用一实际的土工袋在混凝土试验用的万能压缩试验机上进行了6 = 0 。时 的耐压试验。试验用的袋子为通常市场上出售的白色编织袋，其拉伸强度大约为 T f = 1 2 k N m 。土工袋内部材料为碎石，其内摩擦角为- - - 4 6 。试验开始时土工袋尺寸B X L X H - - 4 0 c m X 4 0 c m xl O c m 。根据式( 3 ) 计算出土工袋破坏时由土工袋张力T f 引起的附加 粘聚力c = 2 7 9 3 k P a ，换算成垂直荷载为2 2 1k N ，而实际测得的破坏荷载为2 3 0 k N ，基本接 近式( 3 ) 的结果。 1 2 土工袋
6、的拉伸强度 通常，一般的土是没有拉伸强度的。但是，如果将它装入袋中做成土工袋时，它便能 承受一定拉力，也就是说它有了拉伸强度。M a t s u o k a ( 2 0 0 2 ) 【4 】通过一系列的拉拔试验证 实了这点。图3 为由拉拔试验得到的破坏摩尔应力圆和由式( 3 ) 预测的破坏线。 6 0 4 0f ，。3 0 亿每 7 ，。1 8 + o r t a l - t2 5 “ 一差嘉玺搿巴踹黼 + 口t a n2 5 。B = 9 4 c m , H = 5 2 口kT = 8 呻 c = 1 8 P a 由式( 3 ) - 到的僵 一4 0 2 002 04 0o ( k P a
7、) 图3 拉拔试验应力圆和理论破坏线 2 土工袋加筋技术的应用 2 1 用于加筋铁路碎石路基 由于碎石路基离铁轨地面很近，由其上覆土压力产生的应力盯很小，导致其抗剪强 度f ，( T ，= a7 t a J l ) 较小，因此路基产生了较大侧向位移和沉降。如果将碎石用聚乙 烯编织袋装起来做成土工袋，用它铺成路基。在列车荷载的作用下，土工袋将发生形变， 在袋中产生张力，使得用土工袋铺成的路基的抗剪强度提高，大大减小了路基产生的沉降。 K a c h i 等( 1 9 9 7 ) 【6 l 通过一系列的模型试验和现场试验证明了这点。 当用土工袋来加强软基础时，不但可以提高地基承载力，还可以减小车辆
8、产生的振动。 M a t s u o k a 4 J 等通过试验证实了这点，但是其机理目前还不清楚，有待研究。 2 2 加强建筑物软基 到目前为止，在日本已用该法处理了几百座建筑物软基。图4 为一典型的用土工袋加 强建筑物软基的布置方案。对图4 方案，M a t s u o k a 曾进行了对比计算。土工编织袋参数为 T = 1 2 k N m ，B - - 4 0 c m ，H = 1 0 c m 。填充物内摩擦角- - 4 4 。地基土的特性参数为Y = 1 6 k N m 3 ， c = 1 0 k P a ，吐 - - - - 0 。计算中取土工袋复合体有效宽度为1 2 0c m (
9、相当于3 个土工袋宽度) ， 埋深4 0c m ( 相当于4 层土工袋高度) 。建筑物基础宽度为4 0c m ，埋深为2 0c m 。计算发 现，未用土工袋加强基础时，基础单位宽度承载荷载为2 1 8 4k N m ，而用土工袋加强时却 为7 3 2k N m ，相当于未用土工袋加强时的3 7 5 倍，说明用土工袋加强软基是有效的【4 】。 图4 土工袋加强软基础典型布置图 k 丝韭旦刊 图6 用连接土工袋建造的挡土墙 在国内也曾有用该法加固油罐地基、建筑物软基的成功事例7 】【引。如文献 8 】中，通过 模型试验和现场试验发现，加袋方案( 在3 层加筋情况的1 和2 层间加一层袋装砂；或在
10、4 层情况下，在1 ，2 层间和3 ，4 层间各加一层袋装砂) 下，B C R 值( 平铺和卷边铺设方 法承载比) 可达1 9 5 ，显著提高了地基承载力。在8 幢建筑物的加筋砂垫层中均采取这一 方案，取得满意效果。表1 为8 幢房屋竣工时和1 9 9 7 年1 0 月测得的平均沉降值。 表1工程实例的实测沉降值 注：( 1 ) a 为竣工时实测沉降量，I i l i n ；b 为1 9 9 7 年1 0 月实测沉降量，m l n 。 ( 2 ) 括号内数字为竣工到1 9 9 7 年1 0 月间隔的年数。 用土工袋加强建筑物软基是可行的，但其设计计算方法有待进一步研究。不同的施工 方法、填充物
11、材料及建筑物的整体刚度对计算结果都有较大影响。 2 3 防止地基冻胀 大喇蝴 传燃 图5 寒冷地区防止冻胀的方法 冻胀在寒冷地区常发生，此时地下水凝结，使得地基膨胀。防止冻胀产生的传统做法 是加深地基到特定深度( 如图5 ( a ) ) ，这常常需要很大的资金投入和较长的工期，图5 ( b ) 为在土工袋中装入大颗粒充填物来防止冻胀产生的方法。土工袋一直堆到冻深处，土工袋 层数一般为2 - 6 层，由冻深和地基承载力决定。由于填充物为大颗粒物质，空隙较大，很 难出现毛细作用，从而就难以发生冻胀现象。 S u z u k i 等( 2 0 0 0 ) 曾做了一个用土工袋防止冻胀的试验。试验中，他
12、将土工袋埋于地 下2 0 c m 深处，土工袋中的填充物为粒径为2 5 m m 2 0 m m 的碎石。试验发现，地下2 0 c m 深处土工袋含水量仅为5 ，说明毛细水很难上升至土工袋中，因此冻胀也就很难发生。 如果不采用土工袋，含水量将达2 0 ，大大增加了冻胀产生的可能性。 2 4 建造挡土墙 图6 为一用土工袋在一粘土地基上建筑的挡土墙，墙高4 5 m ，全长2 1 m ，墙面倾斜角 7 5 。下部6 个土工袋连接( 采用扎紧袋口，缝合底部的连接方式) 起来，上部1 0 个土 工袋连接起来( 土工袋长4 0 c m ，宽4 0 c m ，高1 0 c m ) ，土工袋中的充填物为带有砖
13、、瓦片 的建筑废弃物，袋子为聚乙烯编织袋。施工时，土工袋一层层堆放，并用振动器压紧，为 避免聚乙烯袋受到日光照射，在墙面上抹了一层素混凝土砂浆。整个工程，大约用了3 0 0 0 只聚乙烯土工袋，由于没有使用大的建筑机械，整个施工过程中显得很安静。 在日本，曾用土工袋建造了一长4 3 6 m 的土堤，该工程中，大尺寸( 长l m ，宽l m ， 高2 0 c m ) 、抗紫外线作用的聚乙烯土工袋被采用，土工袋中的填充物采用当地较难处理的 火山岩渣，大约用了l 万只土工袋。不仅修建了堤防，还有效的利用了这些难处理的火山 岩渣。 2 5 建筑软心堤 R e dE y eC r o s s i n g
14、 工程位于B o t o nR o u g e 以南两英里的密西西比河上。该交叉航道从密 西西比河左岸跨河流入右岸。河流转弯处河床变宽，流速聚降，在浅滩上引起大量淤积。 为解决淤泥问题，决定在河道上建立水坝以提高流速。历史上这类堤坝均采用抛石堆筑， 由于航道上经常有船舶通过，堆石会破坏船体，经工程师团建议，首次在这里采用土工合 成材料建成软心堤。软心堤工程包括6 条水下丁坝，总长度2 1 3 0 m ，采用了体积为2 3 m 3 的聚丙烯编织袋3 8 0 0 0 个，袋直径1 1 7 m ，缝合后的长度2 5 m ，又用了每个体积为7 6 m 3 至4 2 0 m 3 的土工包5 5 6 个，
15、包的周长1 3 5 m ，长度1 2 2 3 5 m 。缝制土工包的编织物的拉伸 强度T s = 4 4 6 k N m ，等效孔径A O S = 0 4 5 r a m ，土工包的充填率为理论体积的6 0 7 0 ，6 条 丁坝堤中1 ，3 ，5 号用土工袋，2 ，4 ，6 号用土工包建成，顶部为土工袋。 3 8 0 0 0 个土工袋从平项驳船在离水平面平均高2 3 m 处投放，土工袋内湿砂松填，以免 在扔袋时和河底冲击，使织物受很大应力。扔袋从上游进行，土工袋放在船头的铁框内， 经常测记流速、抛置深度及堤坝形状。在虽初扔抛的袋内扣上了编号浮子，以记录袋是否 抓破。未发现袋与河底相撞引起的破
16、坏。工程总造价为6 0 0 万美元，若使用疏浚法解决淤 积，年修费用高达3 0 0 万美元，可见建软心堤的费用在两年内即可收回。 工程实践表明，在水深达2 0 m 、流速为1 5 m s 条件下，土工袋与土工包皆可准确定位， 修建起要求的软心堤。这种技术不仅可行，也比抛石方案经济 9 1 。 3 结语 3 6 7 当土工袋受到外力作用时，土工袋体中产生的张力使得土工袋起到加筋的作用。 由于土工袋体中的张力产生了附加粘聚力c ，这是土工袋有高压缩强度的原因，附 加粘聚力C 随着土工袋的长轴方向与大主应力作用面之间夹角的增大而减小。 土工袋中的填料可用建筑过程中或自然产生的废弃物，可以有效的进行废物再利 用，有利于环保。 用土工袋加强软基础，不但可以提高地基承载力，还可以减小车辆产生的振动影 响和防止冻胀发生。 用土工袋加筋时，不需要采用大型机械，施工简单且对周围环境无噪音
