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1、岩土工程研究所 第十二章 土工合成材料加筋技术 地基处理技术 岩土工程研究所 土工合成材料加筋技术 第一节 加筋法与土工合成材料 加筋法是在土中加入条带、纤维或网格等筋才， 构成加筋土，从而改善土的力学性能，提高土的强 度和稳定性。 土工合成材料(Geosynthetics)：以人工合成的聚 化物为原料制成的各类土工产品总称。由高分子聚 合物通过纺丝和后处理工艺制成纤维，然后加工形 成的用于岩土工程领域的建筑材料。 岩土工程研究所 土工合成材料的分类 岩土工程研究所 1、土工格栅（geogrid）： 由聚乙烯或聚丙烯通过打孔、单项或双向拉伸扩孔而成 ，孔格尺寸为10-100mm圆形、椭圆形获长
2、方型格栅。 土工合成材料中发展迅速的一个种类。最初的土工格栅 由英国耐特龙(Netlon)公司制造。1980年前后，英国开发出 经编格栅，采用聚酯纤维材料。此外，还有玻纤格栅。我国 已有上述格栅的生产能力。 岩土工程研究所 单向土工格栅双向土工格栅 双向玻纤土工格栅 岩土工程研究所 2、土工织物 土工织物采用编织技术生产的可渗透的土工合成材料. 分为：有纺土工织物和无纺土工织物 （1）有纺土工织物： 在普通纺织机上由单丝或多股丝织成,或有薄膜切成的扁丝 编制而成，与通常的棉毛制品相似。经纬向具有较高的强度和 刚度，拉断延伸率低，过滤排水特性较差。 有纺土工织物主要做成 各种土工合成材料产品，如
3、 编织袋、防汛带、土工膜袋等。 （2）无纺土工织物 由短纤维或喷丝长纤维随机铺成絮垫，再经机械缠合（针刺 ）或热粘，或化学粘合而成。与通常的毛毯相似。具有低到中 等的强度和高断裂延伸率，过滤排水性能良好。 无纺土工织物主要用途是作为排水反滤层。 岩土工程研究所 无纺土工布 有纺土工布 岩土工程研究所 3、土工网 由连续的聚合物肋条以一定角度的连续网孔平行挤 出而成。较大的孔径使其形成了像网一样的结构，同 时能承受一定的法向压力孔径不显著减小。 主要功能主要应用于排水领域。在土中需和外包无 纺土工织物反滤层构成土工复合材料。 三维土工网土工网 岩土工程研究所 土工网作用： 草皮长成前，可保持土地
4、表面免遭 风雨的侵蚀。 与植物形成的复合 保护层可经受高水位、大流速的水 流冲刷。 可替代混凝土、沥青、 块石等坡面材料，主要用于公路、 铁路、河道、堤坝、山坡等坡面保 护。 效益： 可大幅降低工程造价，造价为混凝 土护坡和干砌石护坡的1/7，浆砌 块石护坡的1/8。 采用高分子材料以及抗紫外线稳定 剂，其化学稳定性高，对环境无污 染（降解型的网垫二年后在土中不 留痕迹） 施工简便，将地表平整后，即可施 工。 岩土工程研究所 高密度聚乙烯土工膜 4、土工膜 由聚氯乙烯、聚乙烯、氯化聚乙等制成的渗透性很低 的膜或薄片，分为加筋与不加筋两类，厚度0.25-4mm，幅 度1.5-10m。 岩土工程研
5、究所 土工膜用于垃圾填埋场防渗 岩土工程研究所 复合土工膜 一布一膜二布一膜 岩土工程研究所 5、土工格室 菱形或蜂窝网状土三维工合成材料，厚度5-20cm,空格 尺寸约80-400mm.格中充填土、砂和碎石。 岩土工程研究所 土工合成材料应用 1、加筋路堤 筋材：土工织物、土工格栅 和土工格室。 作用： l提高路堤和地基稳定性 l减小不均匀沉降 岩土工程研究所 作陡变坡，节省用地 岩土工程研究所 2、路面及基层加筋 筋材： 无纺土工织物，土工格栅 铺设位置： 1. 新建沥青路面面层底部； 作用：减少半刚性基面对沥青 路面面层反射裂缝； 2. 旧沥青路面、混凝土路面 上的沥青加铺层底部； 作用
6、：减少或延缓旧路面对沥 青加铺层的反射裂缝。 岩土工程研究所 3、加筋挡土墙 筋材：土工格栅 作用：拉筋作用 武汉大学加筋挡土墙 岩土工程研究所 5、加筋桥台 岩土工程研究所 4、防护 土工模袋坡面防护、河岸防冲刷 岩土工程研究所 4、防护 坡面防护、河岸防冲刷、防路面反射裂缝 岩土工程研究所 6、排水与反滤（用作反滤的土工织物一般为无纺土工织物） 反滤：使用土工织物作过滤层，允许水流过土工织物，但细粒土 不会大量进入排水集料或管中。 在同样反虑效果时，土工格栅材料质量只有沙层的1/1000-1/10000 岩土工程研究所 7、隔离 将土工合成材料置于两种不同特性材料之间，防止不同土壤层 （通
7、常为细粒土层和粒状排水土层）颗粒的相互混合。 岩土工程研究所 8、防渗 防止液体渗漏、气体挥发，保护建筑物安全。 岩土工程研究所 第二节 加筋法加固机理 表面摩擦 1、筋材的应力传递： 筋材水平铺于土中，高抗拉强度 、高模量的筋材于土界面应力传递 方式：表面摩擦和利用横杆的被动 抗力。 （1）依靠表面摩擦力传递 上覆压力和筋土间摩擦角越大，传 递的摩擦力越大；筋材表面越粗糙， 土粒径越大且带有棱角，传递的摩擦 力越大。 筋材应有足够的强度和弹模，保证 筋土间产生错动前不被拉出。 岩土工程研究所 2、依靠筋材横杆被动土抗力传递（格栅、格室） 格栅与土发生相 对位移时，除有摩擦 抗力外，格栅横杆侧
8、 面受到与之垂直的被 动土压力。 加筋作用机理 侧压力赠量理论 与无加筋土比较，加筋土限制土的侧向位移，等效于给土体施加 了一个侧压力增量。 视凝聚力理论 与无加筋土比较，加筋土的凝聚力有很大提高，内摩擦角基本不 变。 岩土工程研究所 图（a）为未加筋的土单元，当保持3不变， 1增加时， 土单元体产生竖向压缩和侧向膨胀。随着1逐渐增大，在竖向 变形增大的同时侧向膨胀也越来越大，直至破坏，其相应的极 限应力圆为图（c）中的A圆。 岩土工程研究所 假如在土单元中设置水平向拉筋，如图（b）所示，通过拉 筋与土颗粒之间的摩擦作用，把引起侧向膨胀的力传递给拉筋， 土体的侧向变形受到约束，则在与图（a）相
9、同的极限作用下， 由于侧向变形较小，土单元就不会破坏。只有当竖向应力从1f 增加到1f +1f 时，加筋的土单元才破坏，如图（c）中的B圆 。这时的强度包线如图（c）中的虚线所示。实验证明，有加筋 作用时，土体的内摩擦角与未加筋土体相近，所不同的是增加 了内聚力，因此，加筋作用相当于使土体增加了内聚力。 岩土工程研究所 在三轴试验中，用土工织物加筋与未加筋土体的应力应变 关系如下图所示。当应变较小时，加筋对土的应力应变关系基 本上无影响。当应变达到某一界限时，加筋对土的应力应变关 系的影响逐渐显著，强度随土的应变增大而增大。加筋对土的 抗剪强度提高在产生较大的应变后才得以发挥。 加筋土应力应变
10、关系 岩土工程研究所 第三节 加筋土的应用 一、加筋土垫层 加筋土垫层就是在垫层中水平铺设一层或数层土工合 成材料形成的复合垫层。加筋垫层加固地基的原理是： 通过垫层中土工加筋带的作用，增强了垫层的整体性和 刚度，可调整不均匀沉降；由于垫层刚度增大的影响， 可通过复合垫层的应力扩散，扩大荷载的分布范围，调 整应力分布使应力更趋均匀；通过加筋带与垫层材料间 的摩擦力，增加了复合垫层的侧限能力，可减小软弱地 基土的侧向挤出和隆起，从而减小沉降变形；同时，由 于软土水平位移减小，软土内剪应力和剪应变减小，竖 向承载力提高。 岩土工程研究所 加筋土垫层中筋材的设计应重点考虑以下几个方面的因素： 1复合
11、垫层中所用的土工合成材料应具有较高的抗拉强度和 延伸率，材料表面应具有较大的摩擦系数，在施工过程中不 应出现土工合成材料被顶破、撕裂的现象。在砂卵石垫层中 的土工合成材料应形成网格状，网格处应采取一定的措施加 以固定，以免土工合成材料在垫层内来回错动，影响其受力 特性。 2加筋垫层的厚度、土工合成材料的层数和网格密度应满足 上部结构物对地基强度和沉降的要求。 3土工织物加筋层应位于垫层的中底部，且不宜直接置于下 卧层的顶面。大板基础的基底应力分布为中间大边缘小，故 在基础边缘部位至筋带弯折部位土工织物网格应加密，并在 弯折处用砂卵石袋压紧。 岩土工程研究所 二、加筋土地基 对于公路、铁路、河海
12、堤防等构筑物下的软土地基，采用 土工合成材料加筋处理，对提高软基上堤坝填土的极限高度 、增加地基稳定性、减少地基不均匀沉降量有显著的效果。 加筋土地基有三种可能的破坏形式： （1）加筋拔出 当土工合成材料与土的界面摩擦强度小于土工织物的抗 拉强度，界面上的剪应力随填土荷载的增加而逐渐增大，直 到发生剪切破坏，接着合成材料被拔出，地基发生破坏。 （2）拉断 当土工合成材料与土的界面摩擦强度大于它的抗拉强度 时，界面上的剪应力增大到一定值将使土工合成材料拉断， 地基出现整体滑动破坏。 岩土工程研究所 （3）地基失稳破坏 软土深厚，土工合成材料拉伸应变很大时，在荷载增加 的过程中，土工合成材料与土的
13、应变均连续增加，在土工合 成材料应变达到加拿大Rowe教授提出的“允许相容应变”后 ，地基出现圆弧滑动破坏。 允许相容应变：假设土工合成材料的抗拉模量小到可以忽 略不计，此时土工合成材料对堤坝的稳定作用受土工合成材 料与土体的变形相容性和相对模量控制。 岩土工程研究所 三、加筋土边坡 加筋土边坡有两种形式：人工填土加筋土边坡和天然边坡 的加筋处理。人工填土加筋土边坡中，加筋材料随填土加高 ，分层加筋分层压实形成坡面。天然边坡的加筋处理是对已 有边坡的加固，筋材不是分层埋入而是钻孔锚入边坡，又称 锚钉法，一般要求筋材有较高的强度和拉伸模量。 加筋土边坡是利用筋材的抗剪、抗拉性能提高土的强度以 达
14、到提高边坡稳定性的目的。 加筋土边坡设计采用极限平衡理论，可按圆弧滑动法或楔 体滑动法核算土坡的稳定安全系数。筋材强度验算和内部稳 定验算与加筋土挡墙验算相同。 岩土工程研究所 四、加筋土挡墙 加筋土挡墙是由 填土、填土中布置 一定数量的带状拉 筋和直立墙面板三 部分组成的整体复 合结构。 岩土工程研究所 第四节 加筋路堤设计 一、加筋路堤破坏形式： (a)路堤沿筋材滑动 (b)路基土挤出 (c)整体滑动 (d)过大沉降 岩土工程研究所 yi 二、加筋路堤稳定性验算 1、整体稳定安全系数计算（瑞典法） 按无筋情况确定最危险滑弧圆心位置，假定加筋后滑弧不变 ，拉力水平方向，按下式计算安全系数：
15、Ti：第i层筋材提供的水平拉力，取筋材容许抗力强度 Yi：第i层筋材到滑心竖直距离。 若有n层筋， Ti取n Ti，要求Fs1.3 岩土工程研究所 2、抗拔稳定性 若有筋材没有满铺，处于滑弧之外的筋材应具有 足够的锚固长度，应验算筋材拉力作用下的抗拔出 稳定性。 筋材拉力方向与其模量有关。拉力方向水平时力 臂较短，安全系数较小，因此，上述公式计算偏远 全。 岩土工程研究所 3、堤坡滑动稳定性验算 滑动力： 抗滑力： 抗滑安全系数： 若取抗滑安全系数为2.0，则 Ea L T H 筋材 堤坡滑动受力图 岩土工程研究所 4、地基土挤出稳定性演算 挤出力： 抗挤出力： 筋材摩擦力： 硬基对于软基摩擦
16、力： :填土重度 Cs、s：软基强度指标 s:软土重度 sg:筋材与软基界面摩擦角 Ka、kp：软基主、被动土压力 系数。 堤坡下软土受力图 岩土工程研究所 二、加筋路堤承载力验算 1、承载力验算可采用条形基础加筋地基承载力验算方法 和公式。 2、也可采用下面改进太沙基承载 力公式 Pu:加筋地基极限承载力； ：筋材拉力与水平面夹角，取45+/2 Cf、f：地基土凝聚力和重度 D:沉降加侧边隆起量 T：筋材拉力，可取容许抗拉强度 R：两侧地基土隆起的假象圆半径。一般取3m，较浅软基取其厚度 之半。 岩土工程研究所 R：两侧地基土隆起的假象圆半径。一般取3m，较浅软基取 其厚度之半。 B:平均堤宽，取堤顶和底宽度之半 Nc、Nq：承载力因数。可从相关教材查出。 岩土工程研究所 加筋地基 第五节 条形基础加筋地基设计 一、地基承载力验算步骤 （1）初定加筋材料： 如土工格栅或土工织物，确定 加筋垫层土的内摩擦角和重度 以及筋材允许抗拉强度Ta （2）布置筋材 第一层到基底距离z12b/3;最 下层到基底距离zn2b,筋材总层
