加筋边坡和加筋土挡墙的设计与施工

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1、 第8章加筋边坡和加筋土挡墙的设计与施工 8.1 概述 8.1.1加筋土结构的特点 加筋土是一种在土中加入加筋材料而形成的复合土。在土中加入加筋材料可以提高土的强度，增强土体的稳定性。因此，凡在土中加入加筋材料而使整个土工系统的力学性能得到改善和提高的土工加固方法均称为土工加筋技术，形成的结构亦称之为加筋土结构。 加筋土技术从广义上讲是一门土工增强技术，或称土工补强技术。土工增强技术常见有加筋土、纤维土、复合土、改性土等。 加筋土技术应用于工程结构中形成加筋土结构，目前在工程中应用较多的是加筋土挡墙、加筋土边坡和加筋土地基，以及加筋路面。加筋土边坡一般由加筋材料和土体填料组成，坡面比较陡，根据

2、工作条件和需要，坡面可设面板，也可不设面板，见图8.1。加筋土挡墙一般由基础、面板、加筋材料、土体填料、帽石等主要部分组成，见图8.2。加筋土陡坡和加筋土挡墙，与传统支挡结构相比，具有以下特点： (1)结构新颖、造型美观 加筋土结构新颖，巧妙地利用了面板、填料和加筋带。面板可根据环境和需要构思出各种图案，与景观、环境、相邻建构筑物等配套协调，富于艺术感染力。 (2)技术简单、施工方便 加筋土结构虽然机理复杂，但结构简单，技术容易掌握，需要的施工机械较少，不需专门的施工机具；再加之加筋体逐层回填压实形成，是柔性结构，墙体形成的加载而引起的地基变形对加筋土结构本身的影响很小，因而需要的地基处理也比

3、较简单，施工十分方便。(3)要求较低、节省材料 加筋土各组成部分对材料的要求不高，大宗材料为加筋土填料(一般填土)，其来源广泛，易于获得；对地基承载能力的要求相对来说较低，比较容易满足；基础小、面板薄，所用材料少。在边坡工程中与其他支挡结构相比，能较显著地节省材料用量。 (4)施工速度快、工期短 加筋土结构由于技术简单、施工容易方便，而且材料用量少，现场土石方量减少，圬工量大大减少。面板可现场先预制，也可进行工厂化生产，再运至现场安装。施工作业简单，可组织流水作业，也可进行大面积施工。另一方面，加筋土工程施工组织简单，施工工序少，现场比较好管理和指挥。因此，加筋土工程施工速度很快，工期都比较短

4、。 (5)造价低廉、效益明显 加筋土结构的造价与同等条件下的其他支挡结构相比，节约造价幅度一般为1050。加筋土挡墙的墙面板可以垂直砌筑，加筋土边坡的坡度一般也比较大，因此，工程占地较少。另外，施工时对环境的影响小，施工快、工期短，其综合效益十分显著。 (6)适应性强、应用广泛 加筋土技术的应用经过几十年的发展，已从公路路堤、路肩发展到应用于其他各种支挡结构和边坡防护。目前已用于处理公路边坡、市政建设、护岸工程、铁道工程路基边坡、工民建配套的支挡及边坡工程、防洪堤、林区工程、工业尾矿坝、渣场、料场、货场等；甚至还用于危险品(如石油、氨等)或危险建筑(核电站)的围堤设施等。 8.1.2加筋土工作

5、基本原理 在工程实践中，我们知道松散的砂土可堆成具有天然休止角的斜坡，粘性土体可开挖出一定高度的垂直坡面。如果在砂土中分层埋设水平向的加筋材料，则这种由砂土和加筋材料形成的筋土复合体就可保持一定的高度和直立状态而不塌成斜坡，与粘性土体相类似。这表明砂土加筋后所形成的复合体的力学性能和稳定性比以前有所改善和提高。如果利用加筋后的复合体来建筑某种建筑物，如挡土墙、边坡等，则加筋技术就具有一定的工程实际意义，并有可能获得一定的经济效果。加筋土技术的提出、应用正是从这一思路出发而发展起来的。 为了弄清砂土加筋后复合体强度和稳定性提高的原因，维达尔等人分别进行了三轴试验和现场试验测试，提出了各种假说来解

6、释和阐述筋土之间的相互作用机理。根据迄今为止的研究结果，筋土间相互作用的基本原理大致可归纳为两大类：一是摩擦加筋原理，二是准粘聚力原理，或似粘聚力原理。 (1)摩擦加筋原理根据加筋土复合体中筋土之间的基本构造，我们在加筋体中取出一微段来分析。如图8.3所示，微元体长为dl，拉筋左截面受力为T1，右截面受力为T2，压住拉筋的法向应力为，略去筋带重量和微元体土体重量。设拉筋与土粒之间的摩擦系数为f，设b为筋带宽度。由于土的水平推力在该微元段拉筋中所引起的拉力为dT，dT= T1- T2。设dF为土粒与拉筋在该微元段上产生的总摩擦力，则有：dF=2fbdl (8.1)根据该微元体的受力分析，可知如果

7、dFdT (8.2)则筋土之间就不会产生相互错动，换句话说，土的水平推力被筋土间的摩擦力所克服，微元体保持稳定。反之则不能保持稳定。 从式(8.1)和式(8.2)可知，拉筋材料要满足两点：一是表面要粗糙，能使筋土之间产生足够的摩擦力；二是要有足够的强度和模量，前者保证在筋土之间产生错动前拉筋不被拉断，后者保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。在加筋土挡墙中，墙体由于受土体的推力产生破坏时(暂将加筋土体看成无筋土体)，依据郎肯理论，沿主动破裂面BC将墙体分为主动区和稳定区，见图8.4。下滑土棱体ABC自重产生的水平推力对每一层拉筋形成拉力，欲将拉筋从土中拔出，而稳定区土体与筋带的摩擦阻力阻止拉筋被

8、拔出。如果每一层拉筋与土体的摩擦阻力均能抵抗相应的土推力，则整个墙体就不会出现BC滑动面，加筋土体的内部稳定性就有保证。设每层筋带所受的土体的水平推力为T，那么 (8.3)为判定加筋体稳定与否的必要条件。式中L2为拉筋在稳定区的长度。这一点为我们在工程中的实际计算提供了思路。 按上述的摩擦加筋原理分析，拉筋的工作类似于通过筋带将结构锚固在稳定土体中，所以，稳定区又称为锚固区，拉筋在稳定区的长度称为锚固段长度或有效长度。 摩擦加筋原理由于概念明确、简单，在加筋土挡墙的足尺试验中得到较好的验证。因此，在加筋土的实际工程中，特别是加筋土边坡和挡墙工程中得到较广泛的应用。 但是，摩擦加筋原理忽略了筋带

9、在力作用下的变形，也未考虑土是非连续介质、具有各向异性的特点。所以，对高模量的加筋材料，如金属加筋材料比较适用，对加筋材料本身模量较小、相对变形较大的合成材料(如塑料带等)，则是比较近似的。 (2)准粘聚力原理 加筋土结构可看作是各向异性的复合材料，一般情况下拉筋的弹性模量远远大于填土的弹性模量，拉筋与填土共同工作，外测强度包括了填土的抗剪力、填土与拉筋的摩阻力和拉筋的抗拉力的共同作用，使得加筋土的强度明显提高。在加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样三轴对比试验中得到验证。 砂土试样在单轴压力下受到压密，土样侧向在侧压力作用下发生侧向应变。如在土中布置了拉筋，由于拉筋对土体的摩擦阻力，当土体受到垂

10、直应力作用时，在拉筋中将产生一个轴向力，起着限制土体侧向变形的作用，相当于在土中增加了一个对侧压力的反力，使土的强度提高了。根据维达尔等人的试验，加筋土的强度与土的抗剪强度、土和拉筋间的摩擦系数、拉筋的抗拉强度、拉筋数量等有关。加筋土在受力变形过程中可能出现拉筋抗拉极限状态、拉筋与填土间摩擦粘着极限状态以及填土抗剪极限状态。加筋土的强度分析主要针对前两种。第三种只有当拉筋的弹模与填土相近时才会出现。 加筋砂样比无筋砂样强度提高，可根据库仑理论和摩尔破坏准则来加以阐明。 根据库仑理论，土的极限强度为 (8.4)式中：f土的极限抗剪强度； 土体上受到的正应力； c土的凝聚力； 土的内摩擦角。 当c

11、=0时为砂土，c0时为粘性土。 设1f为土样破坏时的最大主应力，3为土样侧面的最小主应力。根据土样破坏时土样的摩尔圆与土样的库仑强度线相切的条件，可得 (8.5) 在三轴对比试验中，如果未加筋砂土样在1、3作用下达到极限平衡(见图8.5，为未破坏时的应力状态，为未加筋砂极限破坏状态)。保持3不变，则加筋砂在相同应力状态下未破坏，而是1增至1f时才达到极限破坏状态，如图8.5所示。砂样在加筋前后的值不变，加筋后土的强度提高了，它应有一条新的强度线来反映这些关系。 将未加筋砂和加筋砂试验的极限平衡条件两相比较，加筋砂多了一项由c引起的强度增加，或者说承载力增加。从三轴对比试验的结果来看(图8.6)

12、，加筋砂与未加筋砂的强度线几乎完全平行，说明加筋前后砂样的值基本不变，但加筋砂的强度曲线不通过-坐标原点，而与纵坐标相截，其截距c相当于式(8.5)中的c，或者说，式(8.5)或式(8.4)对加筋砂土是成立的。因此，有人认为，加筋砂土力学性能的改善是由于新的复合土体具有某种“粘聚力”缘故。这个“粘聚力”砂土本身是没有的，而是砂土加筋后的结果。在试验中对加筋砂样施加的侧向力为3，而实际上砂样受到的侧压力是3+3，而3正是由于砂与拉筋间的摩阻而产生的，但在最后结果的表述中却被“c”所代替。事实上它不是粘聚力，而应是加筋土的强度增量。为表述方便，我们将这个“粘聚力”称为“准粘聚力”，或“似粘聚力”。

13、它反映了加筋土这个复合体本身的材料特性。 将c看作加筋土的强度增量，用该原理不但可分析加筋砂的工作机理，同样可用来分析粘土类加筋土。 (3)其他理论假定 (a)均质等代材料原理 加筋土是由填料土与加筋材料层层交替铺设而成的复合体，每一加筋材料和每一层填土形成一个单元层，每层相互平行且间距相等，因此，可将加筋体看成为交替正交层系。加筋体由很多的单元层组成，加筋体的厚度(即正交层系)与单元层相比要厚得多。假定各单元层的分层界面上无相对位移，每一层中三个均质材料的平面垂直于一个直角坐标轴，而且层面必须平行于一个弹性对称面。那么，这种交替正交层系可以用等代均质材料的理论来分析，以研究加筋土在工作荷载作

14、用下性状。 为计算加筋体中的应力分布，需要确定“等代于”土与加筋层系统的均质正交材料的性质、有关荷载条件和所给结构的几何条件。如果要确定等代材料中一点的应力，则可用正交层理论求得土与加筋中同一点的应力。将未加筋土体中的临界应力区与加筋数量不同、加筋方向不同、加筋材料布置不同的加筋体中的临界应力区进行比较，就可获得加筋土的最佳设计。 均质等代材料分析要求加筋体是弹性体，土与加筋材料问不产生相对滑动。实际上，只要土中应力状态低于土的破坏包络线，加筋材料中的主应力小于加筋材料的破坏应力，且土与加筋材料的界面剪应力低于界面土的最大抗剪强度，都可以用均质等代分析法进行计算。也就是说，要应用均质等代分析法

15、，加筋体应在工作荷载条件下而不能在极限荷载条件下。 均质等代材料分析计算可采用有限元法、有限差分法、边界积分法或积分变换来求解。未加筋土体和加筋体的应力区比较判断从工程实用的角度上讲，还有一个判定标准问题要解决。均质等代材料分析的关键是确定等代的正交材料的有关参数。 (b)弹塑性层板理论 加筋体是填土与加筋材料层层铺设而成，把每一层加筋材料和填土看成为一个“层板单元”，整个加筋体就是由粘结在一起的层板单元的有限层组成。假定每一层单元具有唯一的确定的材料性质，则可用增量分析法计算层板单元在弹塑性状态下的位移和应力，从而对加筋体的应力变形特性进行分析。 弹性层板理论计算一般采用有限元法进行计算，关键是要选择并确定层板单元的弹一塑性模型和相应的屈服准则。 (c)有限元分析 将加筋体看成一般的实体结构，利用有限元计算的方便特点，将土体、加筋材料、加筋材料与填土界面进行离散，形成各自的单元。各种单元的性质