土工合成材料在地基处理中的应用文档格式.doc

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编织格栅采用的原料是聚酯，上面涂有一些保护材料，如PVC、乳胶或沥青。

此外，还有玻纤格栅，它是一种编织格栅。

（2）土工格室。

土工格室一般用长12.5cm、宽75～200mm、厚1.2mm的高密度聚乙烯条制成，条间沿宽度用超声波焊接，焊缝间距约为300mm。

在加筋地基现场像手风琴一样展开，展开的面积达10m×

5m，每块面积中含有数百个独立的格室，每格直径约200mm。

在格室中充填砂砾料，振动压实后构成加筋垫层。

与土工格室垫层相比，用土工格栅可连接成平面上呈方形或三角形的空格，填充粗粒料形成更厚的垫层。

土工合成材料的分类是一个动态发展的过程，当一种新产品的应用得到广泛承认后，土工合成材料的家族也就增加了新的一员。

2基本原理

2.1概述

土的抗拉能力低，甚至为零，抗剪强度也有限。

在土体中放置了筋材，构成了土－筋材的复合体，当受外力作用时，将会产生体变，引起筋材与周围土之间的相对位移趋势，但两种材料之间界面上有摩擦阻力（和咬合力），限制了土的侧向位移，等效于给土体施加了一个侧压力增量使土的强度和承载力都有提高。

2.2筋材的应力传递

筋材一般被水平地铺在土中。

当高抗拉强度、高抗拉模量的筋材和土的复合体在荷载下发生变形时，通过二者界面引起应力传递，主要传递方式有二：

依靠表面摩擦和依靠横杆的被动阻力。

依靠表面摩擦的应力传递

筋材相对于上下土料位移时（抗拔情况），二者上下面的摩阻力为：

＝2bLtan

（1）

如筋材相对于上或下单界面位移时（剪切情况），则摩阻力为：

＝b·

Ltan

（2）

两式中b、L—筋材的宽度与长度；

—作用于筋材上的法向应力；

—土与筋材的摩擦角。

抗拔情况下应通过抗拔实验求得；

剪切情况可通过直剪实验求得。

一般情况下，是土的内摩擦角的0.6～0.8倍。

式

（1）和

（2）表明，、愈大，能传递的愈大，但它最大不能超过筋材的极限抗拉强度。

筋材表面越粗糙，周围土颗粒越粗和带有棱角，则越高，即还主要取决于筋材表面及周围土的性质。

一、依靠筋材横杆被动土抗力的应力传递

这种应力传递中只出现于格栅类筋材中，如由纵肋和横杆所构成的土工格栅，在土中铺设土工格栅筋材时，一般肋的方向和土所受大主应力方向一致，当格栅与土发生相对位移时，除格栅表面有摩擦抗力外，格栅横杆侧面上还受到与之垂直的被动土抗力，这是因为格栅有一定厚度，在格栅的孔洞内有土、石料充填之故。

被动抗力可按下式估算：

=ntb（3）

式中t、b—格栅厚度和孔洞的有效宽度；

n—单位宽度格栅的横杆数目；

—单位土被动土压力。

＝·

（4）

式中—作用于格栅的法向应力；

—承载力因数。

值与土的抗剪强度和剪胀性有关，较少受筋材表面粗糙度的影响。

Rowe和Davis通过有限元计算，得到如图所示的和关系曲线，可供查取。

图中纵坐标＝，和为有效应力。

图中表示土无剪胀；

曲线表示有剪胀；

上面的曲线为Prandtl的古典承载力解；

下面的曲线为冲剪破坏。

对于格栅，除了上述的摩擦力和被动抗力外，实际上处于孔格周围的土，其剪切面也负担应力传递的功能。

2.3加筋的作用机理

加筋土中的筋材通过与土的应力传递，使土体产生相应的力学效应，故可借助土力学原理来说明由此对土强度改善的机理。

一、侧压力增量理论

无粘性土地基中Z深度处一个土单元所受大、小主应力、为：

（5）

（6）

式中、—竖向和水平应力；

、—土重度和有效内摩擦角；

—土的静止侧压力系数。

这一应力状态如图12－12中圆Ⅰ。

图中直线S是土的强度包线，该单元处于弹性平衡状态，故圆Ⅰ与S线不接触。

如果由于某种原因，加入在其附近开挖，则M点在竖向应力不变条件下，水平向应力却有所减小，待其降低到，M点达到塑性平衡状态而破坏，这时应力圆Ⅲ正好与包线相切。

设想M点的土单元内埋有水平放置的筋材，则由前述的应力传递作用，M点不可能因卸载而自由膨胀，体变受到筋材约束，使筋材处于拉力状态，此时M点侧压力（＜＜），即图中圆Ⅱ反映的状态。

从而可见，M点在卸载时免于破坏得益于加筋作用。

从应力圆看，是因为筋材为单元提供了一个侧压力增量所致。

二、表观（视）粘聚力理论

有学者进行过两种砂样的三轴剪切试验成果的对比，两种砂样为同一类砂，但一个为纯砂，另一个是在砂样中水平放置了土工织物，试验结果如图，表明当围压，超过一定大小后，两种试样的～关系曲线基本平行，而放置了土工合成材料的试样，在相同的下其破坏的轴向压力较不放土工织物有一个增量。

这意味着，土工织物为无粘性砂提供了一个表观粘聚力（值不变）。

根据土的极限平衡条件，当土料具有粘聚力时，大、小主应力、符合以下关系：

（7）

也已证明，如果试样中水平放置的土工织物的垂直间距为，则

（8）

式中──土工织物筋材抗拉强度；

──土的被动土压力系数，。

从前述侧压力增量理论看，筋材实质上是为试样提供了一个侧压力增量，这时试样破坏的大主应力相应地增大为：

（9）

与式（7）比较得到：

（10）

从式（8）和式（10）可得：

（11）

这表明加筋提供了侧压力增量来源于筋材的抗拉强度，其大小相当于将该强度平均分配给高度为的试样侧面上的压力。

显然如很小或筋材失效（筋材被拉断或被拔出），则侧压力增量将随之消失。

三、抗剪强度理论

也有将聚合纤维混入土中做加筋土称为纤维土。

纤维土是用专用机械在现场直接将纤维和砂混合而成。

先讨论纤维互相平行，并垂直于土体中剪切带的理想情况。

如图，原来是垂直向的纤维由于将产生位变，纤维土中引起了拉力。

如剪切带面积为A，纤维所占面积为，则单位土体面积内的纤维拉力为，它在垂直于剪切带方向的引起的压力增量为；

在平行于剪切带方向上的分力使剪切力减小（即与剪切力的方向相反），相当于使土的抗剪强度增大。

土的抗剪强度总增量为：

（12）

四、承载机理

假定土与土合成材料最初都作用在坚实的地基上，然后在合成材料下之地基出现裂隙或孔洞，于是在外荷载及上覆土自重作用下，土工合成材料向下弯曲，这一弯曲形成土层向下弯曲和合成材料伸长。

土层弯曲在土内形成土拱，它把部分外载从裂隙或孔洞区向外转移，使裂、孔区的压力降低。

土工合成材料由于伸长，起到张膜作用，并能承受垂直于表面上的荷载。

由于合成材料的伸长，可以有以下三种情况，见图（a）土—合成材料系统发生破坏;

（b）土—合成材料系统出现一定弯曲并跨接在裂隙或孔洞上；

（c）土—合成材料都沉到深坑底部。

最后情况中，土工合成材料已发生部分强度承担了垂直于土工合成材料表面的部分荷载，其余部分荷载传到深坑底部。

此外，在软弱地基上，铺设土工合成材料底筋，在其上修建堤坝，土工合成材料底筋不使填土以集中荷载形式局部陷入地基，加强地基土和填土的整体性；

它部分起到筏基的作用，使荷载应力扩散与均化，同时合成材料受荷变形，发挥其薄膜效应，使地基的承载力提高。

3土工合成材料加筋地基

土本身是一种弱胶结颗粒集合体，有时它需要一种二维或三维的连续介质去提高其整体性，改善抗拉、抗剪性能和承载能力，这种连续介质最理想的就是土工合成材料。

3.1简述

加筋地基是将基础下一定范围内的软弱土层挖去，然后逐层铺设土工合成材料与砂石等组成加筋垫层做地基持力层。

当筋材埋设方式和数量得当时，就可以极大地改善地基的承载力。

加筋地基成功应用的实践可概括为以下三个方面：

一是土堤的加筋地基，如堤防工程、公路或铁路路堤下的加筋地基；

二是浅基础地基的加筋，如油罐或多层房屋基础加筋，特别是条形基础下的加筋地基；

三是公路面层下基层的加筋，用于提高承载力、减小车辙深度和延长使用寿命。

此外，加筋地基（垫层）可与其他各种桩基础结合形成复合地基。

可用于地基加筋的土工合成材料有土工织物、土工格栅、土工格室和一些土工复合材料。

土工格栅具有均布的大空格，和土嵌锁在一起表现出较高的筋土界

面摩擦力，故有些情况下土工格栅作为加筋材料要比土工织物效果更好。

土工织物和土工格栅加筋土地基的设计包括筋材强度和层数的确定，以及抗拉强度的选择。

目前生产厂家提供的土工织物和土工格栅产品，其抗拉强度有20kN/m、50kN/m、80kN/m和110kN/m等多种规格。

由多种纤维织成的有纺织物强度可达500kN/m。

土工织物还被其他聚合物、玻璃纤维和钢纤维加筋构成加筋土工织物复合材料。

在聚合物中加入其他纤维可使强度增大，同时降低成本，例如，玻璃纤维具有高的抗拉强度和弹性模量，同时具有高的蠕变抗力。

编织进金属纤维可使抗拉强度高达3000kN/m，将其直接铺设于基层中，可提高路面承载力3～10倍。

土工格室加筋地基因为格室的侧限作用提高垫层的抗剪强度和承载力，另一方面土工格室垫层相当于基础的旁侧荷载，格室厚度越大，旁侧荷载越大，从而增加的承载力也越大。

当土工格室应用于公路地基时，一般在格室中充填砂粒，用平板振动器压实，最后喷洒乳化沥青，喷洒量为5，水渗入砂中，沥青小球粒在上层砂中形成磨耗层。

试验表明，双轴卡车荷载行驶10000遍后仅留下轻微车辙，如没有土工格室，仅十遍就留下深深的车辙。

3.2加筋材料的容许抗拉强度

加筋土设计中有两种不同性质的安全系数，一是设计安全系数，二是材料安全系数。

设计安全系数即一般岩土工程计算中经常采用的对工程安全性评价的指标，它是综合考虑了荷载组合、计算方法中的假定以及计算指标中选取的可靠性等方面不确定性因素，而