土工合成材料的防护功能.docx
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土工合成材料的防护功能
防护功能
一、防护作用及其应用举例
防护作用具有广泛的涵义。
为了消减自然现象、环境影响和人类活动对堤坡和岸坡造成的危害,常要采取适当的防护措施。
岸坡防护包括河岸、湖岸、海岸等的防水流冲刷,波浪冲击等,这类防护措施古已有之,有许多迄今仍在继续采用。
传统的防护办法有利用埽枕、柴排、石笼、抛石保护岸坡或打护坡桩等。
它们虽然也能起到护坡的良好作用,但耐久性较差,常要不断维修。
根本的弱点,是它们放在被保护土面上,不具有反滤功能,受水流冲蚀和潮浪淘刷抽吸的作用,被保护土颗粒容易被水流带走,导致剥蚀和坍塌。
土工合成材料的发展,为上述岸坡防护提供了新的途径,简单地说,只要在被保护士面上覆一层有良好反滤性能的土工织物,压上一定盖重,即能有效地保护岸坡不受水流和波浪等的破坏。
不仅如此,土工织物质轻、耐腐、有柔性、整体性强、价廉、施工简便,它们在防护工程中的推广应用正在迅速发展。
其实,这类材料不只有抗水流的能力,它们的产品之一——泡沫塑料板(聚苯乙烯EPS)在岩土工程中还被用于防止土体冻胀。
水利工程中利用土工合成材料的常见防护工程有:
(1)江河湖海岸坡防护。
(2)水库岸坡防护。
(3)水道护底和水下防护。
(4)渠道和水池护坡。
(5)水闸护底。
(6)岸坡防冲植被。
(7)水闸、挡墙等防冻胀措施等。
土工合成材料用于防护的范围很广,本节仅介绍利用软体排、模袋和三维植被土工网作岸坡防护,利用土袋、土枕及土工管筑堤坝护坡等,其他利用可举一反三。
二、防护制品
防护用的土工织物应符合反滤准则和具有一定的强度。
由于要受到往复双向水流作用,对织物应有更高的反滤要求,故应符合式(2-1),同时强度也应符合第一节“五”中的规定。
为满足防护的各种特殊需要,应先将土工合成材料预制成符合一定需要的制品。
举例说明如下。
1.土袋、土枕
土袋、土枕是以织造型(有纺)土工织物缝制成的管袋形制品。
土袋尺寸较小,类似于一般草袋,充填土料后成为块状土体,可用于堵塞洞坑,建筑堤坝,或作为压载。
土枕是尺寸较大的长土袋,直径可达0.4~1m,长度可达数米或更长,一般沿长度每隔0.5m要绕一道横箍,它们既能作筑堤坝的填充体,又可作为压重。
2.软体排
软体排是用织造型土工织物缝制成的大片排布,分单片和双片两种,单片排四周边和中间缝上纵横绳网,既加强排体,又可作为定位索之用,排上加压重块,保证其稳定;双片排由双层土工织物缝制成,其中还缝有管袋,供充填土料,形成自身压重,它也需缝上纵横绳网。
软体排应用时,排体铺在需要防护的部位,再加上足够压重,即可防止土体被冲刷。
3.土工模袋
前面已对土工模袋作了简单介绍,是由两层编织型土工织物缝成的四周封闭的袋体,放于被保护岸坡上,并往其中浇注混凝土或砂浆,凝固成硬块体护坡。
模袋由工厂预制,有不同厚度、不同规格。
此外,还有在现场缝制成的简易模袋。
4.泡沫塑料板块
泡沫塑料板块是由聚苯乙烯块锯成的薄板,其导热系数为土的1/3~1/4,具有保温性,放于混凝土板护面或土面上,可达到防止土体冻害的目的。
三、设计原则
(一)软体排护坡与护底
1.排体布置
软体排布置于可能受冲刷破坏的部位,它的铺设范围及高程等应遵从《堤防工程设计规范》GB50286—98的规定。
排体顺水流方向的尺寸为排宽,垂直水流方向的尺寸为排长。
枯水位以上为水上部分,以下为水下部分。
排体水上部分长度为坡面长和挂排所需长度之和;水下部分长度由与水上部分衔接段长度、水下坡面长度(其中应包括排体褶皱和收缩长度)以及因坡底可能发生冲刷需要预留的长度三部分组成。
水上部分与水下部分长度之和为要求的排长。
排宽应为待保护区的宽度、相邻排块搭接所需宽度和考虑排体收缩需预留的宽度之和。
相邻两块排的搭接宽度一般为0.5m,上游排块盖在下游排块上。
2.排体稳定性
排体应始终处于稳定状态,故应进行排体的抗飘浮、抗沿坡面下滑和要求压载的验算,要求的压载可参考规范,或参考图2-14。
当水流流速不大于3m/s时,压载可为1kPa。
为确保排体稳定,要求排体在坡顶和坡底给予锚固,底部为防止冲刷,锚固可采取沟埋方式。
坡底防冲非常重要,应根据具体条件做成有效的防冲结构,图2-15是几种参考形式。
(二)土工模袋护坡
1.选型
模袋有多种形式,应根据现场地形、工程类型和重要性以及水流条件等综合因素选型。
按工程类别选择时,可参考表2-1。
表2-1模袋选型参考
模袋形式
充填料
充填厚度(cm)
工程应用
砂浆型,有、无滤水点水泥砂浆
6.5
10~15 临时性工程内河航道、渠道护坡
混凝土型,无滤水点混凝土
15~20
30~70 护岸、码头海岸防护
2.模袋稳定性
一般情况下,模袋稳定性按其在斜坡上的抗滑安全系数Fs来评价(图2-16)
Fs=[(L3+L2cosα)/L2sinα]fcs
(2-15)
式中:
L2、L3为长度(图2-16);α为坡角;fcs为模袋与土之间的摩擦系数,应由试验测定,无实测资料时,可取0.5;Fs应不小于按SDJ218—84规定的数值。
为了改善模袋稳定性,可以补充采取一些抗滑措施,参考图2-17。
另外,模袋底部的渗水应及时排除,如果模袋排渗能力不足,可以在模袋浇注后1小时,在袋内插排水管,
(三)三维植被网植草护坡
1.护坡机理
植被网是一种类似于丝瓜瓤状的植草土工网垫,以加入炭黑的尼龙丝加工制成。
丝与丝的交叉点熔合粘接,相互缠绕,质地蓬松,孔隙率在90%以上,在其孔隙中可填加土料和草种。
植草穿过网垫生长后,其根系深入土中,植物、网垫、根系与土合为一体,形成牢固密贴于坡面的表皮,可有效地防止坡土被暴雨径流或水流冲刷破坏。
以往植被网垫应用于无水或背水坡,目前国外已用于河道迎水坡防护,在有水流条件下,植被起良好的消能作用,促进落淤。
有报导说,在水流较深情况下,它甚至能抗御高达6m/s的短期流速,对历时两天的水流,也能经受4m/s的流速,这种植被可使流速显著降低。
2.设计要点
植被护坡设计主要包括判别采用植被的必要性;确定铺设范围;草种选择。
(1)植被必要性。
坡上受冲刷破坏的程度与土类密切相关。
另外对于水上坡,要不要防护,决定于降雨强度;对于水下坡,则要看水流流速的大小。
植被必要性判别,对于水上坡和水下坡可分别参考图2-19和图2-20。
(2)铺设范围。
植被应遍及要求防护的部位,在高程上,水上坡应铺到坡顶,再横向延伸不少于0.5m;水下坡下端应至低水位以下1m(斜坡长),上端应达高水位以上0.5m(斜长)。
(3)草种选择。
各地气温、降水和土质条件等差别很大,应根据当地大体情况,遵循几项基本原则来选择草种:
适应当地环境,如耐寒、耐旱、耐涝等;适应土质条件,如耐盐、耐碱,耐酸等;生长期快,根系发育且长;价格经济等。
(四)土袋、土枕筑堤坝
1.堤坝形式
土袋、土枕筑堤坝可以采取不同的形式,归纳起来可分为两类:
①全断面式,即整个堤坝体均由充填土料的袋或枕堆成,其底部铺设透水织造土工织物垫层,坡面设置防护层。
②土心填筑式,即堤坝中心部分为填土,两侧外坡用袋、枕堆筑,或填土后外部用土工织物整体包裹,如图2-21(a),或填土即是逐层包裹而成,它们的底部及背部为土枕,如图2-21(b)。
2.设计要点
(1)制作枕、袋采用织造土工织物,它们应符合反滤准则,且能承受施工应力,其单位面积质量应不低于130g/m2,抗拉强度应不小于18kN/m。
(2)为了保证袋、枕的稳定性,它们的尺寸应符合以下条件:
L/B〉2.4
L/H〉3.5
}(2-16)
上式中的L、B、H、分别为填土后袋枕的长度、宽度和高度。
土料充盈系数应不小于80%,但也不宜过大,填土应压实到规定密度。
(3)堤坝稳定性可按传统的圆弧滑动法验算。
(4)堤坝外坡都必须作好保护层,例如块石或模袋混凝土护面等。
第六节加筋功能
一、加筋作用
土体一般具有一定的抗压强度,但抗剪强度很低。
设想有一块自由土体,即其侧面上全无约束,在其顶面上施加压力,则在不大的压力下,土体即将被压坏。
如果同样的一块土被放进一个刚性盒中,即其侧面受到完全约束,不可能有横向扩张,则在其顶面上加压,压力虽然达到很大值,土块也不会被压坏。
这个现象阐明了一个简单的道理:
土体受压时,其破坏与否与土的侧向变形大小有关,允许的侧向变形愈小,它能承受的压力将愈高,所以,要提高土的承受能力,可以从设法减小其侧向扩张着手。
加筋土正是利用了这一原理。
在土体中的一定部位铺设水平方向的加筋材料,将土压实后,土与加筋材密切结合成一复合土体(加筋土),当在复合土体的表面施加荷载,由于加筋材与周围土之间有较大的摩阻力(有时尚有咬合力),限制了土的侧向变形,相当于在土体侧面上施加了约束力。
从上面的道理可知,这种复合土体的承压能力理所当然地得到提高。
以往人们只是从概念上懂得这个道理,一直到了本世纪的60年代,法国工程师维德尔才从理论上建立了一套加筋土的设计方法,最初采用的加筋材料是金属条带,到70年代后期,金属材料才逐渐被土工合成材料所取代。
二、加筋材料和加筋土应用
(一)加筋材料
加筋土中的加筋材料通常采用织造土工织物、土工带和土工格栅等,只有当对强度和变形要求不高时,才采用非织造土工织物。
从以上的加筋原理得知,加筋在于最大限度地限制受压土体的侧向变形,而限制要靠土体中的筋材与周围土的相互作用,为此,要求筋材与土之间应结合好,亦即两者之间应有较高的界面强度(摩擦力与咬合力大)。
此外,加筋材料的蠕变性应较低。
蠕变性指材料受不变的拉力下,长度不断伸长的现象。
蠕变使筋材承受拉力的能力不断下降。
因此,在目前的加筋材料中,土工格栅的蠕变性较低,是较为理想的加筋材料。
(二)加筋土应用
加筋土主要用于三个方面,形成三种类型的加筋土结构。
1.软土地基加固
软土地基上建堤坝的困难在于土的抗剪强度低,承载力不足,压缩性过高。
传统的方法是将填筑速度放得极慢,以待在增加的荷载下软土固结,强度增加;或采取分期填筑方法;或在堤坝两侧,将填土延伸一定距离,形成戗台或反压马道,以平衡部分促进滑动的滑动力矩等等。
这样,工期会拖得很长,费用高,有时填筑高度仍受到一定限制。
而若在填筑之前,先在场地上预铺一层织造土工织物或土工格栅,对地基进行加固,可以较好解决这一难题。
2.堤坝边坡加筋
堤坝如果将边坡做陡,不仅能减少填土方量,还可节约用地,是一举两得的好事。
如果地基的承载力较高,堤坝不致因坡度过陡而破坏,这时采用土工织物加筋陡坡即可达到此目的。
3.加筋土挡墙
它可以代替混凝土重力式挡墙。
其最大优点是对地基的要求比重力式挡墙要低,抗震性较好。
这三种加筋土结构各有其不同的设计方法,下面分别作介绍。
三、加筋土设计要求
(一)软土地基加固
1.筋材及其布置
地基加固用的筋材可为织造土工织物或土工格栅,使用时将它水平铺放在软基面上,两端包折,如果土很软,可以先铺层薄砂,再铺加筋材,如图2-22(a)。
如果一层筋材强度仍不足,可在第一层筋材上填约0.5~1.0m厚度土层(最好是透水料),再铺第二层筋材,两层筋材在端部连接起来。
2.稳定性验算
根据软土层分布情况不同,稳定性验算分为两种:
深层滑动和平面滑动。
图2-22用底筋加固软基示意图
1—筋材;2—加筋力
(1)深层滑动。
当软土层较厚,土坡失稳可能是沿某一圆弧面滑动的,如图2-22(b)。
深层抗滑稳定一般采用传统的圆弧条分法校核,在没有加筋前,可以通过试算求得堤坝土坡的最小安全系数Fs1如下:
Fs1=Mr/Mo
(2-17)
式中:
Mr、Mo分别为土坡滑动部分的总抗滑力矩和总滑动力矩。
当算得的安全系数Fs1小于规定的Fs2时,则需要靠加筋材料的抗拉力T来帮助,见图2-22(b)。
从图中看出,T的作用是产生一个附加的抗滑力矩△Mr=TRcosβ,究竟需要多大的T值,则需根据要增加的安全系数△Fs=Fs2-Fs1来确定。
通过理论推导,T值可以从式(2-17′)反算得到:
△Fs=Fs2-Fs1=(Tcosβ/Fs)/Mo
(2-17′)
式(2-17′)中的Fs2、Fs1、β、Mo都是已知值,Fs是加筋材料要求的安全系数(不小于2.5),只有T是一个未知数。
注意:
由式(2-17′)求得的T是为提高安全系数要求的材料拉力,还应该校核它是否符合式(2-18):
T≤Ta
(2-18)
式中:
Ta是加筋材料的允许抗拉强度,kN/m。
若式(2-18)不满足,则加筋材会被拉断失效。
超过时可以更换强度更高的筋材,或者采用多层加筋材,设筋材层数为n,则n由式(2-19)确定:
n=T/Ta
(2-19)
注意:
在采用一层以上加筋材料时,每二层间应铺一定厚度的土料(最好是透水砂料)。
(2)平面滑动。
当软土层较薄,其下为硬层,则上述滑动圆弧不易切入下卧硬层,因而可能产生浅层的平面滑动。
浅层滑动可能有三种形式,如图2-23。
①土坡的一部分沿加筋材的顶面滑动,如图2-23(a);②土坡的一部分连同部分软土沿下卧硬层的顶面滑动,如图2-23(b);③加筋材底面与下卧顶面间的部分软土被挤出,如图2-23(c)。
三种形式中给出最小安全系数的一种是最可能发生滑动的情况。
平面滑动验算采用一般的极限平衡法求取安全系数,这种方法已为广大土工工作者所熟悉,不再赘述。
注意:
计算中应保证加筋材料不被拉断,才能发挥加筋作用。
并且根据经验,要求加筋材顶面的摩阻力的大小不能超过加筋材料在下列应变时的抗拉力
对压实粘土,ε=5.0%~10%;
对无粘性土和少粘性土,ε≤2%。
图2-23浅层抗滑稳定计算
1—筋材;2—软土;3—硬土
(二)堤坝加筋
1.筋材及其布置
加筋材可采用与软土地基方式示意图如图2-24。
筋材水平向铺设,其长度和沿堤坝高度要求的垂直间距应根据试算来确定。
2.稳定性验算
图2-24堤坝加筋示意图
1—加筋材
稳定性验算的目的有二:
①确定加筋要求的范围,即水平向不同高程上加筋需要的长度;②求得为使加筋后土坡的稳定性达到规定的安全系数Fsr,需要加筋材提供的加筋力Ts。
(1)加筋范围的确定。
针对要求加筋的土坡,用传统的稳定分析圆弧滑动法,对不同滑动圆心和半径的圆弧逐一求其安全系数,可以得到许多个Fsu,将这些圆弧画在同一张纸上,勾划出Fsu≈Fsr的那些圆的外包线,如图2-25中所示的实线,该线包围的区域即是需要加筋的范围。
(2)需要的加筋力。
为将土坡的安全系数从Fsu提高到Fsr,可以将滑动土坡视为一个整体,先求出所需的总加筋力Ts,假设它作用位置在坡高的1/3处,如图2-26。
为此,针对上述的许多试算滑动圆的每一个,按下式算出对应的Ts:
Ts=(Fsr-Fsu)(Mo/D)
(2-20)
上式:
Mo是每个圆试算时的滑动力矩;D为Ts作用线对圆心的距离。
在算出的众多的Ts中,取最大值Tsmax作为最终的所需加筋力。
图2-25有待加筋范围
图2-26确定加筋力的滑弧计算
1—圆心;2—超载;3—筋材;4—滑动土体重
(3)加筋力的分配。
求得的Tsmax需要分配到沿坡高的各个高程上去。
建议对低于6m的土坡可以均匀分配,两层间的垂直间距一般不宜大于0.6m。
当坡高大于6m,则建议按以下比例分配。
按二区分:
底区Ts=(3/4)Tsmax;顶区Ts=(1/4)Tsmax
按三区分:
底、中、顶各为(1/2)Tsmax、(1/3)Tsmax和(1/6)Tsmax
(4)强度验算和抗拔验算。
按以上方法分配后的筋材还应该满足两方面的要求:
①每层加筋材不得因受拉力过大而断裂,并有一定的安全系数,所以加筋材拉力不应超过其许可抗拉强度;②每层筋材不得因所受拉力过大而被拔出,因此,超出滑弧的筋材要有足够长度,以提供充分的握裹力,且具有所需的安全系数。
(三)加筋土档墙构造
加筋土挡墙有四个基本组成部分,即:
加筋材料、填土、墙面板和墙面板基础,如图2-27加筋材是织造土工织物、加筋带或土工格栅;墙面板大多为预制混凝土整体板或板块,一般不作受力杆件处理,仅供表面防护和装饰之用;填土最好是透水材料,若必须采用不透水材料填充时,应做好排水通道,以及时将进入填土内的水排走;墙面板基础一般为预制混凝土构件。
1.挡墙的初设断面
图2-27加筋土挡墙的基本形式
(a)刚性筋式;(b)柔性筋式
1—加筋带;2—土工织物;3—基础;4—面板
挡墙的设计方法,一般是先假设一个计算断面,再进行外部整体性稳定验算,然后再进行内部筋材的稳定性校核。
初设断面即是要假设水平铺设的加筋材长度,各层垂直间距一般可初取0.4~0.5m。
根据经验,初设加筋材长度可为墙高的0.7倍,如果墙后填土为斜坡或填土面还有超荷载作用,可设为墙高的0.8倍。
2.外部稳定性验算
将加筋材范围内的土体连同墙面板视为一个刚性的整体,与重力式挡墙类似,进行以下各项验算:
整个墙体沿其底面的抗平面滑动稳定性;抗深层圆弧滑动稳定性;抗绕墙趾转动的倾覆稳定性和墙基的承载力验算。
以上各项安全系数都应该达到规定的数值。
3.内部稳定性验算
(1)加筋材的拉力。
加筋土挡墙分为两种基本类型:
①柔性筋式挡墙。
加筋材的强度低,延伸率高,即材料的抗拉模量低,如织造土工织物即属此类。
②刚性筋式挡墙。
加筋材的强度高,延伸率低,即材料的抗拉模量高,加筋带或土工格栅属此类。
两类墙的设计方法基本一致,不同之处在于材料模量不同,其变形有异,造成土中应力分布有一定差异,即用于确定土中加筋材拉力的土压力分布图形不一样。
对于柔性筋式挡墙,每根筋条分配的拉力对应于朗肯土压力分布图中相应的土压力部分,如图2-28中第i条筋材中的拉力应等于图2-28(b)中阴影部分的土压力,假设等于Ti,图中的γ和Ka分别为填土容重和主动土压力系数。
若是刚性筋式挡墙,其土压力分布图略有不同,而确定加筋材拉力的方法却完全一致。
(2)加筋材的强度验算。
为了墙的稳定,每一层加筋材的拉力都必须满足以下条件:
Ti≤Ta
(2-21)
(3)加筋材的抗拔验算。
每一层加筋材的拉力还要求不超过其端部段(超出滑动面以外的加筋材长度)埋在土内发挥的握裹力。
握裹力系由该端部段上下面与土产生的摩阻力所提供。
图2-28加筋土挡墙筋材拉力确定
1—加筋材;2—朗肯土压力分布;3—第i层筋材承担的土压力;KA—主动土压力系数
所以这一验算实际上是校核端部段埋藏的加筋材长度Lc是否足够,因为摩阻力的大小是与埋长有关的。
4.加筋材长度
加筋材全长度由两个部分组成:
填土破坏面以内长度La和以外的埋藏长度Le。
如果加筋材是织造土工织物,一般在其靠面板的一端要将织物折回,包裹土体如图2-27(b),包裹长度为Lω,所以加筋材全长应为:
L=La+Le+Lω
(2-22)
对各层满铺的土工织物或土工格栅:
L≥0.3H+(kaSγ/αtg)
(2-23)
对条带式筋材
L≥0.3H十(KaSγSh/ωαtg)
(2-24)
式中:
kα为主动土压力系数,Kα=tg2[450-(/2)];为土的内摩擦角;Sγ,Sh为筋材的垂直和水平间距,m;ω为条带的宽度,m;α为系数,土工织物采用0.67,土工格栅取0.80,条带取0.67~0.80,表面粗糙的取大值。
这样,每层加筋材都有一个长度。
为了施工方便,往往需要调整,或者全部都用同一个长度,或者从上到下,采用两种或两种以上的长度。
5.筋材的间距Sγ和Sh
对各层满铺的土工织物或土工格栅:
Sγ≤Ta/KaγH
(2-25)
对条带式筋材:
SγSh≤Ta/KaγH
(2-26)
式中:
Ta为筋材的容许抗拉强度,kN/m;γ为土的容重,kN/m3。
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