土工合成材料加筋技术

土工合成材料加筋技术第1页/共47页第十二章土工合成材料加筋技术地基处理技术第2页/共47页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。第3页/共47页土工合成材料的分类第4页/共47页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。第5页/共47页单向土工格栅双向土工格栅双向玻纤土工格栅第6页/共47页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。第7页/共47页无纺土工布有纺土工布第8页/共47页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。三维土工网土工网第9页/共47页土工网作用：草皮长成前，可保持土地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。第10页/共47页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。第11页/共47页土工膜用于垃圾填埋场防渗第12页/共47页复合土工膜一布一膜二布一膜第13页/共47页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。第14页/共47页土工合成材料应用1、加筋路堤筋材：土工织物、土工格栅和土工格室。作用：提高路堤和地基稳定性减小不均匀沉降第15页/共47页作陡变坡，节省用地第16页/共47页2、路面及基层加筋筋材：无纺土工织物，土工格栅铺设位置：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：减少或延缓旧路面对沥青加铺层的反射裂缝。第17页/共47页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第18页/共47页5、加筋桥台第19页/共47页4、防护土工模袋坡面防护、河岸防冲刷第20页/共47页4、防护坡面防护、河岸防冲刷、防路面反射裂缝第21页/共47页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第22页/共47页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（通常为细粒土层和粒状排水土层）颗粒的相互混合。

第23页/共47页8、防渗

防止液体渗漏、气体挥发，保护建筑物安全。

第24页/共47页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。第25页/共47页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。第26页/共47页

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。第27页/共47页

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。第28页/共47页

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。加筋土应力应变关系第29页/共47页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。第30页/共47页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。第31页/共47页二、加筋土地基

对于公路、铁路、河海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。

第32页/共47页（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。第33页/共47页三、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。

第34页/共47页四、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。第35页/共47页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)过大沉降第36页/共47页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：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Fs≥1.3第37页/共47页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。第38页/共47页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EaLTH筋材

堤坡滑动受力图第39页/共47页4、地基土挤出稳定性演算挤出力：抗挤出力：筋材摩擦力：硬基对于软基摩擦力：

γ:填土重度Cs、φs：软基强度指标γs:软土重度Φsg:筋材与软基界面摩擦角Ka、kp：软基主、被动土压力系数。

堤坡下软土受力图第40页/共47页二、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；θ：筋材拉力与水平面夹角，取45°+φ/2Cf、γf：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。第41页/共47页

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。第42页/共47页

加筋地基第五节条形基础加筋地基设计