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水泥补强法提高土工织物加筋土抗剪强度的试验研究 摘要 土工织物加筋土作为一种新型加固技术，己较多地应用于挡土墙、陡坡、路 堤和浅基础地基的处理，取得了良好的效果。许多工程实践证明，当加筋土内部的 含水量增大时，水分可通过织物排出，土体固结，但筋土之间的相互作用会减 弱，加筋土结构整体抗剪强度降低，稳定性变差。 本文设计并实现了土工织物加筋土的直剪试验和三轴试验。采用先制纯土 试样再加织物的方法以减小土样尺寸效应的影响。按规范要求选择合适的加载 速率，来模拟土体的实际受力情况。 本文依据大量的试验数据和加筋土的相关理论，对使用水泥补强法的加筋 土抗剪强度进行了深入研究。通过直剪试验，发现加入水泥后摩擦系数比和残 余强度指标都增大了，说明在高含水率的情况下，水泥层能够增大筋土之间的 摩擦。通过对比分析，得到不同加筋方式土体抗剪强度的变化规律，找出了最 好的加筋方式，同时验证了水泥补强法能够提高织物的早期强度，使筋土抗剪 强度同步发挥，弥补织物只提高内摩擦角，而降低粘聚力的不足。本文提出扩 散应力“叠加效应”的概念，指出在加筋土结构中存在最小加筋间距，在此基 础上给出最小加筋间距的计算公式。通过吸水试验和三轴固结试验，得出了水 泥层对织物的排水能力影响不大的结论。经过具体工程计算，检验水泥补强法 的应用效果。 试验结果充分说明，在含水量较大的情况下，水泥层能够有效地减小水对 筋土之间粘聚力的影响，增加结构的稳定性。因此，在土工织物加筋土工程中 使用水泥补强法，无疑对加筋土的推广应用具有重要意义。 关键词：水泥补强法，叠加效应，最小加筋间距，加筋土，抗剪强度 t e s tr e s e a r c ho ns h e a rs t r e n g t ho fr e i n f o r c e de a r t hw i t h g e o t e x t i l es t r e n g t h e n e db yc e m e n t a b s t r a c t a san e wr e i n f o r e e m e n tt e c h n i q u e ，t h er e i n f o r e e de a r t hw i t hg e o t e x t i l eh a s a l r e a d yb e e nw i d e l ya p p l i e dt or e t a i n i n gw a l l ，s t e e ps l o p e ，e m b a n k m e n ta n dg r o u n d t r e a t m e n t ，a n do b t a i n e dt h eg o o dr e s u l t i th a sb e e nt e s t i f i e dt h a tt h ew a t e rv e n t e d t h r o u g hg e o t e x t i l ea n dt h es o i lc o n s o l i d a t e dw h e nt h em o i s t u r ec a p a c i t yo fs o i l i n c r e a s e d ，b u tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n dg e o t e x t i l ew i l ld i ed o w n ，t h es h e a r s t r e n g t ho ft h ew h o l er e i n f o r c e de a r t hl o w e r e d ，a n dt h es t a b i l i t yb e c a m eb a d i nt h i sp a p e rw ed e s i g n e dt h ed i r e c ts h e a rt e s ta n dt h et r i a x i a l t e s to ft h e r e i n f o r c e de a r t hw i t hg e o t e x t i l e i no r d e rt od e c r e a s et h ei n f l u e n c eo ft h es i z ee f f e c t o fs o i l ，w em a d et h ep u r es o i lf i r s t l y ，a n dt h e na d d e dg e o t e x t i l e ；t h et e s tc h o s e a p p r o p r i a t et h ev e l o c i t yo fl o a d i n gt os i m u l a t et h es i t u a t i o no fs o i la c t u a l l y a c c o r d i n gt ot h ed a t ao ft e s ta n dt h et h e o r i e so ft h er e i n f o r c e de a r t h ，w eh a v e r e s e a r c h e dd e e p l yo nt h es h e a rs t r e n g t ho ft h er e i n f o r c e ds o i l u s i n gc e m e n t s t r e n g t h e n e dm e t h o d t h r o u g ht h ed i r e c ts h e a rt e s t ，a l lo ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t r a t i oa n dr e s i d u a ls t r e n g t hd a t ah a v ei n c r e a s e d ，a n dt h i sw a ss a i dt h a tf r i c t i o n b e t w e e ns o i la n dg e o t e x t i l eh a sb e e ni m p r o v e db yc e m e n ti nt h es i t u a t i o no fh i g h w a t e rc o n t e n t b yt h ec o n t r a s ta n a l y s i s ，w eg o tt h ev a r i a t i o nd i s c i p l i n a r i a no ft h e s h e a rs t r e n g t ho ft h es o i lw i t ht h ed i f f e r e n tm e t h o do fr e i n f o r c e m e n t ，a n df o u n do u t t h eb e s tw a yt or e i n f o r c e t h i sa l s ov a l i d a t e dt h a tc e m e n ts t r e n g t h e n e dm e t h o dw a s a b l et oh e i g h t e nt h ee a r l ys t r e n g t ho fg e o t e x t i l e ，m a d es u r eo ft h es t r e n g t ho fs o i l a n dg e o t e x t i l et oe x e r ts y n c h r o n i z a t i o n ，a n dm a d eu pt h eg e o t e x t i l eo n l yt or a i s et h e i n t e r n a lf r i c t i o na n g l e ，b u tl o w e rt ot h ec o h e s i o no ft h es o i l b yp u t t i n gf o r w a r dt h e c o n c e p to ft h es u p e r i m p o s e de f f e c to ft h es t r e s sd i s p e r s i o n ，t h i sp a p e rh a sp o i n t e d o u tt h a tt h e r ew a sam i n i m u mr e i n f o r c e ds p a c e ，a n dg a v et h ef o r m u l ao fi ta tt h i s f o u n d a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea b s o r b i n ge x p e r i m e n ta n dt h et r i a x i a lt e s t ，w eg o tt h e c o n c l u s i o no ft h a tt h ec e m e n tl a y e rh a dl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ew a t e rd r a i n i n go f g e o t e x t i l e w ec h e c k e do u ta p p l i c a t i o nr e s u l to ft h ec e m e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d b yc o u n t i n gt h ec o n c r e t ee n g i n e e r i n g t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa d e q u a t e l ys h o w e dt h a tt h ec e m e n tl a y e rc o u l d a v a i l a b l yr e d u c et h ei n f i u e n c eo fw a t e rt ot h ec o h e s i o nb e t w e e ns o i la n dg e o t e x t i l e ， a n de n h a n c e dt h es t a b i l i t yo ft h er e i n f o r c e de a r t h t h e r e f o r e ，t h eu s a g eo fc e m e n t c o m p e n s a t i o nm e t h o di nt h er e i n f o r c e de a r t hh a di m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et o w a r d s t h ee x p a n s i o na p p l i c a t i o no ft h er e i n f o r c e de a r t h k e yw o r d s ：c e m e n ts t r e n g t h e n e dm e t h o d ，s u p e r i m p o s e de f f e c t ，m i n i m u mr e i n f o r c e d s p a c e ，r e i n f o r c e de a r t h ，s h e a rs t r e n g t h 图1 0 1 图1 0 2 图1 3 图1 - 4 图1 5 图1 6 图2 1 插图清单 典型的加筋土结构 土工织物排水作用的应用 土工织物渗滤作用的应用 土工织物加筋作用的应用 土工织物隔离作用的应用 土工织物防护作用的应用 土体的各种破坏变形 图2 2 摩擦与摩擦角“1 2 图2 3 主应力和主应力面”1 5 图2 - 4 刚性板结构的真三轴仪示意图 图2 5 三轴试样的应力状态 图2 石摩尔应力圆 图2 7 摩尔圆和试样斜截面上的应力 图2 8 直剪试验的主应力及主应力面 图2 9 摩尔圆与应力基本关系图解 图2 1 0 强度包络线与摩尔圆 图2 1 1 无粘性土和粘性土的强度包络线 “1 7 ”1 8 1 9 1 9 图2 1 2 主应力差图解一2 0 图2 1 3 沉积土内的应力”2 2 图2 1 4 主应力与孔隙压力2 4 图2 1 5 饱和砂土的排水试验( c d 试验) 图2 1 6 粘性土的应力路径” 图2 1 7 应力路径比较 图2 1 8 土各种破坏标准的比较 图3 1 应变控制式直剪仪 图3 - 2 试样固结( 保水) ” 图3 3 直剪试验试样破坏形态” 图3 4 纯土的试验结果 ”2 6 ”2 7 ”2 8 “2 8 ”3 0 “3 0 3 l 图3 5 只加织物时的试验结果”3 2 图3 6 图3 7 图4 1 加水泥和织物时的试验结果“ 试验后土工织物的吸水试验“ s j 1 a 三轴应变控制剪力仪及其压力室 图4 - 2 试验布筋方式 “3 2 ”3 4 ”3 5 3 6 7 7 7 一咯n 图4 3u u 试验不同加筋方式不同围压主应力差与轴向应变关系比较3 7 图4 _ 4 主应力差与轴向应变关系曲线“3 9 图4 5u u 试验不同加筋方式的摩尔应力圆4 1 图4 - 6 三轴试样的破坏形式 图4 7c u 试验不同加筋方式不同围压主应力差与轴向应变关系比较4 3 图4 8c u 试验不同加筋方式的摩尔应力圆4 4 图4 - 9 不同围压孔隙压力与轴向应交关系比较 4 6 图4 - 1 0 不同加筋方式的应力路径”4 8 图5 1 加筋土挡土墙的破坏形式 图5 - 2 最大拉力分布图 图5 3 加筋土挡土墙地基反力 图5 - 4 织物包裹砂石料基础 5 2 图5 - 5 加筋陡坡工程实例 图5 6 土工织物的加筋陡坡 图5 7 水平侧压力系数“ 图5 - 8 潜在滑动面形状 5 5 5 6 5 7 5 7 图5 9 土工织物在主动区的长度”5 7 图5 1 0 加筋堤的破坏形式” 图5 1 1 堤坡滑动受力分析 图5 1 2 地基土受力分析 图5 1 3 圆弧滑动分析 ，5 8 - 5 9 6 0 - 6 0 图5 1 4 饱和粘土地基上堤的圆弧滑动分析”6 1 图5 1 5 加筋地基的承载力 6 3 表格清单 表1 - 1 世界土工布产量 表2 - 1 室内抗剪强度试验方法 8 表2 2 三轴试验过程简介” 1 4 表2 3 孔隙压力系数a 的参考值2 5 表3 1 土的天然物理力学性质指标 表3 - 2 土工布的主要物理力学性质指标 表3 3 直剪试验纯土和加筋土的抗剪强度指标 3 0 3 1 3 3 表4 - 1u u 试验纯土和加筋土的抗剪强度指标”4 2 表4 2c u 试验纯土和加筋土的抗剪强度指标一 表4 3 不同处理方法确定的纯土和加筋土抗剪强度指标对照表 4 5 4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金b 王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：童j 孑艮东、 签字日期：y - 库均7h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金e b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒目b 王些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：刘掀走 签字日期：劲唧年j 瑚了日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 啦今 签字日期：如刁年卜月；日 ， 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师钱德玲教授的悉心指导下完成的，无论从论文的选题、进展 还是到最后的定稿都凝聚着导师的心血。钱老师渊博的学识、严谨的治学态度 和精益求精的学术精神是我学习的楷模。钱老师开阔的视野、言传身教的教育 风格、对新鲜事物和学术研究亮点的捕捉能力以及善于从纷繁复杂的现象中发 现问题，总结规律的本领，深深打动和鞭策着我，激励我不断进取。在生活中， 钱老师平易近人，两年多无微不至的关怀使我顺利地完成了学业。谨在此向钱 老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意，并为能从师于钱老师门下而深感荣幸。 感谢土力学实验室的陈清和李凡两位老师在我试验过程中给予的指导和帮 助。感谢合肥工业大学研究生院及土木建筑工程学院的各位领导和老师，感谢他 们几年来的辛勤工作和热情指导。 感谢王东坡、张云峰、郭文爱、雷超、赵跃平、杨迎春、许小健、王鉴、 张金轮、张文彦、刘桦、程媛嫒、涂芬芬、韩松、赵洪波等师兄弟二年来在生 活和学习上的关心和帮助。感谢其他为本文工作提供帮助的老师、同学和朋友 们。 感谢远在家乡的父母，正是你们对我一贯的奉献，默默的支持，我才得以 走到今天。无论我走向何方，永远走不出你们对我的期望，衷心地祝福你们幸 福安康。 最后对所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢! 作者：刘振杰 2 0 0 7 年1 1 月 第一章绪论 1 1 引言 土具有一定的抗压和抗剪强度，但不能承受拉力。类似于钢筋混凝土，在土 中放入加筋材料，可以提高土体的强度，增强土体的稳定性。因此，凡是在土 中加入加筋材料而使整个土工系统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【l 】。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。土工增强技术常见的有加筋土、 纤维土、复合土、改性土等。 在加筋土结构设计中，既要满足外部抗倾覆验算，也要保证结构的内部稳 定，这就要求筋材和填料之间要有足够的粘聚力。当加筋土内部的含水量较大 时，水分可以通过土工织物排出，土体固结，但筋土之间的相互作用会减弱， 使得加筋土结构整体的抗剪强度降低，稳定性变差。因此，寻求一种新的方法 来减小水对筋土之间粘聚力的影响，避免结构破坏，无疑对加筋土的推广应用 具有重要意义。 1 2 加筋土结构及其特点 1 2 1 加筋土结构的组成 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、加筋土边坡以及加筋土地基。 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。加筋土边坡一般由加筋材料和土体填料组成，坡面比较陡，根据工作条件 和需要，坡面可设面板，也可不设面板。加筋土地基主要由加筋材料和土体填 料组成。 加筋材料是加筋土结构的关键部分，正是因为加筋材料的研究开发才使加 筋土技术得以广泛应用和不断向前发展。根据材质情况，加筋材料可分为四大 类： 第一类属天然植物，掺入草筋制土坯，用芦苇、草席增加软土路面的承载 能力。以天然植物作为加筋材料，有一个致命的缺点，就是易于腐烂，不能耐 久。因而限制了其使用范围，一般只运用于临时工程。 第二类为金属材料，如扁钢带、带肋钢带、不锈钢钢带等。金属的应用虽 然提高了一步，但由于金属容易锈蚀，抵御化学腐蚀的能力较弱，而且成本较 高，这也限制了其使用范围。 第三类为土工合成材料，如聚丙烯、聚乙烯、聚酯、尼龙、玻璃纤维材料 等，其形式主要有聚丙烯条带，土工格栅、土工网、土工织物( 俗称土工布) 。 第四类为复合材料，如钢筋混凝土带、钢一塑复合加筋带等。这些材料具 有高强度、小变形的特点，可充分发挥其加筋作用l z j 。 第三、第四类材料目前用得比较普遍。在加筋土结构中，不管采用哪种加 筋材料，有两点必须特别强调和严格控制：一是材料的变形和强度；二是材料 的耐久性。 加筋土填料是加筋土结构的主体材料，填料与加筋材料组成加筋土的主体 结构。从工程实践来看，填料的选取直接关系到工程结构的安全和工程造价。 国外在加筋土结构试建初期，对填料的要求较高，仅限于使用砂性土，而且对 填料组成的各种粒径含量也有严格要求。但在控制细粒土的含量方面，为了充 分发挥土与加筋材料间的摩擦作用，以保证筋一土复合体的整体性和结构的安 全稳定性，各国又作了不同的规定，都规定了各自的土工标准。 填料的选用要根据工程的环境条件和使用功能，根据具体情况选用。一般 来说，砾类土、砂类土、碎石土等可直接采用，其它土根据情况采用，或经过 对填料进行一定的技术处理，或辅以相应的技术措施，相应的结构构造处理才 能使用。 1 2 2 加筋土结构的工程特点 加筋土结构，特别是加筋土挡墙结构与传统的重力式挡墙结构相比，具有 以下特点： ( 1 ) 结构新颖、造型美观 加筋土结构新颖，巧妙地利用面板、填料和筋带。面板可根据环境和需要 构思出各种图案，与景观、环境、相邻建筑物等配套协调，一改重力式挡墙硕 大、粗蛮、单调的形象，赋予艺术感染力。 ( 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，不需要专门的施工机具；再加之加筋土逐层回填压实形成柔性结构，墙 体形成的加载作用而引起的地基变形对加筋土本身的结构影响很小，因而需要 的地基处理也比较简单，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，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。与重力式结构及其它结构相比，能较显著地节省材料用 量。 ( 4 ) 施工速度快、工期短 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 2 都比较短。 ， ( 5 ) 造价低廉、效益明显 加筋土挡墙的造价与同等条件下的重力式挡墙或其它结构相比，造价降低 幅度一般在1 0 5 0 。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 1 适应性强、应用广泛 加筋土技术的应用已经过几十年的发展，已从公路路堤、路肩发展到应用 于桥台、匝道、隧道等防护，目前已用于处理公路边坡，市政建设，港口码头、 防波堤、护岸工程、航道工程，铁道工程路堤边坡，工民建配套工程，防洪堤、 水库、水闸，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、围墙，军事防护工程和设 施等。 1 3 加筋土的应用及研究现状 加筋土的迅速发展应归功于1 9 6 6 年法国工程师v i d a l 的先锋工作，他用镀 镍钢条作加筋材料建筑了挡土墙，同时，他还预见到加筋材料可以改善地基的 承载力。经过几十年的研究和应用，加筋土的结构形式越来越多，加筋材料也由 最初的钢片、钢片网等，一直发展到目前的土工织物，应用领域越来越广【3 1 。 1 3 1 加筋土的应用现状 加筋土已较多地用于建筑挡土墙、陡坡、路堤和浅基础地基的处理，参见 图1 - l ( a ) ( d ) ，图( e ) 为桥台及路堤结构，路堤用群桩支承在软土下的持力层上， 为了减小软土向桥台方向挤压变形，可用土工织物铺设在群桩的承台上，图( f ) 是一种挖方边坡的支护结构，锚杆可用耐腐蚀的合成材料制成，支护的刚性面 板可用土工网代替，网用锚杆头上的螺母和垫圈压紧在坡面上【图( g ) 】，这种护 面的优点是可以紧固螺母来调整和维持对坡面的支护力，同时网的空穴可以生 长植物，用于保护土工网。图( h ) 中土工织物起到隔离路面材料与其下软土的作 用，因织物的拉力而使运输荷载分布均匀；图( i ) 是一种膜封土结构，用不透水 复合产品、沥青或合成橡胶浸渍的土工织物，使其既具有强度高的特点，又能 阻止水分迁移，用于堤坡或地基可以起到下列作用，防止粘土( 特别是膨胀土) 含水量增加时体积膨胀和强度下降，防止冻融循环，提高地基的承载力。图0 ) 是一种桩膜堤结构，当用作导流堤时，可采用透水的土工织物，当用作围堰时， 可采用不透水膜。 巨笸 - 冬念是， 图1 1 典型的加筋土结构 1 3 2 加筋土的研究现状 在加筋土结构中，筋土之间的相互作用是很复杂的。为了推动加筋土理论 的发展及其在工程中的应用，国内外许多学者通过模型试验，或结合具体的加 筋土工程，进行了大量的研究。 美国的k l l e e 和r i c h a r d s o n 通过模型试验研究了加筋土挡墙在地震力作 用下的性状 4 , 5 1 。h v i d a l 、f s c h l o s s e r 和a m c g w o n 6 1 通过试验研究，认为加 筋土强度的提高，是因为筋土之间的摩阻联结增大了。e 1 - f e r m a o u i 等人【7 】对加 筋砂土进行三轴压缩试验，得出加筋砂破坏时最大、最小主应力关系曲线，认 4 为曲线中拐点反映出在某一侧限压力下，加筋砂强度的提高是内摩擦系数增加 的结果。c l o u g h 和d u n c a n j 进行了接触面直剪试验，并建立了剪应力与相对切 向位移的双曲线关系，至今仍得到广泛应用。赵爱根【9 1 对饱和粘性加筋土的抗 剪强度特性作了研究，认为粘性土加筋也可以得到较好的效果。陈国芳i lo j 用大 型直剪仪器研究了加筋土挡墙与填土之间的接触面摩擦特性。林晓玲等【l l j 对土 工织物加筋垫层的加筋机理进行了研究。张师德【1 2 1 讲到了现阶段应用最广泛的 两个加筋土原理，即摩擦加筋原理和准粘聚力原理。陈周与【l 驯经过试验研究， 得出加筋土体具有良好的应力扩散作用，能均衡差异沉降和减少总沉降的结论。 刘浩吾【1 4 】通过模拟，指出预应力加筋土石堤坝的优越性，具有广泛的应用价值。 樊辉明【l5 】结合青藏铁路具体工程，得出加筋士优越性的同时，也指出在加筋土 工程力学性质方面的研究还不完善，限制了其在工程中的推广应用。 1 4 土工织物加筋土的优点及其构造要求 土工织物加筋土作为一种新型加固技术，被称为“岩土工程界的场革命”， 为岩土工程提供了一种经济而实用的加固手段1 1 6 】。由于土工织物高的强度和柔 韧度，能够有效地改善土体的抗剪性能，因此，土工织物加筋土具有下列主要优 点： ( 1 ) 可用于特性较差的现场土，或形成较陡的边坡以减少土方量，减少投 资。 ( 2 ) 不需大的施工机械，施工方便。 ( 3 ) 结构整体性好，且具有柔性，容许大的变形而不失稳。 ( 4 ) 便于和其他地基处理技术结合使用。 另外，土工织物因其自身的特点，在工程应用中对加筋材料和填土又有特 殊的要求。 1 4 1 土工织物加筋土对加筋材料特性的要求 ( 1 ) 抗拉强度和延伸率 加筋材料应在较小的伸长变形时发挥大的拉力，要求抗拉强度不小于 2 0 k n m ，达设计拉力时的伸长率应小于1 0 。有纺织物、条带、格栅产品是良 好的加筋材料，无纺织物在土中拉伸模量和抗拉强度有较大幅度提高，也可用 于加筋。 ( 2 ) 界面摩擦特性 加筋材料的拉力是因它与土的摩擦而产生的，好的加筋材料应表面粗糙些。 一般土工织物与土的界面摩擦角是土的内摩擦角的o 8 倍左右，土工格栅由于 有孔眼与土料的咬合作用，界面摩擦角可达到土的内摩擦角。 ( 3 ) 蠕变特性 土工织物大部分是由高分子聚合物制成，具有明显的蠕变特性，因此选用土 工织物作为结构的筋材时，其蠕变应变在使用期限内不能超过允许值。土工织 物埋在土内有约束时的蠕变要比在空气中无约束时小的多i ”j 。 ( 4 ) 耐久性 加筋材料应有一定的抗紫外线性能，在运输、储存和施工中应尽量减小日 光照射，坡面暴露部分应加以保护。加筋材料要能耐腐蚀，从这个要求看，土 工织物要比金属材料优越得多，此外，为减少运输和施工中的机械损伤，加筋 材料应具有一定的耐磨性、抗冲击破坏、顶破、撕破的强度。 1 4 2 土工织物加筋土对填料的要求 加筋土技术发展到今天，可以说其填料的选择范围越来越大，选择填料应 以就近、易取、价廉、能达到施工标准为原则，要求土能够提供高的剪切阻力， 故一般选用无粘性土，要求塑性指数j p 小于7 ，内摩擦角币大于3 4 。，粒径小 于5 0 u 。的颗粒所占重量比小于1 5 。不用粘性土的主要原因有：粘性土抗剪 强度低，特别是不排水强度低，这对施工期的稳定有影响；粘性土不易排水； 湿化时强度损失很敏感。但在很多工程中往往免不了使用粘性土，例如，加固 软弱地基上的堤。有时粘土也会起到比砂土更好的加筋效果，故在施工前要进 行严格试验，合理选择填料，以达到降低工程造价的目的i ”j 。 1 4 3 土工织物的作用 随着对土工织物工程特性的深入研究，工程实践经验的积累，特殊规格产 品研制能力的提高以及产品市场的日益扩展，土工织物的应用规模得到飞跃发 展，几乎涉及铁道、公路、水利、海港、建筑、采矿等各个领域。形成这种局 面的原因，除其具有质量轻、柔性大、强度高、耐腐蚀、生产工厂化、成本低、 运输和施工方便等众多优点外，还由于其在工程应用中的适应性强，具有多方 面的作用。 ( 1 ) 排水渗滤作用 土工织物透水性能良好，因而在土体中需设置排水层的地方都可以使用， 例如土坝心墙后以及挡土墙后的烟囱式排水层材料就可以采用土工织物来代替 传统的砂石料，见图1 2 。土工织物由于具有细小的孔隙，当与土体相接触并 在水流流入土工织物时又可起到阻挡土粒移动的作用，亦即渗滤作用。因而不 至于引起明显的土体渗透变形的现象。在土工中原需布置反滤层的地方都可以 利用土工织物来代替，见图l - 3 。 ( 2 ) 加筋作用 加筋作用是指土体中加入土工织物后提高土体承受荷载的能力的效应。 “加筋”的方式是多种多样的，例如可以在软土地基表面上铺设一层或多层土 6 工织物，见图1 - 4 ( a ) ；在填土中有规律地铺设多层土工织物，见图1 - 4 ( b ) ；在 填土中随机地掺杂土工织物的短纤维成为加筋的纤维土，见图l - 4 ( e ) 。 一横 x 2 “” 可静横 f c 图i - 2 土工织物捧水作用的应用 ( 3 ) 隔离作用 f ) 图1 3 土工织物渗滤作用的应用 土工织物铺设在土体中，尤其是在两层不同土体之间，就成为一种隔离物， 就要产生一种隔离作用，见图l 一5 。 么幺! 椭 + 二：软- - ，。 成材辩 ( 口 无i 蝴 。- 。： 有工织钿 ( f ， ( 6 图1 4 土工织物加筋作用的应用图1 5 土工织物隔离作用的应用 ( 4 ) 防护作用 防护作用是指土工织物用以保护土体不受损害的工程措施，通常是在堤坝 表面上布置一道保护层以保障土体不受水流的侵蚀破坏。最早的应用是以土工 7 织物代替海岸表层块石层下的传统的无粘性的反滤层。但目前的应用方式则更 为直接，有拼接成一大片的土工织物直接铺设在河底和河岸需要保护的地方， 见图1 - 6 ( a ) 。也有以土工织物缝制成所需形式，其中充填混凝土，土工织物起 到一种模板的作用，而对其中的混凝土则起到保护层的作用，见图1 6 ( b ) 。 嗣床 c 口) l 铷曝墁 c b 。啪t 上 图1 - 6 土工织物防护作用的应用 以上各种作用是为了叙述之便，分别加以介绍的，实际上土工织物使用时 往往同时起到多种作用，其效应为多重作用的综合反映，但以其中一种或两种 在该特定场合下起主要作用，在使用土工织物时要注意这种辩证关系。 通过以上介绍可看出，用织物做筋材，是利用了其加筋、排水渗滤和隔离 作用。与其他加筋材料相比，织物发挥的作用更多，更具有优越性，因此土工 织物加筋土的应用前景更广。 1 5 土工布的应用现状 被誉为第五大建筑材料的新型土工合成材料一土工布，也称无纺土工织物， 已经被应用到水利、土木建筑等上万个建筑工程中。目前我国年耗用土工布已 达6 0 0 0 多万m 2 。根据国内外大量应用土工布的实例证实，并已经被公认：土工 布对国家经济建设起着巨大的作用，是一种很有发展前途的纺织品【1 9 】。 表卜1 世界土工布产量 年份 1 9 8 5 1 9 9 01 9 9 5 r 礓4 l i r l 2 481 6 7 5 中国土工布的开发和应用起步于2 0 世纪7 0 年代，8 0 年代在铁路上试验了 美国杜邦公司提供的几千平方米非织造土工布，1 9 8 1 1 9 8 4 年在全国开始生产 和试验，在整治铁路路基、翻浆病害工程、水利、港口、林农及围垦等4 0 余项 工程中，经实际验收检验都取得了较好效果。如京广、邯长、三白、广茂、桂 山、沪宁等铁路线都使用了土工布，到1 9 8 6 年全国铁路用土工布达4 万m 2 ， 水利工程用量更多已达5 0 0 万m 2 ，进入9 0 年代用量获得更快的发展，到1 9 9 1 年总用量突破l 亿m 2 ，1 9 9 3 年用量约4 6 0 0 万m 2 ，到1 9 9 4 年累积用量约5 亿 m 2 。1 9 9 5 年全国针刺土工布用量约4 0 0 0 万m 2 ，防洪救险用量达上亿平方米。 目前，土工布在我国应用规模较大、效果较好的有以下几方面： ( 1 ) 水利工程建设方面。江苏省采用土工布对沿江沿海堤坝进行加固，这些 航道、河道护坡成功地经受了1 9 9 8 年的特大洪水侵袭的考验；河北省黄壁庄 水库下游减压进井冒浑水，采用土工布封堵后，在1 9 9 8 年特大洪水冲击下没有 出现险情；天津北塘水库使用土工布后，工程质量明显提高；我国最大的水运 工程长江深水航道疏浚工程，在工程设计中决定试用土工布构筑导堤，经试验 段测试，取得了其他材料难以达到的良好效果。另外，上海陈行水库工程、江 苏太仓中远国际城等工程也均采用了土工布。 ( 2 1 公路建设方面。我国公路建设使用土工布现还局限于高速和等级公路， 使用规模较大的工程有东北锦大公路、浙江杭甬高速公路、广州环城高深汕高 速西段、上海沪宁高速公路等。 ( 3 ) 铁路建设方面。我国铁道部门从1 9 8 1 年开始采用土工布处理路基损坏 及其他问题，如用在京九铁路建设中的地基处理与边坡加固、京广铁路翻浆冒 泥的整治、上海地铁二号线龙东路西段工程等。 ( 4 ) 环境保护方面。土工布在环境工程方面的应用比例还不很大，但在垃圾 场及废水排放治理等工程中的应用会越来越多。至今，我国土工布在环保方面 应用较多的是在贮尾矿和灰坝的处理，如上海外高桥电厂、嘉兴电厂、上海石 洞口电厂的灰坝、铜山尾库矿等工程中。 我国是一个具有巨大发展潜力的国家，各种工程的修复及众多的新工程建 设都面l 临着大量土工布的应用，由此看来，土工布在我国的发展是必然的。 1 6 本文主要研究的内容 土工织物发挥加筋作用的几何前提是其必须有形变。变形后的土工织物才 能约束土体的侧向变形，提高加筋土的稳定性，反之，不起约束作用，发展成 撕裂破坏。因此，要发挥土工织物在的作用，必须发展高强度、小延伸率的加 筋材料。目前，国产的无纺织物和编织物，都是低抗拉强度，高断裂延伸率， 难以满足工程要求。已有大量的工程实践证明，许多加筋土结构破坏了，而其 中的织物只发挥了很小的作用【2 。造成这种现象的主要原因是筋土抗剪强度不 能同步发挥。土的抗剪强度比较小，在作用力下首先发生变形，并借助摩擦作 用带动织物发生变形，当作用力达到土的抗剪强度后，土首先被剪坏，而此时 织物的变形量还很小，抗拉强度还没有充分发挥，加筋效果不明显。 粘土与筋材接触面的相互作用，粘聚力占主导作用，而粘聚力受填土的含 水量影响较大，因此当粘土作为填料时应严格控制其含水量。加筋材料的粗糙 度对筋土界面有较大的影响，建议工程中选择粗糙度较大的加筋材料，对加筋 9 土结构更为有利【2 1 1 。但当地下水位上升或降水量增大时，加筋土体中的含水量 会骤增，粘土与筋材之间的相互作用会明显降低，造成结构破坏。 为了达到筋土抗剪强度同步发挥，提高两者之间的相互作用，减小含水量 对其粘聚力的影响，本文的做法是：铺放土工织物的时候，先预拉使其具有一 定的形变，再在其上下表面散干水泥粉，经饱和后养护1 0 小时，再做试验。现 将自己的思路介绍如下： 土工织物表面的干水泥粉，能够吸收周围土体中的水分，发生水化反应后 粘结在织物表面，硬化后就增加了织物表面的粗糙程度，加大了与周围土体的 摩擦作用，有利于筋土作用同步发挥，另外，硬化的水泥层能够降低织物的预 应力损失，这也有利于加筋作用的发挥，可推测这种做法能够提高加筋土工程 的前期强度，对后期强度的影响不大，这是因为硬化后的水泥是一种脆性材料， 随着织物变形的增加，硬化的水泥层就会从织物表面脱落下来，降低了筋土的 摩擦作用，此时织物逐渐起了主导作用，这样加入水泥层后就弥补了织物加筋 作用前期发挥有限的缺陷，使得筋土抗剪强度同步发挥。 土的抗剪强度是研究土的强度特性的重要指标之一，是建筑物稳定与安全 关系最大的力学性质指标。偏高或偏低的估计土的抗剪强度，都会给工程带来破 坏和浪费。因此，提供准确可靠的抗剪强度指标，合理地使用抗剪强度指标都是 非常重要。 在加筋土工程中，土工织物与填料的界面作用特性直接决定加筋土工程的 内稳定性，因此两者的界面作用特性是最关键的技术指标【2 2 1 。因此，先做直剪 试验，观测粘土与土工织物接触面的力学特性，以初步检验自己的设想。由于 土工织物本身较为柔软，拉伸模量也较小，粘土与土工织物接触面除了具有一 般的粘土与结构接触面的力学特性以外，还有其自身的特点，需要在试验中加 以重视并进行深入研究。做三轴试验，以求出加筋土抗剪强度更加真实的变化 规律。 1 0 第二章土的抗剪强度原理及其试验测定 2 i 引言 土体的破坏通常都是剪切破坏。之所以会产生剪切破坏，是因为与土颗粒 自身压碎破坏相比，土体更容易产生相对滑移的剪切破坏。土的强度通常是指 土体抵抗剪切破坏的能力。土的抗剪强度是土的重要力学指标之一，建筑物地 基、各种结构物的地基( 包括路基、坝、塔、桥等) 、挡土墙、地下结构的土压 力及各类结构( 如堤坝、路基、路堑、基坑等) 的边坡和自然边坡的稳定性等 均由土的抗剪强度控制。能否正确地确定土的抗剪强度，往往是设计和工程成 败的关键所在。 几十年来，在土力学中对土的抗剪强度进行了大量的试验研究，但由于土 的性质十分复杂，这个问题仍没能很好的解决，仍然是土力学中的一个重要的 研究方向。 2 2 土的抗剪强度及其测定方法 2 2 i 抗剪强度的基本概念 土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的能力。如果在土体上施加一定的外 力，则土体产生变形。由于作用力的方向不同，产生的变形也不同，有压缩变 形、拉伸变形及剪切变形。在剪切变形中，若施加的外力超过了土的抗剪强度， 土体便会沿某一结合面滑动，而产生剪切破坏。图2 - i 所示为上述各种破坏变 形的形式。 申盎 圈 ( a ) ( b )( c )( d ) ( a ) 无侧限压缩破坏；( b ) 有侧限压缩破坏；( c ) 拉伸破坏；( d ) 扭转破坏 图2 - i 土体的各种破坏变形 土体的破坏大多为图2 - l ( a ) 和( b ) 所示的两种破坏形式，主要为压缩破坏， 有时也会产生局部拉伸破坏，如坝顶两端产生张裂缝等。下面以图2 2 所示情 况为例简单地说明抗剪强度的基木概念。 将一重形的块体放在一不光滑的桌面上，这时桌面对块体产生反作用力 ，它与方向相反且大小相等，如图2 - 2 ( a ) 所示。若对块体施加一不使块体 移动的水平力p ，这时块体与桌面接触面上产生一与p 大小相等方向相反的力 f ，它是由桌面与块体接触面的摩擦而产生的，即摩擦力，如图2 - 2 ( b ) 所示。 与f 的合力为r ，r 与的夹角为0 ，如图2 - 2 ( e ) 所示。 n i i ( 丑) l q 冈冈 图2 - 2 摩擦与摩擦角 p 增大，摩接力f 也随之增大，当达到一定极限值f 嘣时，块体开始移动。 因为为常数，故r 与。值相应增大。f = 时的0 = 巾，巾为摩擦角。k 称为摩擦系数即 t a n + = 等 抗剪强度表示为： t ，= o t a n * ( 2 - 1 ) 式中t ，= 萼一抗剪强度( 最大剪应力) ； 。 以 o = 兰一法向应力； 爿 爿一块体的接触面积。 对于无粘性土来讲，式( 2 1 ) 表达了土颗粒间摩擦力的概念。对于粘性土来 讲，除摩擦力外，还有颗粒间由于水膜或胶结物所产生的粘聚力c ，其抗剪强度 可表示为： t ，= c + a t