（道路与铁道工程专业论文）换填与加筋相结合处理加宽路基下软土地基的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，高等级公路的建设正以前所未有的发展速度向前推进，早期修建 的高等级公路其交通量陆续达到饱和状态，公路加宽势在必行。需要加宽的高 等级公路大多数位于经济发达的沿江和沿海地区，这些地区软土分布广泛，公 路拓宽以后，新旧路基间的不均匀沉降是较难解决但又必须解决的问题。 对于软基厚度不大的情况可以采取在软基上铺土工合成材料的简单办法， 而且效果良好。但当软基厚度较大时，其效果不理想，此时可以考虑加筋与换 填部分软土相结合的方法，预期达到经济、实用、有效、安全的处理目的。 基于上述目的，本文对以土工格栅为加筋材料，用砂砾换填一定深度软土 的路基加宽处理方案进行了理论分析，着重研究了这种方法的处理效果和相关 机理，为具体方案的确定和设计提供了理论依据和计算方法。主要内容如下： 用有限元法对不加筋不换填、加筋不换填、加筋换填等几种路基加宽的软 基处理方案分别进行了计算分析，并详细研究了软土厚度、换填深度、路堤高 度、筋材模量等因素对新旧路基间不均匀沉降的影响规律，得到以下主要结论： ( 1 ) 软土厚度较大、路堤较高时，仅作加筋处理对减少新旧路基间不均匀 沉降的效果不明显。此种情况下，除加筋外，再采用砂砾换填一定深度的软士 可以达到控制上述不均匀沉降的目的，其沉降差随换填深度的增加而减小。 ( 2 ) 在其他条件不变的情况下，土工格栅的抗拉模量越大，加筋对软基侧 向位移的约束作用越强，新旧路基间的不均匀沉降就越小。方案设计时，可以 用本文得到的规律，根据具体情况选择模量合适的土工格栅，达到既有效又经 济的目的。 ( 3 ) 在软土厚度、路基高度和宽度等一定的情况下，给定新旧路基间的不 均匀沉降容许值后，土工格栅的模量与软基换填深度存在最佳组合。一般情况 下，可以根据实际情况先选定土工格栅的模量或软基换填深度，再用本文的计 算方法确定软基换填深度或土工格栅的模量，可以实现这种最佳组合。 关键词：旧路加宽，软土地基，土工格栅，换填法，机理分析，有限元 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t nr e c e n ty e a r s ，m 曲一g r a d eh i 曲w a yi s 铲o w i l l gw i 也1 1 n e x a m p l e ds p e e d s o m eo f t h e m ，w h j c hw e r ec o n s n l l c t e di ne a 订yd a y s ，h a v eb e e no ra r et ob ew i d e n e db e c a u s e o ft o om u c ht r a f f i c t h e s ew i d e n e do rn e e dt ob ew i d e n e dm a d sm o s t l yl i eo n 恤ea r e a w i t hm u c hs o r 乒o u n di nn o u r i s h e dr e g i o i l sa l o r 培t h er i v e r so rc o a s t h o wt oc o n t m l t h ed i 仃e r e n ts e 砌e m e n tb e m e e n 廿1 ew i d e n e da 1 1 dt h eo l dp a no f 山es u b g r a d ei sa d i 箍c u l tp m b l e m ，b u ti th a st ob es 0 1 v e d w h e nt h e l i c k n e s so f t l l es o f t 罂d 吼di ss m n ，p l a c i r 唱ag e o s y n t h e t i c su n d e rm e s u b 伊a d ew i l ls o l v em ep m b l e mn o t e da b o v ev e r yw e l l i f m et 1 1 i c k n e s so fs o r g r o u n de x c e e d sac r i t i c a lv a l u e ，t h i sm e a s l l r ew i l ln o tg e ta 1 1e x p e c t e dr e s u l t i nt h e l a t t e rs i t u 砒i o n ，印p l y i n gr e p l a c e m e n tc 伽b i i l e dw i lr e i n f o r c e m e n tm a yg e tag o o d e 行e c t ，w k c hi st ob ep r o v e da ne c o n o m i c a l ，p r a c t i c a l ，e 虢c t i v ea n ds a f em e t h o d ，t k e f i e c ta n dt h em e c h 孤i s mo f s u c hm e m o da r ef o c u s e d ，i no r d e rt op r o v j d ct h eb a s eo f p r a c t i c a lp l a l l t h ef e mi su s e dt oa n a l y z e dt h es y s t e mo fw i d e n e ds u b g m d ew 沛d i 船r e n t i n l p r o v i n gm e t l l o d s ：( 1 ) n o 曲p r o v e r r l e n t ；( 2 ) w i 廿1r e i n f o r c e m e n tb u tw i t l l o u t r e p l a e e m e n t ；( 3 ) w i t hb o t h r e i n f o r c e m e n ta n dr e p l a c e m e n t f o r e v e r ys y s t e m m e n t i o n e dh e r e ，m ee f f b c t i n gm l e st ot h ed i f r e r e n ts e t t l e m e n tb e t w e 皿m ew i d e n e d a n dt 1 1 eo l dp a no ft h es u b g r a d eb ys u c hf 如t o r sa st h et h i c k l l e s so fm es o f tg m u n d ， t h ed e p t ho ft h er e p l a c e m e n t ，t h eh e i g h to ft h es u b 乒a d ea 1 1 dm em o d 山u so ft h e g e o s y n t h e t i c sa r es t u d i e d t h ef 0 1 l o w i n gi sm ec o n c l u s i o n s ( i ) i ft h et l l i c l 【1 1 e s so ft h es o f tl a y e ra n dm eh e i 曲to ft h es u b 野扭ea r eb o t h b i g g e r ，t h ee f f b c tc a nh 盯d l yo b t a i n e dt or e d u c et h ed i 丘b r e ms e m e m e n to n l yw i t h r e i n f o r c e m e n t b u tm i sd i 行e f e n ts e t t l e m e mm a yb el u l d e rc o n t r o lb yr e i n f o r c i n ga n d r e p l a c i n gac e r t a i i ld e p t ho ft h es o rs o i l w i t i l s 趾l d 砒l d 萨a v e l t h el a r g e r t h e r e p l a c e m e n td e p t l li s ，t h es m a l l e rt h ed i 豌r e n ts e m e m e n ti s ( 2 ) w h e na n yo m e rs u b g r a d ep a r a m e t c r sa r eg i v e n ，t h el a r g e rt h em o d u l u so f g e o 鲥di s ，t h eb e t t e rt h e 如n c t i o no fd e c r e a s i n g1 a t e r a ld e f o 肌a t i o ni s a 1 1 dt h u st h e 武汉理工大学硕士学位论文 s m a l l e rm ed i f f e r e n ts e t n e m e n ti s t h ed e t a i lo f t h i sc o n c l u s i o np r o p o s e di nm i sp 印e r m a yg l i i d e t oc h o o s eag e o 鲥dw i t hp m p e rm o d l l l u st oa c h j e v ea ne 仃e c t i v ea i l d e c o n o m i c a lp u 印o s e ( 3 ) w h e nt l l ed i f f b r e n ts e t c l e m e n ti s 百v e n ，t h em o d u l u so fg e o g da n dt h ed e p t h o f r 印1 a c e m e n tm a y b em a l c h e db e s ti f t h et 1 1 i c k n e s so f 血es o f tg r o u n d ，t h eh e i 曲ta n d t h ew l d t l lo ft h es u b 伊a d ea r ec e r t a i n g e n e r a l ly ，i fam o d u l u so fg e o 鲥do r a r e p l a c e m e md e p mo ft 1 1 es o rs o i l i sa s s 砌e d ，t 1 1 e nam a t c h j n gf e p l a c e m e n td e p mo f t h es o rs o i lo ram a t c h i n gm o d u l u so fg e o g r i dc a nb ed e t e m l i n e db ym em e t h o d d e s c r i b e di nm i sp a p e l k e yw o r d s ：s u b g r a d ew i d e n l n g ，s o f t 粤d u n d ，g e o 鲥d ，r e p l a c e m e n tm c t h o d m e c h a n i s ma n a l y s i s ，f i n j t ee l e m e n t 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章概述 近年来，随着国民经济的迅速发展，高等级公路的建设正以前所未有的发 展速度向前推进。由于受建设的社会经济水平、技术水平和建设思想的制约， 在已经建成使用的高等级公路中，现在有相当一部分已不能适应交通量增长和 社会发展的要求，迫切需要扩大道路通行能力。由于新建高等级公路，投资规 模大，占用土地多，且容易造成路网分布不均，例如沈大高速公路，广佛高速 公路，沪宁高速公路等，都先后进行了大规模扩宽。在国家公路网中，有许多二、 三级公路也需要改造，同样也涉及到路基的加宽加高等问题。【2 】 3 1 5 】 公路，特别是高等级公路的加宽扩建，在我国还没有较成熟的经验，有许 多需要深入研究的问题。在中、东部经济发达地区，早期修建的一些高等级公 路，其交通量先后达到或在未来几年内就将达到饱和状态，对其进行加宽扩建 势在必行。而这些公路都有较长的路段是穿过软土地区的。在软土地基上扩宽 路基，最难解决但又必须解决的问题是如何保证新旧路堤间的整体性和沉降的 均匀性。这个问题解决不好，就会导致扩宽部分的路基相对下沉量大，造成路 面沉降、开裂、错台等病害，影响公路的使用功能，甚至危及行车安全，严重 的车辆无法通行，道路必须进行维修加固。 由于问题涉及到的影响因素繁多，理论上尚未研究清楚，实践经验又比较 缺乏，因此上述问题目前还没有很好的解决办法。有鉴于此，本文试图为解决 上述问题而进行一定的研究探讨工作。 1 2 本研究的目的和意义 随着国民经济的飞速发展，国家公路网中原有公路陆续需要加宽改造。新 加宽的部分由于地基沉降和加宽部分本身的压缩，极易造成新旧路基间出现较 大沉降差，以致通车不久路面就丌裂破坏，尤其是软基上的公路，加宽后此问 题更加突出。对建在软土地区上的公路，扩宽时一般需要对软基进行必要处理。 武汉理工大学硕士学位论文 换填是优先采用的方法之一，因为它施工简单，工期短，见效快。为了加强扩 宽部分的新路基与老路基之间的连接，保证它们的整体性，控制二者间的差异 沉降，在基底和加宽部分平铺一层或多层高强度土工合成材料( 如土工格栅) ， 在一定条件下可以起到良好效果。 本文的主要目的是研究换填与加筋相结合的处理方法的效果、适用条件、 影响因素等，以期为提出安全、经济、实用、有效的处理措施和相关的设计计 算方法奠定必要的理论基础。 1 3 国内外研究现状及动态介绍 1 3 1 国内外高速公路扩建加宽现状 我国已建成高速公路大部分为双向四车道，随着经济的发展，某些高速公 路将不能满足交通要求，需扩大通行能力，增加行车道数。根据国外经验及我 国未来经济发展的需要，我国主要经济干线走廊带内的高速公路，远期将需要 卜条左右车道的通行能力【2 。”】。那么已有四车道如何改建，是老路加宽还是另 辟新线，很有研究价值。由于近距离新建高速公路，投资规模大，占用土地多， 且容易造成路网分布不均，因而在现阶段，我国高速公路的扩建大多采用老路 加宽的方法。 就加宽方式而言，路基加宽可采用双边对称加宽或单边加宽，采用双边 加宽时新老路基的中心线相重合这种方法的难一优点就是道路加宽后路面 仍然保持在经车辆压实的基层上，但有个最大的缺点是很难保证新老路基土 之间的整体性和紧密结合，特别是对于高路堤，而且加宽值又不大，很容易 引起路堤的滑坡。采用单边加宽时新老路基的中心线不重合，这种方法的缺 点是一部分新路基落在新填土上，它的强度难以保证与旧路基相同。但这种 方法拓宽路基的旌工比较容易，而且能保证质量。但无论采用何种路基加宽 方法，都要保证新旧路基能很好的结合，使新旧路基沉降均匀。如结合不好， 路基的新填部分就有可能产生下沉或滑移，导致路面变形或开裂。 就加宽工程的软基处理方法而言，高速公路加宽扩建工程通常工期紧、施 工场地狭窄，同时还要维持正常的交通运输，因而必须进行多方论证、比较， 根据工程地质勘查资料，结合老路基软基处理的评价结果，选择经济、快速、 武汉理工火学硕士学位论文 可靠的软基处理方法，以确保现有高速公路营运安全，确保减小加宽后高速公 路新旧路面的差异沉降。1 9 9 7 年8 月，我国首条高速公路加宽扩建工程广佛高 速公路扩建工程动工。此扩建工程的软基处理部分对3 种方案从处理形式、加 固效果、施工难度、工程造价、工期和不安全因素等方面进行了比较，最终选 择了粉喷桩加固的方法。 自首条广佛公路加宽工程实旌以来，先后有海南环岛东线、沪杭甬、沈大 等高速公路相继局部或全线扩建加宽，其具体加宽方式、软基处理方法见表1 1 。 表1 1我国主要高速公路改扩建工程概况 广佛高速公路沪杭甬高速公路沈太高速公路海南环岛东线 原设计 双向四车道双向四车道双向四车道非标准四车道 方案 部分双向八车道分段拓宽成扩建左幅 扩建方案双向八车道 部分双向 车道双向六车道双向四车道 加宽方式两侧加宽 两侧加宽两侧加宽单侧加宽 原软基 袋装砂井加砂垫塑料排水板+ 堆载预塑料排水板未处理或抛填片石 处理方法 层或砂垫层压、粉煤灰路堤预压固结简单处理 预压、塑料排水板+ 加宽软基粉喷桩( 部分旋 塑料排水板原为塑料排水板 处理方法喷桩) 加砂垫层 等载预压、粉喷桩、 预压固结后改为粉喷桩 路堤桩+ 土工格栅 在国外，以英、法、美、德、加拿大、日本为代表的工业发达的资本主义 国家，早在2 0 世纪7 0 年代初期就已经基本建成干线公路和高速公路网，导致 新建道路减少而现有道路的养护维修问题日益突出，为了保证和改善提高现有 道路网的服务水平，每年需要耗费大量资金用于道路的养护和改善工程上。因 此，世界上这些工业发达国家的公路管理部门开始将注意力转向对现有道路的 养护、维修和改扩建上。国外改扩建高速公路主要有荷兰魔特丹( r o t t e r d a m ) 安特为普( a 呲w e r p ) 的a 1 6 号高速公路、鹿特丹( r o t t e r d 锄) 一乌得勒支( u 讹c h t ) 的a 2 号高速公路、日本名神( 名古屋一神户) 高速公路、德国开姆尼茨一德累 斯顿德a 4 号联邦高速公路、美国印第安纳洲( i n d i a l l a ) 的高速公路、田纳西州 ( t e l l i l e s s e e ) 7 5 号和1 5 3 号卅i 际公路的交接段、4 3 4 号州际公路从t u s k a 谢l l a 至4 1 7 号州际公路段( 2 。1 2 k m ) 、以及i 一8 0 号高速公路从a s h b y 到a 、呦u e s 大 学段等等。 武汉理工人学硕士学位论文 高速公路扩建相对新建，在软基处理措施方面对路基稳定和工后沉降提出 了更高的要求，再加上施工场地有限，施工周期紧等因素，经过长期的设计施 工，专家学者和施工技术人员得出了一些有价值的经验，以满足加宽工程的特 殊要求。 ( 1 ) 路基填土往往位于老路基边坡上，因而必须对老路基边坡按一定坡度 削坡，削坡必须满足施工期间的路基稳定要求。 ( 2 ) 高速公路加宽最好采用快速加固方法，以加快施工周期，降低施工期 间维持交通正常运营的费用。 ( 3 ) 采用粉喷桩等复合地基处理时，桩体布置可采用罩密外疏的方式，以 节省工程量。 ( 4 ) 施工期间要注意排水问题，防止开挖边坡有水，引发老路基坍塌。 ( 5 ) 在做试验段的同时，还须在施工过程中进行沉降和稳定动态观测，控 制填筑速率。 但是，目前关于这方面的研究还比较少，没有形成完善的理论，实用措施 也不够丰富，有必要加强相关的理论研究。 1 3 2 土工合成材料在公路工程中的应用概况 随着我国公路交通的发展，特别是近年来高速公路网的迅速扩展，土工合 成材料在公路建设中的应用越来越广泛。据国外的统计资料显示，土工合成材 料在公路工程中的应用占全部用量的三分之一以上，因此土工合成材料在我国 公路建设中具有广阔的应用前景。土工合成材料用在旧路加宽工程当中，主要 是利用其加筋功能，利用土工合成材料的高强度、韧性等力学性能，可分散 衙载，增大土体的刚度模量，改善土体或作为加筋土以及各种复合土工结构“”。 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，它以人工合成的聚合物，如塑 料、化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或 各层土体之间，以发挥加强或保护土体的作用。土工合成材料( g e o s v m h e t i c s ) 可分为土工织物( g e o t e x t i l e ) 、土工膜( g e o m e m b r a l l e ) 、特种土工合成材料和 复合型土工合成材料等类型，目前已广泛应用于水利、水电、公路、铁路、建 筑、海港、采矿、军工等各个工程领域。 土工合成材料之所以能在各项工程中得以广泛的应用，主要是土工合成材 料本身的独特的功能所决定的。其重量轻、施工方便、工期短、投资快及工程 武汉理工大学硕士学位论文 质量可靠等优点，表现出明显的技术效果和经济效益。目前公路工程中，土工 合成材料广泛应用于路基( 及软基) 处理、路面结构层、路基下和桥台后排水 系统、路堤( 堑) 边坡防护及支挡结构。主要应用如下：1 1 7 1 ( 1 ) 用于道路面层与基层之问的柔性路面结构层 高等级公路要求“强基薄面”，将高模量的士工合成材料置于路面结构层中， 可增大路面结构层的抗拉强度，减薄路面结构层的厚度，保持路面完整性。一 般应用拉伸模量大于2 5 3 0 剧聊的土工织物或玻纤网，先在水泥板块接缝处 铺上条状土工织物，再做沥青结构层，或在龟裂的薄沥青路面上浇洒粘层油， 再将织物满铺，然后铺筑沥青面层或橡胶沥青混凝土面层，能起到控制裂缝发 展的作用。研究表明，加铺土工合成材料后，可改善裂缝处的应力集中，增强 路面整体刚度，减少车辙，延长沥青面层的疲劳寿命。我国江苏高速公路、京 福高速公路、六合高速公路、广西金宜一级公路、石家庄高速公路均采用土工 格栅进行路基路面加筋：上海外滩二期道路拓宽工程中采用三层土工织物分层 包裹碎石、水泥粉煤灰及回填土形成人造硬壳层。 ( 2 ) 用于临时道路 许多林区、海港、油田及一些军用临时道路要通过水文地质条件不良的地区， 如沼泽或软土地区，若采取避绕的方法需延长线路增大投资。将土工合成材料 铺设在软弱地基上，利用其良好的抗拉强度和变形特性，避免其上部的填料在 荷载作用下与地基土混淆，同时约束填料侧向移动，并能减少地基所承受的压 力。临时道路完成使俞后，由于工合成材料的隔离作用其上填料可回收利用。 ( 3 ) 用于植被防护 用三维土工网垫进行路堤( 堑) 边坡的植被防护，也可将其铺在河岸、水库、 池塘岸坡上防止边坡被冲刷，或利用土工织物袋装砂石及土工模袋做护坡。 ( 4 ) 用于护坡 用土工格栅和复合加筋带构筑加筋挡墙和桥台或加陡路堤边坡，增强稳定 性，节省占地。也用于路堤边坡和加筋层。如1 0 8 国道广南段采用土工格栅修 建了高度达3 0 m ，坡度为l ：o 5 的陡边坡路堤。北京安慧立交桥加筋土桥台， 运营了1 1 年且状态良好。加筋挡土墙与常规重力式挡墙相比，具有较好的经济 效益，可节省大量圬工和工期，节约造价l o 3 0 。 ( 5 ) 调整刚度 用土工格栅和土工网铺设于桥头、填挖交界处、新老路基结合部位，以调 武汉理上人学硕士学位论文 节桥梁道路基的刚度，减小冲击力，防止桥头跳车及错台。如云南楚大高速公 路采用了这种方法处理了填土高度4 8 m 的6 个桥台，加筋后路基回弹模量大 幅提高。完工半年后，沉降趋于稳定，并取消了常用的桥头搭板。 ( 6 ) 用于软土路基加固处理 用塑料排水板代替砂井以加速软土地基的固结，提高地基承载力，或用土 工织物，土工网结合碎石或砂砾垫层铺设于软土地基和路堤之间，利用其抗拉 强度加筋软基路堤，保证路堤的稳定性。如滓京塘高速公路将土工织物铺设于 路堤底部，和塑料排水板结合进行软土地基处理，取得较好效果。 ( 7 ) 用于处理膨胀土和湿陷性路基 用不透水的土工膜作封闭层，使路基土含水量不发生大的变化。如洛三高 速公路采用两布一膜涤纶复合土工膜进行路基边沟和中央分隔带的防渗处理， 在路面基层下铺设一层土工膜，其下再铺设5 0 c m 的碎石垫层，垫层下再铺设土 c 织物滤层。 ( 8 ) 用土工膜铺设于冻融翻浆路段，保持温度稳定减小路基冻害，治理道 路翻浆。如哈同公路及大庆油田均采用土工材料治理道路翻浆。 尽管如此，土工合成材料应用的理论发展却远远落后于其工程实践，在工 程运用中大都是参照类似的工程经验加以仿效，严谨的科学依据尚不多见。而 实际工程中，又不可能有两项工程的实际情况是完全相同的，因而工程设计不 是浪费就是过于保守，对工程的安全程度根本无法进行较客观的预测。在交通 行业现行的公路加筋土工程设计和施工规范( j t j o l 5 9 1 ) 在指导实际的设 计和施工方面还有很大的局限性，必然大大限制了土工合成材料在土木工程中 的应用。因土工合成材料与土之间的相互作用较为复杂，已有文献对它的研究 主要来源于土工合成材料与土相互作用的研究。 近年来，国内进行了应用研究工作，在土建工程中已经显示了广阔的工程 应用6 u 景。采用土工合成材料处理软土地基的路堤修筑技术问题已经得到许多 科技工作者的重视，但为了土工合成材料的丁f 确应用，迫切需要提出合理的设 计、计算方法以解决应用中出现的问题。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 本文提出软基上的路基加宽方案为：土工格栅+ 软基换填方案( 如图1 1 所示) 。具体研究内容如下： 一，u ， 软土地萆一一 i ，一l ，。 l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 图1 一l旧路加宽路基结构计算模型 1 研究软土层厚度d 、路堤高度日、软基换填厚度d 发生变化时，换填结 合土工格栅的处理方法对新旧路基间不均匀沉降量的影响规律。 2 研究软土层厚度j d 、路堤高度日、宽度b ( 或加宽值凹) 为定值时， 换填厚度d 、土工格栅模量e 应如何发生变化，才能保证达到预期处理效果， 即保证新旧路基间的差异沉降在允许范围内。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章土工合成材料在旧路加宽工程中的应用 在旧路加宽改造中，土工合成材料具有广泛的应用前景。使用土工合成材 料( 图2 1 ) ，一方面靠土工合成材料的抗拉强度作用增加加宽部分与旧路基之 间的结构联系，使两者具有足够的整体性，另一方面土工合成材料还可以减少 软土地基的沉降，并可明显降低软土地基的不均匀沉降，而且这种方法具有旌 工方便、快捷，不影响旧路交通、费用低等显著优点。 l 旧路基l 1新路基， y 图2 一l土工合成材料在旧路加宽中的应用 2 1 土工合成材料的种类和功能 土t 合成 材料 作为崭新的土工建筑材料土工合成材料( g e o s ”吐l e t i c s ) ，其历时甚短， 但发展较快。目前，已经出现八大系列产品，如土工织物( g e o t e x i t i l e ) 、土工格 栅( g e o g r i d ) 、土工网( g e o n e t ) 、土工席垫( g e o m a t ) 、土工薄膜( g e o m e m b r a j l e ) 、 土工格室( g e o c e l l ) 、土工复合材料( g e o c o m p o s i t e ) 以及有关新产品( r e l a t e d p r o d u c t s ) 。它广泛用于水利、电力、公路、铁路、建筑、海港、采矿、机场、军 工、环保等工程的各个领域。 土工合成材料的功能是多方面的，综合起来，可以归纳为以下六种基本作 用。 1 过滤作用 将土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土粒通过，从 武汉理工大学硕士学侮论文 而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏，同时允许土中的水或气体穿 过织物自由排除，以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。 2 排水作用 土工合成材料可以在土体中形成排水通道，把土中的水分汇集起来，沿着 材料的平面排出体外。适用的主要工程：土坝内部垂直水平排水：士坝或土堤 中消散孔隙水压力；软基处理中垂直排水( 塑料排水带或袋装砂井) ；挡土墙后 面的排水；各种建筑物的周边排水。其他如在霜冻区、盐碱区截断毛细管水的 上升，降低地下水位，起防冻和防止盐碱化作用；在公路路基的土工织物隔离 层亦可起排水作用。 3 隔离作用 将土工合成材料放在两种不同的材料之间或不同粒径的同一材料之间以及 土体表面与上部建筑结构之间，使其隔离开来。当受外部荷载作用时，虽然材 料受力互相挤压，而由于土工合成材料在中间隔开，不使互相混杂或流失，保 持材料的整体结构和功能。土工合成材料作为隔离材料，目前广泛应用于：铁 路道碴与路基或地基与软弱地基之间的隔离层；飞机场、停车场、运动场面层 与地基之间的隔离层；人工填土、堆石或材料堆场与地基的隔离层；其他如在 水中( 江、河、湖、海) 抛填土石方前，先将土工织物铺放在水下，起隔离作 用，也可起反滤加固作用等。 4 加筋作用 土工合成材料埋在土体之中，可以分布土体的应力，增加土体的模量，传 递拉应力，限制土体侧向位移；还增加土体和其他材料之间的摩擦阻力，提高 土体及有关构筑物的稳定性。土工织物、土工格栅、土工加筋带、土工网及一 些特种或复合型的土工合成材料，都具有加筋功能。适用于下列工程：在公路、 铁路、防波堤、运动场等工程中，用以加强软弱地基，同时起隔离与过滤的作 用：加强堆土或陡坡的边坡稳定性、用作挡土墙回填中的加筋；其他如在裂隙 或断层发育的基础上，增加边坡的稳定性或加固地基等等。 5 防渗作用 土工膜和复合土工合成材料，可以防止液体的渗漏，气体的挥发，保护环 境或建筑物的安全。适用于下列工程：土石坝的防渗斜墙或新墙，上游铺盖或 库区防渗措施；土石坝或水闸地基的垂直防渗或地下水库的垂直防渗墙：隧道 周边及堤坝内埋设涵管的防渗措施等等。 武汉理上人学硕士学位论文 6 防护作用 土工合成材料可以将比较集中的应力扩散开，也可将应力由一种物体传递 到另一物体，使应力分解，防止土体受外力作用破坏，起到防护作用。主要应 用于可到整治、护岸、护底工程，以及海岸防潮、道路坡面防护等工程方面。 上述是土工合成材料的六种基本功能，有的学者曾提出更多的功能，但大 部分可以归纳到上述六种功能之中。一种土工合成材料应用于某一项工程中， 可能同时具备几种功能，但有的是主要的，有的是次要的。土工合成材料是一 种新型材料，它的应用范围十分广泛。 2 2 土工合成材料的加筋机理 加筋土是一种在土中加入筋材而形成的复合土。众所周知，土体都有一定 的抗压和抗剪强度，而它们的抗拉强度却很低。在土内掺入或铺设适当的加筋 材料，可以不同程度地改善土体的强度与变形性能。要使筋材在加筋工程中充 分发挥其作用和选用得当，了解筋材和土体的相互作用，即形成复合体的加筋 机理是很重要的。在土体中加筋，以筋材作为抗拉构件，与土产生相互摩擦作 用，限制其上下土体，能够约束土体的侧向变形，增强土体的燕体性。其原理 可以从以下两个方面来解释【1 8 【1 9 【2 0 】【2 5 ： 2 2 _ l 摩擦加筋原理 根据加筋土复合体中筋与土之间的基本构造，在加筋土体中取一微段来分 析。 如图2 2 所示，微元体长为础，拉筋左截面受力为z ，右截面受力为l ， 压住拉筋的法向应力为，略去筋带重量和微元土体重量。设拉筋与土之间的 摩擦系数为厂，筋带宽度为6 。由于土与筋带之间的相对运动趋势所引起的筋带 拉力为d 丁，打= f 一。设卵为土与拉筋在该微元段上产生的总摩擦力，则有 d f = 2 厂6 讲。根据对该微元体的受力分析，可知， 如果积 打 则筋与土之间就不会产生相互错动，换句话说，筋与土之间的摩擦力克服他们 之间的相互运动，使微元体保持稳定。 从上述分析可知，要保持加筋体稳定，拉筋材料需满足两个条件：能够提 武汉理上人学硕士学位论文 供足够的摩擦力，与土体契合，确保土与筋产生相对错动前使拉筋不被拉出； 要有足够大的强度和弹性模量，保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。 摩擦加筋原理概念明确、简单、易于理解接受。但是，摩擦加筋原理也忽 略了土粒在土工合成材料中形成的嵌锁作用( 拉筋为格栅时) ，同时忽略了筋带 在力作用下的变形，未考虑土的非连续介质、具有各向异性的特点。 n i 2 2 2 准粘聚力原理 图2 2摩擦加筋原理示意图 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，外侧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。 这一点在加筋砂圆柱土样与末加筋砂圆柱土样三轴对比试验中得到验证。 加筋砂样比无加筋砂样强度提高，可根据库仑理论的摩尔破坏标准来加以 阐明。 根据库仑理论，未加筋土的极限强度为 fr =ol g 由+ c 式中： f ，一一土的极限强度； 仃土体上受到的正应力； c 一一土的粘聚力； 中土的内摩擦角； 在三轴对比试验中对未加筋砂土样施以盯和仉，使之达到极限平衡，那么 加筋砂土在同样大小的q 作用下就达不到极限平衡，而是处于弹性平衡状态。 如图2 3 。即单元体在q 和气作用下产生横向变形，当处于破坏的临界状态时， 武汉理工大学硕士学位论文 应力圆( 吼，盯，) 与强度包络线相切。当沿吒方向布置有筋材时，筋材对横向 变形的限制作用相当于给单元体一个应力增量c r 3 ，应力圆( 盯。，吒。) 没有 达到破坏状态。 如果在试验中对加筋砂土样施以盯，并保持不变，则要想使试样达到新的极 限平衡势必增大q 到q 。根据库仑一摩尔破坏原则，同时假定加筋前后土的中 值不变，则在新的极限平衡状态下的数学表达式为： ：吁谵2 ( 4 5 。+ 詈) + 2 c 留( 4 5 。+ 詈) 二 二 式中： 吼。加筋土样破坏时的最大主应力。 盯，作用于土样侧面的最小主应力； o 未加筋砂的内摩擦角； c 加筋砂土样的“准粘聚力” 将上式与未加筋砂土样的极限平衡条件相比较，加筋砂土样多了一项由c 引 的承载力。该粘聚力不是砂土原有的，而是加筋的结果。这说明加筋土样的强 度提高了。 图2 3加筋砂与未加筋砂的应力圆分析图 2 3 土工合成材料加筋软土地基的模型试验及结论 王伟【1 卅所完成的室内模型试验模拟了软土地基上铺设有纺土工织物加筋砂 垫层处理地基，主要研究土工织物加筋垫层处理软土地基承载力、沉降变形及 加筋地基中应力分布的实际效果，取得了一些有益的结论，现简介如下。 ，华 武汉理t 大学硕十学位论文 试验中得出的加筋和无筋复合地基的位移向量图，宏观地反映了整个地基 的位移趋势。 无祜复台地基加箭复台地荽 图2 6地基位移向量图 经过比较，以承压板为中心，无筋复合地基向外侧移膨胀变形，而加筋复 合地基则上内下外侧移，这是因为加筋砂垫层复合地基约束地基土的横向侧移 的能力非常强，明显地改变了地基的位移场，类似于形成了一个自撑式的持力 层体系。 图2 7 ，2 8 ，表示离基础承压板的中心2 0 c m 、1 0 c m 铅垂断面上随深度 变化的水平位移曲线。通过比较可以看出： 水甲位移m m 8 6 420z 一加筋 l ! ! 至垫堑 水平位移m 8642024 么 (壶 ) 、吖2 0 ；惑 图2 7 离板中心2 0 c m 的铅垂端面图2 8 离板中心1 0 c m 的铅垂端面 4 武汉理工大学硕士学位论文 无筋地基中向外的横向位移远远大于加筋复合地基的横向位移，并且最大 的横向位移集中在地基的浅层。而加筋作用减小了浅层软土地基的水平位移， 尤其是基底边缘附近的浅层软土地基。从试验中还得到，加筋对于深层软土地 基土体的水平位移影响很小。这也说明，工合成材料加固软土地基属于浅层 软土地基处理办法。 因此，此试验验证了如下结论：软基中采用土工合成材料加筋处理，对改善 软基的承载力具有显著的效果。加筋作用可以改变地基的位移场，改变地基的 原有应力状态，能够重新调整整个地基的应力分布。利用土工合成材料与土体 之间的摩擦力，可以大大约束地基表层的水平位移，均化应力分布，从而提高 软土地基的承载能力和稳定性。 2 4 换填与土工格栅相结合处理软基上旧路加宽工程问题 2 4 1 旧路加宽后产生不均匀沉降的原因 在道路拓宽工程中，因新老路基之间不均匀沉降而导致道路通车后路面出 现纵横向裂缝等病害是较为普遍的现象，特别是软弱地基地段，新拓宽路基工 后沉降较大，而老路基的固结沉降已基本完成，新老路基结合部位沉降量不一 致，在新老路基之间产生相对过大的差异沉降，成为道路产生裂缝的主要原因。 另外，在旧路边坡上进行拓责填筑，新填的土方和运营后的汽车荷载也会 引起老路基的附加沉降，进而引起老路基变形，甚至可能出现路基拉裂、下沉 过速等病害。 图2 9拓宽路堤引起原有路堤的变形 因此，新老路基产生不均匀沉降的主要原因： ( 1 ) 软弱地基的工后沉降，导致新老路基之阃的沉降差异。新拓宽路基工 武汉理上大学硕士学位论文 后沉降较大，而老路基的工后沉降已接近完成，这样就产生一个沉降差值。 ( 2 ) 新加宽路基土的压缩变形和塑性累积变形比老路基大。 ( 3 ) 新老路基结合部位处理不当。 ( 4 ) 水的作用。 所以，旧路加宽最大的技术难题是解决加宽后新旧路基的不均匀沉降问题， 要解决这个问题，在进行路基加宽结构方案设计过程中，准确地、合理地分 析地基沉降和路基稳定性无疑是非常重要的。进行沉降分析时必须准确掌握加 宽路基部分的最终沉降量及固结度，并验算其剩余沉降量是否满足工后沉降量 的要求。为提高路基的稳定性，可采取一定的措施增大新修路基及地基的强度 ( 如使用加筋堤) ，提高其抗剪切变形的能力，减小新修路基与旧路基之间的强 度差异。这两个方面解决得好，可以延长改建后道路的使用年限，解决得不好 或不太好，保证不了原有路基和加宽部分的整体性，那么新加宽部分的路基就 会因下沉或滑移，在结合处形成裂缝，甚至造成道路的破坏，影响改建后道路 的讵常使用。 2 。4 2 采用浅层砂砾换填结合土工格栅进行地基处理的机理 2 4 2 1 土工合成材料减少地基不均匀沉降的机理分析 地基在上覆填土的压力作用下的变形过程非常复杂，通常认为，按其产生 的机理可阻分为三个部分，即： s = 只+ s ，+ 只 ( 2 1 ) 式中：e 地基的瞬时沉降； 地基的排水固结沉降； s 。地基的次固结沉降； 瞬时沉降e 是在加荷瞬时发生的地基沉降，它不是由于土体中水和空气的 排出而产生的沉降变形，而是由土体的剪切变形引起的。当土体完全饱和时， 由于土中水及土颗粒本身的变形可忽略不计，故瞬时沉降接近零。 次固结沉降与时间的关系接近于直线。许多室内试验及现场测试都表明了 这一点。曾国熙等人研究认为，次固结沉降量占总沉降的比例较小，一般都小 于1 0 。因此，对于某些工后沉降要求较宽的工程可以不考虑次固结沉降的影 响。 武汉理工大学硕十学位论文 主固结沉降是地基沉降变形的主要部分，其沉降量占总沉降的绝大部分， 因此，对于路基沉降量的计算，通常指的是主固结沉降的计算。关于主固结沉 降的计算方法，较常用的是分层总和法。其计算公式为： s ，= y 竺靠 ( 2 2 ) 。莒b 式中：盯。为土层的平均附加应力，e 。为土层的变形模量， 。为土层厚度。 在旧路加宽工程中，利用土工合成材料独特的抗拉性能，可以适当减小新 老路基的不均匀沉降。关于其作用机理，我们可以这样理解： 1 ) 土工合成材料可以提高加筋土体的变形模量：土工合成材料在外力作用 下会形成凹曲面( 如图2 1 0 ) ，凹曲面上的应力g 。大于凹曲面下的应力g 。， 即g 。= g 。一2 r s i n 口，将加筋土体看作是一个复合体4 8 1 ，根据等效变形原则， 有： 号= 警棚怕争 式中：e l 土体的变形模量。 则土工合成材料的铺设增加了复合土体的当量变形模量。 2 ) 使土工合成材料界面以下土体的附加应力减小。如图2 9 ，加筋后，土 体的附加应力由g p 减少为g ，。：g ，2 g ，一2 r s i n 口 g p ，即土工合成材料的拉 应力作用使界面以下土体的竖向应力减小。 由固结沉降& 的计算式( 2 2 ) 可知，土体变形模量的增加和竖向应力的减小 必然会导致固结沉降量s 。的减少，同时会减小新修路堤部分的总沉降量，从而 减少新旧路基之间的沉降差。 l 缸田珊至 卜一 图2 1 0 土工合成材料变形示意图 武汉理工人学硕士学位论文 3 ) 地基的瞬时沉降量岛是由于地基土在路堤荷载的作用下发生不排水时由 侧向变形所产生的沉降量。当新旧路基间的土工合成材料受到上部路堤荷载作 用时，土与土工合成材料之间要发生相对位移，并在界面上产生摩擦力，这种 摩擦力增加了对土横向变形的限制，相当于增加了横向主应力吼。如果假设q 不 变，则土所受到的剪应力( 仉一以) 2 必然减小，因此也就提高了整个土体的抗 剪强度，从而减少由土体的侧向变形引起的瞬时沉降量函，同样也会通过减少 新路堤的沉降来减少不均匀沉降。 2 4 2 2 浅层换填法处理软基的作用机理【4 2 】【4 3 换填法作为地基浅层处理方法的一种，目前在工程领域应用十分广泛。具 体做法是将基础底面下一定深度范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后换填 强度较大的砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、干渣等性能稳定且无侵蚀性的材 料，并分层夯压至要求的密实度，因此又称为换土垫层法。 将浅层换填法应用于处理软基加宽工程中，是因为采用换填可以极大的提 高地基的承载力，并能显著减小地基沉降量。地基中的剪切破坏随着基底压力 的增大而逐渐向纵深发展，若用强度较大的砂或其他填筑材料代替软弱土层， 可显著提高地基承载力，避免地基破坏。另外，软土地基浅层部分的应力较大， 若以密实挚层代替浅层软土层，可以大大减少地基的大部分沉降量。由于垫层 的地基应力扩散作用，作用在下卧土层上的压力也会变小，也相应减少下卧土 层的沉降量。 除了以上两个作用，换填法处理软土地基还具有以下优点； 1 ) 可以加速软弱土层的排水固结，使地基内的孔隙水压力迅速消散，加速 垫层下的软弱土层的固结，从而提高地基土的强度。 2 ) 可以防止地基土的冻胀。由于粗颗粒垫层材料的孔隙较大，不易产生毛 细管现象，因此可以防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。 就软土地基处理方法来讲，换填法是一种比较有效的处理方法，但是考虑 到工程造价昂贵，通常不单独采用。鉴于上述换填法的优