（道路与铁道工程专业论文）土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用.pdf

摘要 摘要 本文以张石高速二期l 1 3 标在桩号k 6 9 + 0 2 5 k 6 9 + 1 6 0 处土工格栅加筋路 堤试验路段为工程依托，通过室内模型试验以及试验路段研究，对一般土质地 基上土工格栅加筋路堤的机理进行了研究土工格栅的加入使得路堤整体刚度 得到提高，内部稳定性增强，对地基均匀性和抗变形能力的要求有所提高。通 过土工格栅与填料的拉拔摩擦试验发现，拉拔力与格栅形状和填料的密实度密 切相关；通过正常加筋，少筋、不加筋路堤的模型试验结果表明，合理加筋不 仅可以提高路堤的整体稳定性，而且可以控制路堤的沉降与变形，能够有效消 除路堤的差异沉降。通过试验路修筑对土工格栅加筋路堤的施工技术进行了研 究。 关键词：加筋路堤，土工格栅，模型试验，整体稳定性，差异沉降，变形控制 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho ft e s ts e c t i o n ( k 6 9 + 0 2 5t ok 6 9 + 1 6 0 ) o ft h ef r e e w a yb e t w e e n z h a n g j i a k o u a n d s h i j i a z h u a n g , c o n s i d e r i n gt h el a b o r a t o r yt e s t , r e i n f o r c e m e n t a p p l i c a t i o no fg e o g r i di nh i g h w a ye m b a n k m e n ti sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e rr e l y i n g t h ea d d i t i o no fg e o g r i dv a i ln o to n l yi m p r o v et h es t i f f n e s sa n di n t e g r a ls t a b i l i t yo f e m b a n k m e n t ，b u ta l s oi n c r e a s et h er e q u i r e m e n to fh o m o g e n e i t ya n dd i s t o r t i o n - r e s i s t a n tc a p a c r yo fe m b a n k m e n t t h r o u g ht h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t s ， t h i sp a p e rp r o v e dt h a td r a w i n gf o r c ei sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h es h a p eo fg e o g r i da n d t h ec o m p a c t n e s so ff i l l i n g t h r o u g ht h em o d e l e x p e r i m e n to fv a r i e se m b a n k m e n t ，t h i s p a p e rp r o v e dt h a tr a t i o n a lu s a g e so fg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o n f i n a i l y t h ec o n s t r u c t i o nt c c h n o l o g yo fr e i n f o r c e de m b a n k m e n tw a ss t u d i e d k e yw o r d s ：r e i n f o r c e de m b a n 虹e n t , g e o g r i d ，m o d e le x p e r i m e n t , i n t e g r a ls t a b i l i t y , d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t , d e f o r m a t i o nc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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 获得石家庄铁道学院或其它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已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 绐勿素日 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 1 1 研究的目的和意义 第一章概述 据统计，到1 9 9 9 年底，我国公路通车里程已经达到1 3 3 6 0 0 0 k m ，其中高速 公路1 1 0 0 0 k m 。在交通运输中，公路客、货运输量分别占总运量的9 0 和7 6 。 但是我国高速公路总长仅为美国的1 2 0 ，公路密度为1 4 k m 1 0 0 k m 2 ( 发达国家平 均为6 0 k m 1 0 0 k r n 2 ) ，和发达国家相比，我国公路不论在密度、高等级的公路所 占的比例以及在公路建设的技术水平上还有一定的差距，我国高等级公路干线 网尚未形成。2 1 世纪初我国公路建设的重点为在2 0 2 0 年前后建成约3 5 0 0 k i n 的 国道主干线贯通首都、直辖市和绝大部分5 0 万以上人口的城市。 目前我国高速公路大部分建于东部沿海地区，在沿海地区的高速公路建设 工程中，软土地基加固处理是工程的主要技术关键。软土是指在滨海、湖泊、 谷地、河滩上沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性强、抗剪强度和承载力 低的软塑到流塑状态的细粒土，如淤泥和淤泥质土，以及其他高压缩性饱和粘 性土、粉土等。第九届亚洲地区土力学基础工程会议上，m ；k a m a n 在地基总报 告中把高速公路路基软士定义为：标准贯击数小于4 、无侧限抗压强度小于 5 0 k p a 、含水量大于5 0 的粘性土和标准贯击数小于1 0 、含水量大于3 0 的砂土 统称为软土i l - 2 1 。 在我国高速公路建设中存在这样的问题：一方面，已建的工程占据了有利 的地理位置，并且有较好的地质条件，而待建的工程或多或少带有一些地基方 面的缺陷：另一方面，建设工期越来越短，原来能满足缓慢施工速度要求的地 基需要进行地基处理。“而由此引发的高速公路路堤病害也越来越多，诸如：路 堤整体稳定性差、边坡塌陷、纵横裂缝以及差异沉降所带来的跳车问题。 鉴于此，如何解决路堤的填筑质量问题，提高路堤的整体稳定性和消除差 异沉降，成为广大路桥工作者及相关科研人员急需解决的课题。 自加世纪6 0 年代初，法国工程是维达尔( v i d a l ) 提出加筋土专利技术以 来，各种土工合成材料相继问世并应用于土木工程中1 3 卅。加筋土技术以其优良 的工程性能在短短三、四十年的时间内风靡整个土木工程领域，得到了世界各 1 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 国的普遍重视。土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成 的各种产品的统称。土工合成材料的品种很多，如土工织物、复合土工薄膜、 特殊土工合成材料和复合土工合成材料等。目前土工合成材料已广泛应用于公 路、铁路、水利、水运、水电、海港、建筑等各个领域。应用土工格栅对桥台 台背填料进行加筋处理，土工格栅将与填料共同承受外部和内部荷载作用。由 于土工格栅与填料接触面的嵌挤、摩擦作用，使垂直应力重分布，提高地基承 载力，减小地基沉降和不均匀沉降，同时提高填料的抗剪强度，提高台背路堤 的强度和稳定性1 5 删。 土工合成材料的应用，不仅保证了工程质量，加快了施工速度，而且节约 了投资，具有很好的推广价值。所以，很有必要对土工合成材料的应用技术进 行系统的研究。 1 2 土工合成材料的发展与研究现状 土工合成材料的最早应用可追溯到本世纪二三十年代。1 9 2 6 年美国南卡罗 林拉州公路部门采用在棉布上洒沥青制成的材料，其形式类似于土工膜，以近 代人工聚合物为原料的土工织物最早应用于5 0 年代的荷兰三角洲工程。6 0 年代， 美国逐渐扩展了采用土工织物修建护坡下的垫层和反滤以及护岸等，并将土工 织物铺设在沥青路面中以防止路面反射裂缝。土工网于1 9 6 8 年在日本开始应用。 非织造土工合成材料技术于1 9 6 7 年在美国、法国、英国开始应用，它是一种较 厚的聚酯非织造土工织物，作为大坝上游抛石护坡下的反滤层，以后逐渐发展， 据不完全统计，土工合成材料已在数十万项工程中得到应用，取得了良好的经 济、社会和环境效益。 我国土工合成材料的应用起步较晚，7 0 年代中后期利用聚丙烯编织布进行 防冲护底处理，8 0 年代初期应用针刺织物防止铁路路基翻浆冒泥病害的试验工 程，之后，发展较快，相继在高速公路、水库、灰坝、尾矿坝、港口码头、航 道和海岸护坡、机场以及地基处理等工程中加以应用。1 9 8 4 年成立了土工合成 材料技术协作网，1 9 9 6 年又定名为中国土工合成材料工程协会。迄今为止，我 国采用土工合成材料的工程已逾8 0 0 0 项。这将有效的促进了我国土工合成材料 应用技术的发展。可以预见，我国的土工合成材料的应用程度、技术水平、以 及施工工艺在不远的将来必将迈上一个新台阶。 2 士一 格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 在公路工程建设方面。土工合成材料得到了广泛的应用。例如，采用土工 格网加筋碎石、砾石等内摩擦角大的透水性材料填筑台背路堤内摩擦角大的碎 石、砾石等透水性填料有利于减轻台背缝隙中渗入的雨水的危害，并与土上网 或土工格栅相嵌挤，产生较大的界面摩擦力。利用加筋材料的特性，提高路堤 的承载力和抗剪强度，降低荷载对地基的垂直应力作用，减少沉降，尤其是不 均匀沉降，缓解了跳车病害l ”2 1 。 本文拟对合理采用土工格栅技术( 铺设方式、铺设层数、) 进行路堤加筋进 行研究，研究加筋路堤可有利于减少地基沉降，特别是不均匀沉降的内在规律， 以及提高加筋路堤的强度和整体稳定性的措施，从而控制路堤的差异沉降。 1 3 研究方法与主要内容 1 3 1 研究方法 根据加固土的一般方法，应用现代土工加筋技术对路堤的工程技术特性进 行系统研究。首先，通过试验研究土工格栅的性质，然后开展室内大比尺的模 拟路堤试验，以探索土工格栅在路堤中所起的作用。在室内试验的基础上，结 合张石高速二期l 1 3 标在桩号k 6 9 + 0 2 5 k 6 9 + 1 6 0 处土工格栅加筋路堤试验路 段路堤进行实体工程试验。同时通过对实体工程的观测，验证和确定本项技术 的实际效果。为加筋路堤的设计、施工及计算提供必要的经验参数，指导设计 与施工。 1 3 2 主要研究内容 本文通过室内原材料性质试验、土工格栅与填料之问的拉拔摩擦试验、模 拟路堤的室内模型试验、加筋路堤的现场施工工艺等方面的工作，主要研究以 下内容： ( 1 ) 土工合成材料的应用范围与性能分析； ( 2 ) 土工格栅与填料之间的工程力学性质： ( 3 ) 不加筋材料体的变形与稳定性规律： ( 4 ) 加筋材料体的变形与稳定性规律； ( 5 ) 加筋路堤的设计与施工技术。 3 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 1 3 3 施工工艺研究 结合工程实践，对土工格栅的施工工艺、技术关键进行分析研究，总结出 一套适用的施工技术，尤其是对土工格栅与建筑物周边联接以及土工格栅之间 的拼接问题进行试验研究，提出独到的工艺措施和质量要求，使土工合成材料 施工工艺更臻完善。 4 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 第二章土工合成材料的种类及其应用机理 2 1土工合成材料的含义【3 1 土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原料制成的各种产品的 统称。因为它们主要用于岩土工程，故冠以“土工”( g e o - ) 两字，称为“土工 合成材料”，以区别于天然材料。 土工合成材料在早期曾被称为“土工织物”( g e o t e x t i l e ) 和“土工膜” ( g e o m e m b r a n e ) 。随着工程需要，这类材料不断有新的品种出现，例如土工格 栅、土工网和土工模袋等，原来的名称己不能准确地涵盖全部产品。为此，1 9 9 4 年在新加坡召开的第五届国际土工合成材料学术会议上，正式确定这类材料的 名称为“土工合成材料”( g e o s y n t h e t i c s ) 。 2 2 土工合成材料的种类 我国土工合成材料应用技术规范( g b5 0 2 9 0 - - 9 8 ) 将土工合成材料分为 以下四大类：士工织物、土工膜、土工复合材料和土工物特种材料，它们又各 分为数种。分类体系如图2 - l 所示。 揪崎 嚣：= = ： 土工冁骱嘶， 霎：主至 特种土工合成材辩 土工格播( g 部呻 士工曩疆n h 峨r m i 砬纤一( g i a s s 喇 工镰 g 喇， 七工括奎( o e o c c 1 ) 超轻型宫成材辩l 知渔辣臻辩e p s 型士t 备戚材辩侄喜喜主：勰器嚣篙 图2 - 1 土工合成材料的分类 5 一 l z t _ ： 七- i = 格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 2 3 土工合成材料在工程中的功能和设计原则 土工合成材料具有多方面的功能，一种土工合成材料往往就兼有数种功能。 随着土工复合材料的发展，所兼有的功能就更多。总的说来，土工合成材料的 主要功能可归纳为六类，即反滤功能、排水功能、隔离功能、防渗功能、防护 功能以及加筋和加固功能( 如图2 2 所示) 。现根据公路工程的特点简要介绍如 下。 妒豇 时挡士j - 背滤屡t 蛙蠢f f 甩)b 鬟囊捧水捧承怍用) ：j ：4 ： t d 欺羹加固l 秘一作用l 点乏扩 2 3 1 反滤功能 图2 - 2 士工合成材料在工程中的应用及其作用 当土中水流地土工织物时，水可以顺畅穿过，而土粒却被阻留的现象称为 反滤( 过滤) 。反滤不同于排水，后者的水流是沿织物表面进行的而不是穿越织 物。当土中水流经细粒土并携带细粒土穿过粗粒土所构成的较大孔隙或水流从 内向外流出，发展下去可能导致土体产生渗流破坏。土工织物可以代替水利工 程中传统采用的砂砾等天然反滤材料作为反滤层( 或称滤层) 。 用作反滤的土工织物一般是非织造型( 无纺) 土工织物，有时也可以用织 造型土工织物。 ( 1 ) 反滤和淤堵机埋 以往的直观概念都认为土工织物起反滤作用等同于过筛作用，后来的研究 却证明土工织物所以发挥反滤功能主要是由于它具有促进天然滤层形成的“催 化”作用。另外，当土工织物作为滤层而长期作用时，发现有淤堵的现象，从 6 一 - 格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 而使其反滤作用减弱或至消失。为此需要弄清淤堵的成因，方能有效地舫止淤 堵发生。 反滤机理 土工织物的反滤作用可以用图2 3 来说明。图中左侧为大孔隙堆石体，右侧 为被保护土，二者之问夹有起反滤作用的土工织物。当水流从被保护士自右向 左流入堆石体时，部分细土粒将被水流挟带进入堆石体。在被保护土一侧的土 工织物表面附近，较粗土粒首先被截留，使透水性增大。同时，这部分较租粒 层将阻止其后面的细土粒继续被水流带走，而且越往后细土粒被流失的可能性 越小，于是就在土工织物的右侧形成一个从左往右颗粒逐渐变细的“天然反滤 层”。该层发挥着保护土体的作用。可见土工织物的存在只是起了促成天然反滤 层形成的“催化”作用。 图2 - 3 反滤机理示意图 l 排水体；2 一土工织物；3 - - “天然”反滤层；4 一原土体 一7 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 淤堵机理 土工织物中的孔道被堵塞，过水面积减小，渗透性下降的现象称淤堵。形 成淤堵的原因可分为机械淤堵、化学淤堵和生物淤堵。一般情况下，机械淤堵 为主要形式。 机械淤堵是土体中的细颗粒随水流进入土工织物孔隙中，并停留其中，随 时间增长，停留的细粒愈来愈多，织物的透水性愈来愈小。 化学淤堵是由于渗流水中的各种离子，受化学作用形成不溶于水的化合物， 如c a c 0 3 、f e 0 2 等，停留于织物孔隙中，减少水流通道从而降低织物的渗透性。 生物淤堵是土体或土中水内的藻类、苗头微生物和有机质在织物孔隙中滋 长繁殖，堵塞孔隙所造成。 淤堵对织造型和非织造型土工织物有着不同影响。织造型织物孔口通道单 一，管状通道问不连通，故孔口或通道内任一处被堵塞，整个通道即不通。针 刺非织造土工织物则兼有垂直和水平结构，而且它们之间是相通的，织物孔隙 呈迂回树枝状的立体结构，水分进入后即可相互串通，所以即使大部分孔隙被 堵塞，仍可保持相当的透水性。 ( 2 ) 反滤设计准则 为了让所选用的土工织物能长期发挥反滤作用，对织物应该提出一定的要 求。正像以往采用粒状土料( 砂砾料) 作反滤层时那样，应使土料粒径符合一 定的准则。对用作反滤的土工织物，基本要求如下： 被保护的土料在水流作用下，土粒不得被水流带走，即需要有“保土性”， 以便防止管涌破坏 水流必须能顺畅通过织物平面，需要有“透水性”，以防止积水产生过高 的渗透压力 织物孔径不能被水流挟带的土粒所阻塞，即要有。防堵性”，以避免反滤 作用失效。 ( 3 ) 设计要点 采用土工织物作为反滤层时，首先要求选用的材料必须满足反滤准则；其 次，满足在铺设后必须是稳定的；再次，虽然土工织物并不是作为受力部件来 作用，但需要有一定的强度，应能承受施工应力和可能遇到的其他荷载。因此 一般设计应包括以下内容。 提供必要的基本数据 8 士工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 a 被保户土的主要物理力学性指标 被保护士的主要物理力学性指标包括：土的分类、颗粒分析曲线( 由此可 ， 查取土的特征粒径d s 5 d 6 0 ，d 1 5 、d i o ) 、土的不均匀系数巴- 等、土的渗透 a l o 系数鼠土的抗剪强度指标、土的化学成分等，可由试验确定。 b 填土的性质指标 填土的性质指标可通过填土的击实试验曲线获得，从曲线上确定填土的最 大干密度几一和最优含水率w o p 。 c 待选土工织物的性质指标 待选土工织物的性质指标包括土工织物的单位面积质量m 、等效孔径0 9 5 、 垂直渗透系数蜀、水平渗透系数j ( h 、抗拉强度以及由淤堵试验测得的梯度比g r 等。 一般强度要求 织物要求的强度r 很难计算确定，通常可以根据经验按以下情况取值。 a 一般闸坝，要求无纺织物的m2 3 0 0 9 c m 3 ；丁2 8 0 k n m ，纵横向强度 1 比为詈詈( 肘为单位面积质量，r 为抗拉强度) j二 11 b 预计应力较大时，m2 4 0 0 9 c m 3 ，t 2 1 0 k n m ，纵横向强度比为詈詈。 j 二 c 应力更大时，m - 5 0 0 9 c m 3 ，t 1 2 k n m ，纵横向强度比为 詈。 2 3 2 防护功能 ( 1 ) 防护作用 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 坡造成的危害，常要采取适当的防护措施。岸坡防护临河路堤边坡的防水流冲 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，党要不断维修。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 士颗粒容易被水流带走，导致剥蚀和坍塌。 9 一 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应h 土工合成材料的发展，为上述堤坡防护提供了新的途径，简单地说，只要 在被保护土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。 ( 2 ) 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。由于要受到循环往 复双向水流作用，对织物应有更高的反滤要求。为满足防护的各种特殊需要， 需先将土工合成材料预制成符合一定需要的制品。 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 1 m ，长可达数米或更长， 一般沿长度每隔0 5 m 要绕一道横箍，它们既能作筑堤坝的填充体，又可作为压 重。 软体排 软体排是用织造型土工织物缝制成的大片捧布，分单片和双片两种，单片 排四周边和中问缝上纵横绳网，既加强排体，双可作为定位索之用，捧上加压 重块，保证其稳定；双片排由双层土工织物缝制成，其中不缝有管袋，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。 土工模袋 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。 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l 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。 ( 3 ) 设计原则 软体排护坡与护底 a 排体布置 软体排布置在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( g b 5 0 2 8 6 - - 9 8 ) 的规定。 1 0 士_ 格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中豹应用 排体顺水流方向的尺寸为排宽，垂直水流方向的尺寸为捧长。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 5 m ，上游排块盖在下游排块上。 b 排体稳定性 排体应始终处于稳定状态，故应进行排体的抗漂浮、抗沿坡面下滑和要求 压载的验算。 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。坡地防冲非常重要，应根据具体条件做成有效的防冲结构， 图2 - 4 是几种参考形式 ( a ) ( b ) 图2 - 4 岸坡防冲结构 ( j ) 岸坡的一般防护( b ) 底部可能被冲刷( c ) 捧承端部舫冲 1 胶结乱石；2 - - - 4 0 c m 乱石：3 一土工织物滤层；4 一估计冲刷深度 1 1 士工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 土工模袋护坡 a 选型 模袋有多种形式，应根据现场地形、工程类别和重要性以及水流等综合因 素选型。按工程类别选择时，可参考表2 - 1 。 b 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f s 来评价( 图2 - 5 ) 风。l 3 + l z c o s af i , ( 2 1 ) 厶2 s m “ 式中，l 2 、厂长度( 图2 5 ) 5 口坡角； 岛一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 。 ，s 应不小于按s d j 2 1 8 - - 8 4 规定的数值。 图2 - 5 模袋抗滑稳定分析示意图 1 2 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 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 - 6 。 ( d ) 图2 - 6 土工模袋抗滑措施举例 l 模袋；二固定柱；3 混凝土块；4 - 扁端埋入沟槽回填 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，在袋内插捧水管。 三维植被网植草护坡 a 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，孔隙率地9 0 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。 1 3 t 工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 b 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。 植被护坡必要性分析：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。 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 5 m ；水下坡下端应至低水位以下l m ( 斜长坡) ，上端应达 高水位以上0 5 m ( 斜长) 。 草种的选择：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。 土袋、土枕筑堤坝 a 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：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造土工 织物垫层，坡面设置防护层；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 - 7 ( 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 - 7 ( b ) 。 图2 - 7 土心式堤坝示意图 1 4 - 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 b 设计要点 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1 3 0 9 m 2 ，抗拉强度应不小于1 8 k a o l i n 。 为了保证袋、枕和稳定性，它们的尺寸应符合以下条件： 墨，2 4 1 蔓 g 2 ， 月 j 上式中的l 、丑、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8 0 ，但也不宜过大，填土应压实到规定密度。 堤坝稳定性可按传统的圆弧滑动法验算。 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。 2 3 3 加筋功能 ( 1 ) 加筋作用 土体一般具有一定的抗压强度，但抗剪强度很低。假设有一块自由土体， 当其侧面全无约束，在其顶面上施加压力，则在不大的压力下，体将被压坏。 如果同样的块土体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 个现象说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，允许的倒向变形愈小，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。在士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库阻力( 有时尚有咬合嵌 固力) ，限制了土的侧向变形，相当于在土体侧面上施加了约束力。由此可知， 这种复合土体的承压能力得到显著提高。 ( 2 1 加筋材料和加筋土应用 加筋材料 加筋土中的加材料通常采用织造士工织物、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侧向变形，而限 1 5 士工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 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( 摩擦力与咬合力均较大) 。此外，加筋材料 的蠕变性应较低。蠕变性指材料受到不变的拉力作用下，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。 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。 a 软土地基加固 软土地基上修建路堤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：或在路堤两侧，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。 b 路堤边坡加筋 路堤如果将边坡做陡，不仅能减少填土方量，还可节约用地，实属一举两 得。如果地基的承载力较高，路堤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。 c 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 在低，抗震性较好 ( 3 ) 加筋土设计要点 软土地基加固 a 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 - 8 ( 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 o m 厚度土层( 最好是 透料) ，再铺第二层筋材，两层筋材在端部连接起来。 b 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。 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 - 8 ( b ) 。深层抗 1 6 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的廊用 滑稳定一般采用传统的圆弧条分法校核，在没有加筋前，可以通过试算求得路 堤边坡的最小安全系数尽1 如下： 胁篆 ( 2 - 3 ) 式中，m r ，m o - - = = 坡滑动部分的总抗滑力矩和总滑动力矩。 r 2 、嘶- 胁重 一 豳2 - 8 用底筋加固软基示意图 1 筋材：2 - 加筋力 当算得的安全系数砖1 小于规定的f s 2 时，则需要靠加筋材料的抗拉力r 来 帮助，见图2 - 8 ( b ) 。从图中看出，r 的作用是产生一个附加的抗滑力矩 a m , - t r c o s p 究竟需要多大的r 值，则需根据要增加的安全系数a f s - b ：一b 。 来确定。通过理论推导，丁值可以从式( 2 - 4 ) 反算得到： a f s 。风2 一f s l t c o s f l f s ( 2 - 4 ) m o 式中，砖加筋材料要求的安全系数( 不小于2 5 ) 。 注意：由式( 2 4 ) 求得的，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 5 ) ： 1 7 士工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 t s l( 2 5 ) 式中，l 加筋材料的允许抗拉强度，k n m 。 若式中( 2 5 ) 不满足，则加筋材会拉断失效。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 ，则甩由式( 2 6 ) 确定： 菲一三 注意：在采用一层以上加筋材料时，每二层问应铺一定厚度的士料( 最好 是透水砂料) 。 ( q ) ( 幻) ( c ) 圈2 - 9 浅层抗滑稳定计算示意图 1 筋材；2 - 软士；3 硬土 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：土坡的一部分沿加筋材的 顶面滑，如图2 - 9 ( a ) ；土坡的一部分连同局部分软土沿下卧硬层的顶面滑动，如 1 8 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 图2 - 9 ( b ) ；加筋材底面与下卧顶面问的部分软土被挤出，如图2 9 ( 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，这种方法已为广大工 程技术人员所熟悉，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，一5 o 一1 0 ； 对无粘性土和少粘性土，2 。 路堤加筋 a 筋材及其布置 加筋材可采用与软土地基加固相同的材料。筋材水平向铺设，其长度和沿 路堤高度要求的垂直间距应根据试算来确定。 b 稳定性验算 稳定性验算的目的有二：确定加筋要求的范围，即水平向不同高程上加筋 需要和长度；求得为使加筋后土坡的稳定性达到规定的安全系数，0 ，需要加筋 材提供的加筋力瓦。 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f 0 ，将这些 圆弧画在同一张纸上，勾划出f 0 m f o 的那些圆的外包线，如图2 1 0 中所示的 实线，该线包围的区域即是需要加筋的范围。 j ，一三一鼻墓定 _ 7 7 7 1 一 图2 - 1 0 有待加筋范围 需要的加筋力：为将土坡的安全系数从e 。提高到，；，可以将滑动土坡视 1 9 了 士_ 格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 为一个整体，先求所需的总加筋力瓦，假设它作用位置在坡高的l ，3 处，如图 2 - 1 1 。为此，针对上述的许多试算滑动圆的每一个，按下式算出对应的瓦： l - ( 凡一凡) 等 ( 2 7 ) u 式中，托i _ 一每个圆试算时的滑动力矩； d 疋作用线对圆心的距离。 在算出的众多的瓦中，取最大值瓦。作为最终的所需加筋力。 围2 - 1 l 确定加筋力的滑弧计算示意图 1 圆心；2 - 超载：3 獭材；4 滑动土体重 c 加筋力的分配。求得的瓦。需要分配到沿坡高的各个高程上去。建议对 低于6 m 的土坡可以均匀分配，两层间的垂直闻距一般不宜大于0 6 m 。当坡高 大于6 m ，则建议按以下比例分配。 11 按二区分：底区l 一；l 一；顶区- 二l 一 44 111 按三区分：底、中顶各为 l 一、二兀一和二l 一 236 d 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：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；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。 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。 2 0 土工格挪加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 加筋土挡墙 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。加筋材是织造土工织物、加筋带或土工格栅：堵面板大多为预制混凝土 整体或板块，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，以及进将进入填 土内的水排走；墙面板基础一般为预制混凝土构件。 a 挡墙的初设断面 先假设一个计算断面，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，各层垂直间距二_ 般 可初取0 4 o 5 m 。 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。 b 外部稳定性验算 将加筋材范围内的土体连同培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。 c 内部稳定性验算 加筋材的拉力：加筋土挡墙分为两种基本类型；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；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，加筋带或士工格 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 差异会造成土中应力分布有一定差异。 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： l 瓦( 2 8 ) 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。所以这一验算实际上是校核端部段埋藏的加筋材长 度厶是否足够，因为摩阻力的大小与埋长有关。 2 1 - 士工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的廊用 d 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厶和以外的埋藏长度 厶。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，包裹长 为k ，所以加筋材全长应为： li l + c + w ( 2 - 9 ) 对各层满铺的土工织物或土工格栅： 脚胁等( 2 - 1 0 ) 对条带式筋材 l z 0 3 h + 墨堕 ( 2 1 1 ) 埘u t g 舻 式中，扣主动土压系数，g - t 9 2 ( 4 5 。一詈) ； 妒土的内摩擦角； s 、岛筋材的垂直和水平间距，m 。 珏嚎带的宽度，m ； 口系数，土工织物采用0 6 7 ，土工格栅取0 8 0 ，条带取0 6 7 0 8 0 ， 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，或全部都用同一个长度； 或从上到下，采用两种或两种以上的长度。 c 筋材的间距s 和岛 对各层满铺的土工织物或土工格栅： & s 南( 2 - 1 2 ) 对条带式筋材： s , s h 盎( 2 - 1 3 ) 式中，瓦筋材的容许抗拉强度，k n m ； j ，士的容重，k n m 3 。 2 2 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 第三章土工合成材料的性能和测试方法 3 1土工合成材料性能指标的分类 土工合成材料被广泛应用于水利、交通、港口、化工等土木工程的各种领 域。不同的工程对材料有不同的功能要求，并因此而选择不同类型和不同品种 的土工合成材料。为使土工合成材料在施工期和运用期能正常工作，必须有合 理的设计方法、使用规范和统一的设计指标，并通过实验验证。土工合成材料 的指标一般可分为物理性能指标、力学性能指标、水力性能指标、土工合成材 料与土相互作用指标及耐久性指标等。下面根据公路工程特点加以简单介绍【1 3 i 。 3 1 1 物理性熊指标0 1 ”“j ( 1 ) 单位面积质量 单位面积质量，系1 m 2 土工织物的质量，称为土工织物的基本质量，单位 为g m 2 。它是土工织物的一个重要指标。对于任何一种系列产品来说，土工织 物的单价与单位面积质量大致成正比，其力学强度随质量增大而提高。因此， 在选用产品时单位面积质量是必须考虑的技术和经济指标。 ( 2 ) 厚度 指土工织物在2 k p a 法向压力下，其顶面与底面之间的距离，单位为m m 。 土工织物厚度随所作用的法向压力而变，规定2 k p a 压力表示土工织物在自然状 态无压条件下的厚度。由图3 - 1 可见不同类型土工织物的压缩量差别很大，其中 针刺非织造土工织物的压缩量最大。因此，当考虑非织造土工织物水力特性时， 必须注意到上覆压力变化使水力特性变化的特点。 ( 3 ) 孔隙率 定义为非织造土工织物所含孔隙体积与总体积之比，以百分数( ) 表示。 该指标不直接测定，由单位面积质量、密度和厚度计算得到。可按下式计算 1 一兰 ( 3 1 ) 2 3 土工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 式中，厅i 一孔隙率，： 膨一单位面积质量，g m 2 ： p 原材料密度，g m 3 ； 占厚度，m 。 土工织物常用原材料的密度为：聚丙烯0 9 1g m 3 ，聚乙烯0 9 4 0 9 6g m 3 ， 聚酯1 2 2 1 3 8g o ，聚酰胺1 0 5 1 1 4 9 m 3 ，聚乙烯醇1 2 6 1 3 2 9 m 3 ，聚氯 乙烯1 3 9 9 m 3 。 孔隙率与厚度有关，所以孔隙率也随压力增大而变小。 应力岫) 02 55z 51 01 2 51 5 0 星q 1 2 5 删q 2 5 蓄a 3 7 5 q 5 q 6 2 5 q 硒 3 1 ，2 力学性能指标 围3 _ l 不同类型土工织物压缩量 针对土工织物在设计和旎工中所受荷载性质不同，其力学强度指标分为下 列几种：抗拉强度、握持强度、撕裂强度、胀破强度、c b r 顶破强度、圆球顶 破强度、刺破强度等。在前3 项试验中，试样为单向受力，其纵向和横向强度 需分别测定：而后4 项试验中，试样为圆形，承受轴对称荷载，纵横双向同时 受力。在上述众多力学指标中最基本的是抗拉强度。 ( 1 ) 抗拉强度和延伸率 抗拉强度也称为条带法抗拉强度，为单向拉伸。纵向和横向抗拉强度表示 土工织物在纵向和横向单位宽度范围能承受的外部拉力，单位为k n m 。对应强 度的应变为土工织物的延伸率，用百分数( ) 表示。抗拉强度是力学性能中的 2 4 士工格栅加筋机理的试验研究及加筋技术在公路路堤中的应用 重要指标。在各种功能的应用中对抗拉强度都有一定的要求，当用于加筋和隔 离功能时，抗拉强度主要是设计指标，而在排水和反滤功能的工程中。抗拉强 度虽不是主要指标，但由于铺设过程中会受到扯拉、顶压、撕破等各种施工荷 载，运用过程中