土工合成材料在地基处理中的应用论文（硕论） .pdf

土工合成材料在地基处理中的应用 摘要 土工合成材料的应用 在我国的起步较晚 但发展很快 9 0 年代 特别是 1 9 9 8 年我国遭受特大洪水灾害以后 由于国家领导及各有关部门的重视 使土 工合成材料的生产 应用 研究等各个方面都发生了巨大的变化 工程应用范 围不断扩大 测试技术 施工水平 理论研究 技术创新等方面的发展更为显 著 土工合成材料具有耐酸 耐碱 耐盐的特性 其柔软性能保证建筑物或地 基在较大变形的正常状态下也不影响它的功能 制成合成材料的素材来源丰富 合成材料的重量轻 体积小 施工安装简便 使用合成材料既节省运输和施工 费用 降低造价 缩短工期 又可以保证工程质量 目前已广泛应用于水利 水电 公路 铁路 建筑 海港 采矿 军工等工程的各个领域 本文首先介绍了土工合成材料的种类 特性及工程的应用 接着介绍加筋 土挡土墙的特点及其适用条件 分析了土工格栅的加筋机理 说明了土工格栅 加筋挡土墙的设计方法 结合工程实践 简述土工格栅对软基处理的施工要点 对比铺设土工格栅 与未铺设的两种情况 作路基沉降研究 从实际情况看 软土路基处理后整体 性大大提高 不均匀沉降得到控制 关键词 土工合成材料 地基处理 土工格栅 加筋土 挡土墙 沉降 g e o s y n t h e t i cm a t e r i a l sa p p l i e dt ot h ef o u n d a t i o nt r e a t m e n t a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fg e o s y n t h e t i c ss t a r t sl a t e ri no u rc o u n t r y b u ti t d e v e l o p s v e r yf a s t i n1 9 9 0 s e s p e c i a l l yo u rc o u n t r ys u f f e r e df r o ms e v e r ef l o o d si n1 9 9 8 u n d e rt h ea t t e n t i o no ft h el e a d e r s h i p sa n dt h er e l e v a n td e p a r t m e n t s g e o s y n t h e t i c m a t e r i a l sh a v eag r e a tc h a n g ei np r o d u c t i o n a p p l i c a t i o n r e s e a r c ha n do t h e ra s p e c t s t h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ns c o p ee x p a n d su n c e a s i n g l y t e s t i n gt e c h n o l o g y c o n s t r u c t i o nl e v e l t h e o r yr e s e a r c h t e c h n i e a li n n o v a t i o n a n do t h e ra s p e c t sa r et o d e v e l o ps i g n i f i c a n t g e o s y n t h e t i cm a t e r i a l sh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h e r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c eo fa c i d a l k a l i s a l t a n di t s s o f t p r o p e r t i e s c a nk e e p b u i l d i n g so rf o u n d a t i o nm a i n t a i n i n gn o r m a lf u n c t i o nu n d e rl a r g ed e f o r m a t i o n m a d eo fs y n t h e t i cm a t e r i a ls o u r c e si sr i c h a n dt h ew e i g h to fs y n t h e t i cm a t e r i a l si s l i g h t t h ev o l u m es m a l l c o n s t r u c t i o na n di n s t a l l a t i o ne a s y s o t h eu s eo fs y n t h e t i c m a t e r i a l sn o to n l ys a v et r a n s p o r t a t i o na n dc o n s t r u c t i o nc o s t s r e d u c ec o s t s h o r t e n t h ec o n s t r u c t i o np e r i o d b u ta l s oc a l le n s u r et h eq u a l i t yo fe n g i n e e r i n g n o w i ti s w i d e l y a p p l i e di nw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t h y d r o p o w e rp r o j e c t h i g h w a y e n g i n e e r i n g r a i l w a ye n g i n e e r i n g b u i l d i n g h a r b o u re n g i n e e r i n g m i n i n g m i l i t a r y a n do t h e rp r o j e c t s t h et y p e so fg e o s y n t h e t i cm a t e r i a l s c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o nw e r e i n t r o d u c e df i r s t l y t h e nr e t a i n i n gw a l lc l a s s i f i c a t i o na n dt h e i ru s i n gc o n d i t i o n sw e r e i n t r o d u c e d t h er e i n f o r c e dm e c h a n i s m so fg e o g r i d sa r ca n a l y z e d t h ef r i c t i o nt h e o r y a n dt h ep s e u d oc o h e s i o nc o n c e p tt h e o r y a n dt h ed e s i g nm e t h o d so ft h eg e o g r i d s r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n ge x p l a i n e d c o m b i n e dw i t ht h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ep o i n t so fc o n s t r u c t i o nw a s d e s c r i b e db r i e f l ya b o u ts o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n to fg e o g r i d c o n t r a s t i n gt w o s i t u a t i o n so fl a i d e dg e o g r i do rn o t w a sr e s e a r c h e de m b a n k m e n ts e t t l e m e n t f r o m t h er e a l i t i e s s o f ts o i ls u b g r a d et r e a t m e n ti n t e g r i t yi s g r e a t l yi n c r e a s e d a n dt h e u n e v e ns e t t l e m e n tw a sc o n t r o l e d k e y w o r d s g e o s y n t h e t i c s f o u n d a t i o nt r e a t m e n t g e o g r i d r e i n f o r c e ds o i l r e t a i n i n g w a l l s e t t l e m e n t 致谢 首先我要特别感谢我的导师王国体教授 在研究生阶段的生活 学习中 王老师一直给予我无微不至的关怀和毫无保留的指点 本文的完成凝结着导师 的智慧和汗水 从论文选题 收集资料到论文的最后完成 老师都给予我悉心 的指导 王老师深厚的理论基础 渊博的学识 严谨求实的科研态度 平易近 人的工作作风都给我留下了深刻的印象 导师的教诲将使我终身受益 值此论 文完成之际 谨向王老师致以最诚挚的感谢和最诚挚的敬意 感谢土木与水利工程学院的老师 在我的整个研究生阶段学习过程中 是 他们的辛勤耕耘和谆谆教导 使我逐渐掌握了专业知识 为以后的工作和学习 打下了坚实的基础 感谢我的父母和家人 感谢他们一直以来对我的支持和帮助 使我能够顺 利的走到今天 希望我所取得的成绩能够让他们满意 最后 感谢所有帮助过我的老师和同学们 作者 朱晓娟 2 0 11 年0 9 月2 0 日 插图清单 图1 1 土工合成材料的分类 4 图1 2 土工织物 4 图1 3 土工织物应用工程 5 图1 4 土工膜 5 图1 5 土工格室示意图 6 图1 6 整体成型格栅 7 图1 7 组合式焊接成型格栅 7 图1 8 钢塑复合格栅 8 图1 9 玻璃纤维格栅 8 图1 1 0 土工网示意图 9 图1 1 1 五种模袋类型示意图 1 0 图1 1 2 土工网垫 1 0 图1 1 3 土工网垫用于坡面植被防护 1 0 图1 1 4 各土工复合材料图示 1 1 图2 1 加筋土结构及受力分析示意图 1 6 图2 2 摩擦加筋原理示意图 1 6 图2 3 拉力沿拉筋长度分布图示 1 7 图2 4 试样应力状态示意图 1 7 图2 5 加筋土试样的应力圆 1 8 图2 6 砂土与加筋砂土的应力应变关系曲线 1 9 图2 7 加筋土楔形体受力平衡图 2 0 图2 8 加筋土与未加筋砂土的强度曲线 2 1 图2 9 土工格栅高分子聚合物的拉力延伸率的关系曲线 2 2 图2 1 0 土工格栅拉伸模量的确定方法 2 3 图2 1 1 筋土界面作用模式 2 4 图2 1 2 土工格栅与之间土的相互作用示意图 2 4 图2 1 3 直剪试验示意图 2 5 图2 1 4 拉拔试验示意图 2 5 图2 1 5 室内拉拔试验边界条件 2 7 图2 1 6 拉拔试验过程拉筋的法向应力分布 2 7 图2 1 7 拉拔界面的相互作用机理 2 8 图2 1 8 基本的剪切破坏机理示意图 3 0 图2 1 9 冲切剪切破坏机理 一3 0 图3 1 加筋挡土墙可能的外部破坏形式 3 2 图3 2 填土边坡滑动时的外部稳定性分析 土压力 偏心率 3 4 图3 3 拉筋锚固区与非锚固区分界线 3 7 图3 4d i b t 设计计算方法基础 双楔体 3 9 图3 5 内部稳定计算的主要理论假设及计算目的 3 9 图4 1 软土地基上路面结构模型 4 2 图4 2 加载历时曲线 4 3 图4 3 路面竣工1 5 年后的沉降云图 4 3 图4 4 土工格栅增强的软基模型示意图 4 4 图4 5 路面a b 各点的竖向沉降 4 4 图4 6 路基c d 点竖向沉降 4 5 图4 7 施工结束时竖向位移图 一 4 5 图4 8 施工结束1 5 年时的竖向位移图 4 5 插表清单 表1 1 几种土工膜基本材料性能比较 6 表1 2 模袋的种类及用途 9 表1 3 主要土工合成材料应用功能表 1 2 表4 1 土工合成材料施工质量要求 4 1 表4 2 路面材料属性 4 1 表4 3d r u c k e r p r a g e r 模型参数 4 2 表4 4d r u c k e r p r a g e r 模型的硬化参数 4 2 表4 5c l a yp l a s t i c i t y 模型参数 4 2 第一章绪论 1 1 土工合成材料发展历史及工程应用概况 土工合成材料属于新型岩土工程材料 以化纤 塑料 合成橡胶等为原料 制成各种类型的人工合成聚合物 依据实际情况在施工过程中把该产品置于土 体内部 表面或各层土体之间 以便发挥加强或保护土体的作用 土工合成材 料可分为土工织物 土工膜 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 军工等工程 的各个领域f 近代土工合成材料的发展是建立在合成材料一一塑料 合成纤维 合成橡 胶的基础之上 硝化纤维是第一个商品化的合成材料 随着各种塑料产品的研 制成功 不同类型的合成纤维也投入了生产 约2 0 世纪3 0 4 0 年代 土工合成 材料开始应用于土工建筑上 如聚乙烯薄膜应用于游泳池的防渗 塑料防渗薄 膜应用于灌溉工程等 2 0 世纪5 0 年代末期 合成纤维开始在土木工程中有所应 用 即1 9 5 8 年r j b a r r e t 在美国佛罗里达州应用聚氯乙稀织物作海岸块石护坡的 垫层 1 9 5 9 年意大利的c o n t r a d as o b e t a 堆石坝使用聚乙烯合成橡胶薄膜 1 9 6 0 年捷克的d o s i n a 堆石坝使用聚氯乙稀薄膜 至此 合成纤维织物逐渐在美国 欧洲和日本得以推广 由于土工织物主要是机织型的 有经 纬线 具有很强的方向性 然而因 成本较高 所以推广不是很顺利 非织造型织物的出现就成了必然 它给土工 织物带来了新的生命 由于这种织物是把纤维做成多方向或任意排列 故弱化 了高强的方向性 在2 0 世纪7 0 年代 这种土工织物很快从欧洲传播到美洲 西 美洲和澳洲 最后传播到亚洲 随着化纤工业的发展 生产出大量的成本低 强度高的产品 使非织造型土工织物的应用飞速地发展起来 从2 0 世纪7 0 年代后期 美国等国家采用土工网或土工织物作为加筋材料 进行了包裹式加筋挡土墙的试验研究 m i c h e l l 和v i l l e t 首先试验包裹式加筋挡土 墙 美国林业部 u s f o r e s ts e r v i c e 分别在s i s k i y o u 1 9 7 4 年 和奥林匹克国家公 园 o l y m p i cn a t i o n a lf o r e s t 1 9 7 5 年 修建了包裹式加筋挡土墙 然后制定了设 计和施工指南 在美国联邦公路局 f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n f h w a 的 倡导下 n e wy o r k c o l o r a d o 等洲的公路部门于2 0 世纪8 0 年代修建了包裹式加 筋挡土墙 从1 9 8 4 年开始将t e n s a rt m 塑料拉伸土工格栅引入加筋土 原材料为 聚乙烯 p o l y e t h y l e n e p e 从1 9 8 6 年 土工合成材料加筋土 m e c h a n i c a l l y s t a b i l i z e de a r t h m s e 在美国迅速普及 用于加筋挡土墙 m e c h a n i c a l l ys t a b i l i z e d e a r t hw a l l s m s e w 加筋陡坡 r e i n f o r c e ds o i ls l o p e s r s s 软基上加筋路堤 r e i n f o r c e de m b a n k m e n t so v e rs o f tf o u n d a t i o n s r e s f 目前土工合成材料加筋 土工程在欧美国家应用比较广泛 近年来 新型材料和复合型材料的问世进一步推动了土工合成材料的发展 和应用 国外以北美 尤其以美国发展较快 欧洲则以德国 法国 荷兰 意 大利等西欧国家发展较快 亚洲主要是日本 马来西亚 韩国发展较快 国外 土工合成材料产品类型 品种较多 规格齐全 以非织造型 合成型 复合型 所占比例较大 而非织造型以纺粘法涤纶长丝产品为主 其中薄型非织造布主 要用作复合产品 厚型非织造布主要用作滤层材料 合成型和复合型产品主要 用作加筋材料 防渗材料 土工合成材料的应用 在我国的起步较晚 但发展很快 1 9 7 6 年江苏省长 江嘶马护岸工程中 首先使用由聚丙烯扁丝织成的编织布 结合聚氯乙烯绳网 和混凝土块压重 组成软体排 防止河岸的冲刷 9 0 年代 特别是1 9 9 8 年我国 遭受特大洪水灾害以后 由于国家领导及各有关部门的重视 使土工合成材料 的生产 应用 研究等各个方面都发生了巨大的变化 工程应用范围不断扩大 测试技术 施工水平 理论研究 技术创新等方面的发展更为显著 在土木建设工程应用方面 从2 0 世纪8 0 年代初开始将土工合成材料应用于 加筋土工程 起初主要采用无纺针刺土工织物和塑料排水带 如在京津塘高速 公路上的应用 2 0 世纪9 0 年代中期开始 国产的土工合成材料种类迅速增多 相继出现了单向和双向塑料拉伸土工格栅 涤纶纤维经编土工格栅 玻璃纤维 经编土工格栅和土工网等 在土工合成材料种类增多的同时 产品也逐渐系列 化 再加上国家基础设施的投资力度加大 土工合成材料加筋土工程有了很大 程度上的发展 取得了可喜的成果 但主要用于铁路 公路的软基处理 土工 合成材基加筋土挡土墙 加筋土桥台 加筋路堤 特别是加筋高填方路堤才刚 刚兴起 借鉴国内外的先进经验 利用土工合成材料处治公路病害是目前有效的途 经之一 1 9 9 6 年交通部曾经组织联合公关项目 对土工合成材料应用于公路路 基 路面 防护 排水等项目进行了研究 并编制了士工合成材料应用技术规 范 目前 在新建 改扩建公路中 土工合材料得到了广泛应用 但缺乏系统 研究 尤其是在西部黄土地区的应用 由于国外理论研究 测试技术 设计准则 施工方法等都比较完善 因而 土工合成材料在国外工程应用较为普及 虽然我国土工合成材料的生产和应用 比较晚 但发展很快 目前已广泛应用于水利 公路 铁路 海港 采矿 军 工 机场等工程的各个领域 2 1 2 土工合成材料基本知识介绍f 5 l 1 2 1 土工合成材料基础材料的简介 合成是将简单的物质 元素或化合物 制成较复杂的物质的一种方法 用这 种方法制成的材料称为合成材料 一般制作土工合成材料的基础材料有 聚乙 烯 p o l y e t h y l e n e 或p o l y t h e n e 缩写 p z 聚丙烯 p o l y p r o p y l e n e 缩写 p p 聚酯 p o l y e s t e r 缩写 p e t 聚酰胺 p o l y a m i d e 缩写p a 聚乙烯醇 p o l y v i n y l a l c o h o l 缩写 p v a 聚氯乙烯 p o l y v i n y l c h l o r i d e 缩写 p v c 聚丙烯腈 p o l y a c r y l o n i t r i l e 缩写 p a n 聚烯烃 p o l y o l e f i n 聚四氟乙烯 p o l y t e t r a n u o r o e t h y l e n e 缩写 p t p e 聚氨基甲酸酯 p o l y u r e t h a n e 缩写 p u r 腈 n i t r i l e 橡胶 n i t r i l er u b b e r 氟醇橡胶 c h l o r o p h d r i nr u b b e r 氯丁橡胶 c h l o r o p l e n er u b b e r 丁基橡胶 b u t y lr u b b e r 聚苯乙烯 p o l y s t y r e n e 缩写 p s 这些材料在常温或高温下具有一定的塑性或弹性 可被拉成纤维 制成薄 膜 或模塑成型 1 2 2 土工合成材料的种类 土工合成材料的种类比较繁多 早期分为土工织物 g e o t e x t i l e 和土工膜 g e o m e n b r a n e 两大类 分别代表透水和不透水两种合成材料 随着工程实际情 况 经常把透水和不透水材料联合应用 再由工业技术的不断进步 和其它类 型的土工合成材料大量涌现 以土工织物和土工膜为分类方法己不适宜 国际 土工织物协会提出了土工织物及其相关产品的分类体系 进而将所有土工用的 合成材料通称为土工合成材料 g e o s y n t h e t i c s 在 公路土工合成材料应用技术 规范 j t j t 0 1 9 9 8 中将土工合成材料分成四大类1 2 即为土工织物 土工 膜 土工复合材料和土工特种材料 具体分类如图1 1 1 2 3 土工合成材料的一般特性 l 土工织物 土工织物 g e o t e x t i l e 是由聚合物原料经加工制成的 为平面结构 是透 水性土工合成材料 如图1 2 由纤维丝经特殊处理编织而成 具有较高的 抗拉强度 由于土工织物重量较轻 则可大面积整体铺设 土工织物还具有耐 腐蚀和抗微生物侵蚀 质地柔软 施工方便 能与其它材料很好地结合等优点 但是其抗紫外线能力低 在未经处理的情况下 长时间在太阳下暴晒容易老化 这必然降低其耐久性 影响工程质量 因而在施工中应尽量缩短施工期间其暴 露的时间 注意遮光 隔热 避氧等保护措施 如图1 3 3 土工合成材料 土工织物 土 有纺织物 经纬编织 管膜丝 f 裂膜丝 l 合股丝 f 机械粘结 针刺 缝编 水力针刺 无纺织物 热粘结 l 化学胶粘 工膜 囊莩翥圭三莲 土工复合排水网 复合土工膜 复合土工织物 土工复合材料 土工膜一土工格栅 土工特种材料 土工织物一土工格栅 土工合成材料粘土垫 复合防排水材料 排水带 排水管等 土工格室 土工条带 土工格栅 土工网 土工模袋 土工网垫 土工泡沫塑料 土工管 土工包容系统 圭圭雹 土工筐笼 图卜1 土工合成材料的分类 图1 2 土工织物 4 图1 3 土工织物应用工程 2 土工膜 土工膜 g e o m e m b r a n e 一般分为含沥青土工膜与聚合物土工膜 制造土 工膜的主要原料为聚合物 如塑料 合成橡胶 树脂等 沥青 合成纤维和织 物以及一定的填充料和外加剂 如增塑剂 抗老化剂 稳定剂等 如图1 4 图1 4 土工膜 表1 1 为几种常见的土工膜材料的性能 由材料特性可知 土工膜具有极 低的透水能力 这也是土工膜的主要特征 大量工程实践表明 土工膜具有很 好的防渗 防水能力 其较好的弹性性能可适应不同的施工条件和工作应力 具有较强的适应变形能力 在水下 土中使用时间长 有良好的耐老化能力 3 土工特种材料 1 土工格室 土工格室 g e o c e l l 是一种由高分子聚合物宽条带经强力焊接而成的三维网 状格室结构 它伸缩自如 在运输的时候可以折叠起来 使用的时候再张开 工程施工过程中 在格室中充填砂 碎石或泥土等材料 构成有效侧向限制和 一定刚度的蜂窝状结构 具有稳定性 如图1 5 表1 1 几种土工膜基本材料性能比较 氯化聚乙烯高密度聚乙烯聚氯乙氯磺聚乙烯耐油聚氯乙 c p eh d p e烯p v c c s p e 烯p v c o r 顶破强度 撅裂强度 延伸率 耐磨性 低温柔性 尺寸稳定性 最低现场施工温度 渗透系数 m s 极限铺设边坡 现场拼接 热力性能 粘结剂 最低现场粘结温度 相对造价 很好 很好 很好 好 较差 很好 1 0 7 1 0 1 5 1 1 很好 差 好 7 低 好 好 很好 好 很好 差 5 3 6 1 0 1 4 1 1 很好 好 好 7 高 窜z 砩宪带 图1 5 土工格室示意图 土工格室以高密度聚乙烯为基质材料 加入特殊添加剂 具有较好的耐老 化性能 选用不同的基材配方 可使其应用温度范围在 4 0 8 0 之间 因此适 用于我国大部分地区 土工格室应用在软弱地基以及土质松软的地区 如沙漠 等条件下作垫层 能有效的提高地基的承载力 减少不均匀沉降 也可铺设在 坡面 构成坡面防护结构 还可用来建造支挡结构等 目前广泛用于浅层地基 处理 坡面防冲和城市大型管道支撑等工程中 好好好 一差好 小 h 好色c 子 等 锵撕册 一姥撕粥胪m锵差好粥帱曙瞬断膀好好 畦好 们高姗贼船船好好眦 髓好 高好好嘶好好好 胪m曙差好北桴 i i 1 2 土工格栅 土工格栅 g e o g r i d 是经过拉伸形成的具有方形或矩形格栅的聚合物板材 由于其良好的工程特性 广泛应用于作加筋土结构的筋材和土工复合材料的筋 材等 按照土工格栅的原料和成型工艺的不同 可分为以下几种 整体成型格栅 主要原材料为聚乙烯 即p e 塑料 通过塑料挤出机挤出成薄片材 冲 孔 整体拉伸成网格状 称为整体成型格栅 如图1 6 所示 攒随 嚣 番 横向 荀雅囱 莲 囊 嘞双稳 图1 石整体成型格栅 焊接成型格栅 主要原材料为聚丙烯 1 1 口p p 塑料 通过塑料挤出机 挤成高强抗拉条带 然后纵横组合交叉 焊接成网格状 称为组合式焊接成型格栅 如图1 7 p 听示 ll 鋈翼粪 ii 鋈翼霪 il e 翟 珏 z 吒z 刁 图1 7 组合式焊接成型格栅 钢塑格栅 主要原材料为钢丝及包裹的塑料复合成钢塑带 然后组合焊接成网格状 称为钢塑格栅 如图1 8 所示 玻纤格栅 玻璃纤维土工格栅主要以高强无碱剥离纤维通过经编工艺制成网状基材 经表面图覆处理而成的半刚性制品 如图1 9 具有经 纬双向很高的抗拉强 度和较低的延伸率 并具有耐高温 耐低寒 抗老化 耐腐蚀等优良性能 是 一种用于路面增强 老路补强 加固中基和软土基的优良土工合成材料 在处 理沥青路面反射裂纹应用上 已成为不可替代的材料 广泛应用于水泥路面及 路基 堤坝护坡 机场跑道 防沙治沙等工程项目 图1 8 钢塑复合格栅 懑懑圈豳 f j 萋j i j 遗霪 i 薹 焉豳匿隧 f 一一一 巨翌 山叠j 盏陵篓 i 霭图圈圆 圈 蘩 瑚 陵蒸鎏凼图圈溪 溺 罐 2彰 溺艮j 溺 一 j 蜃 薯灌 习 匪囊雾 霸 型 嚣光瑚 鞴蕃 匡售 蚕 翥 霎 弱殴l 且 l l 蓁 馐 l 冀 i匿餐i目 h 图1 9 玻璃纤维格栅 3 土工网 土工网 g e o n e t 是合成材料条带 粗股条编织或合成树脂以一定角度交叉 粘结压制的具有较大孔眼的平面结构或三维网状结构的网状土工合成材料 有 的土工网由两组股条上下搭接 形成排水槽 如图1 1 0 常作复合排水板的 基材 有的土工网由两组股条在交叉处熔合 由于具有较大刚度 常用于软土 地基的加固垫层 坡面防护等 4 土工模袋 土工合成材料模袋是一种双层聚合化纤织物制成的连续袋状材料 它可以 代替模板 在灌入混凝土或砂浆之后形成板状或其他形状结构 可用于大面积 护坡或作为土面衬砌或水下护底等其他地基处理工程 具有强度高 抗冻性强 浇筑时柔性大 施工可机械化 进度快等特点 各种类型的模袋 如图1 1 1 的厚度及主要用途见表1 2 反滤排水点模 袋 f p 型 无反滤排水 奠袋 n f 型 无排水点混 凝土模袋 c x 型 铰链块型模 袋 r b 型 f p 6 5 n f p l 0 0 n f p l 5 0 n 1 5 0 f p 2 0 0 f p 2 5 0 f p n f 5 0 n f l 0 0 1 0 0 u a d 1 5 0 u a d c x l 5 0 c x 2 0 0 c x 3 0 0 c x 5 0 0 c x 7 0 0 r b l 0 0 r b l 5 0 图1 1 0 土工网示意图 6 5 1 0 o 15 0 1 0 0 1 4 0 1 6 5 5 0 1 0 0 1 0 0 1 5 0 1 5 0 2 0 0 3 0 0 5 0 0 7 0 0 1 0 0 1 5 o 临时堤防 其他临时性护坂 砂浆桥台直面保护工程 灌排渠 道 河川护坡 护底工程 砂浆水库护岸 人工蓄池护坡 护底 粗骨料径 1 0 1 5 m m 以 防止侵蚀护岸工程 港湾 下砼 码头保护工程 粗骨料径 2 5 m m 以下砼 软弱地基坡面保护工程 河 砂浆 川保护工程 框格型模袋 n b 3 6空格3 0 6 0 砂浆坡面绿化 水土保持坡地保护 堕堡型 丝曼兰 窒堑 一一 l i l l l l l l l 一一 5 土工网垫 土工网垫 图1 1 2 是由合成材料特制的三维透水聚合物网垫 常用于防 冲蚀和保持水土工程 即土工网垫护坡 土 r 网垫护坡是指利用活性植物并结 9 合土工合成材料等工程材料 在坡面构建一个具有自身生长能力的防护系统 通过植物的生长对边坡进行加固的一门新技术 根据边坡地形地貌 土质和区 域气候的特点 在边坡表面覆盖一层土工合成材料并按一定的组合与间距种植 多种植物 通过植物的生长活动达到根系加筋 茎叶防冲蚀的目的 经过生态 护坡技术处理 可在坡面形成茂密的植被覆盖 在表土层形成盘根错节的根系 有效抑制暴雨径流对边坡的侵蚀 增加土体的抗剪强度 减小孔隙水压力和土 体自重力 从而大幅度提高边坡的稳定性和抗冲刷能力 如图1 1 3 昏 霉鼠 一 惑 d 刃 图1 1 l 五种模袋类型示意图 a f p n 型模袋 b n f 型模袋 c c x 型模袋 d r b 型织物模袋 e n b 型织物袋 图1 1 2 土工网垫图l 1 3 土工网垫用于坡面植被防护 4 土工复合材料 土工织物 土工膜和某些特种土工合成材料 将其两种或两种以上的材料 互相组合起来就成为土工复合材料 如图1 14 土工复合材料可将不同材料 的性质结合起来 更好地满足具体工程的需要 在过滤 排水 隔离 加筋 防渗及防护这六大工程应用中起多种功能 如复合土工膜 就是将土工膜和土 工织物按一定要求制成的一种土工织物组合物 其中 土工膜主要用来防渗 土工织物起加筋 排水和增加土工膜与土面之间的摩擦力的作用 又如土工复 合排水材 它是以无纺土工织物和土工网 土工膜或不同形状的合成材料芯材 组成的排水材料 用于软基排水固结处理 路基纵横排水 建筑地下排水管道 1 0 集水井 支挡建筑物的墙后排水 隧道排水 堤坝排水设施等 a 复合土工排水网 b 网状土工格室土工格栅三维排水网 c 土工格栅复合土工布 d 土工排水板 e 塑料排水板三维排水网土工布土工膜 图1 1 4 各土工复合材料图示 1 2 4 土工合成材料的作用1 2 5 1 土工合成材料具有耐酸 耐碱 耐盐的特性 其柔软性能保证建筑物或地 基在较大变形的正常状态下也不影响它的功能 制成合成材料的素材来源丰富 合成材料的重量轻 体积小 施工安装简便 使用合成材料既节省运输和施工 费用 降低造价 缩短工期 又可以保证工程质量 在实际工程中应用广泛 土工合成材料一般有以下六种主要基本功能 主要土工合成材料应用功能 如表1 3 表1 3 主要土工合成材料应用功能表 1 过滤作用 土工合成材料如土工织物放置于土体表面或相邻土层之间 可以有效阻止 土颗粒通过 从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏 同时不妨碍 土中的水或气体穿过织物自由排出 避免了由于孔隙水压力的升高而造成土体 的失稳等不利因素 目前主要应用于水利工程中 2 排水作用 工程中往往需要在土体中或其边沿设置一些排水材料 以利于土中水的排 除 以便降低和控制土中水位 加速减小土中孔隙水的超静水压力和控制水流 渗出位置等等 其目的主要是在于增加土体的稳定性 过去排水材料一般用砂 石料 现在都可以用土工合成材料来代替或结合使用 土工合成材料具有良好的三维透水特性 这种透水特性可使水经过它的平 面迅速的沿水平方排走 构成水平排水层 还可以与其它材料 如粗粒料 排 水管 塑料排水板等 共同构成排水系统或深层排水井 6 l 有的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 较厚的针刺型无纺织物和某些塑料排水管道或具有多孔 隙的复合型土工合成材料均具有较好的排水能力 土工合成材料现已广泛应用于土坝 路基 挡土墙 以及软土地基的排水 固结等方面 3 隔离作用 1 2 有些土工合成材料可以将两种不同粒径的土 砂 石料隔离 也可将土 砂 石料与地基或其它建筑物隔离开来 以免相互混杂 失去结构的完整性 发生土粒流失现象 土工织物和土工膜都可以起隔离作用 它们可应用于道路 基层与路基之间或路基与地基之间的隔离层 在土石混合坝中隔离不同的筑坝 材料 用作坝体与地基之间的隔离体 堆场地基间隔离层等 随着技术的发展 应用范围亦在扩大 4 加筋作用 由于土工合成材料具有较高的抗拉强度和韧性等力学 将相关材料埋置在 土体中 可以扩散土体应力 增加土体模量 传递拉应力 限制土体侧向位移 改善主体的整体受力条件 同时还增加土体与其它材料之间的摩阻力 提高土 体以及有关结构物的稳定性 增强地基的承载力 土工织物 土工格栅 土工 网以及一些特种合成材料如土工格室 土工合成纤维等 均有加筋功能 5 防渗作用 7 j 防渗是土工合成材料在工程中应用的一个重要领域 随着高分子化纤工业 的发展 相继制造出各种新材料逐渐代替原先的压实粘土垫层 目前应用于防 渗的土工合成材料主要为土工膜和复合型土工合成材料 将土工合成材料表面涂一层树脂或橡胶等防水材料 或将土工合成材料与 塑料薄膜复合在一起形成不透水的防水材料 即土工膜 土工膜以薄型无纺布 与薄膜复合较多 其中薄膜起防水 防渗作用 而无纺布则起导水作用 一举 两得 将土工膜与土工织物相结合制成的土工膜一土工织物组合物 即为复合 土工膜 是复合型土工合成材料的一种 土工膜主要用来防渗 土工织物起加 筋 排水和增加土工膜与土面之间摩擦力的作用 是最理想的防渗材料 这两 种材料可防止液体的渗漏 气体的挥发 保护环境或结构物的安全 一般应用 于土石坝 水闸或护坡工程以及地下室等土建工程中 6 防护作用 土工合成材料可以将比较集中的应力扩散开 也可以将应力从一种物体传 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 应用于河道整治 护岸 护堤工程 以及海岸防潮 道路坡面防护等工程方面 土工模袋 土工网垫均可起防护作用 防护分两种情况 一是表面防护 即是 将土工合成材料放置于土体表面 保护主体不受外力影响而破坏 二是内部接 触面保护 即是将土工合成材料置于两种材料之间 当一种材料受集中应力作 用时 而不使另一种材料破坏 常见的防护措施包括防止水流冲蚀 防止土体 冻胀 防止路面开裂 防止有害物质扩散蔓延污染环境 防止化学物质对工程 结构的腐蚀破坏等 上面列举了六种基本功能 有的学者曾提出更多的功能 但大部分可以归并到上 述六种功能内 各种功能的含意 有的是很明确的 有的则容易混淆 有时一种土工 合成材料用于某一项工程中 同时具备几种功能 有的是主要的 有的是次要的 有 的则不甚重要 例如在公路的碎石基层与地基之间铺放土工织物 同时具备 隔离 过滤 加筋 和 排水 等多种作用 1 4 第二章土工合成材料加筋挡土墙 2 1 加筋土挡土墙的特点 加筋土挡土墙能得到迅速发展和广泛应用是由于它具有以下特点 1 组成加筋土的墙面板和拉筋可以预先制作 在现场用机械或人工分层填 筑 这种装配式的方法 施工简便 快速 并且节省劳力和缩短工期 2 加筋土是柔性结构物 能够适应地基轻微的变形 在软弱地基上修筑时 由于拉筋在填筑过程中逐层埋设 因填土引起的地基变形对加筋土挡土墙的稳 定性影响比对其它结构物小 地基的处理也较简便 3 加筋土挡土墙具有一定的柔性 抗振动性强 是一种很好的抗振结构物 4 加筋土挡土墙节约占地 造型美观 由于墙面板可以垂直砌筑 可大量 减少占地 挡土墙的总体布设和墙面板的形式图案可根据周围环境特点和需要 进行设计 5 加筋土档土墙造价比较低 与钢筋混凝土挡土墙相比 可减少造价一半 左右 与石砌重力式挡土墙比较 也可节约j j l 2 0 以上 而且 加筋土挡土墙 造价的节省随墙高的增加面愈加显著 因此它具有良好的经济效益 通过以上加筋土挡土墙的特点 可以得出 加筋土挡土墙造型美观 施工 简便 可节约用地 是一种具有良好经济性 广泛适用性和良好应用性的挡土 墙形式 特别是对于石料缺乏和软土地基的填方路段 2 2 摩擦加筋原理 大量的工程实践证明 如果在土中分层埋入水平方向的加筋材料 这种复 合体的强度会比未加筋结构的强度有所提高 究其原因 根据国外学者的试验 研究结果 加筋土结构强度的提高是由于加筋材料和土之间相互摩阻联结的结 果 可以用两种理论解释 1 摩擦加筋原理 f r i c t i o n r e i n f o r c e dc o n c e p t 2 准 粘聚力原理 p s e u d o c o h e s i o nc o n c e p t 加筋土挡土墙结构是 加筋材料成层相间 水平方向埋置于土中 与垂直 的墙面板形成牢固的联结 如图2 1 所示 cb t n b 主动医7 稳定区 l lj l j l lj i 蕊 r 7 下 人4 5 2 r 图2 1 加筋土结构及受力分析不恿图 当墙体破坏时会产生稳定区和主动区 破裂棱体a b c 的自重产生的水平推 力通过与加筋条相互摩擦作用和面板一起在加筋条中形成拉力 企图将加筋条 从土中拔出 而破裂棱体后的稳定区中的加筋条又被稳定区土体的自重所压住 即稳定区的土与加筋之间的摩擦阻力阻止加筋条被拔出 如果主动区的水平推 力被稳定区的筋一土之间的摩擦阻力所平衡 则整个加筋土体的内部稳定性就 得到保证 图2 2 摩擦加筋原理示意图 如图2 2 所示 取一微段讲来分析 设由土的水平推力在该微段拉筋中引起 的拉力为d t 互一疋 假定拉力沿拉筋长度呈非均匀分布 压住拉筋的土重 为法向力 土粒与拉筋间的摩擦系数 似摩擦系数 为f 6 为拉筋宽度 如果2 n f b d l d t 2 1 则筋一土之间就不会产生相互滑动 如果加筋土结构中的每一层加筋均能满足 上式要求 则整个加筋土结构的内部抗拔稳定性就能得到保证 从而也不会出 现图2 1 中的破裂面a b 加筋土挡土墙的测试及室内模型试验和离心机试验图示如图2 3 所示 图 2 3 表明 l 每一层拉筋所受拉力沿其长度并非均匀分布 最大拉力点不在拉筋与面 板的连接处 而是在面板后的一定距离处 4 2 一一哥徽貔譬 冠碟唾 厄 乙 象瀚 挂动圃稳定蕴 嚣 r 卜 弑蠢 噬 獭嶷管 飘砜戮 气名5 2 心 图2 3 拉力沿拉筋长度分布图示 2 每一层拉筋的最大拉力点的连线可视为拉筋土体潜在的破裂面 破裂面 将加筋体分成主动区和稳定区 主动区的切向剪应力指向墙面板 具有将拉筋 拉出土体的趋势 稳定区有阻止拉筋被拔出的趋势 因此 伸入稳定区的拉筋 长度可视为摩擦锚固长度 3 由土体产生的作用于拉筋表面的切向剪应力可用下式表达 彳 旦 2 2 彳 l z z 2 6 刃 由以上分析可以看出 摩擦加筋理论概念明确 简单 当加筋材料模量较 高时 可以用此理论很好地解释加筋土结构 2 3 准粘聚力原理 这一理论是根据以砂土和水平布置一层或多层拉筋的加筋砂土三轴试验结 果分析而提出的 将加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样进行三轴对比试验 如果未加筋砂圆柱土在吼和 的作用下达到极限平衡状态 那么加筋砂土样 在同样大小的吼作用下达不到极限平衡状态而处于弹性状态 说明加筋砂土的 强度提高了 于地基下某深度z 处取一处于静止状态的砂土样单元体 如图2 4 a 所示 则0 1 弦 o 3 芦 k 0 l s 加矽一一静止土压力系数 图2 5 中应力圆i 表示 其应力状态 一筏3 曩 静止状态 b 主动极限状态 c 主动极限状态 铺设加筋 图2 4 试样应力状态示意图 1 7 设k 佰为砂土试样强度包络线 由于应力圆i 处于静止状态 故应在k 声线 之下 若卸去侧向平衡荷载 使土体产生侧向变形 在q 保持不变的条件下 仃3 会减小 使土体逐渐达到极限平衡状态 如图2 5 中应力圆i i 仃3 k o t r 屯 辔2 三一詈 一一主动土压力系数 其值与琢线相切 试样应力状态示意图 详见图2 4 b 在地基中铺设一层或多层加筋条 如图2 4 c 所示 单元试样亦 变成加筋砂土试样 若大 小主应力q 和盯 后 盯 保持不变 由于加筋材料与 砂土的摩擦 咬合 限制了砂土的侧向膨胀 同时也阻止了仃 的降低 此时 的小主应力盯 应介于k a l 7 i 和 盯 之间 其物理状态亦处于弹性稳定状态 由此 可见 在q 和0 3 保不变的情况下 由于拉筋的作用限制了土的侧向变形 相当 于对砂土提供了一个侧应力增量 仃 在假定拉筋具有足够的抗拉强度和摩擦 阻力 而不会被拉断或沿拉筋界面滑动的条件下 加筋土试样处于弹性稳定状 态 图2 5 加筋土试样的应力圆 假定砂土和加筋土试样的初始应力状态均为静止应力状态 应力为口 和 吒 k o o 在q 不变的条件下 降低c r 3 至0 3 k o o 此时砂土试样已达到极限 平衡而破坏 应变为占 而加筋砂土试样仍处于弹性状态 对应砂土破坏时的 应变为 m 点 如图2 6 所示 图2 6 砂土与加筋砂土的应力应变关系曲线 可见 由于加筋条的作用 约束了加筋砂土的侧向变形 比无加筋时应变 减少了 占 s 一g r 相应产生一约束应力 吒 使其应力状态回到弹性稳定状 态 如n 点 当加筋砂土试样处于应力圆i i 状态时 欲使砂土试样达到极限平衡状态而 破坏 必须增加仉至被动极限平衡状态时的吼 如图2 5 中的应力圆i i i 即 q p 仃 妊p 后p 一一被动土压力系数 所以加筋的存在提高了砂土试样 承载力 a o 吼 一o r i 对于加筋砂土试样而言 欲使其达到极限平衡状态 可增大吼至吼 使之达到被动极限平衡状态 或减小吧至盯 使其达到主动 极限平衡状态 其应力圆为图2 5 中i v v 公切线k m 即为加筋砂土的破坏 包络线 试验证明 由于在试验中加筋条不被拉断和滑动 只是砂土被破坏 故k 废 线与水平线的夹角 和砂土的内摩擦角 k