土木工程合成材料专题.ppt

基础工程专题报告土工合成材料 第6章土工合成材料 6 1概述 6 2加筋的作用机理 6 3加筋挡墙及其设计原理 6 4堤坝软基加筋 6 5建筑物地基加筋 6 1概述土工合成材料 Geosynthetics 以聚酯 PET 聚酰胺 PA 聚丙烯 PP 聚丙烯腈 PAN 聚氯乙烯 PVC 等高分子聚合物和玻璃等为主要原材料制成的一种新型的工程材料 应用于岩土工程 曾称为 土工聚合物 土工织物 优点 质量轻 强度高 弹性好 耐磨 耐酸碱 不易腐烂 不易虫蛀 吸湿性小等 缺点 在阳光下易老化 埋于土中并采取措施可满足工程要求 6 1 1土工合成材料的分类按制造工艺和工程性能 分为 1 土工织物 Geotextiles 不织土工布 俗称无纺布 编织土工布 丝带编成 机制土工布 编制机制成 2 土工格栅 Geogrids 聚合物板经冲孔 单向 双向 拉伸 形成单轴 双轴 格栅 玻璃丝或涤纶丝织成玻璃丝格栅 3 土工网格 Geonets 聚合物材料经过热熔压拉制成一定形状的网格板 4 土工膜 Geomenbranes 聚合物 橡胶等制成的膜片 用于隔水防渗 5 土工复合材料 Geocomposites 由两种或两种以上的土工合成材料 高强合金钢丝 玻璃丝纤维等制成的复合材料 分类 复合加筋材料 如土工格栅与土工布复合 土工布和土工膜复合 复合排水材料 如排水带 复合隔水防渗材料土工粘衬垫 土工加筋带 6 其它如加筋条带 土工模袋等 土工模袋 GeotechnicalFabricBag 土工模袋是利用一种双层聚合化纤合成材料制成的连续 或单独 的袋状产品 6 1 2土工合成材料的性能 1 物理性质比重 单位面积的质量 厚度 压力为2kPa作用时的厚度 2 力学性质抗拉强度 伸长率 撕裂强度 握持拉伸强度 摩擦试验强度 拉拔试验强度 压缩性 厚度随法向压力变化的性质蠕变性 其它强度试验 如胀破试验强度 顶破试验强度等 3 水力性质渗透性 等效孔径 最大孔径D95 该织物中有95 的孔径比D95小 筛分法确定 6 1 3 6 1 4土工合成材料的主要功能及工程应用 1 滤层作用 反滤作用 防止细粒土流失 不被淤堵 2 排水作用排水通道例如地基处理排水固结法中的塑料排水带 代替传统的砂井 3 加筋作用 工程应用I加筋路堤 工程应用II加筋挡墙实例 加筋挡墙 锚固式加筋 4 隔离作用防止两种不同材料相互混杂 5 防护河岸 海岸边坡及底部铺设一层或多层土工合成材料 防止水流 风浪的冲刷和侵蚀 6 防渗 隔水和封闭工程应用I三峡二期围堰的防渗墙上部采用土工膜 三峡二期围堰 工程应用II固体废物填埋场 表土覆盖层 工程应用III固体废物填埋场 表土覆盖层 GCL 膨润土防水毯 6 2加筋的作用机理 以砂土加筋情况为例 假设砂土中加筋间距为Sv 比较无筋砂土和加筋砂土的三轴试验结果 比较无筋砂土和加筋砂土侧向变形 约束作用 筋材与土之间的摩擦 限制了砂土的侧向变形 或者增加了土土中的侧向应力 应力图无筋砂土 Mohr圆1 主动破坏状态 Mohr圆2 天然状态 加筋砂土 施加与无筋砂土极限平衡状态相同的应力 Mohr圆2 筋材相当对加筋砂土施加了约束围压 必须相应增大竖向应力 才能使加筋砂土达到破坏状态 从而提高了其强度 试验表明 与无筋砂土比较 加筋砂土的内摩擦角变化不大 加筋砂土的粘聚力提高了cR 则加筋砂土极限平衡条件写成 式中 cR是由于筋材对砂土的围压引起的 cR如何计算 建立粘聚力cR和筋材引起的围压增量的关系 考虑筋材引起围压增大 3 砂土的强度可写成 与加筋砂土强度公式比较有筋材引起的围压增量 3计算 3代入加筋砂土的凝聚力cR计算公式 上面的分析说明 加筋砂土强度的提高 是由于筋材通过对砂土的约束作用提高量取决于筋材的极限抗拉强度 假设筋材宽度 或周长 为B 加筋作用引起的砂土围压增量为 其中 Rf为筋材的极限抗拉强度 kN m Rf不同于一般的材料强度 kN m2 它是指单位宽度筋材能够承受的最大拉力 6 3加筋挡墙及其设计原理6 3 1概述加筋挡墙根据筋材铺设分为 筋带式加筋挡墙 满铺包裹式挡墙 加筋挡墙的破坏分析包括 内部稳定性分析 筋材被拉断或拔出 外部稳定性分析 地基破坏 倾覆破坏 滑动破坏等 分析内部稳定性 需要确定挡土墙中筋材的受力特点 在挡土墙中筋材的受力特点 筋材面上的剪应力沿筋材是变化的 筋材内的拉力沿筋材是变化的 拉力最大处将是筋材断裂位置 筋材拉力最大位置的迹线构成 潜在破裂面 潜在破裂面II位置 潜在破裂面I位置 顶部 距挡墙0 3H 底部 与水平面成45o 2 6 3 2加筋挡墙设计要点加筋挡墙设计的主要内容 1 加筋体的断面形式 a 矩形加筋体 墙高H 5m 加筋宽度 max 0 7H 3m b 倒梯形 斜坡地带 如图 c 正梯形 宽敞的填土地带 如图 2 填料与一般挡土填料要求一致 尽量选用砂性土 淤泥 腐殖土 生活垃圾不宜作为填土 3 加筋材料抗拉强度高 延伸率小 表面摩擦力大 4 墙面板钢筋混凝土制成 5 墙面板的基础采用条形基础 基础宽度 0 5m 高度 0 15m 2 内部稳定性分析 1 土压力计算土压力由填土自重 超载和活载引起 h 填土自重 超载计采用库仑理论 朗肯理论 集中活载土压力 按Boussinesq解 2 加筋布置的间距满铺包裹式 取宽度B 竖向间距Sv 筋带式铺设 取水平1m宽度范围 其中带宽度b 竖向间距Sv Ta 筋材的容许抗拉强度 kN m Ks 安全系数1 3 1 5 3 加筋锚固长度每一层加筋的长度L 由主动区加筋的长度LR与需要的锚固段长度Le为 满铺包裹式筋材受到的拉力为在锚固段中摩擦力提供的抗拔力筋材不被拔出 并考虑一定的安全储备筋材抗拉强度与土压力的关系 4 回包的宽度L0 3 外部稳定性验算在保证内部稳定性的前提下 加筋挡土墙可以看出一般重力式挡土墙分析 与一般挡土墙的验算相同 6 4堤坝软基加筋 6 4 1概述堤坝软基加筋土垫层在堤坝软基表面按一定间距水平和垂直铺设高强度的土工织物 土工格栅等与填土组成一定厚度的加筋土体 堤坝软基加筋土垫层的作用 增强基底抗拉力 防止坝基底开裂 保持基底整体性 均化堤坝荷载引起的基底压力 约束坝底下浅层地基软土的侧向变形 改变地基应力场 防止地基的剪切破坏 提高地基的稳定性和承载力 调整不均匀沉降 堤坝软基铺设加筋后 堤坝的失稳及地基的破坏形式 6 4 2堤坝软基加筋设计分析 加筋堤坝的承载力分析一般了解 2 加筋整体滑动分析加筋堤坝整体滑动分析 简单条分法 3 其它情况的分析其它破坏形式 一般了解 6 5建筑物地基加筋 6 5 1概述 加筋垫层 建筑物基础下软土地基上 沿水平方向布置一层或多层土工合成材料 可以提高地基承载力 调整不均匀沉降 6 5 2设计计算 加筋地基破坏机理 两个剪切滑动面 基础边缘开始 连接各水平面上的最大剪力点的迹线 两类破坏区域 剪切滑动面将加筋地基分成两类3个区域 主动区 一个 锚固区 两个 主动区内 在竖向荷载作用下 在筋材内形成拉力 锚固区内 筋材对主动区的筋材形成锚固 如何设计 加筋地基应避免筋材被拉断和被拔出 其中 TD 筋材的拉力 Rf 筋材的抗拉强度 Tf 单层筋材的抗拔阻力 据此 设计筋材的抗拉强度 数量形式 布置 等 1 拉力TD的计算和加筋材料的选取 公式简单说明 n 加筋的层数 b 基础宽度 h 筋材的竖向间距 q0 q 天然 加筋地基承载力 J 加筋层深度z的竖向应力系数 I 加筋层深度z的剪应力系数 J I与z b L0 b有关 设计需要的筋材 应满足拉力TD作用下不被拉断 2 抗拔力Tf计算与加筋材料宽度的确定仅仅要求知道这个公式 3 加筋层的设置实验结果表明 加筋层数 最优为3层 少于3层 效果变差 多于3层 效果