土工合成材料加筋地基

土工合成材料加筋地基 Geosynthetics-Reinforced Foundation,王 钊 武汉大学 殷建华 香港理工大学 白晓红 太原理工大学 2007黄文熙讲座学术报告会 南京2007年1月10日,一、 土工合成材料（一） 概述土工合成材料（Geosynthetics) 是指应用于岩土工程和土木工程中合成材料的总称。1、材料；聚丙烯、聚乙烯、聚酯等2、加筋用产品形式：土工织物（geotextiles)、土工格栅 （geogrids）、土工复合材料 (geocomposites)、土工格室 等3、应用领域：土建、水利、交通、采矿、环境保护等土作为散粒体需要一种连续介质改善其工程特性例如，加筋土挡土墙、加筋地基加筋土坡、软土地基上的加筋堤，以及路面的加筋等,（二）加筋用土工合成材料1、 土工织物 geotextiles土工织物是采用编织技术生产的透水性土工合成材料，成布状，故俗称土工布。主要特点是重量轻、整体连续性好、施工简便、抗拉强度高、耐腐蚀。土工织物又分为有纺土工织物（woven geotextiles）和无纺土工织物（nonwoven geotextiles），前者由单丝或多股丝织成，或由薄膜切成的扁丝编织而成；后者由短纤维或喷丝长纤维随机铺成絮垫，再经机械缠合（针刺）或热粘，或化学粘合而成（参见彩图1和2）。,图1 有纺织物 图2 无纺织物,隔离、加筋,2、土工格栅geogrids 土工格栅是一种以高密度聚乙烯或聚丙烯塑料（包括玻璃纤维）为原料加工形成的开口的、类似格栅状的产品，具有较大的网孔。塑料土工格栅可以在一个方向或两个方向上进行拉伸取向以提高力学性能。 另一种更灵活的、织物状的土工格栅由英国的ICI开发出来，采用的是聚酯纤维，这导致了在编织机上制造聚脂格栅的发展，产品称为经编（knitted）格栅。在这种工艺中，众多的纤维在一起形成了纵向和横向肋条，上面涂有一些保护材料，如PVC，乳胶或沥青。此外，还有玻纤(glass fiber)格栅，它也是一种经编格栅（参见彩图3）。目前，我国已具有上述格栅的生产能力。,加筋、隔离,图3 单向塑料格栅 双向塑料格栅 经编土工格栅,3、土工网geonets土工网是由连续的聚合物肋条以一定角度的连续网孔平行挤出而成。较大的孔径使其形成了象网一样的结构，同时能承受一定的法向压力不显著减小孔径。其设计功能主要应用在排水领域，即需要输导各种液体的地方。在土中需和外包无纺织物反滤层构成土工复合材料使用，也起到加筋作用。,4、土工膜土工格栅型复合材料由于某些土工膜和土工格栅可用同种原料生产，如高密度聚乙烯，它们可以粘合在一起形成一个不透水的屏障，且其强度和摩擦力都有所提高。5、土工织物土工格栅型复合材料这些低模量、低强度和高延伸率的土工织物（通常是无纺织物）可通过用土工格栅做成复合材料而使其弱点得到克服，共同发挥隔离、反滤和加筋作用。,6、土工其它材料geo-others为了解决工程实践中出现的新问题，新型土工合成材料产品不断涌现：（1）土工格室（geocell）和土工网格（geoweb） 这是一种呈菱形或蜂窝网格状结构的土工合成材料，铺设厚度为50200mm,中间空格尺寸大约80400mm。格中填土、砂、碎石或混凝土，起侵蚀控制作用，亦可用于加筋地基、加筋土挡土墙。,（2）土工条带（geostrips） 该产品用高强度的合成材料或玻璃纤维作抗拉筋材，外面裹以塑料套，一般在套的表面具有防滑花纹，增大与土的摩擦力。土工条带多用于加筋土挡墙。,（三）应用设计属于“功能设计”的范畴，即根据土工合成材料应用的主要功能和设计理论确定土工合成材料要求的性能指标，根据材料试验结果和不同的折减系数得到土工合成材料的允许特性指标，则设计的安全系数Fs用下式计算： 其中，设计理论来自相关工程设计中成熟的模型，并结合土工合成材料的特点作一些必要的修正；折减系数素须综合考虑材料的蠕变、施工破坏、化学破坏和生物破坏等的影响。,（一） 条形基础的加筋地基 理论分析和实验观察都表明，基础下方的土在沉降的同时向两侧扩张，地基土破坏时，基础两侧的地表隆起，因此在基础下方存在着一个拉伸变形区域，如果将土工合成材料布置在这个区域，将产生拉力，提高地基的承载力。1、 工程和实验结果 图2-1为南京某炼油厂的原油油罐及基础，油罐的直径40.5m，高15.8m，下卧40m厚的软土。油罐的浮动顶对基础的沉降差要求很严，采用逐层铺设土工织物和砂垫层的方法处理地基，达到了设计要求（王铁儒等，1987）。,图 2-1,二、加筋地基,模型试验图2-2所示装置， 为基础宽度，加筋织物长度为 ， 和 分别表示顶层和最低层 土工织物的深度， 为无加筋时的 极限荷载， 为加筋条件下沉降与 无加筋达时的沉降相同情况下的荷载。 图 2-2 令承载比 ，主要的结论如下： (1)对于相对密度 50的砂，BCR值较小，但当沉降较大 。例如达到10 时，不同密度砂的BCR稳定在1.7左右， 即不受密度的影响； (2) 顶层加筋的最佳深度 ，有效加筋范围为 2 ； (3) 在有效深度内，层数N增加，BCR增加，直到N=6，达峰值 ，层数再增加， BCR无明显改变； (4)织物长度增加至 时，BCR接近最大，再增加L只是 增加了锚固段长度， 几乎没有变化； (5) 当织物抗拉强度增加时，BCR增大，例如从67kNm增加 到216kNm，BCR由 1.7增加到2.6。,地基承载力试验（宇都宫大学）,2、软土地基加筋 提高整体稳定性 可用堤基分层加筋代替,分析土工织物对地基的加筋作用主要有以下四个方面： （1） 隔离堤身和软基，堤底下凸、堤顶受挤压防裂，增加滑弧长度（且处于堤身滑弧的抗剪强度大）。 （2） 下凸增加堤基埋深。 （3） 扩散应力，使压缩应力分布均匀。 （4） 约束软弱土的侧向变形。,（二） 条形浅基础的加筋土地基的设计1、 筋材布置太沙基等研究者将条形浅基础破坏时（整体滑动破坏）的地基分成三个区，即主动极限平衡区、被动极限平衡区和过渡区，并推导出地基极限承载力公式（2-1）。 （2-2）,模型试验揭示地基极限承载力随筋材长度和深度增加至一定值后，极限承载力增加缓慢，但理论上只有达到表2-1所列深度和长度时，极限承载力才停止增长。,筋材的布置范围 ， 筋材层数N 为36，且长度L 足够。此时加筋地基的破坏表现为筋材的断裂，其断裂点在基础下方，接近筋材与压力扩散线的交点。 从0增至30时， 从3.0 b增至9.58 b，筋材的增长大幅度增加了基坑开挖的工程量，故适当减短长度，损失一定的承载力是合理的。,d基础埋深，m；土与筋材的界面摩擦系数，由试验确定。无试验资料时，土工织物可取0.67tan ，土工格栅可取0.8tan ， 为加筋砂垫层中砂的内摩擦角。压力扩散角，可以从建筑地基基础设计规范GB500072002中查找，度；筋材抗拔出安全系数，可取2.5； 加筋砂垫层中砂的容重,kN/m3。,2、 地基承载力设计公式筋材拉力对地基承载力的贡献包括以下两个方面（王钊、王协群岩土工程学报， 2000（6）：一是拉力向上分力的张力膜作用，二是拉力水平分力的反作用力所起的侧限作用。,地基承载力安全系数， 。 最低一层筋材的深度，m。,考虑因埋深修正而提高的承载力和垫层压力扩散提高的承载力，则加筋地基增加的地基承载力设计值：,fR = d（d+ zn0.5）+ pk +f,d 基础埋深的地基承载力修正系数； 基础底面处的平均压力值，kPa。,d,加筋土（砂）垫层地基承载力设计公式为： pk fR 垫层下软土地基承载力特征值，kPa；,例 黄石市某泄洪闸的闸室底宽b为5.0m，基底压力设计值 =280kPa，埋深d=3.37m，地基淤泥质土的容重 =18.4kN/m3，地基承载力特征值fak=100kPa，粘聚力c=40kPa，内摩擦角 =16。初步设计拟在闸室及前面二节和后面一节箱涵的下方采用外径50厘米，长14米的微孔桩93根处理地基。施工图设计阶段改为土工格栅加筋土垫层。试完成设计。解：设计用三层土工格栅构成加筋土地基。第一层到基底面距离z1=0.6m，第3层到基底面距离zn=1.6m，间距H =(znz1)/(3-1) = 0.5m。试验测得砂垫层中砂的内摩擦角 s=34。,(1) 求加筋提高的承载力fR = fak = 280 kPa -100 kPa =180kPa 将fR=180kPa和查得的d =1.1，=25)得f =fRd（d+ zn0.5）- =180 kPa1.118.4(3.37+1.6-0.5) kPa 280 kPa=180 kPa90.47 kPa68.36 kPa= 25.17kPa从上面计算中可见因埋深修正增加的承载力达90.47kPa，因压力扩散增加的承载力达68.36kPa，而要求筋材提供的承载力增量f仅为25.17kPa。,(三) 土工合成材料加筋土模型 （殷建华） 一维(1-D) Pasternak 模型 一维(1-D) Timoshenko Beam 模型 二维(2-D) 连续介质数值模型1. 一维Pasternak 剪切层模型(a) 一维(1-D) Pasternak 模型 - 线性梁，线性弹簧 qs=ksw(b) 一维(1-D) Pasternak 模型 - 非线性梁， 非线性弹簧,Fig.1 Schematic illustration of the extended Pasternak shear layer model (after Yin 1997a),Fig.2. Three elements from an vertical segment of infinitesimal width, forces and stresses (after Yin 1997a),Fig.3. Shear deformations due to the increase in membrane tension force,Fig.4.Stretching and rotation of a membrane element,Fig.4. (a) Schematic illustration of the proposed 1-D foundation model, (b) two independent variables w and and their positive direction and (c) dimensions of a beam element and forces (positive as shown) (after Yin 1999),2. 一维(1-D) Timoshenko Beam 模型,3. 二维(1-D) 连续介质数值模型,二维 (2-D) 有限差分模型 - 连续介质力学FLAC 计算模型,Fig.5. Dimensions of FD model with H/B changes,Fig.6. Displacement vectors for H/B=0.25, (a) with out geomembrane and (b) with geomembrane,Fig.7. (a) Geomembrane settlement and (b) mobilised tension force,4. 今后值得研究的课题,土工合成材料加筋土的极限承载力简单模型更合理的一维变形计算模型二维和三维连续介质数值模型试验室设备和测试现场设备和测试,（四）土工带加筋砂垫层现场试验（白晓红）,U,H,Z,B,3B （2B、B）,承压板宽度（基础宽度）,加筋参数:N:加筋层数U:首层加筋间距H:加筋带间距 LDR:加筋线密度(筋带宽度/筋带水平间距） LDR= B/ 4B（3B、2B ）测试项目：沉降观测垫层底的土压力测定加筋带的应变测定,小结：1 碎石薄垫层（Z/B=0.2）经土工带加筋后地基承载力提高, 沉降增长延缓。极限状态时（TG筋带）单层加筋较素垫层地基承载力提高1.221.26倍，双层加筋较素垫层地基承载力提高1.531.61倍。2 加筋材料的发挥与地基变形有关。荷载小时，靠近基底的筋材先发挥作用，远离基底的筋材只有荷载加到一定值，地基变形大时才能发挥作用。3 本次试验结果表明：TG土工带加筋垫层地基最优参数：加筋层数N=2，首层加筋间距U/Z=0.17，加筋间距H/Z=0.5，加筋线密度LDR=33.3%。 影响加筋效果的主要因素: 加筋层数、加筋带间距。,（五） 软土地基上的加筋堤软土为天然含水量大、空隙比大、压缩性高，承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土，主要有淤泥、淤泥质土及泥炭。加筋可提高软土地基上堤的填土高度，能有效约束侧向位移和侧向挤出量，增加地基抗滑稳定性，加快路堤填土速度，减小地基最终沉降量，对土体应力具有协调作用，可有效减小地基的不均匀沉降。土堤和加筋土地基可能产生的破坏形式有：（1）土堤的堤坡部分沿着筋材表面水平滑动，图6-26 (a)；（2）基土挤出破坏 (b)；（3）堤和地基整体滑动破坏（c）；（4）地基产生过大的沉降 (d)。应针对每一种破坏形式，提出预防的设计方法。,1、整体滑动设计采用修正的圆弧滑动条分法。这个方法的要点是先试算出没有加筋材料时最危险圆弧的位置，并假定加筋后滑弧的位置不变。筋材拉力的方向和筋材的拉伸模量有关，对柔性筋材可假设拉力的方向与滑弧相切，则抗整体圆弧滑动的安全系数见下式1；对刚性性筋材假设拉力的方向沿水平方向，则抗整体圆弧滑动的安全系数见下式2。 （1） （2） 圆弧滑动分析法,抗整体圆弧滑动的安全系数Fs要求不小于1.3。如果有些层的筋材没有满铺，处于滑弧以外（稳定土体侧）的筋材应具有足够的锚固长度，即校核筋材在允许抗拉强度的拉力作用下抗拔出的稳定性。 2、堤坡滑动 3、基土挤出,4、 承载力校核土工合成材料加筋地基在荷载作用下，荷载作用面的正下方产生沉降，周边地基土体产生侧向位移和部分隆起。承载力校核可参见第五节条形基础加筋地基中的计算。也可用改进的太沙基承载力公式计算（Yamanouchi，1979）：沿堤基布置土工合成材料后，地基和筋材的变形情况参见下图。地基的极限承载力：,沉降及侧边隆起量，m；筋材的拉力，可取允许拉伸强度，kN/m；R 两侧基土隆起的假想圆半径，一般取3m，或对较浅的软基采用其厚度的一半；筋材拉力与水平面夹角，由主动破坏面确定，即 ； 平均堤宽，取堤顶与堤底宽度的平均值，m；式中，第一项为天然地基土原有的承载力； 第二项为旁侧荷载的影响，其中 为薄壁圆筒容器公式 值的一半，它代表了基土部分隆起使筋材产生拉力所起的镇压作用； 最后一项代表筋材拉力产生的张力膜效应，为土工合成材料拉力的垂直分量，起到减小有效荷载的作用。抗地基承载力破坏的安全系数 ，要求 ，这里 为堤的填土容重， 为堤高。,曼谷现场试验堤（1997年）,参考堤破坏堤高：4.2 米3*9 kN/m+1*19kN/m 加筋破坏堤高：4.6米提高到1.1倍1*200kN/m 加筋破坏堤高：6.7 米提高到1.6倍,堤基加筋提高稳定性机理：1、筋材抗拉力产生的抗滑力矩；2、筋材的隔离作用； （1）堤基沉入、埋深增加、承载力增加， （2）滑弧经过堤身材料段增长，其抗剪强度较高，故抗滑力增加， （3）堤基成锅底形，对堤顶有挤压作用，防止堤顶拉伸裂纹的产生。,（六）土