土工加筋PPT课件

1、参考书目 何光春，加筋土工程设计与施工，人民交通出版社，2000第1页/共67页 土工合成材料（GeosyntheticsGeosynthetics）广泛应用于现代岩土工程是在二十世纪中期以后。 最初以土工织物（GeotextileGeotextile）和土工膜（GeomembraneGeomembrane）最具代表性。 土工合成新材料，土工格栅（GeogridGeogrid）、土工网（GeonetGeonet，GeowebGeoweb）等和其组合产品。 在近二十年中，这类材料相继在岩土工程中应用获得成功，成为建材领域中继木材、钢材和水泥之后的第四大类建筑材料，并被誉为岩土工程领域的一次“革命

2、”。第2页/共67页 土工合成材料总体分为三类，即土工织物、合成型和复合型。 土工织物又可分为，有纺型（Woven）和无纺型（Nonwoven）两大类。 合成型（Polymer）包括一些新材料，按不同产品大致有：土工膜、土工格栅、土工网格、土工垫（Geomat）、土工板（Geoboard）和土工棒（Polymeric Rods）等； 复合型（Geocomposite）是指二种或二种以上材料复合而成的。例如：复合土工膜、排水板（Wick Drains）和土工垫块（Geosynthetic Clay Liners）等。第3页/共67页 土工合成材料功能：反滤、排水、隔反滤、排水、隔离、加筋、防渗和

3、防护离、加筋、防渗和防护六大类。 土工合成材料一般具有多功能，在实际应用中，一种功能起主导作用，其它功能则不同程度地发挥作用。第4页/共67页 各类土工合成材料的主要功能各类土工合成材料的主要功能注：表中P表示主要功能，S表示附助功能。 功能类型土工合成材料的功能分类隔离加筋土反滤层排水防渗防护土工织物（GT）PPPPPS土工格栅（GG） P 土工网（GN） P P土工膜（GM）S PS土工垫块（GCL）S P 复合土工材料（GC）P or SP or SP or SP or SP or SP or S第5页/共67页一、加筋土挡墙一、加筋土挡墙(MSEW)(MSEW) 加筋土挡墙（Mecha

4、nically Stabilized Earth Wall）是建立在二十世纪60年代初法国人H.Vidal提出的加筋土（Reinforced Earth）概念之上的。 这类支挡与传统挡墙相比，具有很好的柔性和抵抗地震荷载的稳定性，且造价上具有优势。 目前，美国（Vernon R. Schaefer，1998）每年新建MSEW超过700,000m2，主要集中在交通工程领域，已占到各类支挡2/3以上。第6页/共67页水工结构和工民建常用挡墙 重力式 空腹重力式 悬臂式 扶壁式（肋板式）第7页/共67页各类挡墙的造价比较各类挡墙的造价比较3691215挡墙高度H/m50150250350450550

5、每平方米面板造价/美元合成材料加筋土挡墙金属加筋土挡墙金属扶朵式挡墙钢筋混凝土扶朵式挡墙钢筋混凝土悬臂式挡墙第8页/共67页加筋挡墙特点 垂直填土，节省用地 面板筋带可以定型加工，保证质量和材料 施工快捷，缩短工期 结构轻型化，砼用量仅为3-5。高度越高，效益越佳。 柔性结构，承受大变形。 抗震能力较强 外形美观第9页/共67页合成材料应用于MSEW，主要的形式有：反折自锚型拼装面板型整体面板型和圬工块拼装型第10页/共67页 合成材料加筋土挡墙的不同型式合成材料加筋土挡墙的不同型式反折自锚整体面板拼桩面板圬工面板第11页/共67页第12页/共67页第13页/共67页第14页/共67页 由于暴

6、露于空气介质中的土工合成材料对于紫外线、高温等反应敏感，反折自锚MSEW一般应采用某种与该支挡结构柔性相似的材料做一外封层，例如可以采用喷浆混凝土、喷射水泥砂浆等。第15页/共67页加筋土工作机制与破坏机理 摩擦加筋第16页/共67页准粘聚力原理第17页/共67页第18页/共67页第19页/共67页第20页/共67页第21页/共67页第22页/共67页 Lee（1973）针对金属条带，提出了一套MSEW的设计方法。 Bell(1975)将这一方法成功应用于合成材料MSEW设计中。 美国NCMA(1993)，FHWA(1995)和AASHTO(1997)颁布合成材料加筋土设计规范： 外部稳定性分

7、析，将整个加筋复合体视为刚 性体，与普通挡墙一样处理； 内部稳定性分析，主要用于土工合成材料间 距、长度和外端反折自锚长度； 其它附属构件的设计，例如面板设计等。第23页/共67页 一般设计中，首先考虑加筋土支首先考虑加筋土支挡结构的外部稳定性分析挡结构的外部稳定性分析 括倾覆稳定性 水平滑动稳定性 整体稳定性 地基承载力 上述稳定性分析与一般挡墙（重力式等）外部稳定分析无异。第24页/共67页外部稳定性 承载力 K为地基土容许承载力提高系数 地基土容许承载力0662min2maxLMLNkLMLN第25页/共67页外部稳定性 抗滑稳定 竖向力合力 水平力合力TNkcNT第26页/共67页外部

8、稳定性 抗倾验算00MMKy第27页/共67页外部稳定性 整体抗滑iiiiiiswwcKsin)tancos(第28页/共67页内部稳定性 荷载确定 荷载类型与组合荷载类型编号 荷载名称荷载类型编号荷载名称永久荷载1加筋体重力基本可变荷载5汽车2上部填土重力6平板车或履带车3外侧压力7车辆引起侧压力4浮力偶然荷载8地震力第29页/共67页永久荷载 面板与筋带重量很小，按填土容重进行计算 加筋土上部重量，等代土层厚度 H1=(H/2-bb)/m 侧向压力可按库仑主动土压力进行计算 低水位进行计算第30页/共67页可变荷载 车辆荷载等代土层厚度h h=G/BL0第31页/共67页地震荷载 7、8、

9、9度抗震设防区域应进行抗震设计第32页/共67页内部验算 1土压力系数计算 Zi小于6m，KiK0（1zi/6）+Kazi/6 Zi大于6m，ki=ka 2破裂面 0.3H与45。/2 考虑抗震设计第33页/共67页筋带拉力 TiKi（1z1+1h）SxSy 筋带断面计算 AiTi/KL 长度 LiL1iL2i L1iKfTi/(2fbi1zi) L2i L3i第34页/共67页构造设计第35页/共67页第二步是内部稳定性的分析第二步是内部稳定性的分析一般采用朗金（Rankin）破裂面，填土侧压力按主动状态土压力（Ka）计算活载内力计算则采用了（Boussinesq）的弹性理论解答第36页/共

10、67页内部稳定性分析内部稳定性分析+=DLLoPHzLeLr土压力超载活载总侧压力45+/2第37页/共67页 首先，根据土工合成材料的容许张拉强度Tallow 计算某一深度z处的总土压力 h，并考虑一大于1的安全系数Fs 可得到土工合成材料竖向最大布置间距Sv，即 shallowvFTS1第38页/共67页其次，根据Sv，可得到各层合成材料设计长度L，即 其中 式中 Ci拉拔修正系数。 erLLLsihveFCzSLtan2)245tan()(zHLr第39页/共67页再者，基于与上述相似原理，可求出合成材料端部反折自锚长度L0， 最后，尚应考虑面板、各类联接、防腐以及排水等的设计内容。si

11、hvFCzSLtan40第40页/共67页 土压力计算和破裂面形式，一直是MSEW设计理论研究重点； 它们与加筋材料和填土的相对刚度等有着密切关系； Farrag等（1990）提出了一般指导性原则。第41页/共67页关于加筋挡墙土压力的设计原则关于加筋挡墙土压力的设计原则1.02.03.0K/Ka6.0深度z/m1.5H/2H/20.3H45+/2柔性筋材刚性筋材柔性筋材金属网金属条带土工格栅第42页/共67页 现代合成材料科学的发展相当迅速，对于新型的土工合成材料应用于MSEW，应根据材料的特性，特别是材料与土的相对刚度，合理选择设计的模式。 我国公路加筋土工程设计规范(JTJ035-91)

12、在加筋土挡墙的内部稳定性分析中，推荐了经验0.3H破裂面，土压力计算采用了z 6m由静止土压力随z的增加逐步过渡到主动土压力模式。第43页/共67页 近二十年来，MSEW的应用不断发展，虽然设计理论未发生质的变化，但是关于合成材料的张拉应变特征，筋材与填土的复合体的应变相容性，在新的设计方法中有所考虑。 Gourc(1989)提出“位移法”（Displacement Method）用于合成材料MSEW设计，位于潜在破裂面上的合成筋材采用“嵌压薄膜”（Anchored Membrane）机理加以描述，考虑了合成材料变形和模量，并与结构容许变形相联系，实现MSEW变形控制设计。 Juran(199

13、0)提出考虑合成材料与土应变相容性（Strain Compatibility Design Approach）的设计方法，考虑了筋材变形和土剪胀，能够算出筋材在结构中张力发挥（Tension Forces Mobilized）、最大张力、位置和加筋体内部潜在破裂面位置。第44页/共67页二、加筋土坡二、加筋土坡(RSS) 加筋土坡（Reinforced Soil Slopes）一般指坡度 70 ，否则应归入MSEW。 RSS的广泛应用是在近10年，目前估计全球每年约有几千个RSS工程。 RSS结构技术上，造价上有显著优势。 RSS设计方法并不像MSEW结构设计建立在土坡整体稳定分析基础上。第4

14、5页/共67页合成材料加筋土坡的布筋形式合成材料加筋土坡的布筋形式主筋均匀布置主筋变间距主筋等长含附加筋主筋变长含附加筋第46页/共67页 RSS结构中合成材料的布置形式有均匀布筋和非均匀布筋 单一主筋（Primary Reinforcements） 主筋间含附加筋(Secondary Reinforcements)第47页/共67页 主筋是RSS结构中加固稳定的核心，主筋长度必须满足破裂面后锚固长度要求。 主筋变间距布筋时，与RSS结构应力水平相协调，采用上部大间距，下部小间距。 变长度布筋，与潜在破裂面形式相协调，上部长筋，下部短筋，以锚固长度控制。 附加筋是提高土工填筑结构边缘压实度，克

15、服陡坡边缘机械碾压困难矛盾。 第48页/共67页RSS设计中，整体稳定性分析的方法与素土边坡稳定分析瑞典条分法相类似 式中合成材料产生的稳定力矩Mr的计算一般有两种方法，即 niiiriniisRwMRlcNF11)sin()tan(niiiryTM1niirRTM1第49页/共67页瑞典法：假定合成材料张力方向与初始布筋方向一致，筋材张力力臂yi为各层筋材到滑动圆心的垂直距离；“荷兰法”法：各层筋材张力到圆心的力臂均为滑动圆弧半径R，筋材在滑动面上产生了与滑动圆弧相应扭曲，这与“嵌压薄膜”概念类似； 相对而言荷兰法更加适合于大变形条件下，RSS结构的稳定分析，反之亦然。第50页/共67页 上

16、述推导仅考虑力矩平衡，忽略土条自身平衡，尽管简单，但显粗糙。 笔者曾考虑土条自身平衡和张力对破裂面摩阻力贡献，推得相应表达式，并结合数学规划技术，对多个合成材料加筋土结构的稳定性进行了成功分析。 近年来，基于概率统计和可靠性概念的极限状态法（Limit State Approach）开始应用于加筋土结构的设计，不同的极限状态，分项修正系数和可靠性指标的引入，使得设计考虑的更加全面，也预示着合成材料加筋土结构设计的深刻变革已经开始。第51页/共67页一、软土地基加筋土技术一、软土地基加筋土技术 合成材料结合砂垫层铺设于软土地基表面，降低不均匀沉降，提高承载力的应用。第52页/共67页（1）地基承

17、载力的破坏，主要填筑体尺寸不尽合理；（2）浅层软土薄层的挤出，主要是堤坝的宽度不够；（3）填筑结构的整体破坏，主要是合成材料的强度不足；（4）堤坝结构的变形过大，主要是合成材料的模量不足；（5）填筑结构中合成材料拉拔破坏，主要是合成材料与填土锚固力不足；（6）堤坝延伸破坏，主要是填土与合成材料的摩擦力不足。第53页/共67页合成材料应用于软土地基的设计模式合成材料应用于软土地基的设计模式H=?H=?L=?i=?T=?=?LL=?=?E=?=?(a)承载力(b)薄层侧挤(c)整体滑动断裂(e)整体滑动锚固(d)弹性变形(f)侧向延伸第54页/共67页 在上述6种破坏形式中，地基承载力仍然是首要的

18、 Watari等（1986）曾就Yamanouchi的表达式进行了改进： 其中， 为基础形状系数； c、 分别是软粘土的不排水抗剪强 度和容重； T是合成材料张力； Nc、Nq承载力修正系数。qfqcuNDRNBTcNq)sin2(第55页/共67页软基加筋的工作机理软基加筋的工作机理RTTDfB土工合成材料堤坝第56页/共67页二、路基中加筋土技术二、路基中加筋土技术 路基结构中合成材料加筋的机理不是十分清楚，路基材料的CBR值超过3.0（饱和）或超过10（非饱和）时（Vernon，1998），合成材料作为筋材加固作用已十分微弱，此时主要功能是隔离作用。 但是在没有永久性面层结构的临时性道路

19、、拖拉机道路或其它次要道路中，采用高模量的合成材料取代或减少碎石垫层厚度，增加路基整体稳定性的做法是可行的，这一应用已有近30年的历史。第57页/共67页 高模量合成材料用于减少碎石垫层厚度，一般有三类设计方法，即合成材料制造商提供的方法，理论分析的方法和试验的方法。 Giroud等（1981）根据车辆轴重、轮胎接触压力和车辙弯沉，依据浅基极限平衡理论，分别推出单一碎石垫层所需厚度h0和加入合成材料后的碎石垫层厚度h计算方法，其差即为加入合成材料后减少的碎石垫层量。 一般认为，软土地基愈差，合成材料模量愈高，则愈大，加入合成材料综合效益越好。而室内模拟试验设计方法，一般可采用CBR试验。第58

20、页/共67页三、边坡加固加筋土技术三、边坡加固加筋土技术 土工合成材料用于原位边坡的加固（In-Situ Slope Stabilization），一般采用土工棒结合土工织物或土工格栅联合使用。 显然这一应用技术与RSS有本质上的区别，对于填筑的土工结构，该应用属于后处理技术；而对于自然边坡，则属于原位加固技术。第59页/共67页 这一技术与土钉（Soil Nailing）工作机制相似，Koerner and Robins(1986)根据极限平衡理论和条分法概念，提出了整体稳定分析的计算公式，并考虑了（1）土工棒作为筋材穿过边坡内部潜在破裂面，类似于土钉增加了边坡稳定性；（2）土工织物或土工格

21、栅铺设在边坡表面与土工棒连接，其张拉应力增加边坡滑动体稳定性；（3）土工织物张拉应力镇压作用，增加了潜在破裂面上法向应力，提高边坡整体滑动稳定性；（4）这一体系增加了边坡土体密实程度，提高了边坡的稳定性。第60页/共67页图图6-29合成材料应用于边坡的断面示意图合成材料应用于边坡的断面示意图土工棒原变坡土工格栅或土工网潜在破裂面第61页/共67页四、纤维加筋土技术四、纤维加筋土技术(FRS) 近二十年来，合成纤维作为加筋材料，逐渐开始应用于加筋土结构，并被称为纤维加筋土（Fiber Reinforced Soils）。 根据纤维在土中布置是否定向，又分为定向纤维（Oriented Fiber

22、sOF）和分散随机纤维(Discrete, Randomly Distributed FibersDRDF)两大类。第62页/共67页 由于OF的存在，使得FRS复合体的峰值强度和残余强度分别增加了100%和300%。 残余强度的大幅提高，对路基等填筑工程的边坡稳定十分有利。第63页/共67页 Gray and OhashiGray and Ohashi（19831983）提出了定向FRSFRS的静力平衡模型，用来预测砂土中加入定向纤维后的强度增长。 Gray and Ohashi Gray and Ohashi （19861986），Noor Fatani(1991)Noor Fatani(1991)，Shewbridge and Sitar(1989Shewbridge and Sitar(1989，19901990和1996)1996)对OFOF纤维土进行了