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1、地基处理技术,土工膜 撕裂强度 树根桩, 掏土纠偏, 单位面积质量 管涌, 建筑物纠偏, 灌浆托换, 复合地基， 人工挖孔灌注桩,课程内容,第1章 土工加筋技术 第2章 托换技术 第3章 地基处理技术 第4章 地基处理实践新发展,第1章 土工加筋技术,1.1 概述 1.1.1土工加筋技术的发展 土的加筋（Soil Reinforcement）是在软弱土层中沉入碎石桩（或砂桩）；或在人工填土的路堤或挡墙内铺设土工聚合物（或钢带、钢条、尼龙绳等）；或在边坡内打入土锚（或土钉、树根桩等作为加筋，使这种人工复合的土体，可承受抗拉、抗压、抗剪或抗弯作用，籍以提高地基承载力、减少沉降和增加地基稳定性。这种

2、加筋作用的人工材料称为筋体（Reinforcing Element, Inclusion）。由土和筋体所组成的复合土体称为加筋土（Reinforcing Earth）。目前，加筋土已较多地用于建筑挡土墙、陡坡、路堤和浅基础地基的处理等。,图1 加筋技术在工程中应用 (a) 加筋土挡墙；(b) 土工聚合物加筋土堤；(c) 土锚加固边坡； (d) 土钉；(e) 树根桩稳定边坡；(f) 碎石桩加固路基,利用天然材料加筋和改善土体性状已有久远历史。远在新石器时代，我们的祖先就利用茅草作为土的加筋材料。在陕西半坡村发现的仰韶遗址，有很多简单房屋，利用草泥修筑墙壁和屋顶，距今约有五六千年，这种土中加筋的建

3、筑的方法，在我国一直延续到今天。在国外，远在公元前3000年以前，英国人曾在沼泽地带用木排修筑道路（Koerner,1986）。公元前2000 至1000年，巴比伦人曾利用土中加筋修筑宝塔。到20世纪二三十年代，美国还用棉织品加强路面，在第二次世界大战中，英国曾在路基上铺放梢辊和帆布，以便装甲车通过（Giroud，1986）。在水利工程上，荷兰曾与海洋进行了长期的斗争，大量利用柳枝、梢料加固堤坝，防止冲刷。利用金属作为土的加筋材料，为岩土工程材料开辟了一个新的领域。20世纪初，在美国曾利用金属杆件分层加固一座土坝的下游坝坡。到1965年法国工程师Henri Vidal根据三轴试验结果提出了较为

4、系统的加筋土理论。金属加筋的应用才得到迅速推广，以后又发展到利用钢筋混凝土构件作为土的加筋材料。,以天然材料作为岩土工程材料的一个致命的弱点就是易于腐蚀、耐久性差等。金属材料的应用虽然提高了一步，但由于金属容易锈蚀，抵御化学腐蚀的能力较弱，而且成本较高，因而限制了其使用的范围，土工合成材料（geosynthetics）就随之产生了。 土工合成材料是土木工程应用合成材料的总称。近代土工合成材料的发展，是与合成材料塑料、合成纤维和合成橡胶的发展分不开的。硝化纤维是第一个商品化的合成材料。关于土工合成材料的应用历史，可以追溯到20世纪的50年代。现已考证，土力学的奠基者太沙基（K.Terzaghi）

5、当时用滤层布（土工织物）作为柔性结构物结合水泥灌浆，封闭Mission坝岩石坝肩与钢板桩间隙。在同一工程，用池垫（土工膜）防止上游粘土铺盖脱水。Mission坝位于加拿大，现已改称为太沙基坝。不同的资料显示，土工合成材料的应用历史更早，例如，在20世纪30年代美国已用塑料布用到游泳池的防渗措施之中。到20世50年代，美国、苏联、印度等国家开始在渠道表层采用土工膜的防渗措施。1963年荷兰采用聚乙烯土工膜作为一个占地50公顷的小型水库的防渗措施。土工合成材料在我国的应用也可以追溯到20世纪的60年代，例如，北京市东北旺农场南干渠使用聚氯乙烯土工膜防渗。有纺织物首次应用的成功实例，是在1974年江

6、苏江都县嘶马长江的湖岸工程。该工程采用聚丙烯编织布，聚氯乙烯绳网和混凝土块组成整体沉排，防止河床冲刷。无防织物作为隔离材料，1981年铁路部门首先应用于防治“翻浆冒泥”现象。无防织物作为反滤材料，1984年首次成功地应用于云南麦子河工程大坝上。1983年铁路部门在广茂铁路路基中第一次采用了土工织物铺设在软土地基表面，增加了路堤的稳定性。在1998年我国的防洪抢险中土工合成材料发挥了很大的作用，并得到政府的大力推广，其后出现了不少“示范工程”、规范和专著，进一步促进了土工合成材料的应用和研究3。 随着土工合成材料品种的增多和应用研究的开展，出现了许多新的加筋土结构型式。例如，土工格栅碎石笼用于堤

7、基加固，土工织物碎石枕用于铁路路基的加固，袋装土沿坡面砌成连续的拱圈，用以保护土坡或修复滑动的渠坡和坝坡。还有纤维土，即纤维、碎散纤维网或格栅与土的混合材料等。,1.1.2土工加筋的类型和作用,表1 加筋材料性能比较,1.2 土工加筋原理,松散的砂在自重作用下可堆成具有天然休止角的斜坡(图2)，如在该砂中分层埋没水平向的加筋材料，则该加筋砂土就可保持一定高度的直立状态而不塌成斜坡。显然，加筋后所形成的复合体比未加筋土体力学性能有了改善。如果采用这种加筋砂土代替传统的圬工材料筑成某种工程结构物，则应该可以获得定的经济效果，这就是现代加筋土技术的基本思路。H.Vidal，F.Schlosse r,

8、 A.Mc.Gwon以及Yang等人就加筋材料何以能提高砂土的强度进行过试验研究，试验结果认为，加筋土强度的提高或者说加筋土体自主稳定性的增加，其基本原理存在于筋-土之间的相互摩阻联结之中。这些基本原理一般可归纳为两种解释：1)摩擦加筋原理；2)准粘聚力原理(Pseudo-cohesion concept)。,图2 砂土的加固效果 1-加筋材料 2-砂土,1.2.1 摩擦加筋原理 摩擦加筋原理也称为锚固理论。将加筋土视为锚固系统(如图3)，墙体破坏会产生主动区与稳定区。破坏棱体ABC(主动区)的水平推力被稳定区筋土之间的摩阻力所平衡，整个土体的稳定性得以保证。现取加筋土中一微分段dL来进行分析

9、，如图4所示。设由土的水平推力在该微分段拉筋中引起的拉力为dTT1-T2(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N，土粒与拉筋之间的摩擦系数为f，b为拉筋的宽度，如果 则筋一土之间就不会产生相互滑动。如果每一层拉筋均能满足上式的要求，则整个加筋土结构的内部稳定性就得到保证，从而也就不会出现图3中所示的破裂面AB。 摩擦加筋原理由于概念明确、简单，因此在高模量(如金属带加筋)加筋土的实际工程中得到较广泛的应用。,1.2.2 准粘聚力原理 准粘聚力原理又称为复合材料理论，填土与加筋结合为各向异性的复合材料。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可发现。如果未加筋砂土样

10、在s1及s2作用下达到极限平衡，那么加筋砂土在同样大小s1的作用下就达不到极限平衡，而是处于弹性平衡状态(图5)，这说明加筋土样的强度提高了。 如果在试验中对加筋砂土样施以s3并保持不变，则欲使试样达到新的极限平衡势必增大s1至s1 f。根据库仑一摩尔破坏准则，同时假定加筋前后土的值不变，则在新的极限平衡状态下的数学表达式为：,式中：加筋土样破坏时的最大主应力； 作用于土样侧面的最小主应力； 未加筋砂的内摩阻角； 加筋砂土样的“准粘聚力”。 将上式与未加筋砂土样的极限平衡条件相比较，加筋砂土样多了一项由c引起的承载力。,图5 加筋砂与未加筋砂的应力圆分析图 1-极限平衡；2-弹性平衡；3-新的

11、极限平衡,图6 加筋砂与未加筋砂的强度曲线 1-未加筋砂；2-加筋砂,图6加筋砂与未加筋砂的强度曲线完全平行，这说明前式假定加筋前后值不变是合理的；但加筋砂土的强度曲线不通过坐标原点而与纵坐标相截，其截距就是前式中的c ,因此前式对加筋砂土是成立的。,加筋砂土力学性能的改善是由于新的复合体(即加筋砂)具有某种粘聚力的缘故。该粘聚力不是砂土原有的，而是加筋的结果，同时在试验中对土体施加的侧限应力是摩擦力而不是加筋产生的，但在试验结果中却被粘聚力(c)代替了。c称为准粘聚力，它反映了复合体本身的材料特性。 准粘聚力可通过下述关系推导出。 在三轴试验中.假如将加筋砂土视为无筋砂土样，则在其达到极限平

12、衡状态，必有关系式：,准粘聚力是根据加筋土体处于破坏条件下求得的，只着眼于加筋土的强度。因此，准粘聚力理论适用于高模量的(如钢带，土工格栅等)筋带加筋土，因为高模量的筋带变形相对小，只要不断裂就足以阻止土产生侧向变形，从而提高加筋土的强度。,1.2.3破坏机理和强度理论 加筋上的破坏分为断裂破坏和滑动破坏两种形态。前者指填土中的加筋被拉断导致破坏，而后者则是由拉筋和土之间摩擦力不足导致加筋从土中拔出而形成的破坏。 1.2.3.1拉力破坏条件下的加筋土的强度特点 图7表示破坏条件下加筋土试样拉力破坏，取隔离体研究其静力平衡状态，忽略试样自重。 假定圆柱试样水平截面积F，破裂面与最大主应力面成角，

13、。其中a)图所示的是分析的隔离体。在圆柱试件表面上作用着大小主应力和，在破裂面上作用着反力R，粘聚力c，加筋拉力的合力T。b)图给出力多边形。c)图所反映的是破裂面情况。设加筋的竖向问距筋材的单宽抗拉强度RT，则由分析可得在拉力破坏条件下，加筋土的极限平衡力为：,图7 抗拉强度成为控制因素时计算图示,1.2.3.2滑动破坏条件下的加筋土的强度特点 如果加筋上属于滑动破坏，则三轴试样破裂面应有图4-5-8所示的计算图式。图中，上下两个较小圆柱截断体积为，而拔出的加筋面积为。设填土与加筋带的摩擦系数为，破裂面上各筋极限拉力的和为；,图8 摩阻力成为控制因素时计算图示,1.3加筋土的特性,为了选择和

14、应用土工合成材料，必得了解材料的工程特性，以便正确确定设计参数。有些特性参数是生产厂家提供的，例如产品的类型、聚合物的种类、加工工艺及产品规格等。同一种类型的材料，因加工工艺及制造过程不同，其工程特性有时差别很大。因此对厂家提供的数据应采取慎重的态度，使用单位应抽样试验来核实和确定。土工合成材料试验迄今尚无公认的技术规范和试验方法。现行的试验方法多数来源于其它专业，如岩土、纺织、高分子化学等等。 国际上，一些国家为了发展本国的土工织物标准试验方法，设立了相应的机构，例如美国材料与试验协会(ASTM)；英国标准研究所(BSI)，德国土工织物标准委员会(GSCG)；美国联邦公路管理局(FHWA)等

15、等。 我国土工合成材料技术协作网于1988年组织编写了“土工织物测试方法参考标准”。 1990年由原水利电力部委托南京水利科学研究院主持编写土工合成材料测试手册，这些工作对试验方法的日趋统一起到了积极作用。近年来，由于土工合成材料的品种及应用取得了较大发展，已有的测试项目有进一步充实和修订的必要。经土工合成材料工程协会与水利部商定，合作编写土工合成材料测试规程SLT2351999(简称99测试规程)。,1.3.2 物理特性1.3.2.1 厚度 土工合成材料厚度用mm表示，国外文献中有时用密尔(mi1)表示，1 mi10.001英寸0.025mm。有些材料，如无纺织物和某些复合材料，受压力时，厚

16、度变化很大，为标准计，用规定在某固定压力下测定厚度。参考标准和手册，规定此压力为2kPa。根据工程需要还应测试在20kPa、200kPa压力下的系列厚度。厚度变化对织物的孔隙率、透水性和过滤性等水力学特性有很大的影响。土工织物厚度测试采用专门的厚度测试仪如图12所示。,图12 厚度试验仪示意图,土工膜厚度可直接用千分尺测定。加压面积为25cm2基准板和试样面积为50cm2，加压时间30s，试样不少于10块。 测得每块厚度后，按下式计算平均值，标准差及变异系数值。 1、 算术平均值按下式计算,标准差按下式计算,式中: n试样块数； i 第i块试样的试验值； n块试样试验值的算术平均值。 变异系数

17、按下式计算,常用的各种上工合成材料的厚度：土工织物一般为0.15mm，最厚的可达十几毫米；土工膜一般为0.250.75mm，最厚的可达24mm，在复合型材料中有时采用较薄的土工膜，最薄可达0.1mm；土工格栅的厚度随部位的不同而异，其肋厚一般由0.5mm至几十毫米。,表2 各国标准对厚度测试的有关规定,1.3.2.2 单位面积质量 单位面积质量为单位面积土工合成材料具有的质量，它反映材料多方面的性能，如抗拉强度、顶破强度等力学性能以及孔隙率、渗透性等水力学性能。通常以g/m2表示，是土工合成材料的主要物理性能之一。 测定单位面积质量采用秤量法。试样面积为100cm2，数量不得少于10块，天平称

18、量读数应精确到0.01g(现场测试为0.1g)，测试前要求试祥在标准大气压下恒温(20土2)，恒湿(65土2)24小时。 测试后按下式计算单位面积质量。,式中: G单位面积质量(g/m2)； M试样质量(g)； A试样面积(m2)。 并按公式（4.5.27）(4.5.29）形式计算算术平均值，标准差及变异系数值。 土工织物和土工膜单位面积质量受原材料比重的影响，同时受厚度、外加剂和含水量的影响。 常用的土工织物单位面积质量一般在501200 g/m2的范围内。 目前国外测定土工织物的单位面积质量大多亦采用秤量法，但对试样面积、测试精度和测试环境等要求尚不统一。试样面积变化范围为0.0021m2

19、，试样块数110块，试样预处理条件大多为2065RH24h。,1.3.3 力学特性,1.3.3.1 抗拉强度 土工合成材料是柔性材料，大多通过其抗拉强度来承受荷载以发挥工程作用。因此抗拉强度及其应变是土工合成材料主要的力学特性指标。 土工合成材料的抗拉强度与测定时的试样宽度、形状、约束条件有关，因此必须在规定的标准条件下测定。 土工织物在受力过程中厚度是变化的，不易精确测定，故其受力大小一般以单位宽度所承受的力来表示，单位为kNm或Nm，而不是以习惯上所用的单位面积的应力来表示。,1.3.3.1 测试方法及影响因素,目前测定抗拉强度基本上是沿用纺织品条带拉伸试验方法，即把试样两端用夹具夹住，以

20、一定速率施加荷载进行拉伸直到破坏。测得试样自身断裂强度及变形，并绘出应力-应变曲线，如图13所示。显然这样测出的无侧限条件下的强度，并不能完全反映土工合成材料埋于土内的现场工程特性。但因为将材料埋于土中进行土与材料相互作用的试验十分复杂，模拟现场工程条件和应力应变特性的试验方法尚未解决，因此目前仍沿用上述方法。 无纺织物受拉时，其拉伸变形很大，由于无侧向约束，试样会产生“颈缩”现象。试样越窄颈缩百分比越大，试样越宽中间纤维相当于受部分侧向约束，颈缩百分比减小。而有纺织物，则由于其承受拉力方向的扁丝不均匀，试样越宽，这种不均匀性愈大。关于条宽对抗拉强度的影响程度，国内外学者都作了一些工作，其中英

21、国的Myles等向第三届国际土工织物会议(1986年)提供的资料具有一定的代表性，如图14所示。如果与宽度1000mm的试祥作比较，用50mm宽的有纺窄条得出的抗拉强度将提高13%，无纺织物则降低30，随着宽度的增加，差别逐渐降低，当宽度增至500mm以后，与1000mm试祥的强度差别不大。,为使试验结果尽可能接近实际情况，常设法减小颈缩影响。一种方法是加宽试样，另一种方法是采用平面应变拉伸试验方法。如图15所示，在两夹具之间用10根有凸钉的夹杆把试样夹住，可有效地防止拉伸时的横向收缩，减少“颈缩”，但此法比较麻烦，常规拉伸试验中不常采用。 目前条带拉伸试验的试样分宽条与窄条两种，宽条试样宽2

22、00mm，长100mm，宽长比B/L=2，见图16（b）；窄条试样宽50mm，长100mm，宽长比B/L=1/2，见图16（a）。,1.3.3.2、测定值计算,各试样的抗拉强度，可由拉力机上直接读出或从记录曲线上量取，然后用下式计算。 式中: Ts抗拉强度(kNm)； Pt测读的最大抗拉力(N或kN)； B试样宽(m)。 各试样的伸长率以试样伸长量占初始长度的百分数表示。伸长量可直接量测，或由记录曲线上量取。 伸长率按下式计算： 式中： 伸长率（%）； L0试样初始长度(mm)； Lf对应最大拉力时的试样长度(mm)。,1.3.3.3 握持力,土工织物承受集中力的现象普遍存在，握持力反映其分散

23、集中力的能力。握持力试验选用的仪器一般与条带拉伸试验相同，但试验方法不同。握持力试验是握持试样两端部分宽度而进行的一种拉力试验，它的强度由两部分组成：一部分为试样被握持宽度的抗拉强度，另一部分为相邻纤维提供的附加抗拉强度。握持力的单位为N或kN，它与条带拉伸强度之间没有简单的对比关系。 99测试规程主要参照ASTM的标推，试验方法如图17所示。试样宽100mm，长200mm，夹具宽25mm，长50mm。国外采用拉伸速率为300mmmin，考虑到我国一般拉力机加荷速率的能力，99测试规程规定为100mmmin。 土工织物握持力值一般为0.36.0kN。,图17 握持力试样,1.3.3.4 梯形撕

24、裂力,土工织物和土工膜在铺设和使用过程中，常常会有不同程度的破损。撕裂力反映了试样抵抗扩大破损裂口的能力，如图18所示。可评价不同土工织物和土工膜被扩大破损程度的难易，是土工合成材料应用中的重要力学指标。 目前撕裂力试验沿用纺织品标准测试方法，常用的纺织品撕裂试验，按试样形状分为梯形法、翼形法以及舌形法，舌形法又分单缝与双缝两种，如图19所示。目前多采用梯形法测定土工织物及土工膜的撕裂力。,1.3.3.5 顶破试验,工程应用中，土工织物及土工膜常被置于两种不同粒径的材料之间，受到粒料的顶压作用。施工中也将受到抛填粒料引起的法向荷载。根据粒径大小及形状，土工织物及土工膜按接触面的受力特征和破坏形

25、式可分为顶破、刺破和穿透几种受力状态，如图22所示。,图22 填筑过程中土工织物可能的受力状态 (a) 顶破；(b) 刺破；(c) 穿透,图23 顶破试验方法,顶破强度是反应土工织物及土工膜抵抗垂直织物平面的法向压力的能力，顶破试验与刺破强度试验相比：压力作用面积相对较大，材料呈双向受力状态。所用试验方法有液压胀破试验(图23a )、圆球顶破试验(图23b )和CBR顶破试验(图23c )。 刺破强度是反映土工织物或土工膜抵抗小面积集中荷载(如有棱角的石子或树枝等)的能力。试验方法与圆球顶破试验相似，只是以金属杆代替圆球，如图24所示。 穿透强度可通穿透试验测得。这种试验是模拟工程施工中具有尖

26、角的石块或其他锐利物落在土工织物和土工膜上的情况，用穿透试验所得孔眼的大小，评价土工织物或土工膜抵御穿透的能力，,1.3.3.6 蠕变特性,材料的蠕变是指材料在受力大小不变条件下，其变形随时间增长而逐渐增大的现象，蠕变特性是土工合成材料的重要特性之一、是材料能否长期使用的关键。 蠕变特性试验目的尚无统一的标准方法，一般采用宽条试样(宽200mm)，以悬吊的金属锤为荷重。施加的荷重分为数级，如25、50及75的断裂强度。试验过程中记录不同时间的应变量，绘制不同量级荷重条件下的应变量与时间对数值的半对数曲线，如图26所示。曲线与纵坐标的交点相当于初始应变量，经过t时后增加的应变量称为蠕变量，用表示

27、。根据大量试验结果，在一定的应力水平下以半对数表示的蠕变试验曲线近于直线变化。,图26 应变-时间对数曲线,由于土工合成材料的蠕变特性是影响其长期性能的重要因素，最近国外相继对此进行了研究。如Victor Elias等利用自研的拉拔仪对埋设在土体的土工筋材进行拉伸蠕变试验，根据试验结果对几种土工织物和土工格栅的蠕变性能进行比较。试验中为了便于和无约束筋材试件拉伸蠕变结果进行对比，采用了与ASTMD5262规范一致的(103)min的应变率.Khalid Farrag等在室温和高温下对两种土工格栅进行蠕变试验，研究它们的时间-荷载-温度关系，并运用粘弹性理论分析这种关系，借助时温等效原理，欲从短

28、期的高温下蠕变获得长期的常温下土工格栅的蠕变性能。,1.3.4 土工合成材料与土的界面摩擦特性,把土工合成材料作为加筋材料埋在土内，或作为滤层铺在土坡上，都将与周围土体形成复合体系。两种材料在外载和自重作用下产生变形时，将沿它们的界面发生相互作用。在实际工程中，土工加筋材料在填料中可能出现两种受力状态：直剪或拉拔。 测定土工合成材料与土相互作用的界面摩擦特性的试验，般采用类似于常规土工试验的直接剪切仪，而拉拔试验常模拟现场条件，研制出各种不同形式的拉拔试验箱或试验槽。这两种试验虽然均是反映界面摩擦作用，但机理却不尽相同，试验结果存在一定的差异。,1.3.4.1 直接剪切摩擦试验,两种材料界面上

29、的摩擦特性常以粘着力c和摩擦角或似摩擦系数表示。摩擦剪切强度符合库仑定律可表示为： 式中： 界面抗剪强度，kPa； c粘着力, kPa； 摩擦角，（0）； p法向压力，kPa； 似摩擦系数。 直接剪切摩擦试验一般在4种不同压力P下进行，侧出相应的强度值，然后将试验结果点绘成线，求出c、或值。也可采用最小二乘法进行回归，计算这些数值。所采用的压力应根据土工合成材料在土中发挥作用时所受的压力确定。,织物与土之间的粘着力般很小，常常可以忽略不计，而土工格栅与土之间的咬合力较大。土与土工合成材料之间的摩擦角与土的颗粒大小、形状、紧密程度和织物的种类、孔径以及厚度等因素有关，也受试验时正压力大小的影响。

30、根据国内外有关试验结果，细粒土(如细砂、砂壤土等，其土颗粒粒径小于织物孔隙)，以及疏松的中等颗粒的土(如松砂等)，它们与织物之间的摩擦角接近于土体本身的摩擦用。对于粗颗粒土(如粗砂、砾石，其颗粒一般大于织物的孔隙)，以及密实的中细砂等，与织物间的摩擦角小于土的内摩擦角，且土与针刺无纺织物之间的内摩擦角较大，土与土工膜及有纺织物或热粘无纺织物之间的摩擦角较小，如图27所示。,图 27 直剪仪示意图,1.3.4.2 拉拔摩擦试验,土工合成材料埋在土内，受到沿其平面方向的拉力时，将在拉力方向上引起应力和变形。由于有法向应力作用，受拉时上、下界面上将引起摩擦阻力。该阻力沿拉力方向不是均匀分布的，而随各

31、点的应变不同而不同。材料被拔出的瞬时，可认为上、下界面上的摩阻力均匀分布，并与拉力平衡，该值即为界面的摩擦强度。 直剪摩擦试验与拉拔摩擦试验的机理不同，试验结果常存在一定差异。两种试验的强度发挥和主要影响因素不同。哪种结果受力更为合理。难以简单评价。如果能预估实际工程填土和织物可能出现的相对位移情况，则直剪摩擦试验较能反映实际的单面相对位移；双面均与土发生位移，则拉拔试验可能更为合适。对刚度较小的土工合成材料，直剪试验较符合实际情况；对刚度较大的材料，则拉拔试验更宜。,1.3.5 水力学特性,由于土工织物、细孔土工网等土工合成材树可以使水及空气自由地通过，并能有效地截留和控制土颗粒的流失，因此

32、被广泛地用作排水和过滤材料。为此必须研究其水力学特性。其主要包括两方面：一是透水与导水能力；二是阻止颗粒流失的能力。此特性涉及到土工合成材料的孔隙率、孔径大小与分布情况、渗透特性等。现将这些特性简述如下： 土工合成材料的孔隙率是其孔隙体积与总体积的比值，以n（%）表示。它的确定不需要直接进行试验，而是通过计算求得，可按以下公式计算： 式中：m单位面积质量，gm2； 原材料密度，gm3； 织物厚度，m。,土工合成材料的孔径反映材料的透水性能与保持土颗粒的能力，是一个重要的特征指标。孔径的符号以O表示，单位为mm，并用下标表示织物孔径的分布情况，例如O95表示材料中95的孔径低于该值。孔径大小的分

33、布曲线类似于土的颗粒级配曲线。目前表示土工合成材料特称孔径的方法有有效孔径Oe及等效孔径EOS。目前普遍采用EOS，其含义相当于材料的表观最大孔径，也就是土颗粒能通过土工合成材料的最大粒径。不同的标准对EOS的规定不同，目前我国多取O95。目前孔径的测量方法有直接法和间接法两类。直接法包括显微镜法和投影放大测读法；间接法有干筛法、湿筛法、水动力法、水银压入法、吸引法和渗透法等。,土工织物的渗透特性是其重要水力学特性之一。在过滤标准及其它有关水力学中，是一项不可缺少的重要指标。根据工程的需要，通常要确定垂直于织物平面的渗透特性和平行于织物平面的渗透特性。垂直于织物平面的渗透特性，主要用垂直渗透系

34、数kn表示，该系数是渗流的水力梯度等于1时的渗流流速，一般服从达西定律。土工织物的渗透系数约为8 x 10-45 x 10-1cm/s,其中无纺织物的渗透系数为4x10-35x10-1cm/s。沿织物平面的渗透系数kt定义为水力坡降等于1时的渗透流速。无纺织物的渗透参数kt值大约为10-3-10-1cm/s，一般比垂直于织物平面的渗透系数kn大。影响土工织物渗透的因素十分复杂，主要有试样面积的大小、织物本身的性质、织物的结构类型及孔隙分布、织物平面上的法向应力、水位差、水温、水中气泡含量和测试仪器的性能等。,使用土工膜的目的在于防渗。它可以阻挡水、水气、气体及有害物质(例如甲醇、丙酮和二甲苯等

35、)的渗透。土工膜在水压力作用下产生渗透的原因是由于制造时的不均匀性和缺陷等因素造成的。 有些细微的通道，则是在一定的水压力下被水冲破而形成的。温度变化引起水体积变化，土工膜的渗透系数愈小，温度对试验结果影响愈大。 土工织物用作滤层时，水从被保护土中流过织物，在流动中使土颗粒集聚在织物表面的孔口上，堵塞水流通道的进口，或是细颗粒沉积在孔隙内部，逐渐减小通道的有效过水面积。前者称为堵塞，后者称为淤堵。堵塞一般发生在渗流开始阶段，而淤堵则随时间增长而加重。目前判断织物滤层淤堵，通常是通过观察通过织物的流量减小以及进入织物的土颗粒增多的现象来评估，还不能给出淤堵程度的允许值，只能通过被保护土与织物滤层

36、的长期工作试验，观测渗透流量的变化与稳定情况来评估。,土工合成材料的耐久性包括许多方面，主要是指对紫外线辐射、温度变化、化学与生物侵蚀、干湿变化、冻融变化和机械磨损等外界因素变化的抵御能力。材料的耐久性主要与聚合物的类型及添加剂的性质有关。 土工合成材料的老化现象主要是因为高分子聚合物具有链节结构，受外界因素的影响发生降解反应或交联反应的结果。使材料老化的各种因素中，阳光辐射起着最重要的作用。紫外线具有很大的能量，能够切断许多聚合物的分子链，或者引发光氧化反应。其试验方法主要有自然老化和人工老化两大类。近几年采用了一系列措施以增加聚合物的抗老化能力，并取得了很好的效果。添加防老化剂，方法简单，

37、效果显著，是当前防老化的主要途径。土工合成材料在有覆盖的情况下(或埋在土中)，老化速度缓慢。 聚合物对化学腐蚀一般具有较高的抵抗能力，但某些特殊的化学药剂或废品对聚合物有腐蚀作用。因而利用土工合成材料如土工膜)作污水或废物存储池的防渗利料时，对其化学稳定性要认真对待。,1.3.6 耐久性,1.4 加筋地基,1.4.1 条形基础的加筋地基 理论分析与实验观察表明，条形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。 通过用土工织物加筋提高浅基础承载力的试验，得到以下试验的成

38、果供设计参考。 (1)对于相对密度Dr50%的砂，在相同荷载作用下有加筋基础的沉降与无加筋基础的沉降相差不大。 (2)顶层加筋的最佳深度为0.3倍基础宽度，有效加筋范围不大于2倍基础宽度。 (3)在有效深度内，加筋层数对地基沉降影响较大，最佳加筋层数为6。 (4)沉降随加筋织物长度的增大而减小。最佳加筋长度为2.5倍基础宽度，超过该长度的织物只是增加了锚固长度，对基础沉降影响不大。 (5)增大加筋织物强度，能有效减小基础沉降。 通过以上得到的试验结果，可以得出土工织物对地基的加筋主要有以下三个方面： (1)增强砂垫层的整体性和刚度，减小不均匀沉降。 (2)扩散应力，使压缩应力分布均匀。 (3)

39、约束软弱土的侧向变形。,1.4.1.1条形浅基础的加筋土地基,太沙基等研究者将条形浅基础破坏时（整体滑动破坏）的地基分为三个区，即主动极限平衡区I、被动极限平衡区III和过渡区II，并推导出地基极限承载力公式（4.5.35） （4.5.35） 从式（4-5-35）可见，由地基土的重度和抗剪强度参数c、等参数即可计算地基的承载力。但是对于加筋地基，出现c、和是取加筋土垫层的参数，还是取原地基土参数的问题。答案是只有当加筋土的范围不小于图28中完整滑动面范围时，才能取加筋土的有关参数，筋材也应均布在该范围才能发挥正常功能。,图28 太沙基承载力理论假设的滑动面,表3 滑动面长度和深度,1.4.1.

40、2 土工格室加筋地基,土工格室是通过格室中每个单元的箍力来增加体系的承载能力，甚至不需要初始变形即可发挥加筋作用。土工格室提高承载力的机理在于格室侧壁的摩擦和限制力不仅增加了土体围压，还使之获得了“准粘聚力”。研究发现承载力随格室材料强度的增加而提高，并且每个格室的高、宽比在1.5 1.0范围内效果好。当格室侧壁有斜纹、穿孔时，还可进一步提高承载力。侧壁的穿孔兼排水、允许根系横向发展的作用，同时减小材料消耗。 美国H.K.Koemer根据Terzaghi理论给出了土工格室加筋地基承载力的计算公式，认为土工格室的限制作用使得地基破坏面向下延伸，扩大了滑动面范围。原有地基（不带土工格室）和土工格室

41、加筋地基的破坏形式参见图29，承载力计算公式分别为式（4.5.38）和式（4.5.39）。从式（4.5.39）可看出，土工格室增加的地基承载力还包括向上的侧壁摩擦力（式中第一项）和格室自重形成的旁侧荷载（第三项）。,图29 带/不带土工格室组合体破坏机理示意图,表,的建议值,1.4.2加筋路堤1.4.2.1加筋路堤概述,在软基上筑堤，由于软土强度较低，压缩性较大，容易产生地基破坏、过大的沉降及不均匀沉降。为了保证路堤的稳定，常常要对软土地基进行加固和处理。利用土工合成材料加筋处理堤坝软基是一种行之有效方法。这主要是通过堤底面铺设土工合成材料与砂石等组成加筋垫层，保持基底完整连续，约束浅层地基软

42、土的侧向变形，改善软基浅部的位移场和应力场，均化应力分布，从而提高地基承载能力和稳定性，调整不均匀沉降。关于堤体边坡加筋属于加筋边坡问题，参见下节。本节仅讨论堤基底加筋问题。 一般堤坝基底的荷载较大，欲发挥加筋的作用宜采用高抗拉强度，低延伸率，大模量土工合成材料(土工织物、土工网、土工格栅、土工席垫、土工格室等)。加筋铺设根据需要一般用一层和多层。 软基上的加筋堤与无加筋堤不同之处是它的破坏机理和破坏条件不同。无加筋堤在较厚的软土层上时，一般为圆弧滑动或冲切式下沉隆起破坏；在薄层软土层上，则为侧向挤出破坏。在软基上的加筋提，由于有加筋垫层，其破坏形式明显地与加筋有关，大致有五种。 (1)滑动破

43、坏 如图4-5-30(a)(荷兰一处试验提)特点是，土工织物筋材被拉断，填土和地基一起滑动，筋材基本上不改变滑弧的位置。破坏的主因是地基较弱，强度不足，所铺设的土工织物的强度也太小，刚度低等加筋作用小引起的。,(2)筋材断裂破环 如图30(b)(旧金山港一路堤的破坏)。路堤中心沉陷较大，形成一弓形基底沉降剖面织物被拉断裂后，呈对称圆弧滑动。地基的潜在滑动面应通过最大拉力点。所以，对加筋堤的稳定验算，除了要考虑拉筋的抗滑力外，更重要的是按限定潜在滑动面验算其稳定性。 (3)地基土塑性破坏 如图30(c)(我国黄埔试验堤)。在填筑过程中，由于一次加载过大，路堤突然下沉30.8cm，但仍未失去其稳定

44、性。其特点是当地基土已进入剪切破坏(或塑性流动)，而填土和筋材尚未破坏，地基的剪切破坏也具有对称性，如果两侧施加反压重，就有可能获得新的平衡。所采用的加筋垫层具有足够的抗拉强度和刚度，保证了基底和上部填土的整体性，采用类似柴排或者柔性筏基。按软基上柔性筏板基础的承载力验算地基的稳定性可能会接近于实际。 (4)薄层挤出破坏 如图30 (d)(我国三茂线试验路提)。软土层厚约8m，底宽45m，属于薄层软土地基。在施工中曾突然下沉，日沉降达0.418m，但很快就趋于稳定，且43天就填筑至92m堤高。突然下沉说明地基已出现局部剪切破坏；很快就趋于稳定，说明塑性挤出后，地基土又获得新的平衡。这种破坏模式

45、也是以加筋垫层具有足够的抗拉强度、刚度和完整性为前提的。 (5)水平滑移破坏 在某些堤坝工程中(如图30 (e)，由于设计坝坡过陡，在填土与加筋层之间产生较大的滑动力，当筋材与填土的摩阻力不能满足时，就会沿筋材表面发生水平滑移。,从以上分析可知：影响加筋堤破坏形式的因素主要是筋材的抗拉强度和延伸率，加筋垫层的刚度和完整性，软土层的厚度及其强度和变形性质等。筋材强度控制潜在滑动面发展的位置；软土层的厚度影响潜在滑动面的形态(深层圆弧滑动或是浅层平面滑移挤出等)：加筋垫层的强度和刚度及完整性影响分析模型的建立。所以，加筋堤稳定分析模型应该是多样的。 Koerner等人提出了五种模型，即承载力型，弹

46、性变形型，圆弧滑动型，拉拔锚固型和侧向滑移型等。张道宽等人也提出四种分析模型，即滑动破坏，承载破坏，薄层挤出破坏和织物拉断等。RKRowe根据有限元分析的结果认为：当软土层厚度较小时(DB0.33，D为软土层厚度，B为堤底的宽度)，填土与地基的界面上及地基的浅部产生较大的水平位移，潜在滑动面沿浅部水平向发展，如果加筋具有较高的强度，它可以阻止水平位移的发展，提高地基的稳定性，当软土层较厚时，界面上以垂直位移为主，水平位移很小，潜在滑动面较深，圆弧滑动面在堤顶取近堤中心处。加筋对堤的稳定性，除了沿筋材提供一个拉力外，主要是约束地基的变形，使地基中的位移场和应力场发生了变化，相应改变了潜在滑动面的

47、位置和形状。归纳起来可分为几类；,(1)深层圆弧滑动 软土层较厚(DB0.33)的加筋提，且填土、筋材和地基三部分都可能产生破坏。除了要考虑筋材的抗滑力外，还应考虑潜在滑动面的位置受筋材的最大拉力点控制，滑弧面应通过堤底中心附近。 (2)浅层水平滑动 适用于软土层厚度较小（DB0.33)情况，且填土、加筋层及地基都可能产生破坏。潜在滑动面受最大拉力点控制，并沿地基浅部作水平滑动。除了要考虑筋材的抗滑力外，潜在滑动面通过堤基底中心附近。 (3)地基整体承载破坏 适用于堤基加筋垫层具有足够的抗拉强度、厚度、刚度和整体性，不可能被拉断和局部破坏。把加筋堤看作为一个承受荷载的柔性整体基础上，用承载力理

48、论来估算其承载力，同时考虑软土层厚度的影响。 此外还有有限元分析法。利用有限元分析对于判别地基的破坏机理特别有用，并可以适用于各种破坏条件的分析。但是，这种方法由于计算参数和计算模型不易准确确定，计算又比较复杂，实际应用较少。,1.4.2.2平铺式加筋路堤,在软土地基上水平设置土工布、土工格网、土工格栅等筋材加固层，是克服道路施工和使用时软土地基承载力极低的缺点，从而保证路堤安全稳定的一种行之有效的方法。这种方法是在淤泥土层上人工平铺一层或几层筋材，再摊铺合适厚度的砂垫层(利于排水)和填土层，也有采用粉煤灰做填料的。 对于仅设平铺加筋的情形，根据软土地基不同厚度分别存在不同的分析方法。在分析之

49、前，首先需要掌握以下几方面资料： (1)路堤设计资料。主要包括软土地基上路堤高度、长度及顶面宽度、边坡以及各项外荷载。 (2)地基土特性。主要包括土层剖面、地下水位及变化、土的容重、不排水与排水抗剪强度、固结指标和土中化学成分等。 (3)填土特性。主要包括颗粒粒径分布、塑性指标、压实指标及强度等。 (4)计算要求的安全系数。整体承载力，竣工时稳定性系数，长期稳定性，抗平面滑移，动力分析；许可沉降量按工程要求规定。,1.4.2.3土工格网碎石桩复合地基,除了常用塑料排水板用于软土地基排水固结外，碎石桩在软土地基处理中应用得非常广泛，它既可以提高地基载承力，降低压缩量，又可以配合砂垫层等其它措施，

50、加快软土地基的固结沉降速度，从而达到加固地基的目的；但是，桩体的膨胀破坏限制了桩的承载能力。试验证明膨胀破坏常发生在距桩顶11.5倍桩径的深度范围内：为了提高碎石桩的承载能力，可以采用土工格网或织物加固碎石桩的方法。土工格网或织物加固碎石桩的方法有以下两种：在桩外裹层土工格网，或在桩体距桩顶一定深度范围(23倍桩径)内分层水平布设土工格网或织物，即土工格网裹碎石桩法和平铺筋材加固碎石桩法。 土工格网围裹碎石桩是将土工格网围在钢筋笼内侧，再在其内部充填碎石材料形成的。利用土工格网较强的张拉强度将碎石材料紧紧束缚在一起，限制桩体的侧向变形，从而提高碎石桩承载力。 关于平铺土工格网或织物加固碎石桩或

51、土体、提高复合地基承载力的机理，人们已做了不同类型的加筋试件抗压试验。这类试验包括无侧限抗压和有侧限抗压两类。,1.4.2.4平铺加筋群桩复合地基,在应用水泥混凝土顶制桩、碎石桩、粉喷桩等群桩加固软土地基以保证路基的稳定性和防止路基不均匀沉降时，为了使路堤的填土荷载均匀地作用于桩顶及桩间土上，在桩顶上铺设一加筋垫层，形成平铺加筋群桩复合地基。其作用主要是发挥桩和土的共同作用，提高软土地基的承载力，减少沉降。,1.5加筋土挡墙1.5.1概述,加筋土挡墙(Reinforced Earth wall)系由填土、在填土中布置一定量的拉筋以及直立的墙面板三部分组成一个整体的复合结构。这种结构内部存在着墙

52、面土压力、拉筋的拉力及填料与拉筋间的摩擦力等相互作用的内力。这些内力互相平衡，保证了这一复合结构的内部稳定。同时，加筋土这一复合结构类似于重力式挡墙，还要能抵抗加筋体后面填土所产生的侧压力，即为加筋土挡墙的外部稳定，从而使整个复合结构稳定。与其它结构一样，在加筋土结构外部稳定性验算中，还包括地基承载力的稳定验算。 法国工程师Henri Vidal于1963年首次提出了土的加筋方法与设计理论，并在1965年法国普拉聂尔斯成功地建成了世界第一座加筋土挡墙。1978、1979、1984和1988年分别在澳大利亚的悉尼、美国的匹兹堡、法国的巴黎和日本的福冈召开了多次国际加筋挡墙会议。法、英、美、日和德

53、国等已制订了加筋土工程的规范、条例和技术指南，当前国际上已成立了“加筋土工程协会”。 20世纪70年代末加筋土技术在我国开始应用，1979年云南田坝矿区贮煤场修建了加筋土挡墙。1982年在武汉召开了我国“加筋土学术研究会”，1983年在太原召开了全国公路加筋土技术经验交流会。其后又先后多次召开了全国性会议。我国目前已编制了公路加筋土工程设计规范(JTJ036-91)和公路加筋土工程施工技术规范(JTJ016-91)。目前我国最高的加筋土挡墙在陕西“故邑”，高达35.5m；最长的是重庆沿长江的滨江公路驳岸墙，总长达到5km。现今加筋土技术已广泛用于路基、桥梁、驳岸、码头、贮煤仓、槽道和堆料场等工

54、程中。,加筋土挡墙有以下特点：,(1) 它的最大特点是可做成很高的垂直填土，从而减少占地面积，这对不利于放坡的地区、城市道路以及土地珍贵的地区而言，有着巨大的经济意义。 (2) 面板、筋带可在工厂中定型制造加工，构件全部预制，实现了工厂化生产，不但保证了质量，而且降低了原材料消耗。 (3) 由于构件较轻，施工简便，除需配备压实机械外，不需配备其它机械，施工易于掌握，施工快速，且能节省劳力和缩短工期。 (4) 充分利用材料性能，特别是土与拉筋的共同作用，使挡土墙结构轻型化，其所用混凝土体积相当于重力式挡土墙的3%5%。由于加筋土挡土墙面板薄，基础尺寸小，当挡土墙高度超过5m时，加筋土挡土墙的造价

55、与重力式挡土墙相比可降低40%60%，墙越高经济效益越佳，与其它形式钢筋混凝土挡墙相比，造价上的优势更加显著。 (5) 加筋土挡土墙系由各构件相互拼装而成，具有柔性结构的性能，可承受较大的地基变形，因而适用于软土地基。 (6) 加筋土挡土墙这一复合结构的整体性较好，且它所特有的柔性能够很好地吸收地震能量，具有良好的抗震性能。 (7) 面板的形式可根据需要选用，拼装完成后造型美观，适合于城市道路的支挡工程。 加筋土挡墙主要适用于公路加筋土挡墙和公路梁(板)式加筋土桥台等构筑物，因限于篇幅，本节主要介绍公路加筋土挡土墙的内容。,1.5.2 加筋挡墙的破坏机理,加筋土挡土墙的整体稳定性取决于加筋土挡

56、土墙的内部和外部的稳定性，其可能产生的破坏形式如图31和图32所示。从加筋土挡土墙内部结构分析知(图33)，由于土压力的作用，土体中产生一个破裂面，破裂面的滑动楔体达到极限状态。在土中埋设拉筋后，趋于滑动的楔体，通过面板和土与拉筋间的摩擦作用产生将拉筋拔出的倾向。因此，这部分的水平分力的方向指向墙外。滑动楔体后面的土体则由于拉筋和土体间的摩擦作用把拉筋锚固在土中，从而阻止拉筋被拔出，这一部分的水平分力是指向土体。两个水平方向分力的交点就是拉筋的最大应力点。将每根拉筋的最大应力点连接成一曲线，该曲线把加筋土挡墙分成两个区域，将各拉筋最大应力点连线以左的土体称为主动区(或活动区)，以右的土体称为被

57、动区(或锚固区、稳定区)，见图33。,图31加筋土挡土墙内部可能产生的破坏形式 (a) 拉筋拔出破坏；(b) 拉筋断裂；(c) 面板与拉筋间接头破坏； (d) 面板断裂；(e) 贯穿回填土破坏；(f) 沿拉筋表面破坏图,图32 加筋土挡土墙外部可能产生的破坏形式 (a) 土坡整体失稳；(b) 滑动破坏；(c) 倾覆破坏；(d) 承载力破坏,图33 加筋土挡土墙内部结构受力分析,通过大量的室内模型试验和野外实测资料分析，两个区域的分界线离开墙面的最大距离为0.3H。然而，Mitchell和Villet(1987)认为，对于延伸性较大的土工合成材料，其破裂面接近朗金理论的破裂面。当然加筋土两个区域

58、的分界线的形式，还要受下列几个因素的影响： (1) 结构的几何形状； (2) 作用在结构上的外力； (3) 地基的变形； (4) 土与拉筋间的摩擦力。,1.5.3 加筋土挡墙的设计计算,加筋土挡墙的设计计算应保证各部分具有足够的强度、耐久性和加筋体的整体稳定性。 加筋土工程的勘察资料，应能满足确定结构尺寸、筋带与填料类型、地基承载力和设计排水设施等要求。 1.5.3.1加筋土挡土墙的形式 加筋土挡土墙一般修建在填方地段，如在挖土地段使用，则需增大土方数量。它可应用于道路工程中路肩式及路堤式挡墙，如图34所示。 根据拉筋不同配置的方法，可分为单面加筋土挡土墙(图34)、双面分离式加筋土挡土墙和双

59、面交错式加筋土挡土墙(图35)以及台阶式加筋土挡土墙(图36)。,图34 加筋土挡土墙 (a) 路肩式挡土墙；(b) 路堤式挡土墙,1.5.3.2加筋土挡土墙填料 一、加筋体填料 加筋土挡土墙内填土一般应具有易压实、能与拉筋产生足够的摩擦力、满足化学和电化学标准以及水稳性好(浸水工程)等要求。为此填料应优先采用有一定级配的砾类土或砂类土；也可采用碎石土、黄土、中低液限粘性土、稳定土及满足质量要求的工业废渣；对高液限粘性土及其它特殊土应在采取可靠技术措施后才能采用；应禁止采用腐质土、冻结土、白垩土及硅藻土。 含水量适当时，粘性土是可压实的，压实后同样可获得较大的内摩擦角，同时粘聚力的作用可以部分发挥筋带强度，在最优含水量时粘性土与土工带的摩擦系数一般大于0.3。施工中对粘