黃文熙講座(土工合成材料加筋地基)

1、 土工合成材料加筋地基土工合成材料加筋地基 Geosynthetics-Reinforced Foundation 王王 釗釗 武漢大學 殷建華殷建華 香港理工大學 白曉紅白曉紅 太原理工大學 2007黃文熙講座學術報告會 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) 是指應用于巖土工程和土木工程中合成材料的總稱。1、材料；聚丙烯、聚乙烯、聚酯等2、加筋用產品形式：土工織物（geotextiles)、土工格柵 （geogrids）、土工復合材料 (geocomposites)、土工格室 等3、應用領域：土建、水利、交通、采礦、環(huán)境保護等土作為

2、散粒體需要一種連續(xù)介質改善其工程特性例如，加筋土擋土墻、加筋地基加筋土坡、軟土地基上的加筋堤，以及路面的加筋等（二）加筋用土工合成材料土工合成材料1、 土工織物 geotextiles土工織物是采用編織技術生產的透水性土工合成材料，成布狀，故俗稱土工布。主要特點是重量輕、整體連續(xù)性好、施工簡便、抗拉強度高、耐腐蝕。土工織物又分為有紡土工織物（woven geotextiles）和無紡土工織物（nonwoven geotextiles），前者由單絲或多股絲織成，或由薄膜切成的扁絲編織而成；后者由短纖維或噴絲長纖維隨機鋪成絮墊，再經機械纏合（針刺）或熱粘，或化學粘合而成（參見彩圖1和2）。圖圖1

3、1 有紡織物有紡織物 圖圖2 2 無紡織物無紡織物隔離、加筋 2、土工格柵geogrids 土工格柵是一種以高密度聚乙烯或聚丙烯塑料（包括玻璃纖維）為原料加工形成的開口的、類似格柵狀的產品，具有較大的網孔。塑料土工格柵可以在一個方向或兩個方向上進行拉伸取向以提高力學性能。 另一種更靈活的、織物狀的土工格柵由英國的ICI開發(fā)出來，采用的是聚酯纖維，這導致了在編織機上制造聚脂格柵的發(fā)展，產品稱為經編（knitted）格柵。在這種工藝中，眾多的纖維在一起形成了縱向和橫向肋條，上面涂有一些保護材料，如PVC，乳膠或瀝青。此外，還有玻纖(glass fiber)格柵，它也是一種經編格柵（參見彩圖3）。目

4、前，我國已具有上述格柵的生產能力。加筋、隔離加筋、隔離圖圖3 單向塑料單向塑料格柵格柵 雙向塑料雙向塑料格柵格柵 經編土工格柵經編土工格柵 3、土工網geonets土工網是由連續(xù)的聚合物肋條以一定角度的連續(xù)網孔平行擠出而成。較大的孔徑使其形成了象網一樣的結構，同時能承受一定的法向壓力不顯著減小孔徑。其設計功能主要應用在排水領域，即需要輸導各種液體的地方。在土中需和外包無紡織物反濾層構成土工復合材料使用，也起到加筋作用。4、土工膜土工格柵型復合材料由于某些土工膜和土工格柵可用同種原料生產，如高密度聚乙烯，它們可以粘合在一起形成一個不透水的屏障，且其強度和摩擦力都有所提高。5、土工織物土工格柵型復

5、合材料這些低模量、低強度和高延伸率的土工織物（通常是無紡織物）可通過用土工格柵做成復合材料而使其弱點得到克服，共同發(fā)揮隔離、反濾和加筋作用。 6、土工其它材料geo-others為了解決工程實踐中出現(xiàn)的新問題，新型土工合成材料產品不斷涌現(xiàn)：（1）土工格室（geocell）和土工網格（geoweb） 這是一種呈菱形或蜂窩網格狀結構的土工合成材料，鋪設厚度為50200mm,中間空格尺寸大約80400mm。格中填土、砂、碎石或混凝土，起侵蝕控制作用，亦可用于加筋地基、加筋土擋土墻。（2）土工條帶（geostrips） 該產品用高強度的合成材料或玻璃纖維作抗拉筋材，外面裹以塑料套，一般在套的表面具有防

6、滑花紋，增大與土的摩擦力。土工條帶多用于加筋土擋墻。 超過超過 100G的市政課件下載地址：的市政課件下載地址：http:/ http:/ 12年過的一級市政和造價師年過的一級市政和造價師 一次性八門一次性八門http:/ 其中，設計理論來自相關工程設計中成熟的模型，并結合土工合成材料的特點作一些必要的修正；折減系數(shù)素須綜合考慮材料的蠕變、施工破壞、化學破壞和生物破壞等的影響。要求特性允許特性Fs折減系數(shù)試驗特性允許特性 （一） 條形基礎的加筋地基 理論分析和實驗觀察都表明，基礎下方的土在沉降的同時向兩側擴張，地基土破壞時，基礎兩側的地表隆起，因此在基礎下方存在著一個拉伸變形區(qū)域，如果將土工合

7、成材料布置在這個區(qū)域，將產生拉力，提高地基的承載力。1 1、 工程和實驗結果工程和實驗結果 圖2-1為南京某煉油廠的原油油罐及基礎，油罐的直徑40.5m，高15.8m，下臥40m厚的軟土。油罐的浮動頂對基礎的沉降差要求很嚴，采用逐層鋪設土工織物和砂墊層的方法處理地基，達到了設計要求（王鐵儒等，1987）。 圖圖 2-12-1二、加筋地基 模型試驗圖2-2所示裝置， 為基礎寬度，加筋織物長度為 ， 和 分別表示頂層和最低層 土工織物的深度， 為無加筋時的 極限荷載， 為加筋條件下沉降與 無加筋達時的沉降相同情況下的荷載。 圖圖 2-22-2 令承載比 ，主要的結論如下： (1)對于相對密度 50

8、的砂，BCR值較小，但當沉降較大 。例如達到10 時，不同密度砂的BCR穩(wěn)定在1.7左右， 即不受密度的影響； (2) 頂層加筋的最佳深度 ，有效加筋范圍為 2 ； (3) 在有效深度內，層數(shù)N增加，BCR增加，直到N=6，達峰值 ，層數(shù)再增加， BCR無明顯改變； (4)織物長度增加至 時，BCR接近最大，再增加L只是 增加了錨固段長度， 幾乎沒有變化； (5) 當織物抗拉強度增加時，BCR增大，例如從67kNm增加 到216kNm，BCR由 1.7增加到2.6。b1ZnZ0pup0/ ppBCRurDbbZ3 . 01nZb0 . 3BCRLbL5 . 2BCR 地基承載力試驗（宇都宮大學

9、） 2、軟土地基加筋 提高整體穩(wěn)定性 可用堤基分層加筋代替 分析土工織物對地基的加筋作用主要有以下四個方面： （1） 隔離堤身和軟基，堤底下凸、堤頂受擠壓防裂，增加滑弧長度（且處于堤身滑弧的抗剪強度大）。 （2） 下凸增加堤基埋深。 （3） 擴散應力，使壓縮應力分布均勻。 （4） 約束軟弱土的側向變形。（二）（二） 條形淺基礎的加筋土地基的設計條形淺基礎的加筋土地基的設計1、 筋材布置太沙基等研究者將條形淺基礎破壞時（整體滑動破壞）的地基分成三個區(qū)，即主動極限平衡區(qū)、被動極限平衡區(qū)和過渡區(qū)，并推導出地基極限承載力公式（2-1）。 （2-2） rqcuNbdNcNp2uLuD （） 0 5 10

10、 15 20 25 30 （b） 7.00 7.50 4.14 4.97 6.06 7.53 9.58 （b） 0.71 0.79 0.89 1.01 1.16 1.35 1.59模型試驗揭示地基極限承載力隨筋材長度和深度增加至一定值后，極限承載力增加緩慢，但理論上只有達到表2-1所列深度和長度時，極限承載力才停止增長。bZ321bzn2uL筋材的布置范圍 ， 筋材層數(shù)N 為36，且長度L 足夠。此時加筋地基的破壞表現(xiàn)為筋材的斷裂，其斷裂點在基礎下方，接近筋材與壓力擴散線的交點。 從0增至30時， 從3.0 b增至9.58 b，筋材的增長大幅度增加了基坑開挖的工程量，故適當減短長度，損失一定的

11、承載力是合理的。d基礎埋深，m；土與筋材的界面摩擦系數(shù)，由試驗確定。無試驗資料時，土工織物可取0.67tan ，土工格柵可取0.8tan ， 為加筋砂墊層中砂的內摩擦角。壓力擴散角，可以從建筑地基基礎設計規(guī)范GB500072002中查找，度；筋材抗拔出安全系數(shù)，可取2.5； 加筋砂墊層中砂的容重,kN/m3。 )(tan2isaiizdfFTZbLfsF2、 地基承載力設計公式筋材拉力對地基承載力的貢獻包括以下兩個方面（王釗、王協(xié)群巖土工程學報， 2000（6）：一是拉力向上分力的張力膜作用，二是拉力水平分力的反作用力所起的側限作用。tan2245sin2nsazbFNTf）（）（）（245t

12、an245cos2uD地基承載力安全系數(shù)， 。 最低一層筋材的深度，m。sFsF0 . 35 . 2nZ考慮因埋深修正而提高的承載力和墊層壓力擴散提高的承載力，則加筋地基增加的地基承載力設計值：fR = d（d+ zn0.5）+ pk +ftan2tan2nnzbz d 基礎埋深的地基承載力修正系數(shù)； 基礎底面處的平均壓力值，kPa。 kpd 加筋土（砂）墊層地基承載力設計公式為： pk fR 墊層下軟土地基承載力特征值，kPa；akfakf例例 黃石市某泄洪閘的閘室底寬b為5.0m，基底壓力設計值 =280kPa，埋深d=3.37m，地基淤泥質土的容重 =18.4kN/m3，地基承載力特征值

13、fak=100kPa，粘聚力c=40kPa，內摩擦角 =16。初步設計擬在閘室及前面二節(jié)和后面一節(jié)箱涵的下方采用外徑50厘米，長14米的微孔樁93根處理地基。施工圖設計階段改為土工格柵加筋土墊層。試完成設計。解：解：設計用三層土工格柵構成加筋土地基。第一層到基底面距離z1=0.6m，第3層到基底面距離zn=1.6m，間距H =(znz1)/(3-1) = 0.5m。試驗測得砂墊層中砂的內摩擦角 s=34。kp(1) 求加筋提高的承載力fR = fak = 280 kPa -100 kPa =180kPa 將fR=180kPa和查得的d =1.1，=25)得f =fRd（d+ zn0.5）- =

14、180 kPa1.118.4(3.37+1.6-0.5) kPa 280 kPa=180 kPa90.47 kPa68.36 kPa= 25.17kPa從上面計算中可見因埋深修正增加的承載力達90.47kPa，因壓力擴散增加的承載力達68.36kPa，而要求筋材提供的承載力增量f僅為25.17kPa。 kptan2tan2nnkzbzp25tan6 . 12525tan6 . 12(三) 土工合成材料加筋土模型 （殷建華） 一維(1-D) Pasternak 模型 一維(1-D) Timoshenko Beam 模型 二維(2-D) 連續(xù)介質數(shù)值模型1. 一維一維Pasternak 剪切層模型

15、剪切層模型(a) 一維(1-D) Pasternak 模型 - 線性梁，線性彈簧 qs=ksw(b) 一維(1-D) Pasternak 模型 - 非線性梁， 非線性彈簧sfssqwkwq/10HtHbT, TpT, TpBedrockSoft SoilksGb for granular fill 2Gt for granular fill 1qEg for geosynthetics2BPasternak shear layersFig.1 Schematic illustration of the extended Pasternak shear layer model (after Yi

16、n 1997a)xy+(/x)dxqww+dw(1)(2)(3)+(/x)dxnnnnnnnnqs=kswdxTp, T+dTTp, T+ddlFig.2. Three elements from an vertical segment of infinitesimal width, forces and stresses (after Yin 1997a)xy(1)(2)(3)nndxTp, TnnHtHbxxGtGbTp, T+dTuxuxFig.3. Shear deformations due to the increase in membrane tension forceug,xu

17、g,x+dug,xdxdwdlFig.4. Stretching and rotation of a membrane elementh /20h /2Md xhB e d ro ck/stiff so ilsS oft S o ilksqR e info rce m en tT im o sh en ko be a mh /2ygycyxB e a m e le m e ntd xw0yxqsd x= ksw d xyxqd xT + d TTQh /2ygycFig.4. (a) Schematic illustration of the proposed 1-D foundation m

18、odel, (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. 一維(1-D) Timoshenko Beam 模型3. 二維(1-D) 連續(xù)介質數(shù)值模型二維 (2-D) 有限差分模型 - 連續(xù)介質力學FLAC 計算模型SandClayGeomembraneB/2=1mHHc=4mBc=5mDisplacement or pressure bo

19、undarySymmetric vertical lineFig.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 geomembraneDistance from centre of loading (m)0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Settlem ent of geom em brane (m )-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.000

20、.050.10H/B=0.25H/B=0.5H/B=0.75H/B=1Distance from loading centre (m)0.00.51.01.52.02.53.03.54.0M obilized force in geom em brane (kN/m )-120-100-80-60-40-20020H/B=0.25H/B=0.5H/B=0.75H/B=1Fig.7. (a) Geomembrane settlement and (b) mobilised tension force4. 今今后后值值得得研研究究的的課課題題土工合成材料加筋土的極限承載力簡單模型更合理的一維變形計

21、算模型二維和三維連續(xù)介質數(shù)值模型試驗室設備和測試現(xiàn)場設備和測試（四）土工帶加筋砂墊層現(xiàn)場試驗（白曉紅）UHZB3B （2B、B） 承壓板寬度（基礎寬度）加筋參數(shù):N:加筋層數(shù)U:首層加筋間距H:加筋帶間距 LDR:加筋線密度(筋帶寬度/筋帶水平間距） LDR= B/ 4B（3B、2B ）測試項目：沉降觀測墊層底的土壓力測定加筋帶的應變測定0102030405060708090050100150 200250 300荷載/KPa沉降/mm原土素墊層單層加筋雙層加筋A8 EBSPQj)1(2)() 1() 1(11ipQjiPpiiiiQjSSSSPPPP020406080100120140160

22、03006009001200距基礎中心的水平距離/mm土壓力/kPaN=0N=1N=2 H=15cm41.7Kpa86.1kPa130.6kPa175.0kPa02040608010012014003006009001200距 基 礎 中 心 的 距 離 /mm土壓力/kPa1U=5cmcU=10cmU=20cm41.7kPa86.1kPa130.6kPa175.0kPa02040608010012014003006009001200距基礎中心的水平距離/mm土壓力/kPaH=10cmH=15cmH=20cm41.7kPa86.1kPa130.6kPa175.0kPa0204060801001

23、2014003006009001200距基礎中心的水平距離/mm土壓力/kPaLDR=25.0%LDR=33.3%LDR=50.0%41.6kPa86.1kPa130.6kPa175.0kPa小結：1 碎石薄墊層（Z/B=0.2）經土工帶加筋后地基承載力提高, 沉降增長延緩。極限狀態(tài)時（TG筋帶）單層加筋較素墊層地基承載力提高1.221.26倍，雙層加筋較素墊層地基承載力提高1.531.61倍。2 加筋材料的發(fā)揮與地基變形有關。荷載小時，靠近基底的筋材先發(fā)揮作用，遠離基底的筋材只有荷載加到一定值，地基變形大時才能發(fā)揮作用。3 本次試驗結果表明：TG土工帶加筋墊層地基最優(yōu)參數(shù)：加筋層數(shù)N=2，首

24、層加筋間距U/Z=0.17，加筋間距H/Z=0.5，加筋線密度LDR=33.3%。 影響加筋效果的主要因素: 加筋層數(shù)、加筋帶間距。 （五） 軟土地基上的加筋堤軟土為天然含水量大、空隙比大、壓縮性高，承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質所組成的土，主要有淤泥、淤泥質土及泥炭。加筋可提高軟土地基上堤的填土高度，能有效約束側向位移和側向擠出量，增加地基抗滑穩(wěn)定性，加快路堤填土速度，減小地基最終沉降量，對土體應力具有協(xié)調作用，可有效減小地基的不均勻沉降。土堤和加筋土地基可能產生的破壞形式有：（1）土堤的堤坡部分沿著筋材表面水平滑動，圖6-26 (a)；（2）基土擠出破壞 (b)；（3）堤和地基整體滑動

25、破壞（c）；（4）地基產生過大的沉降 (d)。應針對每一種破壞形式，提出預防的設計方法。1、整體滑動設計采用修正的圓弧滑動條分法。這個方法的要點是先試算出沒有加筋材料時最危險圓弧的位置，并假定加筋后滑弧的位置不變。筋材拉力的方向和筋材的拉伸模量有關，對柔性筋材可假設拉力的方向與滑弧相切，則抗整體圓弧滑動的安全系數(shù)見下式1；對剛性性筋材假設拉力的方向沿水平方向，則抗整體圓弧滑動的安全系數(shù)見下式2。 （1） （2） 圓弧滑動分析法圓弧滑動分析法 iiiiiiisWTWlcFsintancos）（RWYTRWlcFiiiiiiiiissintancos）（抗整體圓弧滑動的安全系數(shù)Fs要求不小于1.3

26、。如果有些層的筋材沒有滿鋪，處于滑弧以外（穩(wěn)定土體側）的筋材應具有足夠的錨固長度，即校核筋材在允許抗拉強度的拉力作用下抗拔出的穩(wěn)定性。 2、堤坡滑動 3、基土擠出 4、 承載力校核土工合成材料加筋地基在荷載作用下，荷載作用面的正下方產生沉降，周邊地基土體產生側向位移和部分隆起。承載力校核可參見第五節(jié)條形基礎加筋地基中的計算。也可用改進的太沙基承載力公式計算（Yamanouchi，1979）：沿堤基布置土工合成材料后，地基和筋材的變形情況參見下圖。地基的極限承載力： 沉降及側邊隆起量，m；筋材的拉力，可取允許拉伸強度，kN/m；R 兩側基土隆起的假想圓半徑，一般取3m，或對較淺的軟基采用其厚度的

27、一半； 筋 材 拉 力 與 水 平 面 夾 角 ， 由 主 動 破 壞 面 確 定 ， 即 ； 平均堤寬，取堤頂與堤底寬度的平均值，m；式中，第一項為天然地基土原有的承載力； 第二項為旁側荷載的影響，其中 為薄壁圓筒容器公式 值的一半，它代表了基土部分隆起使筋材產生拉力所起的鎮(zhèn)壓作用； 最后一項代表筋材拉力產生的張力膜效應，為土工合成材料拉力的垂直分量，起到減小有效荷載的作用?？沟鼗休d力破壞的安全系數(shù) ，要求 ，這里 為堤的填土容重， 為堤高。BTNRTDNcpqfcfu/sin22DT245fBRTq2/RTq/HpFus/sF0 . 2H 曼谷現(xiàn)場試驗堤（1997年）參考堤破壞堤高：4.2 米3*9 kN/m+1*19kN/m 加筋破壞堤高：4.6米提高到1.1倍1*200kN/m 加筋破壞堤高：6.7 米提高到1.6倍堤基加筋提高穩(wěn)定性機理：1、筋材抗拉力產生的抗滑力矩；2、筋材的隔離作用； （1）堤基沉入、埋深增加、承載力增加， （2）滑弧經過堤身材料段增長，其抗剪強度較高，故抗滑力增加， （3）