土工加筋PPT課件

1、參考書目 何光春，加筋土工程設(shè)計與施工，人民交通出版社，2000第1頁/共67頁 土工合成材料（GeosyntheticsGeosynthetics）廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代巖土工程是在二十世紀(jì)中期以后。 最初以土工織物（GeotextileGeotextile）和土工膜（GeomembraneGeomembrane）最具代表性。 土工合成新材料，土工格柵（GeogridGeogrid）、土工網(wǎng)（GeonetGeonet，GeowebGeoweb）等和其組合產(chǎn)品。 在近二十年中，這類材料相繼在巖土工程中應(yīng)用獲得成功，成為建材領(lǐng)域中繼木材、鋼材和水泥之后的第四大類建筑材料，并被譽(yù)為巖土工程領(lǐng)域的一次“革命

2、”。第2頁/共67頁 土工合成材料總體分為三類，即土工織物、合成型和復(fù)合型。 土工織物又可分為，有紡型（Woven）和無紡型（Nonwoven）兩大類。 合成型（Polymer）包括一些新材料，按不同產(chǎn)品大致有：土工膜、土工格柵、土工網(wǎng)格、土工墊（Geomat）、土工板（Geoboard）和土工棒（Polymeric Rods）等； 復(fù)合型（Geocomposite）是指二種或二種以上材料復(fù)合而成的。例如：復(fù)合土工膜、排水板（Wick Drains）和土工墊塊（Geosynthetic Clay Liners）等。第3頁/共67頁 土工合成材料功能：反濾、排水、隔反濾、排水、隔離、加筋、防滲和

3、防護(hù)離、加筋、防滲和防護(hù)六大類。 土工合成材料一般具有多功能，在實(shí)際應(yīng)用中，一種功能起主導(dǎo)作用，其它功能則不同程度地發(fā)揮作用。第4頁/共67頁 各類土工合成材料的主要功能各類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。 功能類型土工合成材料的功能分類隔離加筋土反濾層排水防滲防護(hù)土工織物（GT）PPPPPS土工格柵（GG） P 土工網(wǎng)（GN） P P土工膜（GM）S PS土工墊塊（GCL）S P 復(fù)合土工材料（GC）P or SP or SP or SP or SP or SP or S第5頁/共67頁一、加筋土擋墻一、加筋土擋墻(MSEW)(MSEW) 加筋土擋墻（Mecha

4、nically Stabilized Earth Wall）是建立在二十世紀(jì)60年代初法國人H.Vidal提出的加筋土（Reinforced Earth）概念之上的。 這類支擋與傳統(tǒng)擋墻相比，具有很好的柔性和抵抗地震荷載的穩(wěn)定性，且造價上具有優(yōu)勢。 目前，美國（Vernon R. Schaefer，1998）每年新建MSEW超過700,000m2，主要集中在交通工程領(lǐng)域，已占到各類支擋2/3以上。第6頁/共67頁水工結(jié)構(gòu)和工民建常用擋墻 重力式 空腹重力式 懸臂式 扶壁式（肋板式）第7頁/共67頁各類擋墻的造價比較各類擋墻的造價比較3691215擋墻高度H/m50150250350450550

5、每平方米面板造價/美元合成材料加筋土擋墻金屬加筋土擋墻金屬扶朵式擋墻鋼筋混凝土扶朵式擋墻鋼筋混凝土懸臂式擋墻第8頁/共67頁加筋擋墻特點(diǎn) 垂直填土，節(jié)省用地 面板筋帶可以定型加工，保證質(zhì)量和材料 施工快捷，縮短工期 結(jié)構(gòu)輕型化，砼用量僅為3-5。高度越高，效益越佳。 柔性結(jié)構(gòu)，承受大變形。 抗震能力較強(qiáng) 外形美觀第9頁/共67頁合成材料應(yīng)用于MSEW，主要的形式有：反折自錨型拼裝面板型整體面板型和圬工塊拼裝型第10頁/共67頁 合成材料加筋土擋墻的不同型式合成材料加筋土擋墻的不同型式反折自錨整體面板拼樁面板圬工面板第11頁/共67頁第12頁/共67頁第13頁/共67頁第14頁/共67頁 由于暴

6、露于空氣介質(zhì)中的土工合成材料對于紫外線、高溫等反應(yīng)敏感，反折自錨MSEW一般應(yīng)采用某種與該支擋結(jié)構(gòu)柔性相似的材料做一外封層，例如可以采用噴漿混凝土、噴射水泥砂漿等。第15頁/共67頁加筋土工作機(jī)制與破壞機(jī)理 摩擦加筋第16頁/共67頁準(zhǔn)粘聚力原理第17頁/共67頁第18頁/共67頁第19頁/共67頁第20頁/共67頁第21頁/共67頁第22頁/共67頁 Lee（1973）針對金屬條帶，提出了一套MSEW的設(shè)計方法。 Bell(1975)將這一方法成功應(yīng)用于合成材料MSEW設(shè)計中。 美國NCMA(1993)，F(xiàn)HWA(1995)和AASHTO(1997)頒布合成材料加筋土設(shè)計規(guī)范： 外部穩(wěn)定性分

7、析，將整個加筋復(fù)合體視為剛 性體，與普通擋墻一樣處理； 內(nèi)部穩(wěn)定性分析，主要用于土工合成材料間 距、長度和外端反折自錨長度； 其它附屬構(gòu)件的設(shè)計，例如面板設(shè)計等。第23頁/共67頁 一般設(shè)計中，首先考慮加筋土支首先考慮加筋土支擋結(jié)構(gòu)的外部穩(wěn)定性分析擋結(jié)構(gòu)的外部穩(wěn)定性分析 括傾覆穩(wěn)定性 水平滑動穩(wěn)定性 整體穩(wěn)定性 地基承載力 上述穩(wěn)定性分析與一般擋墻（重力式等）外部穩(wěn)定分析無異。第24頁/共67頁外部穩(wěn)定性 承載力 K為地基土容許承載力提高系數(shù) 地基土容許承載力0662min2maxLMLNkLMLN第25頁/共67頁外部穩(wěn)定性 抗滑穩(wěn)定 豎向力合力 水平力合力TNkcNT第26頁/共67頁外部

8、穩(wěn)定性 抗傾驗(yàn)算00MMKy第27頁/共67頁外部穩(wěn)定性 整體抗滑iiiiiiswwcKsin)tancos(第28頁/共67頁內(nèi)部穩(wěn)定性 荷載確定 荷載類型與組合荷載類型編號 荷載名稱荷載類型編號荷載名稱永久荷載1加筋體重力基本可變荷載5汽車2上部填土重力6平板車或履帶車3外側(cè)壓力7車輛引起側(cè)壓力4浮力偶然荷載8地震力第29頁/共67頁永久荷載 面板與筋帶重量很小，按填土容重進(jìn)行計算 加筋土上部重量，等代土層厚度 H1=(H/2-bb)/m 側(cè)向壓力可按庫侖主動土壓力進(jìn)行計算 低水位進(jìn)行計算第30頁/共67頁可變荷載 車輛荷載等代土層厚度h h=G/BL0第31頁/共67頁地震荷載 7、8、

9、9度抗震設(shè)防區(qū)域應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計第32頁/共67頁內(nèi)部驗(yàn)算 1土壓力系數(shù)計算 Zi小于6m，KiK0（1zi/6）+Kazi/6 Zi大于6m，ki=ka 2破裂面 0.3H與45。/2 考慮抗震設(shè)計第33頁/共67頁筋帶拉力 TiKi（1z1+1h）SxSy 筋帶斷面計算 AiTi/KL 長度 LiL1iL2i L1iKfTi/(2fbi1zi) L2i L3i第34頁/共67頁構(gòu)造設(shè)計第35頁/共67頁第二步是內(nèi)部穩(wěn)定性的分析第二步是內(nèi)部穩(wěn)定性的分析一般采用朗金（Rankin）破裂面，填土側(cè)壓力按主動狀態(tài)土壓力（Ka）計算活載內(nèi)力計算則采用了（Boussinesq）的彈性理論解答第36頁/共

10、67頁內(nèi)部穩(wěn)定性分析內(nèi)部穩(wěn)定性分析+=DLLoPHzLeLr土壓力超載活載總側(cè)壓力45+/2第37頁/共67頁 首先，根據(jù)土工合成材料的容許張拉強(qiáng)度Tallow 計算某一深度z處的總土壓力 h，并考慮一大于1的安全系數(shù)Fs 可得到土工合成材料豎向最大布置間距Sv，即 shallowvFTS1第38頁/共67頁其次，根據(jù)Sv，可得到各層合成材料設(shè)計長度L，即 其中 式中 Ci拉拔修正系數(shù)。 erLLLsihveFCzSLtan2)245tan()(zHLr第39頁/共67頁再者，基于與上述相似原理，可求出合成材料端部反折自錨長度L0， 最后，尚應(yīng)考慮面板、各類聯(lián)接、防腐以及排水等的設(shè)計內(nèi)容。si

11、hvFCzSLtan40第40頁/共67頁 土壓力計算和破裂面形式，一直是MSEW設(shè)計理論研究重點(diǎn)； 它們與加筋材料和填土的相對剛度等有著密切關(guān)系； Farrag等（1990）提出了一般指導(dǎo)性原則。第41頁/共67頁關(guān)于加筋擋墻土壓力的設(shè)計原則關(guān)于加筋擋墻土壓力的設(shè)計原則1.02.03.0K/Ka6.0深度z/m1.5H/2H/20.3H45+/2柔性筋材剛性筋材柔性筋材金屬網(wǎng)金屬條帶土工格柵第42頁/共67頁 現(xiàn)代合成材料科學(xué)的發(fā)展相當(dāng)迅速，對于新型的土工合成材料應(yīng)用于MSEW，應(yīng)根據(jù)材料的特性，特別是材料與土的相對剛度，合理選擇設(shè)計的模式。 我國公路加筋土工程設(shè)計規(guī)范(JTJ035-91)

12、在加筋土擋墻的內(nèi)部穩(wěn)定性分析中，推薦了經(jīng)驗(yàn)0.3H破裂面，土壓力計算采用了z 6m由靜止土壓力隨z的增加逐步過渡到主動土壓力模式。第43頁/共67頁 近二十年來，MSEW的應(yīng)用不斷發(fā)展，雖然設(shè)計理論未發(fā)生質(zhì)的變化，但是關(guān)于合成材料的張拉應(yīng)變特征，筋材與填土的復(fù)合體的應(yīng)變相容性，在新的設(shè)計方法中有所考慮。 Gourc(1989)提出“位移法”（Displacement Method）用于合成材料MSEW設(shè)計，位于潛在破裂面上的合成筋材采用“嵌壓薄膜”（Anchored Membrane）機(jī)理加以描述，考慮了合成材料變形和模量，并與結(jié)構(gòu)容許變形相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)MSEW變形控制設(shè)計。 Juran(199

13、0)提出考慮合成材料與土應(yīng)變相容性（Strain Compatibility Design Approach）的設(shè)計方法，考慮了筋材變形和土剪脹，能夠算出筋材在結(jié)構(gòu)中張力發(fā)揮（Tension Forces Mobilized）、最大張力、位置和加筋體內(nèi)部潛在破裂面位置。第44頁/共67頁二、加筋土坡二、加筋土坡(RSS) 加筋土坡（Reinforced Soil Slopes）一般指坡度 70 ，否則應(yīng)歸入MSEW。 RSS的廣泛應(yīng)用是在近10年，目前估計全球每年約有幾千個RSS工程。 RSS結(jié)構(gòu)技術(shù)上，造價上有顯著優(yōu)勢。 RSS設(shè)計方法并不像MSEW結(jié)構(gòu)設(shè)計建立在土坡整體穩(wěn)定分析基礎(chǔ)上。第4

14、5頁/共67頁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勻布置主筋變間距主筋等長含附加筋主筋變長含附加筋第46頁/共67頁 RSS結(jié)構(gòu)中合成材料的布置形式有均勻布筋和非均勻布筋 單一主筋（Primary Reinforcements） 主筋間含附加筋(Secondary Reinforcements)第47頁/共67頁 主筋是RSS結(jié)構(gòu)中加固穩(wěn)定的核心，主筋長度必須滿足破裂面后錨固長度要求。 主筋變間距布筋時，與RSS結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平相協(xié)調(diào)，采用上部大間距，下部小間距。 變長度布筋，與潛在破裂面形式相協(xié)調(diào)，上部長筋，下部短筋，以錨固長度控制。 附加筋是提高土工填筑結(jié)構(gòu)邊緣壓實(shí)度，克

15、服陡坡邊緣機(jī)械碾壓困難矛盾。 第48頁/共67頁RSS設(shè)計中，整體穩(wěn)定性分析的方法與素土邊坡穩(wěn)定分析瑞典條分法相類似 式中合成材料產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩Mr的計算一般有兩種方法，即 niiiriniisRwMRlcNF11)sin()tan(niiiryTM1niirRTM1第49頁/共67頁瑞典法：假定合成材料張力方向與初始布筋方向一致，筋材張力力臂yi為各層筋材到滑動圓心的垂直距離；“荷蘭法”法：各層筋材張力到圓心的力臂均為滑動圓弧半徑R，筋材在滑動面上產(chǎn)生了與滑動圓弧相應(yīng)扭曲，這與“嵌壓薄膜”概念類似； 相對而言荷蘭法更加適合于大變形條件下，RSS結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析，反之亦然。第50頁/共67頁 上

16、述推導(dǎo)僅考慮力矩平衡，忽略土條自身平衡，盡管簡單，但顯粗糙。 筆者曾考慮土條自身平衡和張力對破裂面摩阻力貢獻(xiàn)，推得相應(yīng)表達(dá)式，并結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)，對多個合成材料加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了成功分析。 近年來，基于概率統(tǒng)計和可靠性概念的極限狀態(tài)法（Limit State Approach）開始應(yīng)用于加筋土結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不同的極限狀態(tài)，分項(xiàng)修正系數(shù)和可靠性指標(biāo)的引入，使得設(shè)計考慮的更加全面，也預(yù)示著合成材料加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計的深刻變革已經(jīng)開始。第51頁/共67頁一、軟土地基加筋土技術(shù)一、軟土地基加筋土技術(shù) 合成材料結(jié)合砂墊層鋪設(shè)于軟土地基表面，降低不均勻沉降，提高承載力的應(yīng)用。第52頁/共67頁（1）地基承

17、載力的破壞，主要填筑體尺寸不盡合理；（2）淺層軟土薄層的擠出，主要是堤壩的寬度不夠；（3）填筑結(jié)構(gòu)的整體破壞，主要是合成材料的強(qiáng)度不足；（4）堤壩結(jié)構(gòu)的變形過大，主要是合成材料的模量不足；（5）填筑結(jié)構(gòu)中合成材料拉拔破壞，主要是合成材料與填土錨固力不足；（6）堤壩延伸破壞，主要是填土與合成材料的摩擦力不足。第53頁/共67頁合成材料應(yīng)用于軟土地基的設(shè)計模式合成材料應(yīng)用于軟土地基的設(shè)計模式H=?H=?L=?i=?T=?=?LL=?=?E=?=?(a)承載力(b)薄層側(cè)擠(c)整體滑動斷裂(e)整體滑動錨固(d)彈性變形(f)側(cè)向延伸第54頁/共67頁 在上述6種破壞形式中，地基承載力仍然是首要的

18、 Watari等（1986）曾就Yamanouchi的表達(dá)式進(jìn)行了改進(jìn)： 其中， 為基礎(chǔ)形狀系數(shù)； c、 分別是軟粘土的不排水抗剪強(qiáng) 度和容重； T是合成材料張力； Nc、Nq承載力修正系數(shù)。qfqcuNDRNBTcNq)sin2(第55頁/共67頁軟基加筋的工作機(jī)理軟基加筋的工作機(jī)理RTTDfB土工合成材料堤壩第56頁/共67頁二、路基中加筋土技術(shù)二、路基中加筋土技術(shù) 路基結(jié)構(gòu)中合成材料加筋的機(jī)理不是十分清楚，路基材料的CBR值超過3.0（飽和）或超過10（非飽和）時（Vernon，1998），合成材料作為筋材加固作用已十分微弱，此時主要功能是隔離作用。 但是在沒有永久性面層結(jié)構(gòu)的臨時性道路

19、、拖拉機(jī)道路或其它次要道路中，采用高模量的合成材料取代或減少碎石墊層厚度，增加路基整體穩(wěn)定性的做法是可行的，這一應(yīng)用已有近30年的歷史。第57頁/共67頁 高模量合成材料用于減少碎石墊層厚度，一般有三類設(shè)計方法，即合成材料制造商提供的方法，理論分析的方法和試驗(yàn)的方法。 Giroud等（1981）根據(jù)車輛軸重、輪胎接觸壓力和車轍彎沉，依據(jù)淺基極限平衡理論，分別推出單一碎石墊層所需厚度h0和加入合成材料后的碎石墊層厚度h計算方法，其差即為加入合成材料后減少的碎石墊層量。 一般認(rèn)為，軟土地基愈差，合成材料模量愈高，則愈大，加入合成材料綜合效益越好。而室內(nèi)模擬試驗(yàn)設(shè)計方法，一般可采用CBR試驗(yàn)。第58

20、頁/共67頁三、邊坡加固加筋土技術(shù)三、邊坡加固加筋土技術(shù) 土工合成材料用于原位邊坡的加固（In-Situ Slope Stabilization），一般采用土工棒結(jié)合土工織物或土工格柵聯(lián)合使用。 顯然這一應(yīng)用技術(shù)與RSS有本質(zhì)上的區(qū)別，對于填筑的土工結(jié)構(gòu)，該應(yīng)用屬于后處理技術(shù)；而對于自然邊坡，則屬于原位加固技術(shù)。第59頁/共67頁 這一技術(shù)與土釘（Soil Nailing）工作機(jī)制相似，Koerner and Robins(1986)根據(jù)極限平衡理論和條分法概念，提出了整體穩(wěn)定分析的計算公式，并考慮了（1）土工棒作為筋材穿過邊坡內(nèi)部潛在破裂面，類似于土釘增加了邊坡穩(wěn)定性；（2）土工織物或土工格

21、柵鋪設(shè)在邊坡表面與土工棒連接，其張拉應(yīng)力增加邊坡滑動體穩(wěn)定性；（3）土工織物張拉應(yīng)力鎮(zhèn)壓作用，增加了潛在破裂面上法向應(yīng)力，提高邊坡整體滑動穩(wěn)定性；（4）這一體系增加了邊坡土體密實(shí)程度，提高了邊坡的穩(wěn)定性。第60頁/共67頁圖圖6-29合成材料應(yīng)用于邊坡的斷面示意圖合成材料應(yīng)用于邊坡的斷面示意圖土工棒原變坡土工格柵或土工網(wǎng)潛在破裂面第61頁/共67頁四、纖維加筋土技術(shù)四、纖維加筋土技術(shù)(FRS) 近二十年來，合成纖維作為加筋材料，逐漸開始應(yīng)用于加筋土結(jié)構(gòu)，并被稱為纖維加筋土（Fiber Reinforced Soils）。 根據(jù)纖維在土中布置是否定向，又分為定向纖維（Oriented Fiber

22、sOF）和分散隨機(jī)纖維(Discrete, Randomly Distributed FibersDRDF)兩大類。第62頁/共67頁 由于OF的存在，使得FRS復(fù)合體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度分別增加了100%和300%。 殘余強(qiáng)度的大幅提高，對路基等填筑工程的邊坡穩(wěn)定十分有利。第63頁/共67頁 Gray and OhashiGray and Ohashi（19831983）提出了定向FRSFRS的靜力平衡模型，用來預(yù)測砂土中加入定向纖維后的強(qiáng)度增長。 Gray and Ohashi Gray and Ohashi （19861986），Noor Fatani(1991)Noor Fatani(1991)，Shewbridge and Sitar(1989Shewbridge and Sitar(1989，19901990和1996)1996)對OFOF纖維土進(jìn)行了