加筋土设计计算

加筋土挡土墙1.概述2.构造3.设计4.施工5.算例桥隧工程辽宁海城外环路工程采用（钢塑复合拉筋带）加筋土挡墙采用加筋土挡墙修建的嘉陵江防洪大堤（H=19ｍ）云南楚雄――大理高速公路特高（H＝43.75ｍ）双面加筋土挡墙青藏铁路采用加筋土挡墙建于香港青衣西北，墙身高达四十米的加筋填土结构国际发展历史现代加筋土的概念和设计理论是20世纪60年代由法国工程师亨瑞.瓦达尔（HenriVidal）首创的。根据他的设计理论于1965年在法国普拉聂尔斯成功修建了一座公路加筋土挡土墙。以后，世界各国普遍开展了加筋挡土墙的实验和设计工作。在西班牙，1971年建造了第一座加筋土挡墙，随后的发展和推广应用也相当快。美国1972年修建加州39号公路时开始使用。据1977年的统计，世界上就修建了1500余座加筋土结构，并投入使用，其中有700余座加筋土桥台。上世纪仅仅在美国就修建了2万多座加筋土结构。1.1加筋土挡土墙的发展1.概述国内发展历史1978年我国才在云南建成第一座加筋土挡土墙。该挡土墙采用链接的钢筋混凝土筋条。直到20世纪80年代中叶，我国才开始将土工合成材料应用于加筋土工程，如京津塘高速公路。我国加筋土主要用之于加筋土挡土墙，上世纪90年代初出台了加筋土挡墙设计规范。近年来由于我国国民经济稳定高速发展，推进了新型挡土墙的发展与研究。期间，建成了一些多级超高加筋土挡土墙，如三峡移民工程巫山新城的57m高加筋土挡土墙等等，并引发了相关的研究。1.1加筋土挡土墙的发展1.概述1.概述1.2加筋土挡墙的基本概念加筋土挡土墙是利用加筋土技术修建的一种轻型支挡结构物，是由墙面板、拉筋、填料和基础组成的柔性复合结构物。加筋土挡土墙一般应用于地形较为平坦且宽敞的填方路段上，在挖方路段或地形陡峭的山坡，由于不利于布置拉筋，一般不宜使用。1.概述1.3加筋土挡墙的类型在公路工程中，常见的加筋土挡土墙形式有下列几种：(1)单面式加筋土挡土墙；(2)双面式加筋土挡土墙，双面式中又分为分离式、交错式以及对拉式加筋土挡土墙；(3)台阶式加筋土挡土墙；(4)无面板加筋墙（包裹式加筋墙）。按拉筋的形式可分为条带式加筋土挡土墙，即拉筋为条带式，每一层布满铺拉筋；席垫式土工合成材料加筋挡土墙，即每一层连续满铺土工格网或土工席垫拉筋。目前，我国主要采用条带式有面板的加筋土挡土墙。1.概述挡土墙的形式单面式双面分离式双面交错式台阶式1.4加筋土挡墙的特点•(1)组成加筋土挡土墙的墙面板和拉筋可以预先制作，在现场用机械(或人工)分层填筑。这种装配式的方法，施工简便、快速，并且节省劳力和缩短工期。•(2)加筋土是柔性结构物，能够适应地基轻微的变形。在软弱地基上修筑时，由于拉筋在填筑过程中逐层埋设，所以，因填土引起的地基变形对加筋土挡土墙的稳定性影响比对其它结构物小，地基的处理也较简便。•(3)加筋土挡土墙具有一定的柔性，抗振动性强，因此，它也是一种很好的抗振结构物。•(4)加筋土挡土墙节约占地，造型美观。由于墙面板可以垂直砌筑，可大量减少占地。挡土墙的总体布设和墙面板的形式图案可根据周围环境特点和需要进行设计。•(5)加筋土挡土墙造价比较低。与钢筋混凝土挡土墙相比，可减少造价一半左右；与石砌重力式挡土墙比较，也可节约20％以上。而且，加筋土挡土墙造价的节省随墙高的增加而愈加显著，因此它具有良好的经济效益。1.概述1.5加筋土挡墙的结构与挡土原理挡土原理内部稳定：墙面所承受的水平土压力依靠填料与拉筋的摩擦力平衡外部稳定：复合结构形成的土墙抵抗拉筋尾部填料所产生的土压力1.概述1.6加筋土的加固机理基本原理：在土中沿应变方向埋置具有挠性的拉筋材料，土与拉筋材料产生摩擦，使加筋土犹如具有某种程度的粘聚性，从而改良了土的力学特性。解释和分析加筋土强度的两种观点摩擦加筋原理：加筋土视为组合材料，认为加筋土是复合体结构（或称锚定式结构）莫尔－库仑理论：加筋土视为均质各向异性材料，认为加筋土是复合材料结构1.概述①摩擦加筋原理dTNfbdl221TTdT填土自重和外力产生的土压力作用于墙面板，通过墙面板的拉筋连接件将此土压力传递给拉筋，而拉筋又被土压住，于是填土与拉筋之间的摩擦力阻止拉筋被拔出。因此，拉筋只要材料有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则加筋的土体就可保持稳定。1.概述②莫尔－库仑理论（准粘聚力理论）加筋土结构可以看作是各向异性的复合材料，通常采用的拉筋，其弹性模量远大于填土，拉筋与填土共同作用，包括填土的抗剪力、填土与拉筋的摩擦阻力及拉筋的抗拉力，使得加筋土的强度明显提高。1.概述1.概述极限平衡条件（筋带产生“约束应力”）（筋带增加强度以“内聚力”表示）2.1加筋土挡墙的构造1、墙面板2、拉筋3、拉筋与面板的连接4、填料5、墙面板下基础6、沉降缝与伸缩缝7、帽石与栏杆8、排水设施2.构造2.构造墙面板2.构造2.2墙面板作用：防止拉筋间填土从侧向挤出，并保证拉筋、填料、墙面板构成有一定形状的整体。类型金属面板：常用钢板、镀锌钢板、不锈钢板等混凝土面板钢筋混凝土面板国内一般采用板边一般有楔口和小孔，安装时使楔口相互衔接，并用短钢筋插入小孔，将墙面板从上、下、左右串成整体墙面。墙面板后填筑细粒土时，应设置反滤层。墙面板设计应满足下列规定1、作用于单板的水平土压力，应按均匀分布；2、单板可沿垂直方向和水平方向分别计算内力；3、墙面板与拉筋连接部分的配筋应加强；4、墙面板采用钢筋混凝土预制构件，按双向悬臂梁进行单面配筋设计。面板周边设计成突缘错台楔口，使面板之间能相互嵌接，插销钢筋连接时，钢筋直径不能小于10mm；面板上的拉筋结点，可采用预埋钢拉环、钢板锚头或预留穿孔等形式，露于混凝土外部的钢拉环、钢板锚头应作防锈处理，聚丙烯土工带与钢拉环的接触面应作隔离处理。2.构造2.构造2.构造2.构造2.构造2.3拉筋拉筋材料必须具有以下特性：1、具有较高的抗拉强度，延伸率小，蠕变小，不易产生脆性破坏；2、与填料之间具有足够的摩擦力；3、耐腐蚀和耐久性能好；4、具有一定的柔性，加工容易，接长及与墙面板连接简单；5、使用寿命长，施工简单。作用：承受垂直荷载和水平荷载，并与填料产生摩擦力。从材质上可分为金属、钢筋混凝土、CAT钢塑复合材料、竹片、聚丙烯土工带、土工格栅等。钢带：一般用软钢轧制，分光面带和有肋带两种。2.构造2.构造钢筋混凝土带混凝土标号不应低于C20，主筋为3号钢，直径≥8mm，为防止或减少混凝土被压裂，混凝土内常布设钢丝网；筋带连接多用焊接，也可用螺栓连接，外露钢筋表面采用沥青纤维布处理。2.构造聚丙烯土工带聚丙烯土工带具有造价低，抗拉强度好，不易脆断，使用方便，施工简便等优点；其缺点是低模量、高蠕变，其抗拉强度受蠕变控制，使得墙面位移大或墙面平整性差，影响美观。技术指标容许应力：断裂强度的1/5～1/7延伸率：4‰～5‰断裂强度：≥220kPa断裂延伸率：≤10％厚度：≥0.8mm表面应有粗糙花纹聚丙烯土2.构造土工格栅：土工网格具有良好的技术特性，已经作为拉筋材料推广使用。2.构造聚丙烯土工格栅2.构造拉筋一般应水平放置，并垂直于墙面板。2.构造拉筋一般应水平放置，并垂直于墙面板。2.构造拉筋一般应水平放置，并垂直于墙面板。2.构造2.4拉筋与面板的连接面板与拉筋连接必须坚固可靠，耐腐蚀性能应与拉筋相同。钢筋混凝土拉筋与面板之间，串联式钢筋混凝土拉筋节与节之间的连接，一般采用焊接。金属薄板拉筋与墙面板之间的连接一般采用圆孔内插入螺栓连接。聚丙烯拉筋与面板的连接，可用拉环，也可直接穿在面板的预留孔中。埋入土中的接头拉环，以浸透沥青的玻璃丝布绕裹两层防护。2.构造2.构造2.5填料填料特点：易于填筑与压实、与拉筋之间有可靠的摩阻力、不应对拉筋有腐蚀性、水稳定性好。填料选择1、通常选择有一定级配渗水的砂类土、砾石类土。2、采用粘性土和其他土作填料时，必须有相应的防水、压实等工程措施。3、填料中不应含有大量的有机物。4、泥炭、淤泥、冻结土、盐渍土、垃圾、白垩土、中－强膨胀土及硅藻土，禁止使用。2.构造5、采用聚丙烯土工带为拉筋时，填料中不宜含有两价以上铜、镁、鉄离子及氧化钙、碳酸钠、硫化物等化学物质。6、采用钢带作拉筋，填料应满足下表中化学和电化学标准。填料的设计参数应由试验和当地经验确定，无条件时，可参考填土设计参数表。2.构造2.6桥面板下基础混凝土浇注或浆砌片石砌筑。一般为矩形，高为0.25～0.4m，宽0.3～0.5m。顶面可作一凹槽，以利于安装底层面板。土质地基基础埋深不小于0.5m，还应考虑冻结深度，冲刷深度等。对于软弱地基，除作必要处理外，尚应考虑加大基础尺寸。土质斜坡地区，基础不能外露，其它要求如图。2.构造加筋挡土墙高度大于12m时，墙高的中部宜设宽度不小于2.0m的错台。错台顶部应设不小于20%的排水横坡，并用混凝土板防护；当采用细粒填料时，上级墙的面板基础下应设置宽不小于1.0m，高不小于0.5m的砂砾或灰垫层。2.构造2.7沉降缝与伸缩缝在地基情况变化处及墙高变化处，通常每隔10～20m设置沉降缝。伸缩缝与沉降缝统一考虑。面板在设缝处应设通缝，缝宽2～3cm，缝内宜用沥青麻布或沥青木板填塞，缝的两端常设置对称的半块墙面板。2.构造2.8帽石与栏杆加筋挡土墙顶面，一般设置混凝土或钢筋混凝土帽石。帽石突出墙面3～5cm，其作用是约束墙面板。栏杆高1.0～1.5m，栏杆柱埋于帽石中，以保证栏杆坚固稳定。2.构造2.9排水设施加筋土挡墙和加筋土边坡都需做好排水设施。位于河岸上的加筋土工程，其填料必须保证水稳定性好，一般宜采用砂砾填料。同时应在墙面板后做好反滤设施。加筋土工程在有水的地方，构造上必须保证水的畅通，同时还应防止有害水体对加筋材料寿命的影响。3.设计3.1计算方法1、摩擦加筋原理及极限平衡法在加筋土结构中，由填土自重和外力产生的土压力作用于墙面板，通过墙面板上的拉筋连接件将此土压力传递给拉筋，企图将拉筋从土中拉出。而拉筋材料又被土压住，于是填土与拉筋之间的摩擦力阻止拉筋被拔出。因此，只要拉筋材料具有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则加筋的土体就可保持稳定。3.设计τ加筋土结构受力分析拉筋与填土之间的摩擦力是如何发挥作用的呢?现从加筋体中取一微分段dl进行分析，如图5—2所示，设由土的水平推力在该微分段拉筋中所引起的拉力dT=T1-T2（假定拉力沿拉筋长度呈非均匀分布)，垂直作用的土重和外荷载为法向力N，拉筋与土之间的摩擦系数为f（f=tanα），拉筋宽度为b，作用于长dZ的拉筋条上下两面的垂直力为2Nbdl，如果2Nbdl×f≧dT则拉筋与土之间就不会产生相互滑动。若每一层加筋均能满足上式的要求，则整个加筋土结构的内部抗拔稳定性就得到保证。2、交替正交层系与均质等代材料原理加筋土是由填料土与加筋材料层层交替铺设而成的复合体，每一加筋材料和每一层填土形成一个单元层，每层相互平行且间距相等，可将加筋体看成为交替正交层系。加筋体由很多的单元层组成。假定各单元层的分层界面上无相对位移，每一层中三个均质材料的平面垂直于一个直角坐标轴，而且层面必须平行于一个弹性对称面。这种交替正交层系可以用等代均质材料的理论来分析，以研究加筋土在工作荷载作用下性状。为计算加筋体中的应力分布，需要确定“等代于”土与加筋层系统的均质正交材料的性质，有关荷载条件和所给结构的几何条件。如果要确定等代材料中一点的应力，则可用正交层理论求得土与加筋中同一点的应力。将未加筋土体中的临界应力区与加筋数量不同、加筋方向不同、加筋材料布置不同的加筋体中的临界应力区进行比较，获得加筋土的最佳设计。3、弹塑性板层理论加筋体是填土与加筋材料层层铺设而成，把每一层加筋材料和填土看成为一个“层板单元”，整个加筋体就是由粘结在一起的层板单元的有限层组成。假定每一层单元具有唯一的确定的材料性质，则可用增量分析法计算层板单元在弹塑性状态下的位移和应力，从而对加筋体的应力－变形特性进行