第五章加筋土挡土墙

第五章加筋土挡土墙第一章概述第二节加筋土的基本原理第三节加筋体材料与结构设计第一节概述加筋土挡土墙是利用加筋土技术修建的一种支挡结构物。加筋土是一种在土中加入拉筋的复合土，它利用拉筋与土之间的摩擦作用，改善土体的变形条件和提高土体的工程性能，从而达到稳定土体的目的。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。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。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)组成加筋土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。加筋土的特点加筋体材料与结构设计一、加筋体横断面矩形倒梯形正梯形加筋土挡土墙的构造(一)加筋体加筋体墙面的平面线形可采用直线、折线和曲线。相邻墙面的内夹角不宜小于70°。加筋体的横断面形式—船应采用矩形。(二)基础加筋体墙面下部应设置宽度不小于0.3m．厚度不小于0.2m的混凝土基础，但属下列情况之一者可不设：1．面板筑于石砌圬工或混凝土之上；2．地基为基岩。(三)排水设施对可能危害加筋体的地面水和地下水，应采取适当的排水或防水措施。（四）沉降伸缩缝加筋土挡土墙应根据地形、地质、墙高等条件设置沉降缝，沉降缝间距：土质地基为10~30m，岩石地基可适当增大。沉降缝、伸缩缝宽度一放为1~2cm，可采用沥青板、软木板或沥青麻絮等填塞。二填料1、填料是加筋土工程的主体材料，对填料的一般要求如下：2、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；水稳定性好。3、有一定级配的砾类土、砂类土，与拉筋之间的摩擦力大，是透水性能好，应优先选用；碎石土、结土、中低液限粘质土和稳定土也可采用；腐质土、冻结土等影响拉筋和面板使用寿命的应禁止采用。4、填料的设计参数包括容重r、计算内摩擦角Ψ和摩擦系数f等，应由试验或当地经验数据确定。三拉筋1、拉筋的主要作用是与填料产生摩擦力，并承受结构内部的拉力。因此，拉筋必须具有以下特性；具有较高的强度，受力后变形小；较好的柔性与韧性：表面粗糙，能与填料产生足够的摩擦力；抗腐蚀性和耐久性好；加工、接长和与面板的连接简单。2、筋带可以分为钢带、钢筋混凝土带和聚丙烯土工带、钢塑复合带等。高速公路和一级公路上的加筋土工程应采用钢带或钢筋混凝土带。四墙面板面板的主要作用是防止端部土体从拉筋间挤出。1．一般规定(1)面板设计应满足坚固、美观、运输方便和易于安装等要求。(2)面板一般采用混凝土顶制件，其强度等级不应低于C18，厚度不应小于8cm。(3)面板上的筋带结点，可采用预埋钢拉环、钢板锚头或顶留穿筋孔等形式。钢拉环应采用直径不小于10mm的I级钢筋；钢板锚头应采用厚度不小于3mm的钢板。露于混凝土外部的钢拉环、钢板锚头应做防锈处理，聚丙烯土工带与钢拉环的接触面应做隔离处理。(4)面板四周应设企口和相互连接的装置。失稳的立交桥加筋土挡土墙加筋土的基本原理砂性土在自重或外力作用下易产生严重的变形或坍塌。若在土中沿应变方向埋置具有韧性的拉筋材料，则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。其基本原理存在于拉筋与土之间的相互摩阻联结之中，这些基本原理一般可以归纳为两点予以解释：(1)摩擦加筋原理；(2)准粘聚力原理(或莫尔一库伦理论)。土工合成材料加筋土——机理1）加筋的效果与加筋材料的层数或间距、布置、强度和刚度、筋土界面的摩擦特性等因素有关2）破坏模式①筋土相对滑动②加筋拉断一、摩擦加筋理论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。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*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，拉筋与土体之间的摩擦阻力即为2Nf*bdl，如果2Nf“bdldT则拉筋与土之间就不会产生相互滑动。这时，拉筋与土之间好像直接相连似地发挥着作用。如果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。作用机理沿主动破裂面BC将墙体分为主动区和稳定区，下滑土棱体ABC自重产生的水平推力对每一层拉筋形成拉力T，欲将拉筋从土中拔出，而稳定区土体与筋带的摩擦阻力阻止拉筋被拔出。如果每一层拉筋与土体的摩擦阻力均能抵抗相应的土推力，则整个墙体就不会出现BC滑动面，加筋土体的内部稳定就有保证。二、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。在这种情况下，拉筋与填土的共同作用，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，这可从三轴试验中得到验证。加筋土的基本应力状态如图5-4所示，在没有拉筋的土体中，在竖向应力的作用下。土体产生竖向压缩和侧向膨胀变形。随着竖向应力的加大，压缩变形和膨胀变形也随之加大，直到破坏。如果在土体中设置水平方向的拉筋，则在同样的竖向应力作用下，其侧向变形大大减小甚至消失，土工合成材料加筋土——机理Gray在三轴压缩试验中发现:加筋土的抗剪强度包线是双直线的加筋土的抗剪强度比未加筋土的抗剪强度提高了，这是加筋土的基本思路。加筋提高土的抗剪强度，有两种等价的解释:等效围压原理和准内聚力原理。如图5—4b)所示。这是由于水平拉筋与土体之间产生摩擦作用，将引起侧向膨胀的拉力传递给拉筋，使土体侧向变形受到约束。拉筋的约束力σR相当于在土体侧向施加一个侧压力σ3，其关系可用莫尔圆表示，如图5—5a)所示。莫尔圆l为土体未破坏时的弹性应力状态；圆Il则是未加拉筋的土体极限应力状态；圆IIl是加筋土体的应力状态，土体中加入高弹性模量的拉筋后，拉筋对土体提供了一个约束阻力σR，即水平应力增量△σ3，使得侧向压减小，亦即在相同的轴向变形条件下，加筋土能承受较大的主应差。Ds3=2Dcot(45o-f/2)原理：筋材在拉应变方向，提供拉力，对土体产生压力，从而提高土的抗剪强度加筋土中的土加筋土Ds3s1Dc素土s3上述分析说明，加筋土体的强度有了增加，应有一条新的抗剪强度线来反映这种关系。这已被试验所证实，如图5—6所示，图中加筋砂与未加筋砂的强度曲线几乎完全平行，说明9值在加筋前后基本不变，加筋砂的力学性能的改善是由于新的复合土体(即加筋砂)具有“粘聚力”的缘故，“粘聚力”不是砂土固有的，而是加筋的结果，所以称为“准粘聚力”。土工合成材料加筋土的应用及研究补充内容加筋土的发展历史建于2000多年前的中国长城，在许多地方用柳枝作粘土和砾石的“加筋材”。加筋土的发展历史陕西半坡村的仰韶遗址，很多简单房屋的墙壁和屋顶利用草泥修筑而成土工合成材料加筋土——历史二十世纪70年代后期，美国等国家采用土工网或土工织物作为加筋材料，进行了包裹式加筋挡土墙的试验研究，Michell和Villet首先试验包裹式加筋挡土墙美国林业部分别在Siskiyou(1974年)和奥林匹克国家公园(1975年)修建了包裹式加筋挡土墙在美国联邦公路局的倡导下，NewYork,Colorado等洲的公路部门于二十世纪80年代修建了包裹式加筋挡土墙，将Tensar塑料拉伸土工格栅引入加筋土，原材料为聚乙烯（PE）从1986年，土工合成材料加筋土在美国迅速普及，用于加筋挡土墙、加筋陡坡、软基上加筋路堤土工合成材料加筋土——历史我国从80年代初开始将土工合成材料应用于加筋土工程，起初主要采用无纺针刺土工织物和塑料排水带，如京津塘高速公路二十世纪90年代中期开始，国产的土工合成材料种类迅速增多，相继出现了单向和双向塑料拉伸土工格栅、涤纶纤维经编土工格栅、玻璃纤维经编土工格栅和土工网等，在材料种类增多的同时，产品也逐渐系列化，加上国家加大基础设施的投资，土工合成材料加筋土工程有了大发展，取得了可喜的成果，但主要用于铁路、公路的软基处理，土工合成材料加筋土挡土墙、加筋土桥台、加筋陡坡等才刚刚兴起由于我国重应用，轻现场观测、模型试验和理论研究，同时应用领域比较单一，导致目前我国土工合成材料加筋土技术水平与国外差距逐渐拉大。一、土工格栅原理将高分子聚合物挤出，经强烈拉伸，形成高强度抗拉力的均匀条带，将条带纵横编织和夹合，以高频超声波焊接成网状，埋于土体，亦即给土体加筋，从而形成为复合土，改变土体的力学性能，有效克服地基不均匀沉降、土体深层滑动、侧向位移、坍塌、保持土体的稳定性。二、土工格栅种类的比较和选择a.拉伸土工格栅b.玻纤类土工格栅c.其它a、单向拉伸聚丙烯土工格栅特点：1、抗拉强度高2、耐蠕变性能好3、与砂石的磨擦系数大4、化学性质稳定用途：土木工程加固、加筋增强，用于隔离不同的材料。工程应用：主要应用于软土地基堤坝、挡土墙和桥台，滑坡修补、高速公路路基（路面）、港口、码头机场等软基加筋工程。b、玻璃纤维土工格栅特点：该产品具有纵横向抗拉强度高、延伸率低、耐高温、抗碱性能优等特性。工程应用：应用于沥青路面、沥青混凝土路面、水泥路面。施工方便、造价低，可以防止道路反射裂纹的产生，延长道路使用寿命。亦可作为山坡、水库、港湾码头、水渠、江堤的护坡、护底的增强基材，是土木工程的理想材料。三、土工格栅在岩土工程中应用1、软土地基和路基中的应用2、边坡防护中的应用1、土工格栅软土地基和路基中的应用a、软土地基加固b、路堤边坡加筋c、加筋土挡墙a、软土地基加固土工格栅具有较强的抗拉强度及较好的延性，它和砂垫层共同作用时能将应力均匀地扩散到较大的面积上．防止滑动圆弧通过路堤和地基土网孔与上下层土体的咬合作用，形成一个较高强度的抗剪切层，从而增加土体的抗剪强度，b、路堤边坡加筋路堤如果将边坡做陡，不仅能减少填土方量，还可节约用地，是一举两得的好事。如果地基的承载力较高，堤坝不致因坡度过陡而破坏，这时采用土工织物加筋陡坡即可达到此目的。c、加筋土挡墙它可以代替混凝土重力式挡墙。其最大优点是对地基的要求比重力式挡墙要低，抗震性较好。b、土工格栅三维植被土工网作岸坡防护植被网是一种类似于丝瓜瓤状的植草土工网垫，以加入土工格栅制成。植被护坡设计主要包括：判别采用植被的必要性；确定铺设范围；草种选择DrainageforsubsurfacedrainsHighpermeable,non-biodegradablesoilfil