李晨 陈华

加筋土是一种在土中加入加筋材料形成的复合土。在土中加入加筋材料可以提高土体的强度,增强土体的稳定性。因此,凡在土中加入加筋土材料而使整个土工系统的力学性能得到改善和提高的土工加固方法均称为土工加筋技术,形成的结构亦称之为加筋土结构。加筋材料是加筋土结构的关键部分,加筋材料的变形和强度以及材料的耐久性必须严格控制。根据材质情况,加筋材料可分为天然植物,如竹筋(竹片)、柳条等;金属材料,如扁钢带、带肋钢带、镀锌钢带、不锈钢钢带等;合成材料,如聚丙烯、聚乙烯、聚酯、尼龙、玻璃纤维材料等,其形式主要有聚丙烯条带、土工格栅、土工网、土工织物(俗称土工布);复合材料,如钢筋混凝土带,钢—塑复合加筋带等。

1 加筋土技术原理

松散的砂在自重的作用下可堆成具有天然休止角的砂堆,如在砂中分层埋设水平向的加筋材料,则这种由砂和加筋材料形成的加筋土复合体就可保持一定高度的直立状态而不塌成斜坡。这表明加筋土复合体的力学性能和稳定性比未加筋前有了较大的改善和提高。加筋土力学性能改善的根本原因在于筋土之间的相互作用。筋—土间相互作用的基本原理大致可归纳为两大类:1)摩擦加筋原理;2)准粘聚力原理,或是粘聚力原理。

摩擦加筋原理如图1所示,土的水平推力(T1-T2)被筋—土之间的摩擦力所克服,则微元体保持稳定。

加筋土技术在挡土墙中应用的摩擦加筋原理如图2所示,依据朗金理论,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,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。

摩擦加筋原理概念明确、简单,但是忽略了筋带在力作用下的变形,也未考虑土是非连续介质、具有各向异性的特点。

准粘聚力原理是通过加筋土样和未加筋土样的三轴对比试验,根据库仑理论和摩尔破坏准则分析得出,如图3所示。比较加筋前后砂土的极限平衡条件,加筋砂土比未加筋砂土多了一项由 C′引起的强度增量,纯砂土本身并没有这个“粘聚力”,显然是加筋以后的结果,加筋作用仍是增大了土样的侧向约束力,从而提高了土的抗剪强度和抗压强度。侧向约束力和抗剪强度以及抗压强度三者的大小均与所用的筋材的抗拉强度、加筋层间距和土的内摩擦角有关。

2 加筋土设计计算方法

目前,加筋土的设计计算方法主要有三类:极限平衡法、极限状态法和有限元法。1)加筋土极限平衡法是在无加筋土极限平衡法基础上演绎出来的。其思路是:首先假定可能的破坏形式,然后在极限平衡分析中计入加筋拉力对加筋土体稳定性的贡献。基于极限平衡分析的设计方法很多,常用的有锚固楔体法、圆弧滑动法等。锚固楔体法多用于加筋挡墙计算,圆弧滑动法多用于加筋软土地基计算。2)极限状态法是同时考虑强度和变形,即承载力极限状态和正常使用极限状态,而且引入了分项安全系数来代替整体安全系数。3)与极限平衡法相比,有限元法可以提供受荷土体的应力场和位移场,在计算中考虑土体的非均匀和非线性、土体性质随时间的变化、施工程序和荷载变化,因而计算结果可反映从施工开始到运行期间土体性质变化的全过程。

3 加筋土技术的工程应用

3.1 加筋土挡土墙

加筋土挡土墙是一种由轻型面板、拉筋和填料混合组成的三位一体的新型支挡结构。面板可由钢板或预制钢筋混凝土板拼装而成,拉筋可用抗拉性能强的材料组成,面板与拉筋相连,拉筋范围内由填料填充压实通过填料与拉筋之间产生的摩阻力来改变填土原有的力学特性,从而使填土承载力得到很大的提高。加筋土挡墙可分为刚性筋式和柔性筋式两种形式。前者采用抗拉模量高、延伸率低的土工格栅或加筋土工带作为筋材,后者则以土工织物等中等拉伸模量的材料为筋材。

加筋土挡墙设计采用极限平衡法。外部稳定验算同重力式挡墙,墙背土压力按朗金土压力理论计算。内部稳定包括筋材强度和抗拔稳定性验算。筋材布置应满足材料抗拉强度要求。筋材长度应满足抗拔验算,同时考虑构造要求。为了施工方便,自上而下筋材可取同等长度,也可分段采用不同长度节约材料。

3.2 加筋土边坡

加筋土边坡有两种方式:填土加筋边坡和原位加筋边坡,填土加筋边坡中筋材随填土的升高分层填入土中,分层加筋分层压实,一般采用土工织物或格栅。原位加筋边坡是对已有边坡的加固,筋材锚入边坡,又称锚钉法,其基本结构由三部分组成:锚钉、面板和灌浆体。一般要求筋材具有较高的强度和模量。

加筋土边坡设计采用极限平衡理论。可按圆弧滑动法或楔体滑动法核算土坡的安全系数,其值应大于1.3。筋材强度验算和内部稳定验算同加筋挡墙验算。

3.3 加筋土地基

加筋土地基具有提高地基承载力、减少地基沉降、控制不均匀沉降的优点。加筋土地基的筋材一般为土工织物、土工格栅、土工格室或土工带。设计包括稳定验算、地基承载力验算、沉降验算、加筋构造。稳定验算也采用传统的极限平衡法,分深层抗滑稳定性和浅层抗滑稳定性校核。深层稳定性校核采用圆弧滑动法,浅层稳定性校核采用平面滑动极限平衡法。地基承载力和沉降验算应满足相应的规范要求。筋材的选型应根据工程特性、土质条件和土工合成材料的类型等确定,一般要求为筋材在垫层中受力时,其延伸率不宜超出4%～5%,且不宜被拉出。

4 结语

土工合成材料加筋技术在近年来得到迅速发展,在很多部门得到广泛应用,取得很大的经济效益和社会效益。加筋技术在理论和实践方面取得了很多的成果,具有广阔的发展前景。在大量总结研究的基础上,近年来颁布了土工合成材料应用技术规范的国家标准和行业标准,标志着此项技术渐趋成熟,进一步提高了我国加筋土技术的水平,并对今后推广应用加筋土技术起到了巨大的作用。

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