土工合成材料在地基处理中的应用

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1、土工合成材料在地基处理中的应用土工合成材料出现被誉为岩土工程的一次革命，它以优越的性能和丰富的产品型式在工程建设中找到了用武之地，在地基处理工程中也发挥了重要的作用。1概述土工合成材料（Geosynthetics）是一种新型的岩土工程材料，是岩土工程应用的合成产品的总称。它以人工合成的高分子聚合物为原料，如合成纤维、合成橡胶、合成树脂、塑料或者一些天然的材料，讲它们制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，来改善土体性能或保护土体。现今，土工合成材料已经广泛应用于水利、建筑、公路、铁路、海港、环境、采矿

2、和军工等领域，其种类和应用范围还在不断发展扩大。今天我们提到土工合成材料主要有六大功能：排水、反滤、加筋、隔离、防渗和防护，除此还有约束和减载作用等。在实际工程应用中，往往是一种功能起主导作用，而其他功能也相应地不同程度地起作用。土工合成材料的种类繁多，早期主要有透水的土工织物、不透水的土工膜两类。近年来，大量其它类型的土工合成材料纷纷涌现，如土工格栅、塑料排水带、土工格室、土工网、土工模袋、三维植被网、土工织物膨润土垫等。（1）土工格栅。土工格栅是一种以塑料为原料加工形成的开口的、类似格栅状的产品，具有较大的网孔

3、，可以在一个方向或两个方向上进行定向拉伸以提高力学性能，多用于加筋。除塑料格栅外，还有编织格栅，即用众多的纤维形成纵向和横向肋条，中间有较大的开口空间。编织格栅采用的原料是聚酯，上面涂有一些保护材料，如PVC、乳胶或沥青。此外，还有玻纤格栅，它是一种编织格栅。（2）土工格室。土工格室一般用长12.5cm、宽75～200mm、厚1.2mm的高密度聚乙烯条制成，条间沿宽度用超声波焊接，焊缝间距约为300mm。在加筋地基现场像手风琴一样展开，展开的面积达10m×5m，每块面积中含有数百个独立的格室，每格直径约200mm。

4、在格室中充填砂砾料，振动压实后构成加筋垫层。与土工格室垫层相比，用土工格栅可连接成平面上呈方形或三角形的空格，填充粗粒料形成更厚的垫层。土工合成材料的分类是一个动态发展的过程，当一种新产品的应用得到广泛承认后，土工合成材料的家族也就增加了新的一员。2基本原理2.1概述土的抗拉能力低，甚至为零，抗剪强度也有限。在土体中放置了筋材，构成了土－筋材的复合体，当受外力作用时，将会产生体变，引起筋材与周围土之间的相对位移趋势，但两种材料之间界面上有摩擦阻力（和咬合力），限制了土的侧向位移，等效于给土体施加了一个侧压力增量使土

5、的强度和承载力都有提高。2.2筋材的应力传递筋材一般被水平地铺在土中。当高抗拉强度、高抗拉模量的筋材和土的复合体在荷载下发生变形时，通过二者界面引起应力传递，主要传递方式有二：依靠表面摩擦和依靠横杆的被动阻力。依靠表面摩擦的应力传递筋材相对于上下土料位移时（抗拔情况），二者上下面的摩阻力Ff为：Ff＝2bL?vtan?sg(1)如筋材相对于上或下单界面位移时（剪切情况），则摩阻力Ff为：Ff＝b·L?vtan?sg(2)两式中b、L—筋材的宽度与长度；?v—作用于筋材上的法向应力；?sg—土与筋材的摩擦角。抗拔情况

6、下应通过抗拔实验求得；剪切情况可通过直剪实验求得。一般情况下，?sg是土的内摩擦角的0.6～0.8倍。式（1）和（2）表明，?sg、?v愈大，能传递的Ff愈大，但它最大不能超过筋材的极限抗拉强度。筋材表面越粗糙，周围土颗粒越粗和带有棱角，则?sg越高，即Ff还主要取决于筋材表面及周围土的性质。一、依靠筋材横杆被动土抗力的应力传递这种应力传递中只出现于格栅类筋材中，如由纵肋和横杆所构成的土工格栅，在土中铺设土工格栅筋材时，一般肋的方向和土所受大主应力方向一致，当格栅与土发生相对位移时，除格栅表面有摩擦抗力外，格栅横杆

7、侧面上还受到与之垂直的被动土抗力，这是因为格栅有一定厚度，在格栅的孔洞内有土、石料充填之故。被动抗力Fp可按下式估算：Fp=ntb?h(3)式中t、b—格栅厚度和孔洞的有效宽度；n—单位宽度格栅的横杆数目；?h—单位土被动土压力。?h＝Nb·?v(4)式中?v—作用于格栅的法向应力；Nb—承载力因数。Nb值与土的抗剪强度和剪胀性有关，较少受筋材表面粗糙度的影响。Rowe和Davis通过有限元计算，得到如图所示的Nb和?关系曲线，可供查取Nb。?'h''图中纵坐标Nb＝?'，?h和?v

8、为有效应力。图中?v?0表示土无剪胀；?曲线表示有剪胀；上面的曲线为Prandtl的古典承载力解；下面的曲线为冲剪破坏。对于格栅，除了上述的摩擦力和被动抗力外，实际上处于孔格周围的土，其剪切面也负担应力传递的功能。2.3加筋的作用机理加筋土中的筋材通过与土的应力传递，使土体产生相应的力学效应，故可借助土力学原理来说明由此对土强度改善的机理。一、侧压力增量理论