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加筋土结构及其发展概述

发布者:admin  发布时间:2016-08-09  点击:1214

土体具有一定的抗压强度和抗剪强度,但抗拉强度却很低。在土体中掺入或 铺设适量的拉筋材料后,可以不同程度地改善土体的强度与变形特征。将拉筋材 料埋置在土体中,可以扩散土体的应力、增加土体模量、传递拉应力、限制土体侧向 变形,同时还能增加土体和其他材料之间的摩阻力,提高土体及有关结构物的稳定 性。因此,在填土中加入抗拉材料,通过摩擦力将拉筋材料的抗拉强度与土体的抗 压强度结合起来,增强土体的稳定性,使土体的整体强度得以提高。该技术巳广泛 用于修筑路基、挡土墙、桥台、堤坝等工程[1]。

从广义上讲,凡在土体内加入筋材,充分利用土体的抗压强度和筋材的抗拉强 度的稳定结合体均可称为加筋土结构,如:在软土路基的基底铺设单层或多层高强 度的土工织物或土工格栅来约束浅层软土地基的侧向变形,提高路基的抗滑稳定 性;在复合地基表面,利用土工合成材料和砂、碎石等组成加筋垫层,以传递和调整 基底应力分布,减少不均勻沉降;在路基边坡内加人筋材,以增强边坡的稳定,防止 边坡溜坍等。本书中的加筋土结构指加筋土作为一个整体在工程中发挥作用,如 加筋土挡墙、加筋土陡边坡等。

钢塑土工格栅
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1.1.1加筋土结构的组成

加筋土结构主要由加筋材料、面层系统和回填材料三部分组成[2]

  1. 加筋材料

在加筋土结构系统中采用的加筋材料,按其几何形状可分为条带式加筋(包括 钢带、聚合物加筋带、混凝土板条等)、网眼型宽幅加筋(包括土工网格、土工格栅或 钢筋网和非网眼型宽幅加筋(主要为土工布)三种类型。目前,大部分加筋土结构 采用连续的土工合成材料(土工网格、土工格栅或土工布。尤其是土工格栅,由于 其具有变形模量大、抗拉强度高、韧性好、重量轻、耐腐蚀、抗老化、与土颗粒之间的 相互作用强以及能在较短时间内发挥加筋作用等优点而得到了广泛应用。

  1. 面层系统

面层系统是阻止两层加筋材料之间土的表面剥落而使用的加筋土结构的一部

分,一般包括预制混凝土块、现浇混凝土面板、石笼、焊接钢丝网、喷浆混凝土、土工 合成材料返包式面板等。

加筋土结构系统中使用的面层系统由于是加筋土结构中唯一的可视部分,对 美观影响很大。另外,面层系统对结构的稳定也起到了一定的作用,可保护回填 土,防止其滑塌和侵蚀;在某种情况下,也能提供排水通道。

  1. 回填材料

对于加筋土结构,为了保证其耐久性、良好的排水性能、施工方便以及良好的 筋土相互作用,一般需要采用级配良好的粗粒土。由于筋材和填土之间的摩擦力 对加筋土结构的稳定性起着重要作用,一般要求尽量选用具有良好摩擦特性的材 料。国内外研究者对黏性土的加筋性能也做了一些研究工作,但一般不推荐使用 黏性土作为填料,一是因为黏性土的内摩擦角较小,二是它的低渗透性往往会存在 超孔隙水压力,降低加筋土工程的安全度。就加筋性能而言,加筋土结构可采用质 量较差的回填土,但高质量的回填土有排水方便的优点,而且粒料土在装卸、填土 和压实过程中也有显著的优点,可提高筑坡成功率和改善坡体线性偏差。

  1. 加筋土结构的发展现状

加筋土的应用具有悠久的历史。公元前3000年以前,英国人曾在沼泽地带 用木排修筑道路Koemer1986)[37];公元前2500年古罗马人就采用编织的芦 苇在软基上筑路;公元前2000〜公元前1000年,巴比伦人曾利用土中加筋来修 筑庙塔;20世纪二三十年代美国还尝试用棉织品加强路面;在第二次世界大战 中,英国曾在软基铺设梢辊和帆布,以便装甲车通过,这些早期的加筋土技术完 全依靠经验来指导实践。现代加筋土理论是由法国工程师Henri Vidal20世 纪60年代初提出的,并于1963年首先公布了其研究成果,1965年法国在比利 牛斯山的普拉聂尔斯修建了世界上第一座加筋土挡土墙[3]。由于加筋土技术在 法国的成功应用,引起了世界各国工程界、学术界的重视,其发展速度相当快,应 用范围也日益广泛。加筋土结构作为支挡结构,被应用于挡墙、桥台、港口岸墙 和地下结构等;作为土体的稳定体系,被应用于道路路堤、水工坝体、码头护墙、 边坡稳定和加固地基等,联邦德国《地下建设》杂志1979年)曾誉之为继钢筋 混凝土之后又一造福人类的复合材料[2]。

20世纪70年代是加筋土技术在世界范围传播、发展的阶段,相应的试验、研 究工作也同时进行。当时,研究最为活跃的当属法国桥梁道路中心、美国加州大 学、日本国铁和建设省等。法、美、日、德等国也先后制定了有关加筋土工程的规 程、条例和手册[4]

20世纪80年代,除了进一步探讨加筋土结构的基本性状、完善设计计算理论 之外,许多国家还在拓宽填料、加筋材料的应用范围方面做了大量工作。美国联邦 公路管理局提供研究基金,以加州大学Mitchell为首,与英国、法国学者合作的研 究项目加筋土坡和路堤1987年完成了研究报告。美国、英国学者HoltzJewell等开展的用土工合成材料稳定路堤、处理软弱地基方面的研究也取得了重 要成果。80年代以后,美国、法国合作,利用离心机进行模拟试验,以了解不同的 筋材、面板刚度、地基土的庄缩性以及不同的超载和填料对加筋土结构内部稳定性 的影响,并利用有限元法对加筋土结构的设计和试验成果进行数值分析。

我国是加筋土的故乡,自古以来,筑土墙加草筋或竹筋,用柴排处理软弱地基, 用土袋或树枝压条加固堤岸等,都是应用加筋土的例子。现代加筋土技术引人我 国是在20世纪70年代后期,1979年云南省煤炭设计院在云南田坝矿区建成了我 国第一座加筋土挡墙储煤仓,其挡墙部分长度80m,2。 38. 3m,由填土和布置 在填土中的筋带及墙面板三部分组成[4]。该挡墙的成功建造引起了我国土木建筑 行业技术人员的兴趣,因为这种结构不仅施工容易,而且具有一定的经济性。与传 统的砌石挡墙相比,加筋土挡墙的造价较低。从技术上看,加筋土是柔性结构,对 地基承载力的要求较低,易于处理,施工也无需专用机具和特别技术,工效高,易于 推广,外形平整美观。因此,很多人对这种结构进行了深人研究并迅速推广应用, 各省、自治区和直辖市修建的加筋土工程已逾千项,砌墙面积超过70m2在大 量工程实践的基础上,随着经验的积累,创造了符合我国国情的加筋土技术。

多年以来,支挡结构多为重力式或悬臂式的混凝土挡墙或石砌挡墙一类刚性 结构。这类结构浪费材料、墙面不美观且沉降不均勻。自从法国工程师Henri Vidal最早将加筋原理上升到理论高度以来,大量不同性质材料的加筋结构出现 在生产实践中:较早一类材料的加筋构想来源于钢筋混凝土,加筋材料为钢筋混凝 土预制件,即在受拉钢筋外表面包裹一层混凝土,这种加筋形式类似于深基坑支护 中经常用的土钉,目前在加筋土挡墙工程中还经常被使用;与早期加筋土挡墙结构 相比,土工合成材料加筋土挡墙以其施工简单、经济有效的特点越来越受到广大岩 土工作者的青睐,世界上第一座土工合成材料加筋土挡墙是1971年在法国Rouen 修建的无纺土工织物包裹式挡土墙,墙高13feet0)* 66feet墙后填料为黏性 土[5]。自从20世纪80年代初塑料拉伸土工格栅引人加筋土工程,仅19831990年美国就修建了 300最多座土工合成材料加筋土挡土墙(geosynthetics reinforced soil walls, GRSW)和加筋土陡.geosynthetics reinforced soil slopes, GRSS) (Mitchell and Christopher, 1990)[s]由于土工格栅这种具有网孔结构的新型土 工合成材料依靠其特有的网孔对土的嵌固作用与咬合作用,加筋效果更加明显,在 挡土墙中的应用比例日益增加。

凸结点双向土工格栅
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