土工合成材料加筋地基

Z1
2 b ， 3
Ta Fs Li b 2 Z i tan f ( d z i )
d——基础埋深，m；
f ——土与筋材的界面摩擦系数， 由试验确定。无试验资料时，土工 织物可取0.67tan ，土工格栅可 取0.8tan ， 为加筋砂垫层中砂 的内摩擦角。 ——压力扩散角，可以从《建筑 地基基础设计规范》GB50007－2002 中查找，度； Fs ——筋材抗拔出安全系数，可取 2.5； —加筋砂垫层中砂的容重,kN/m3 。
6、土工－其它材料geo-others 为了解决工程实践中出现的新问题，新型土工合成材 料产品不断涌现：
（1）土工格室（geocell）和土工网格（geoweb）
这是一种呈菱形或蜂窝网格状结构的土工合成材料， 铺设厚度为50~200mm,中间空格尺寸大约80~400mm。 格中填土、砂、碎石或混凝土，起侵蚀控制作用，亦 可用于加筋地基、加筋土挡土墙。
隔离、加筋
图1 有纺织物
图2 无纺织物
2、土工格栅geogrids 土工格栅是一种以高密度聚乙烯或聚丙烯塑料（包 括玻璃纤维）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。塑料土工格栅可以在一个 方向或两个方向上进行拉伸取向以提高力学性能。 另一种更灵活的、织物状的土工格栅由英国的ICI 开发出来，采用的是聚酯纤维，这导致了在编织机上 制造聚脂格栅的发展，产品称为经编（knitted）格栅。 在这种工艺中，众多的纤维在一起形成了纵向和横向 肋条，上面涂有一些保护材料，如PVC，乳胶或沥青。 此外，还有玻纤(glass fiber)格栅，它也是一种经编格 栅（参见彩图3）。目前，我国已具有上述格栅的生 产能力。
(1) 求加筋提高的承载力 ΔfR = p－fak = 280 kPa -100 kPa =180kPa k
将ΔfR=180kPa和查得的ηd =1.1，θ=25° ) 得 2 z n tan pk Δf =ΔfR－ηdγ（d+ zn－0.5）b 2 z n tan =180 kPa－1.1×18.4×(3.37+1.6-0.5) kPa
（◦）
0
5
10
15
20
25
30
L（×b） 7.00 u Du （×b） 0.71
7.50 0.79
4.14 0.89
4.97 1.01
6.06 1.16
7.53 1.35
9.58 1.59
z n 2b筋材层数N 为3—6，且长度L 筋材的布置范围 足够。此时加筋地基的破坏表现为筋材的断裂，其断裂点在基础 下方，接近筋材与压力扩散线的交点。 从0增至30时，Lu 从 3.0 b增至9.58 b，筋材的增长大幅度增加了基坑开挖的工程量， 故适当减短长度，损失一定的承载力是合理的。
T, Tp
Ht
dx w (1) q w+dw
x
+(/ x)dx n
y (2) T p, T
n
n n n n +d
T p, T+dT
Fig.2. Three elements from an vertical segment of infinitesimal width, forces and stresses (after Yin 1997a)
(3) 在有效深度内，层数N增加，BCR增加，直到N=6，达峰值 BCR 3.0 ，层数再增加， BCR无明显改变； b (4)织物长度增加至 L 2.5时，BCR接近最大，再增加L只是 BCR 几乎没有变化； 增加了锚固段长度， (5) 当织物抗拉强度增加时，BCR增大，例如从67kN／m增加 到216kN／m，BCR由 1.7增加到2.6。
Du 2

Fs ——地基承载力安全系数， s 2.5 3.0 。 F Z n —最低一层筋材的深度，m。
考虑因埋深修正而提高的承载力和垫层压力扩散提高的承载力， 则加筋地基增加的地基承载力设计值： 2 z n tan ΔfR = ηdγ（d+ zn－0.5）+ pk +Δf b 2 z n tan
地基承载力试验（宇都宫大学）
2、软土地基加筋 提高整体稳定性 可用堤基分层加筋代替
分析土工织物对地基的加筋作用主要有以下四个方面： （1） 隔离堤身和软基，堤底下凸、堤顶受挤压防裂，增 加滑弧长度（且处于堤身滑弧的抗剪强度大）。
（2） 下凸增加堤基埋深。
（3） 扩散应力，使压缩应力分布均匀。 （4） 约束软弱土的侧向变形。
Fs 允许特性 要求特性 允许特性 试验特性 折减系数
其中，设计理论来自相关工程设计中成熟的模型， 并结合土工合成材料的特点作一些必要的修正； 折减系数素须综合考虑材料的蠕变、施工破坏、 化学破坏和生物破坏等的影响。
二、加筋地基
图 2-1
（一） 条形基础的加筋地基 理论分析和实验观察都表明，基础下方的土在沉降的同时 向两侧扩张，地基土破坏时，基础两侧的地表隆起，因此在基础 下方存在着一个拉伸变形区域，如果将土工合成材料布置在这个 区域，将产生拉力，提高地基的承载力。 1、 工程和实验结果 图2-1为南京某炼油厂的原油油罐及基础，油罐的直径40.5m， 高15.8m，下卧40m厚的软土。油罐的浮动顶对基础的沉降差要求 很严，采用逐层铺设土工织物和砂垫层的方法处理地基，达到了 设计要求（王铁儒等，1987）。
4、土工膜－土工格栅型复合材料 由于某些土工膜和土工格栅可用同种原料生产，如高 密度聚乙烯，它们可以粘合在一起形成一个不透水的 屏障，且其强度和摩擦力都有所提高。 5、土工织物－土工格栅型复合材料
这些低模量、低强度和高延伸率的土工织物（通常是 无纺织物）可通过用土工格栅
做成复合材料而使其弱点得到 克服， 共同发挥隔离、反滤和加筋作用。
模型试验图2-2所示装置， b 为基础宽度，加筋织物长度为 L ， Z 和 Z 分别表示顶层和最低层 n 土工织物的深度，p 0为无加筋时的 极限荷载，p u 为加筋条件下沉降与 无加筋达时的沉降相同情况下的荷载。 令承载比 BCR pu / p0 ，主要的结论如下：
1
r

图 2-2
(1)对于相对密度 D >50％的砂，BCR值较小，但当沉降较大 。例如达到10％ b 时，不同密度砂的BCR稳定在1.7左右， 即不受密度的影响； (2) 顶层加筋的最佳深度 Z1 0.3b ，有效加筋范围为 Z n ≤2 b ；
ηd
kPa。
ηd—基础埋深的地基承载力修正系数；
p k——基础底面处的平均压力值，
加筋土（砂）垫层地基承载力设计公式为： pk－ f ak ≤ΔfR
f ak —垫层下软土地基承载力特征值，kPa；
[例] 黄石市某泄洪闸的闸室底宽b为5.0m，基底压力设计值 p k =280kPa，埋深d=3.37m，地基淤泥质土的容重γ =18.4kN/m3， 地基承载力特征值fak=100kPa，粘聚力c=40kPa，内摩擦角 =16°。 初步设计拟在闸室及前面二节和后面一节箱涵的下方采用外径50 厘米，长14米的微孔桩93根处理地基。施工图设计阶段改为土工 格栅加筋土垫层。试完成设计。 解：设计用三层土工格栅构成加筋土地基。第一层到基底面距 离z1=0.6m， 第3层到基底面距离zn=1.6m， 间距△H =(zn－z1)/(3-1) = 0.5m。 试验测得砂垫层中砂的内摩擦 角 s=34°。
2、 地基承载力设计公式 筋材拉力对地基承载力的贡献包括以下两个方面（王钊、王协群岩土 工程学报， 2000（6））：一是拉力向上分力的张力膜作用，二是拉 力水平分力的反作用力所起的侧限作用。
2 sin 45 ） （ cos 45 ） （ NTa 2 f [ 2 2 tan （45 ） Fs b 2 z n tan
加筋、隔离
图3 单向塑料格栅 双向塑料格栅 经编土工格栅
3、土工网geonets
土工网是由连续的聚合物肋条以一定角度的连续网 孔平行挤出而成。较大的孔径使其形成了象网一样 的结构，同时能承受一定的法向压力不显著减小孔 径。其设计功能主要应用在排水领域，即需要输导 各种液体的地方。在土中需和外包无纺织物反滤层 构成土工复合材料使用，也起到加筋作用。
例如，加筋土挡土墙、加筋地基 加筋土坡、软土地基上的加筋堤，以及路面的加筋等
（二）加筋用土工合成材料 1、 土工织物 geotextiles 土工织物是采用编织技术生产的透水性土工合成材 料，成布状，故俗称土工布。主要特点是重量轻、 整体连续性好、施工简便、抗拉强度高、耐腐蚀。 土工织物又分为有纺土工织物（woven geotextiles） 和无纺土工织物（nonwoven geotextiles），前者 由单丝或多股丝织成，或由薄膜切成的扁丝编织而 成；后者由短纤维或喷丝长纤维随机铺成絮垫，再 经机械缠合（针刺）或热粘，或化学粘合而成（参 见彩图1和2）。
2 1.6 tan 25 －280× kPa 5 2 1.6 tan 25
=180 kPa－90.47 kPa－68.36 kPa = 25.17kPa 从上面计算中可见因埋深修正增加的承载力达90.47kPa，因 压力扩散增加的承载力达68.36kPa，而要求筋材提供的承载力增 量Δ f仅为25.17kPa。
w qs 1 / k s 0 w / q sf
Fig.1 Schematic illustration of the extended Pasternak shear layer model (after Yin 1997a)
2B q Gt for granular fill 1 Hb ks Soft Soil Bedrock Pasternak shear layers Eg for geosynthetics Gb for granular fill 2 T, Tp