土工合成材料在地基处理中的应用讲解学习

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，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。

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f F 为： f F ＝2bL v σtan sg ϕ (1) 如筋材相对于上或下单界面位移时（剪切情况），则摩阻力f F 为： f F ＝b ·L v σtan sg ϕ (2) 两式中 b 、L — 筋材的宽度与长度；v σ—作用于筋材上的法向应力；sg ϕ—土与筋材的摩擦角。

抗拔情况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 ϕ是土的内摩擦角的0.6～0.8倍。

式（1）和（2）表明，sg ϕ、v σ愈大，能传递的f F 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 ϕ越高，即f F 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p F 可按下式估算：p F = ntb h σ (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 σ— 单位土被动土压力。

h σ＝b N ·v σ (4)式中 v σ — 作用于格栅的法向应力 ；b N — 承载力因数。

b N 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b N 和ϕ关系曲线，可供查取b N 。

图中纵坐标b N ＝''h v σσ，'h σ和'v σ为有效应力。

图中0ν=表示土无剪胀；ν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、侧压力增量理论无粘性土地基中Z 深度处一个土单元所受大、小主应力1σ、3σ为：1301v h z K σσγσσσ==⎫⎬==•⎭（5） '01sin K ϕ=- （6）式中 v σ、h σ — 竖向和水平应力；γ、'ϕ — 土重度和有效内摩擦角；0K — 土的静止侧压力系数。

这一应力状态如图12－12中圆Ⅰ。

图中直线S 是土的强度包线，该单元处于弹性平衡状态，故圆Ⅰ与S 线不接触。

如果由于某种原因，加入在其附近开挖，则M 点在竖向应力不变条件下，水平向应力3σ却有所减小，待其降低到31a K σσ=，M 点达到塑性平衡状态而破坏，这时应力圆Ⅲ正好与包线相切。

设想M 点的土单元内埋有水平放置的筋材，则由前述的应力传递作用，M 点不可能因卸载而自由膨胀，体变受到筋材约束，使筋材处于拉力状态，此时M 点侧压力31K σσ=（a K ＜K ＜0K ），即图中圆Ⅱ反映的状态。

从而可见，M 点在卸载时免于破坏得益于加筋作用。

从应力圆看，是因为筋材为单元提供了一个侧压力增量3σ∆所致。

二、表观（视）粘聚力理论有学者进行过两种砂样的三轴剪切试验成果的对比，两种砂样为同一类砂，但一个为纯砂，另一个是在砂样中水平放置了土工织物，试验结果如图，表明当围压3σ，超过一定大小后，两种试样的1σ～3σ关系曲线基本平行，而放置了土工合成材料的试样，在相同的3σ下其破坏的轴向压力较不放土工织物有一个增量1σ∆。

这意味着，土工织物为无粘性砂提供了一个表观粘聚力（ϕ值不变）。

根据土的极限平衡条件，当土料具有粘聚力R C 时，大、小主应力1σ、3σ符合以下关系：132p K C σσ=+（7） 也已证明，如果试样中水平放置的土工织物的垂直间距为H ∆，则R C = （8）式中 t R ── 土工织物筋材抗拉强度；p K ── 土的被动土压力系数，20tan (45)2p K ϕ=+。

从前述侧压力增量理论看，筋材实质上是为试样提供了一个侧压力增量3σ∆，这时试样破坏的大主应力相应地增大为：133()p K σσσ=+∆ （9）与式（7）比较得到：R C = (10) 从式（8）和式（10）可得：3t R Hσ∆=∆ （11） 这表明加筋提供了侧压力增量来源于筋材的抗拉强度t R ，其大小相当于将该强度平均分配给高度为H ∆的试样侧面上的压力。

显然如t R 很小或筋材失效（筋材被拉断或被拔出），则侧压力增量将随之消失。

三、抗剪强度理论也有将聚合纤维混入土中做加筋土称为纤维土。

纤维土是用专用机械在现场直接将纤维和砂混合而成。

先讨论纤维互相平行，并垂直于土体中剪切带的理想情况。

如图，原来是垂直向的纤维由于将产生位变，纤维土中引起了拉力R σ。

如剪切带面积为A ，纤维所占面积为f A ，则单位土体面积内的纤维拉力为()fR R A t A σ=，它在垂直于剪切带方向的引起的压力增量为cos R t θ；在平行于剪切带方向上的分力使剪切力减小（即与剪切力的方向相反），相当于使土的抗剪强度增大sin R t θ。

土的抗剪强度总增量为： (cos tan sin )R R S t θϕθ∆=•+ （12）四、承载机理假定土与土合成材料最初都作用在坚实的地基上，然后在合成材料下之地基出现裂隙或孔洞，于是在外荷载及上覆土自重作用下，土工合成材料向下弯曲，这一弯曲形成土层向下弯曲和合成材料伸长。

土层弯曲在土内形成土拱，它把部分外载从裂隙或孔洞区向外转移，使裂、孔区的压力降低。

土工合成材料由于伸长，起到张膜作用，并能承受垂直于表面上的荷载。

由于合成材料的伸长，可以有以下三种情况，见图（a）土—合成材料系统发生破坏;(b)土—合成材料系统出现一定弯曲并跨接在裂隙或孔洞上；（c）土—合成材料都沉到深坑底部。

最后情况中，土工合成材料已发生部分强度承担了垂直于土工合成材料表面的部分荷载，其余部分荷载传到深坑底部。

此外，在软弱地基上，铺设土工合成材料底筋，在其上修建堤坝，土工合成材料底筋不使填土以集中荷载形式局部陷入地基，加强地基土和填土的整体性；它部分起到筏基的作用，使荷载应力扩散与均化，同时合成材料受荷变形，发挥其薄膜效应，使地基的承载力提高。

3土工合成材料加筋地基土本身是一种弱胶结颗粒集合体，有时它需要一种二维或三维的连续介质去提高其整体性，改善抗拉、抗剪性能和承载能力，这种连续介质最理想的就是土工合成材料。

3.1 简述加筋地基是将基础下一定范围内的软弱土层挖去，然后逐层铺设土工合成材料与砂石等组成加筋垫层做地基持力层。

当筋材埋设方式和数量得当时，就可以极大地改善地基的承载力。

加筋地基成功应用的实践可概括为以下三个方面：一是土堤的加筋地基，如堤防工程、公路或铁路路堤下的加筋地基；二是浅基础地基的加筋，如油罐或多层房屋基础加筋，特别是条形基础下的加筋地基；三是公路面层下基层的加筋，用于提高承载力、减小车辙深度和延长使用寿命。

此外，加筋地基（垫层）可与其他各种桩基础结合形成复合地基。

可用于地基加筋的土工合成材料有土工织物、土工格栅、土工格室和一些土工复合材料。

土工格栅具有均布的大空格，和土嵌锁在一起表现出较高的筋土界面摩擦力，故有些情况下土工格栅作为加筋材料要比土工织物效果更好。

土工织物和土工格栅加筋土地基的设计包括筋材强度和层数的确定，以及抗拉强度的选择。

目前生产厂家提供的土工织物和土工格栅产品，其抗拉强度有20kN/m 、50kN/m 、80kN/m 和110kN/m 等多种规格。

由多种纤维织成的有纺织物强度可达500kN/m 。

土工织物还被其他聚合物、玻璃纤维和钢纤维加筋构成加筋土工织物复合材料。