土工格栅 加筋挡墙的设计方法及应用

C ———加 筋 墙 地 面 与 地 基 之 间 的 粘 聚 力 ( kPa) ;
L ———加筋墙的底宽 (m) .
对于垂直挡墙 (墙面倾角小于 10°) 和填土水平
情形 ,主动土压力系数为 :
ka = tan2 (45°- φ/ 2)
(16)
对于填土倾斜的垂直挡墙 ,主动土压力系数为 :
ka
=
cosβ
66 重 庆 交 通 学 院 学 报 第 25 卷
2 土工格栅加筋挡墙的设计方法
211 内部稳定性验算 21111 临界滑动面的确定
作为加筋材的土工格栅 ,因为其抗拉模量较小 , 作用于土体后由于本身变形大对填料的侧向约束有 限 ,当加筋体破坏时 ,筋材会延长并在与破裂面相交 处变形 ,这时土工格栅的强度得到充分发挥. 国内外 的众多研究表明 , 其破裂面或潜在破裂面的形状不 宜采用应力分析法采用的 013 H 折线破裂面形状而 是接近楔体平衡分析法中朗金理论的破裂面如图 1 ,美国的 FHWA 和 AASHTO 两个机构也推荐采用 Rankine 理论验算其内部稳定性 ,这样的假定是偏于 安全的.
图 1 土工格栅加筋挡墙内部稳定性破裂面形状
21112 加筋土挡墙在填料自重和上部荷载下土压力 的计算
(1) 在填料自重下水平土压力的计算主动土压 力分布沿墙高如图 2.
图 2 填料自重土压力分布
Ka = tan2 (45°- </ 2)
(4)
式中 , Ka ———主动土压力系数 ; < ———加筋土填料
Ta
≥ Tmax
Rc
(10)
式中 , Ta ——— 单位宽度筋材的 抗 拉 强 度 ( kN/ m) ;
Rc ———围裹系数 ,对于满铺筋材 Rc 取 110.
21114 拔出稳定性验算
加筋的拔出稳定性要求 :
Kf = P/ Tmax ≥115
(11)
P 由 (1) 式计算
21115 内部稳定性所需加筋总长度计算
-
hi ( b + l0) h2i + ( b + l0) 2
+ arctan
( b + l0) hi
-
arctan
(
b hi
)
(7)
式中 ,γ———填料的容重 (kN/ m3) ; h0 ———荷载换算
土柱高 (m) ; hi ———墙顶填土离第 i 层墙面板中的高
度 (m) ; b ———荷载内边缘至墙背的距离 ; l0 ———荷
图 5 地基应力美耶霍夫分析
σmax =
W L
(1
+
6 e) L
≤ [σ]
(24)
σmin =
W L
(1
-
6 e) L
≥0
(25)
按后一种计算公式如下 :
σ=
L
W - 2e
(26)
式中 , W ———w1 + w2 + FT ·sinβ; L ———加筋土体的
收稿日期 :2005204222 ;修订日期 :2005206206 作者简介 :王 祺 (1973 - ) ,男 ,四川苍溪人 ,硕士生 ,从事路基 、路面岩土研究方向.
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
随着土工合成材料在我国的铁路 、公路 、水利 、 市政等工程中的广泛应用和发展 ,土工格栅加筋挡 墙作为一种新型的路基柔性支挡结构 ,与一般圬工 挡墙相比具有造价低 ,构件制作简便 、施工快 ,且对 地基具有较好的适应力等优点 ,是支挡建筑发展的 新方向. 但目前土工格栅加筋挡墙还缺乏完整的设 计理论和方法 ,现行加筋挡土墙规范主要是针对塑 料条带修筑加筋挡墙的情况而制定 ,对拉筋的容许 应力只简单规定了一个 1/ 5～1/ 7 的范围 ,没有考虑 筋材的蠕变 、生物老化 、施工等折减因素作出具体设 计规定 ,另外 ,用土工格栅建加筋土挡墙在内部稳定 性验算时 ,在破裂面形状的假定 、水平土压力系数的 计算以及上部可变荷载作用下水平土压力的计算等 方面有很大的不同. 本文系统给出土工格栅加筋挡 墙的设计方法作为探讨 ,以供读者参考.
一般根据填土与筋材间的摩阻力按下式计算单
位宽度加筋材料的容许拉力 P :
P = f′·α·σv ·Le ·C
(1)
式中 , Le ——— 滑 裂 面 后 土 体 中 筋 材 的 锚 固 长 度 ;
C ———筋材的名义周面积系数 (一般取 2) ; f′———拉
拔阻力系数 ;σv ———填土和加筋界面的有效垂直应
力 ;α———尺寸效应修正系数 ,土工合成材料通常为
016 ～ 110 ;若缺乏数据 ,α推荐值取为 016. 拉拔阻力
系数 f′对于土工格栅 , 拉拔阻力系数根据交通部
《公路土工合成材料应用技术规范》(J TJ 298) 的规定
按式 (2) 计算 :
f′= 2/ 3tan <
(2)
式中 , < 是加筋土的最大内摩擦角.
载分布宽度.
假定上部的交通活载为 q (kN/ m2) , 则按 (7) 式
计算的水平土压力大于采用通常的计算方法得出的
水平土压力即σhi2 > ql0 ka 说明按 (7) 式计算是偏安
全的.
21113 各层加筋最大拉力计算
(1) 计算每层加筋的水平应力σhi 为 :
σhi = σhi1 + σhi2
在上部荷载作用下 , 挡墙墙背后的水平向土压
应力大小的分布规律和布西奈斯克在半空间弹性地
基上均布矩形荷载作用下土基中竖向应力的分布曲
线相似. 故由荷载产生的水平土压应力σhi2 (kN/ m) ,
可按 Boussinesq 弹性理论采用式 (7) 计算 :
σhi2
=
γh0 π
bhi b2 + h2i
cosβ cosβ +
cos2β - cos2φ cos2β - cos2φ
(17)
式中 ,β———墙填土倾斜坡角.
对于墙面坡角大于 10°的情形 , 主动土压力系
数可按库仑理论计算 :
ka =
sin2θsin (θ - δ)
sin2 (θ + φ)
1+
sin (φ - β) sin (φ + δ) sin (θ - δ) sin (θ + β)
(18) 式中 ,θ———墙面倾角.
故土压力如图 3 为 :
筋土体底宽 ; h ———加筋挡墙的高度. 21212 倾覆稳定性验算
假设加筋土体为一刚性体 , 则施加其后的水平 推力有使加筋土体倾覆的趋向 , 对加筋土体的前端 取矩如图 4 ,则 :
图 4 土工格栅加筋挡墙外部 稳定性分析 (填土倾斜)
-
W2
·L 6
W1 + W2 + FTsinβ
(23)
e < L / 6 (土基) ; e < L / 4 (岩基)
关于地基应力的计算 , 地基应力按梯形分布如
图 4. Meyerhof (美耶霍夫) 把加筋土挡墙作为一个柔
性结构 ,允许有一定沉降 , 加筋体沉降后 , 应力在有
效地基宽度范围内重新达到平均分布如图 5. 按前
113 加筋土工格栅的设计强度
加筋材料的长期抗拉强度 Ta 受到环境因素 (如
蠕变 、施工损伤 、老化 、温度和侧限应力) 的影响 , 一
般用式 (3) 表示 :
Ta
=
Tc
k1 ·k2 ·k3 ·k4
(3)
式中 , Tc ———土工筋材的极限抗拉强度 ; k1 ———蠕
变折减系数 ,聚酯类 ,210 ～ 215 ;聚丙烯 ,410 ～ 510 ;
摘要 :现行加筋挡土墙规范主要是针对条带式加筋挡墙的情况而制定 ,而近年来实际工程中大量采用土工格栅修 筑加筋挡墙的工程应用却缺乏相关设计规范和设计方法的支持. 本文主要从土工格栅对土体的加固机理出发介绍 土工格栅设计加筋土挡墙的相关设计理论和方法 ,借助 Rankine 、Coulomb、Boussinesq (布西奈斯克) 的土体理论 ,同时 参考国外的土工合成材料设计理论比较系统地介绍了土工格栅加筋挡墙的内部和外部稳定性验算方法 ,并给出具 体的应用算例. 关 键 词 :土工格栅 ;加筋挡墙 ;设计方法 中图分类号 :U47111 + 1 文献标识码 :B 文章编号 :10012716X(2006) 0320065204
(8)
式中 ,σhi1 ——— 填 料 产 生 的 水 平 土 压 应 力 ( kpa) ; σhi2 ———墙顶荷载产生的水平土压应力 (kpa) .
(2) 根据加筋层的垂直间距 Sy , 计算单位墙宽
内每层筋材的最大拉力 Tmax
Tmax = σhi ·S y
(9)
(3) 为避免筋材拉断破坏 ,要求 :
聚乙烯 ,215 ～ 510 ; k2 ———耐久性折减系数 ,一般取
值范围为 111 ～ 210 ; k3 ———施工损伤折减系数. 它
的取值范围为 111 ～ 310 ; k4 ———考虑加筋土结构几
何形状 、填土特性 、加筋特性和外载的不确定性建筑
安全系数. 对永久性加筋土挡墙 ,目前所用最小安全 系数为 115.
第 3 期 王 祺 ,等 :土工格栅加筋挡墙的设计方法及应用 6 7
活动区内的加筋长度为 :
L a = ( H - Z) tan (45°- Ф/ 2)
源自文库
(13)
式中 , Z ———墙顶到加筋层的深度.
内部稳定性所需加筋总长度为 :
L = Le + La
(14)
212 外部稳定性验算
21211 滑动稳定性验算
kc
=
μΣN + ΣT
cL
≥115
(15)
式中 ,μ———基底摩擦系数 ,μ = min (tan <,tan <f ) , <
∑ 和 <f 分别为加筋土和地基土的内摩擦角 ; N ———
∑ 竖向 力 综 合 (kN) ; T ——— 水 平 力 综 合 ( kN) ;
1 土工格栅加筋挡墙的相关设计理论
111 土工格栅加筋挡墙的加固原理 土工格栅应用于土体能改善土体的力学性能 ,
筋材与土体间的相互作用通过填土与筋材间的摩擦 力与被动土压力传递. 摩擦力在填土和筋材之间存 在相对剪应变的地方产生. 被动土压力在筋材的横 筋部位产生 ,被动土压力通常被认为是最重要的相 互作用. 土工格栅的主要作用是抑制填土的变形 ,承 受拉应力或承受剪切和弯曲. 112 加筋土工格栅的容许拉力
倾覆稳定性系数 :
K0
=
Mr Md
=
γf hL
·L 2
+ γf ( H -
h)
L ·2L 23
1 2
ka
·γf
·h2
·h 3
·cosβ
=
(2 H + h) L2 ka ·h3cosβ
≥115
(22)
21213 基地承载力验算
对于填土倾斜情况计算基底合力偏心率 e 为 :
e=
FTcosβ·3h -
FTsinβ·L2
滑裂面后稳定区土体中筋材的锚固长度 Le 由
(11) 式得 :
Le
≥
115 Tmax f′·α·σy ·Rc
·C
≥1m
(12)
对墙面垂直和水平回填土 (无背坡) 的加筋土挡墙 ,
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
的综合内摩擦角.
对于墙面倾斜度大于 10°的挡墙 , 可以使用下
面库仑公式的简化形式 :
Ka
=
sin2 (θ + <) sin3θ(1 + sin </ sinθ) 2
(5)
式中 ,θ———墙倾角 ,从墙前水平起点算起.
故填料自重下水平土压力为 :
σhi1 = Ka ·γ·hi
(6)
(2) 在上部荷载下水平土压力的计算
第 25 卷 第 3 期 Vo1125 No13
重 庆 交 通 学 院 学 报 JOURNAL OF CHONGQINGJ IAOTONG UNIVERSITY
2006 年 6 月 J une 2006
土工格栅加筋挡墙的设计方法及应用
王 祺1 , 韩道均2 , 陈仕周2
(11 重庆交通学院 土木建筑学院 ,重庆 400074 ;21 重庆交通科研设计院 ,重庆 400067)
一种计算公式如下 :
图 3 地基应力梯形分布
FT = 1/ 2 ka ·γf ·h2
(19)
T = FT ·cosβ
(20)
∑N = w1 + w2 + FT ·sinβ
(21)
式中 , w1 ———加筋土体无倾斜部分填土重量为 γf · h ·L ; w2 ———加筋土体顶部倾斜部分填土重量为γf ·( H - h) ·L / 2 ;γf ———加筋土体的容重 ; L ———加