土工合成材料 (5).ppt

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1、第6章 加筋作用6.1 概述6.1.1加筋土的概念和作用类似于钢筋混凝土，将格网状、条带状、片状、蜂窝状、或纤维状的抗拉材料布置在土中，构成一种复合建筑材料，可以增强土体的强度和稳定性，这就是加筋土的概念。目前，加筋土已广泛地应用于建筑挡土墙、陡坡、路堤、桥台等，参见左图(a)(h)。(a)加筋挡墙（b）加筋边坡（c）加筋垫层（d）加筋地基（e）加筋桥台（f-g）锚固边坡（h）加筋道路6.1 概述6.1.1加筋土的概念和作用土工合成材料加筋土结构的三个主要优点：1）力学性能优越。加筋土结构强度高、刚度适当、长期服役性能好，对地基承载力及压缩性的要求低，抗震性能良好；2）经济性强。可充分利用工程

2、弃渣或原位填料，降低水泥钢筋用量，降低工程造价；3）低碳。土工合成材料加筋土结构的整体碳排放量小。6.1 概述6.1.2 加筋土的组成和作用 加筋土由加筋材料和土组成。（1）加筋土工合成材料的类型和作用从形式上分，有格网状、条带状、片状、蜂窝状、纤维状等，包括土工织物、土工格栅、土工拉筋带、土工格室、土工加筋格宾、土工袋等。柔性筋材加筋土产生较大的应变，达到主动极限平衡状态，因此加筋土的延性较好，一般不会出现脆性破坏。应用刚性材料的加筋土的优点是刚度高，抗变形能力良好，但如筋材断裂易出现脆性破坏。6.1 概述6.1.2 加筋土的组成和作用（2）对加筋材料特性的要求抗拉强度和延伸率：抗拉强度不小

3、于30kN/m，到达设计拉力时的伸长一般应小于12%。界面摩擦特性：一般土工织物及土工拉筋带与土的界面摩擦系数大于土的内摩擦角正切值的2/3，土工格栅与土的界面摩擦系数大于0.8倍土的内摩擦角正切值。蠕变特性：要求在设计使用期限内，加筋材料不会产生不允许的应变增量。抗铺设磨损性：应具有足够的抗磨损性能。抗老化性：加筋材料应有一定的抗紫外线性能，耐腐蚀。6.1 概述6.1.2 加筋土的组成和作用（3）对土的要求加筋土要求土能够提供足够的筋土界面剪切阻力。砂土及砾石土等无黏性土内摩擦角高，筋土摩擦及咬合作用较强，属于加筋土结构的优越填土材料。含有一定黏粒的粗粒土也可作为加筋土填料，要求细粒土部分的

4、塑性指数小于10，含黏粒的粗粒土的内摩擦角大于30度，且粒径小于0.05mm的颗粒所占重量比小于15。应该控制填料的最大颗粒粒径。填料颗粒粒径过大，一是影响压实密实度，二是增大铺设磨损，三是影响筋土摩擦、咬合作用。因此一般情况下填料最大粒径不应超过15 cm。1.常规三轴剪切试验图6-1 偏应力和轴向应变的关系（1）与纯砂样比较相比，加筋试样相同轴向应变时的偏应力提高了。（2）当轴向应变较小时，土工织物的加筋作用不明显，只有当产生较大应变(1.5)时，才发挥加筋作用。（3)纯 砂 抗 剪 强 度 参 数 c=0，=33.5，而 一 层 织 物 加 筋 砂 的c=3kPa，=36.5。（4)当纯

5、砂达到峰值强度后出现应变软化观象，加筋试样的总体强度仍在继续增大。6.2 加筋土的试验和机理分析 6.2.1 加筋土单元体试验6.2.1 加筋土单元体试验单元体在1和3作用下产生横向变形，当处于破坏的临界状态时，应力圆（1，3）与强度包线相切。当沿3方向布置有织物时，织物对横向变形的限制作用相当于给单元体一个应力增量D 3f。在3r作用下，破坏时承受更大的1。如图，线a为素土的破坏包线。圆为素土试样在围压等于s3下破坏的莫尔圆；圆为加筋土试样在围压等于s3下破坏的莫尔圆；圆为加筋土试样在围压等于s3下破坏时其中素土的莫尔圆，它与素土的包线相切。试验结果表明，加筋土与素土的内摩擦角变化不大，但黏

6、聚力c有明显的提高，其增量是由筋材的附加约束引起的，即：或6.2 加筋土的试验和机理分析 图6-4 平面应变三轴压力室为了研究实际工程中土体的变形规律和加筋的效果，应该进行平面应变剪切试验。图6-4为试制的一种三轴压力室，其左右两侧为橡皮囊，用以施加3，1由三轴剪切仪轴向加压装置施加，在中主应力2的方向，正面嵌以有机玻璃面板。对于纯砂和正中间有一层有纺织物的加筋砂，剪切试验结果参见图6-5。图6-5 平面应变三轴压力室6.2.1 加筋土单元体试验2.平面应变试验6.2 加筋土的试验和机理分析 试验表明：（1）当纯砂试样1/3达峰值8.9时，1=7.4，相同1时加筋砂的1/3=15.0，提高了6

7、8%，并且随着1增加，纯砂的1/3逐渐下降，而加筋砂的仍在提高；（2）加筋砂的水平位移比纯砂的小。同时由于对横向变形的限制，铅直位移也有所减小，并且减小的比例随变形（1）的增加而愈加显著。（3）随着1增加，纯砂逐渐形成从左上角到右下角的剪切带。图6-6 纯砂平面应变剪切max等值线()6.2.1 加筋土单元体试验6.2 加筋土的试验和机理分析 剪切强度的提高与加筋材料布置的方向有关。当加筋材料沿土体中最大拉应变方向时，可得最好的加筋效果。否则，若沿滑动面布置，可能减低抗剪强度。6.2.2 筋-土界面特性试验1.直剪试验6.2 加筋土的试验和机理分析 拉拔试验仪器如左图，对于土工格栅等网格尺寸较

8、大的材料，土-筋材接触面内应包含有一个完整的网格结构，其横肋的阻力作用不容忽视。将加筋材料水平铺埋在试验箱内土体中，施加竖直均布荷载于土体表面模拟上覆压力，预留一端格栅于填土外部，对其施加水平拉力使筋材在填土中移动，实现土与筋材面的相对运动，直到筋材屈服、被拔出或拉断。通过测量筋材的位移和端部拉力，可确定筋土间的拟摩擦系数。2.拉拔试验6.2.2 筋-土界面特性试验6.2 加筋土的试验和机理分析 6.2.3 加筋作用机理分析（1）当加筋土受到荷载作用时，土与加筋材料之间发生相对位移，并在界面上产生剪应力，从而在加筋材料中产生拉应力，反过来筋材对土体的横向变形起到限制作用，相当于增加了横向主应力

9、3。（2）土体两侧筋材拉力向上的分力能起到一种张力膜的作用。（3）为了使加筋材料产生拉应力，必须将其布置在土体的拉伸变形区域，并最好沿着主拉应变方向。（4）加筋效果取决于加筋材料拉力发挥的大小。l 加筋土体产生一定变形时，才能起作用；l 加筋材料应具有高的拉伸模量和粗糙的表面；l 填土应具有较大的内摩擦角和剪胀性。（5）加筋不仅在土与筋材的接触面上产生直接加筋作用，而且也会在接触面以外的一定范围内形成“间接影响带”。6.2 加筋土的试验和机理分析 纤维加筋土是将连续的纤维丝或一定长度的短纤维丝采用机械、气压或水压等方式均匀且随机地掺入到粒状材料中（如砂土），形成加筋土。（1）作用机理 纤维对土

10、体的增强作用：纤维土体间的摩擦、土体中彼此交错连接的纤维网状空间结构对土体的约束。当纤维受拉时，曲线的凹面区域产生摩擦力，称之为弯曲机理。各根纤维纵横交错，一根纤维受力引起其他纤维受力，从而牵动较大区域产生效果，称之为交织机理。（2）相关试验研究及强度特性研究 研究表明，将纤维加入土中可以赋于土一个较大的黏聚力，并增加其达到破坏时变形的能力，但不能增加内摩擦角，也不能明显增加在小变形范围内的变形模量值。6.2.4 纤维土的特性及应用6.2 加筋土的试验和机理分析 加筋土结构的方法可分为两种：（1）有限元等数值分析法（2）极限平衡法1.有限元等数值分析法l土的本构关系采用如非线性弹性或弹塑性模型

11、l土与筋材相互作用以及筋材本身的应力-应变关系。土与筋材的相互作用可用界面剪切单元。l李广信教授等于1990年代提出等效附加应力法。将筋材的作用等效于给土单元施加了一个侧向的附加应力。6.2.5 加筋土结构的分析方法6.2 加筋土的试验和机理分析 2.极限平衡法l 所谓极限平衡就是濒临破坏时的极限应力状态，例如土体处于极限平衡时，剪切面上的剪应力达到其抗剪强度。l 土力学中常用的朗肯法、库仑法，以及滑动圆弧条分法都是以极限平衡法为基础的。l 除了土体以外，对于加筋材料来说，当加筋材料的拉应力达到其抗拉强度，或者达到锚固段的抗拔握裹力时，也处于极限平衡状态。用极限平衡状态的应力除以实际应力就得到

12、了设计的安全系数。l 本教材和一些规范中的设计方法都是基于极限平衡法。6.2.5 加筋土结构的分析方法6.2 加筋土的试验和机理分析 6.3 加筋土挡土墙除了经济、施工方便和低碳，加筋土挡墙与传统挡土墙相比还具有以下优点：（1）柔性：对地基变形适用性大。（2）抗震性好：柔性，能抵抗地震作用。（3）美观：面板可以做成要求的形式，能提供很好的视觉效果。加筋土挡墙结构主要由墙面及其基础、加筋材料、墙体填土、防排水设施等四部分组成，共同承担墙后土体、墙顶荷载、水流渗入等作用。6.3 加筋土挡土墙6.3.1 加筋土挡土墙的破坏模式（1）内部稳定破坏其破坏范围完全发生在加筋土挡墙的加筋区内，包括：拉断和拔

13、出。筋材被拉断是由于筋材受到拉力大于其强度；筋材被拔出是由于筋材单元两端的拉力差值dT大于筋-土界面之间的摩阻力造成的，即dT2。（a）筋材被拔出（b）筋材拉断 6.3 加筋土挡土墙6.3.1 加筋土挡土墙的破坏模式（2）外部稳定破坏其破坏范围可以完全发生在加筋土体之外，或部分破坏面通过加筋土体内部。包括：(c)加筋土体的基础滑动，(d)地基承载力破坏，(e)倾覆，(f)整体型滑动面破坏。（c）整体水平滑动（d）地基承载力破坏6.3 加筋土挡土墙6.3.1 加筋土挡土墙的破坏模式（e）倾覆（f）整体滑动破坏6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析分为两大部分内部稳定分析与外部稳定分

14、析。6.3.2.1 加筋土挡墙受力分析加筋土挡墙受到的荷载包括墙后填土自重、墙顶超载（基底压力、交通荷载等）和可能的地震荷载等。对于墙面垂直、墙顶填土面水平的加筋土墙，加筋土区后的墙背土压力按朗肯土压力理论计算；对于墙顶填土面倾斜、墙背倾斜粗糙的挡土墙，其土压力按库仑土压力理论计算。6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析 6.3.2.2 内部稳定分析进行加筋区筋材的布置选取筋材的刚度类型、确定筋材的强度、估算筋材在加筋区的竖向间距以及水平锚固长度。目前规范中的内部稳定分析是基于极限平衡理论：假定潜在破坏面位置的筋材与填土同时达到了极限状态，并假定潜在破坏面的形式。根据潜在破坏面位

15、置各层筋材分担的水平土压力来计算筋材拉力；潜在破坏面将加筋区分为活动区（主动区）与稳定区。6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析（1）筋材的刚度与潜在破坏面筋材根据刚度分为柔性筋材、刚性筋材。柔性筋材允许加筋土产生较大的拉伸应变，达到主动极限平衡状态，其墙后的潜在破坏面为朗肯破坏面。（b）柔性筋材6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析刚性筋材的墙后潜在破坏面，从墙顶到上部一半墙高处破裂面平行于墙背且距墙背0.3H，破裂面在墙半高处与墙趾的连线则为下部破裂面。破裂面将加筋土体分成主动和稳定两个区域。（a）刚性筋材6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析加筋

16、土挡墙的内部稳定分析的过程如下：选取筋材刚度；确定潜在破坏面的形式；选取合适的筋材竖向间距；通过筋材强度验算与抗拔稳定性验算来计算各层筋材最大拉力与所需的抗拔阻力；根据各层筋材最大拉力与所需的抗拔阻力合理设置筋材强度、水平锚固长度。6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析（2）土压力系数柔性筋材，取对于刚性筋材，土压力系数的分布如图：公式为：6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析（3）筋材强度验算和筋材间距在进行加筋土挡墙初始设计时，水平筋材长度取值不小于0.7H和2.5m（H为墙高）。如墙顶填土面为斜面或填土上有附加荷载，筋长应不短于0.8H；筋材的竖向间距一般不超

17、过0.6m。第i层筋材水平拉力：6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析筋材强度条件应符合下式要求：6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析（4）筋材抗拔验算抗拔安全应符合下式要求：6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析（5）筋材长度 筋材总长度：6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析 6.3.2.3 外部稳定分析在进行外部稳定分析时，将加筋土结构视为加筋复合体，加筋区的填土可认为是刚性体，即相当于厚度为加筋长度的一般重力式挡墙（如图所示）。6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分

18、析（1）抗水平滑移验算6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析抗水平滑动安全系数：6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析（2）抗深层圆弧滑动稳定性验算将加筋复合体视为一刚体按传统方法计算：根据圆弧滑动面假定采用条分法进行计算，分别检算滑动面穿过加筋土体及地基土的某圆弧的稳定性，通过搜索最危险滑弧，确定最不利的安全系数应符合Fs1.3。如不满足，应加长筋材或进行地基处理。6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析（3）地基承载力验算将加筋复合体假定为一刚体，其自身重力、顶部上覆填土的重力、非加筋区土压力的竖向分量共同作用于加筋区的地基。因此，防止地基整体剪切破

19、坏应符合以下条件：6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析算例6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析6.3 加筋土挡土墙6.3.2 加筋土挡墙的结构分析6.3 加筋土挡土墙6.3.3 加筋土挡土墙的细部设计（1）加筋土挡墙面板及连接设计加筋土挡墙的面板主要起到美观性与防护作用。其面板形式主要有：现浇钢筋混凝土面板、砌块式面板、返包式面板、加筋格宾式面板等。企口连接的砌块面板直接码砌的砌块面板6.3 加筋土挡土墙6.3.3 加筋土挡土墙的细部设计返包式面板加筋土挡墙 整体现浇式钢筋混凝土面板加筋土挡墙加筋格宾墙面6.3 加筋土挡土墙6.3.3 加筋土挡土墙的细部设计（2

20、）加筋土挡墙防排水设计加筋土挡墙防排水设计主要有“隔”和“排”两种设计理念：一是能够使水分毫无阻碍地从墙体流出，且不造成加筋土结构的土体流失；二是能够使水分无法进入墙体，即水分在进入墙体之前进行有效收集并导出，且不影响加筋土挡墙的稳定性。加筋土挡墙排水系统6.4 加筋土边坡6.4.1 加筋土边坡的组成加筋土边坡是在填方工程中采用加筋材料，通过筋-土相互作用对填土的侧向变形产生约束作用，从而改善土体性能、增强边坡稳定性。加筋土边坡与加筋土挡墙主要由面层系统、加筋材料、填土构成。区别在于：坡角大于70度的称为加筋土挡墙，坡角小于70度的则称为加筋土边坡。平铺式 返包式6.4 加筋土边坡6.4.1

21、加筋土边坡的组成加筋土边坡与传统边坡工程相比的优势：提高边坡稳定性，可以放更陡的边坡，减少填方量，减少占地，节约土地资源，更加的经济、安全。因此，加筋土边坡主要应用于地形或者占地条件限制下放陡坡、新填方边坡的加固、原路堤边坡加高加宽、滑坡治理等新填方边坡的加固 增强挡墙的稳定性6.4 加筋土边坡6.4.1 加筋土边坡的组成构成陡坡减少填方占地滑坡治理6.4 加筋土边坡6.4.1 加筋土边坡的组成道路加宽6.4 加筋土边坡6.4.2 加筋土边坡的破坏模式根据破坏面是否完全在加筋区域内，加筋土边坡的破坏形式主要分为以下三类：加筋土边坡的破坏类型（a内部破坏；b外部破坏；c混合型破坏）6.4 加筋土

22、边坡6.4.2 加筋土边坡的破坏模式（1）内部破坏：加筋土边坡的破坏面完全发生在加筋区域内，包括筋材的断裂、拔出、沿筋土界面滑动等；（2）外部破坏：破坏面完全发生在加筋土区域外。包括整个加筋体沿地基表面的水平滑动、沿着贯穿非加筋区填土与地基的圆弧面滑动、软基侧向挤出（坡脚承载力破坏）或过量沉降等；加筋土边坡的内部破坏形式6.4 加筋土边坡6.4.2 加筋土边坡的破坏模式（3）混合型破坏：破坏面一部分在加筋区域外，一部分穿过加筋区域。（a）水平滑动破坏（b）圆弧滑动破坏（c）局部承载能力破坏（d）过量沉降破坏6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法6.4.3.1 内部稳定分析

23、6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法（2）确定筋材拉力的分布与筋材的竖向间距加筋土坡筋材的分区布置6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法6.4.3.2 外部稳定性验算（1）抗滑移稳定验算将加筋区当成一个刚性挡土墙进行墙底滑动验算；底边滑动面假定为加筋土坡底部或各层筋材的筋土界面，如图所示。加筋区后的土压力可由库仑主动土压力确定。外部稳定的安全系数需大于规范规定的最小值。6

24、.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法（2）深层滑动稳定验算在无筋土坡的稳定计算中可以发现是否存在深层滑动面。当完成加筋土坡设计以后，还应检查所有通过加筋土体之后及深入地基土层的滑动面是否满足：6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法整体滑动稳定校核局部侧向挤出稳定分析（4）深层滑动稳定验算可采用经典的沉降计算方法，计算总沉降量的大小、差异沉降与沉降速率。6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法6.4.3.3 讨论6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法图

25、6-35 确定最大的筋材拉力和加筋长度的计算图6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法加筋边坡设计算例示意图算例6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法6.4 加筋土边坡6.4.3 加筋土边坡的稳定分析及设计方法6.4 加筋土边坡6.4.4 加筋土边坡的坡面防护及排水设计6.4.3.1 内部稳定分析（1）加筋土边坡坡面防护设计为了坡面的美观、防止土体流失，加筋土边坡坡面防护设计主要分为两大类工程防护与植物防护。工程防护一般采用格宾、钢丝网、砌石喷浆等。植物防护：对于缓坡采用喷播绿化，陡坡采用土工

26、合成材料与植草或灌木相结合的方式。实际工程中以植物防护为主，也会结合使用工程防护。需要注意的是，为了防止雨水对坡脚冲刷、侵蚀，采用植被防护时应设置坡脚护面墙。6.4 加筋土边坡6.4.4 加筋土边坡的坡面防护及排水设计（a）植物防护(b)工程防护加筋边坡坡面防护形式6.4 加筋土边坡6.4.4 加筋土边坡的坡面防护及排水设计（2）加筋土边坡的防/排水设计加筋土边坡的防排水设计与加筋土挡墙原理相同，针对可能对加筋土边坡造成侵蚀作用的地表水和地下水，采用防渗与疏导相结合的方式（设置防渗层、铺设碎石排水层、土工布反滤层、埋置排水管等）将水引流排出边坡。加筋土边坡排水系统如图所示。排水系统的具体尺寸、

27、坡度、细部构造措施，需根据当地的降水量、地质水文条件，结合设计规范要求进行布置。6.4 加筋土边坡6.4.4 加筋土边坡的坡面防护及排水设计加筋土边坡排水系统示意图6.5 条形基础的加筋地基6.5.1 平面土工合成材料加筋土地基平面土工合成材料加筋土地基即是将土工织物、土工格栅等加筋材料分层铺设于条形基础下方，与地基土一起承担基础荷载，提高地基承载力。（1）筋材布置太沙基等研究者将条形浅基础破坏时的地基分成三个区，即主动极限平衡区、被动极限平衡区和过渡区。并推导出地基极限承载力公式：6.5 条形基础的加筋地基6.5.1 平面土工合成材料加筋土地基对于加筋土地基，只有当加筋土的范围不小于图中完整

28、滑动面范围时，才能取加筋土的有关参数，筋材也应均布在该范围才能发挥正常功能。太沙基承载力理论假设的滑动面6.5 条形基础的加筋地基6.5.1 平面土工合成材料加筋土地基根据Prandtl-Reissner理论，可求得：基础两侧完整滑动面总水平长度：滑动面最大深度：6.5 条形基础的加筋地基6.5.1 平面土工合成材料加筋土地基根据上述公式，可求得不同的 值对应的 和 值列于下表：实践中，对筋材布置范围的要求：最上层筋材距基底z12/3b；最下层筋材距基底zn2b；筋材层数N为36，且长度L足够。6.5 条形基础的加筋地基6.5.1 平面土工合成材料加筋土地基6.5 条形基础的加筋地基6.5.1

29、 平面土工合成材料加筋土地基（2）地基承载力设计公式在加筋地基中，土和筋材的相对位移（或位移趋势）形成了土与筋材界面的摩擦力，从而在筋材中产生拉力。筋材拉力对地基承载力的贡献包括以下两个方面：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。6.5 条形基础的加筋地基6.5.1 平面土工合成材料加筋土地基筋材提高的地基承载力公式：6.5 条形基础的加筋地基6.5.1 平面土工合成材料加筋土地基6.5 条形基础的加筋地基6.5.1 平面土工合成材料加筋土地基6.5 条形基础的加筋地基6.5.2 土工格室加筋地基土工格室是一种蜂窝状的立体加筋材料。土工格室通过每个单元的箍力来

30、增强体系的承载能力，甚至不需要初始变形即可发挥加筋作用。土工格室提高承载力的机理在于格室侧壁的摩擦和限制力不仅增加了土体围压，还使之获得了“准粘聚力”。研究发现承载力随格室材料强度的增大而提高，并且单个格室的高、宽比在1.51.0范围内加筋效果较好。当格室侧壁有斜纹、穿孔时，还可进一步提高承载力。侧壁的穿孔兼有排水、允许根系横向发展的作用，同时减小材料消耗。6.5 条形基础的加筋地基6.5.2 土工格室加筋地基美国R.K.Koerner 根据Terzaghi理论给出了土工格室加筋地基承载力的计算公式，认为土工格室的限制作用使得地基破坏面向下延伸，扩大了滑动面范围。原有地基（无土工格室）和土工格

31、室加筋地基的破坏形式如图所示：带/不带土工格室组合体破坏机理示意图6.5 条形基础的加筋地基6.5.2 土工格室加筋地基承载力计算公式：6.5 条形基础的加筋地基6.5.2 土工格室加筋地基6.5 条形基础的加筋地基6.5.2 土工格室加筋地基算例6.5 条形基础的加筋地基6.5.2 土工格室加筋地基6.5 条形基础的加筋地基6.5.2 土工格室加筋地基6.5 条形基础的加筋地基6.5.2 土工格室加筋地基6.5 条形基础的加筋地基6.5.2 土工格室加筋地基6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.1 概述土工合成材料加筋土桥台复合结构（简称GRS-IBS）由加筋土基础、加筋土桥台、桥跨结构和桥

32、头引道构成。在该复合结构中，加筋土桥台代替常规的桩基高承台或重力式桥台支撑桥梁荷载，如图所示。在GRS-IBS中，桥跨结构同桥头引道均直接安置于GRS复合体上，且桥台上部直接承受桥跨结构荷载的区域采用“短加筋局部加强”措施以减轻或消除与桥头引道的差异沉降，控制“桥头跳车”现象的发生。这种新型桥梁系统具有技术先进、节约投资、施工便捷、维护成本低等诸多优点。由于加筋土桥台在桥梁静载和交通荷载作用下，仍会发生一定的变形，从目前的应用情况看，GRS-IBS技术主要适用于单跨中小型桥梁工程。6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.1 概述土工合成材料加筋土柔性桥台复合结构（GRS-IBS）示意图6.6 土

33、工合成材料加筋土桥台6.6.2 工程案例简介建于2005年的Bowman公路桥是世界上首座采用GRS-IBS技术的桥梁。Bowman公路桥6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.2 工程案例简介建于2015年的Maree Michel桥位于美国路易斯安那州LA 91号公路上。监测结果表明：（1）桥台（包括加筋土基础）及地基的竖向变形随着施工荷载的增大而增大，最大变形位于桥台中心部位，变形量向翼墙两侧递减；（2）桥台侧向位移基本呈现“从底部到顶部逐渐增大”的规律。钢梁结构的放置引起比较大的侧向位移增量，而通车后车辆荷载对桥台侧向位移的影响不大；（3）桥台内竖向土压力随深度增大而增大，符合土中竖向应

34、力分布的一般规律，出现在加筋土基础的底部；桥台墙面处侧向土压力分布比较均匀，且随时间变化不大；6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.2 工程案例简介（4）筋材最大应变约1.2%，小于设计限值2%；单层筋材的应变分布随筋材位置的不同而不同，但总体上在筋材长度1/32/3部位的应变较大；在放置桥梁结构前，筋材最大应变出现在2/3桥台高度处，安放桥梁结构之后，筋材最大应变在桥台上部，且分布较为均匀；如果将各层筋材最大应变点连线视为桥台内部潜在破裂面，则桥梁结构施加前潜在破裂面与朗肯主动破坏面较为接近，放置桥梁后则潜在的破裂包络面远超出朗肯主动破坏面。6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.2 工程案例

35、简介Guthrie Run桥建于2013年，是美国特拉华州第一座GRS-IBS结构桥梁，其桥台断面如图所示。Guthrie Run桥台断面图（单位：m）6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.2 工程案例简介通过施工阶段和通车后两年的现场监测，获得了GRS桥台和GRS-IBS桥梁工作性状的第一手资料。这些监测成果与前述Maree Michel桥基本一致，并进一步揭示了加筋土基础下的土压力变化特征：（1）加筋土基础的基底压力分布不均匀，在墙面位置处最大，在基础最前端最小；总体上以墙面位置处为界限，基底压力向两侧各呈梯形分布。（2）基底压力在施工过程中随着桥台高度的增加而逐渐增大，在桥跨结构放置后突

36、然增大，其后受车辆超载的影响则不大。（3）同一级荷载条件下，墙面位置处基底压力增量值最大，而基础最前端增量值很小。6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.3 加筋土桥台的力学特性加筋土桥台从形式和构成上，可以看作加筋土挡墙，同样由面板、土工合成材料筋材和压实填土所构成。然而从工作原理上，加筋土桥台与常规的加筋土挡墙又存在着本质的不同。对于一般的加筋土挡墙，加筋层间距很少小于0.5m，可以认为离散布置的筋材对层间填土的性能和状态影响不大；筋材与面板一起工作，通过筋材的抗拉作用维持加筋土挡墙的稳定，并发挥挡土作用。因此，在进行加筋土挡墙的内部稳定性分析时，是先计算某一层筋材分担的水平荷载，然后验算筋

37、材的抗拉强度设计值是否满足：6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.3 加筋土桥台的力学特性6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.3 加筋土桥台的力学特性然而，加筋土桥台是由筋材与压实填土组成的GRS复合体，加筋层间距不大于0.3 m（常用0.2 m），加筋材料对层间填土具有不可忽视的约束作用。因此，在GRS-IBS设计时，是将加筋土桥头看作一个整体，验算其抗压承载力。根据已有的室内试验研究成果，无论是大型无侧限抗压强度试验还是短柱抗压试验，小间距加筋土复合体在竖向应力作用下的破坏模式为剪切破坏，而非鼓胀破坏，剪切面接近朗肯破裂面（图6-48）。图6-49给出了GRS复合体的单轴抗压应力-应变曲

38、线，该复合体采用极限抗拉强度为70 kN/m的土工织物加筋碎石土，间距为0.2 m，其极限抗压强度达到1.9 MPa。表明加筋土复合体具有很高的抗压强度。6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.3 加筋土桥台的力学特性图6-48 GRS复合体破裂面 图6-49 GRS复合体抗压应力应变曲线6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.3 加筋土桥台的力学特性加筋土复合体的抗压强度不仅取决于填料的强度和筋材的特性，而且极大地依赖于加筋层间距。试验结果反复证明，即使筋材强度与层间距的比值（Tf/Sv）不变，加筋间距小的GRS复合体的抗压强度远大于大间距的。因此，对于小间距GRS复合体的力学性能，不能仅仅考虑

39、筋材对填土体提供的侧向约束力，还应考虑筋材对填土的约束和加固作用（如约束颗粒变位和限制填料剪胀）。为此，Wu等根据试验结果提出了考虑层间距影响的、由加筋作用引起的等效围压或似黏聚力增量的修正公式。6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.3 加筋土桥台的力学特性6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.3 加筋土桥台的力学特性区分小间距加筋土桥台与一般加筋土挡墙：当布筋间距较大时（见图6-50a），填土受加筋作用影响的范围占比较小，加筋土的复合体特征并不明显；当布筋间距较小时（见图6-50b），除筋土之间接触面上的相互作用力外，层间填土也会受到加筋作用的影响，此时加筋土体变为一个复合体。加筋土挡墙与加

40、筋土桥台的示意图（a.挡墙；b.桥台）6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.4 加筋土桥台的设计方法及设计案例（1）桥台承载能力验算GRS复合体属于自稳定结构，在静载作用下不需要验算筋材与面板的连接强度。加筋土桥台的承载能力可以采用试验的方法确定。通过试验获得极限承载能力或加筋体的应力-应变关系曲线。一般地，可取应变值等于5%时对应的应力值作为桥台的极限承载力（Pu）。也可按经验公式估算桥台的极限承载力。使用该公式的前提是填料必须满足设计指南规定的质量控制要求。6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.4 加筋土桥台的设计方法及设计案例在确定加筋土桥台的容许极限承载力（Pa）时，安全系数通常取3.

41、5。设计时，桥台顶面承受的静荷载和活荷载之和应不大于容许承载力。6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.4 加筋土桥台的设计方法及设计案例（2）桥台变形验算桥台的侧向变形是基于“加筋土桥台体积不变”的假定进行估算的，加筋土桥台的体积变形为零，假定竖向变形为均匀分布，而侧向变形按三角形分布，则：6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.4 加筋土桥台的设计方法及设计案例按此假定，GRS桥台的最大侧向变形为最大竖向变形的2倍，因此最大侧向变形应控制在12%之内。如果要把竖向应变控制在1%以内，则要求桥台上施加的竖向荷载应不大于下式的计算值，即：6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.4 加筋土桥台的设计方

42、法及设计案例（3）筋材抗拉验算根据GRS桥台的受力分析，按最不利工况进行设计，筋材承受的水平向拉力（）为：筋材的容许抗拉强度（）则由极限抗拉强度除以折减系数获得。筋材承受的水平向拉力（）不得超过容许抗拉强度，同时不得超过筋材变形程度达2%时的容许变形强度（）。6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.4 加筋土桥台的设计方法及设计案例算例某机场改建工程中的桥梁拟采用土工合成材料加筋土桥台取代钢筋混凝土重力式桥台，桥台宽4.8 m，高6.0 m。经现场调查，并结合已有工程经验，初步确定采用碎石作为填料，最大粒径50 mm，保守取填料强度参数为：内聚力c=0，内摩擦角=35，重度20kN/m3。加筋间

43、距等于0.2m，选用有纺土工织物作为筋材，抗拉强度=90kN/m。根据初步设计资料，验算加筋土桥台的承载力和变形是否满足要求，所选筋材强度是否满足受力要求。6.6 土工合成材料加筋土桥台6.6.4 加筋土桥台的设计方法及设计案例解：按式（6-42）和式（6-43）计算加筋土桥台的极限承载力为：=1018.2 kPa。安全系数取3.5，可得桥台的容许承载力为290.9 kPa。按式（6-46），可得：=203.64kPa。即只要桥台承担的竖向荷载小于此值，桥台竖向应变将不大于1%。按式（6-47）计算加筋土桥台不同高度处筋材的受力，最大值约为13.5 kN/m。如果初设的有纺土工织物抗拉强度的总

44、折减系数取5，则Ta=90/5=18kN/m，筋材强度满足要求。经核算，桥台上的桥梁荷载与交通荷载之和约为200 kPa，因此加筋土桥台的承载力和变形均满足设计指南的要求。6.7 桩承式加筋路堤6.7.1 概述为了满足软弱土地基上公路和铁路工程对沉降和稳定性的要求，需要针对性地采用地基加固和加筋垫层等技术措施，需要采取的地基处理和垫层加筋措施也因项目而不同，大致可归为两种类型：（1）加筋垫层路堤：通过设置加筋土垫层，以提高填方路基的临界填筑高度和整体稳定性，约束路堤和软基的侧向变形，减小地基的不均匀沉降。它适用于软土地基具有一定抗剪强度，通过设置加筋土垫层，可使路基填筑的临界高度达到路基设计标

45、高，并随着地基土固结和强度增长，路基的稳定性（安全系数）满足工程项目要求，地基沉降也能够满足路基工后沉降要求的场合。6.7 桩承式加筋路堤6.7.1 概述（2）桩承式加筋路堤或者桩网复合地基：竖向增强体与水平增强体共同工作控制路堤沉降，保证路堤的整体稳定性。这种措施适用于力学性能较差的松软土地基上修建填方路堤的情形。这种联合处置措施与软土地基上的加筋堤相比，增加了软土地基内的竖向增强体（桩），与传统的桩承路堤相比，在路堤底部垫层中增加了水平向增强体（加筋材料）。因此它是将竖向增强体与水平向增强体联合使用、共同工作的复合土工体系。6.7 桩承式加筋路堤6.7.1 概述根据我国桩承式加筋路堤和复合

46、地基的工程实践，并考虑国际上桩承式加筋路堤的研究与应用现状，建议应根据竖向增强体刚度、端承情况和桩间土的工程特性等来判断是否考虑桩间土的支撑作用：当采用的竖向增强体为半刚性桩时，或桩间土的工程性能相对较好时，桩与桩间土的刚度虽有差别，但桩与桩间土变形仍基本协调，那么在这种工况下应考虑桩间土发挥的支撑作用，可称为“桩网复合地基”；当竖向增强体为端承刚性桩，且桩间土的工程性能很差时，桩与桩间土的刚度差异明显，变形不协调，荷载向桩体集中；或者在土工结构的服役期内，桩间土由于地下水位变化、基坑开挖等而固结沉降以及湿陷等可能出现网下空穴时，在此情形下不应考虑桩间土的支撑作用，就属于典型的“桩承式加筋路堤

47、”。6.7 桩承式加筋路堤6.7.1 概述桩承式加筋路堤是软弱土地基上可同时控制填方路基整体稳定和变形的理想方案，一般可应用于软土地基上的以下填方工程（部位）：（1）高等级公路和铁路的桥头、通道等结构物与路堤连接的填方路基；（2）高等级公路填方路基的拓宽工程；（3）高填方路基工程；（4）其他软土地基上需要控制变形和提高整体稳定性的填方工程。桩承式加筋路堤构成示意图6.7 桩承式加筋路堤6.7.2 桩承式加筋路堤的工作原理桩承式加筋路堤的工作原理，主要涉及荷载传递和桩与加筋垫层发挥的作用，以及对路堤稳定性的贡献，包括路堤（填土）中的土拱效应和水平加筋体的张力膜效应。对于桩承式加筋路堤，作用在地基

48、上的荷载主要来自路堤自重和车辆交通荷载。在上覆荷载作用下，桩和桩间土发生差异沉降，产生土拱效应并引起填土内应力的重分布，同时随着筋材的拉伸变形，产生张力膜效应。根据已有研究成果，打穿软土层的刚性桩桩承式加筋路堤荷载传递过程如图6-52所示。6.7 桩承式加筋路堤6.7.2 桩承式加筋路堤的工作原理图6-52 桩承式加筋路堤体系荷载传递及变形示意图6.7 桩承式加筋路堤6.7.2 桩承式加筋路堤的工作原理基于对桩承式加筋路堤填土中的土拱效应和水平加筋的张力膜效应的认识，以一个单元为例（见图6-53）。路堤填方荷载（包括附加荷载）的传递和分担可以表述为：当满足成拱条件后，大部分荷载（A）经土拱效应

49、传递至桩上，剩余荷载（B+C）则由桩间的加筋垫层所承担。由于存在水平加筋层，由桩间垫层承担的荷载（B+C）的一部分荷载（B）经张力膜效应传递至桩上，剩下的荷载（C）则由桩间地基土承担。在特殊情形下，如地下水位下降引起桩间土固结，桩间土相对桩沉降过大、脱离加筋垫层，而形成所谓（空穴）。这种情况下，桩间土不承担上部荷载，荷载（B+C）全部由张力膜效应传递给桩体。6.7 桩承式加筋路堤6.7.2 桩承式加筋路堤的工作原理图6-53 桩承式加筋路堤的荷载分担6.7 桩承式加筋路堤6.7.3 桩承式加筋路堤的失效模式根据桩承式加筋路堤工作机理和技术特点，其破坏模式分为两类：结构强度破坏和功能失效。（1）

50、结构强度破坏由于某种破坏机制引起的极限状态（破坏模式）如图所示。其中，a）为桩基承载力达到极限状态：无论是桩身强度破坏，还是桩体向下刺入过大，都表明桩基的承载能力不能满足上部路堤（包括附加荷载）的需求；b）为路堤边坡局部达到极限状态，这与桩的布置范围有关；c）为荷载由桩顶滑落到桩间，桩间土承担过多荷载，这与桩间距大小及成拱条件有关；d）为路堤填土侧向滑动；e）为桩承式加筋路堤的整体稳定性达到极限状态。6.7 桩承式加筋路堤6.7.3 桩承式加筋路堤的失效模式a）桩基承载力破坏 b）局部路堤破坏6.7 桩承式加筋路堤6.7.3 桩承式加筋路堤的失效模式c）荷载从桩顶滑落至桩间土 d）路堤侧向滑动