土工合成材料 (6).ppt
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1、第7章 隔离作用隔离作用 7.1 7.1概述 概述将土工合成材料如土工织物置于两种不同材料之间,使两种材料的整体性和功能都得到保持或得到改善,此时筋材的作用即为隔离作用。例如,当在碎石骨料与细颗粒料二者界面处铺设一层土工织物,可有效防止两类材料的直接接触,起到良好的隔离作用。无土工织物细颗粒料进入碎石料空隙中碎石料侵入细颗粒料中有土工织物防止碎石与细粒料相互入侵增强碎石粒料与细粒料强度工程中的应用(1)埋地管道防护中的隔离作用减小机械荷载对管道的冲击作用筋-土复合体道路结构组成(2)道路结构中的隔离作用道路结构通常分为路面和路基两大部分,土工合成材料铺设在路面结构中可减缓裂缝开裂,铺设在路基结
2、构中则可增强强度并减小变形。隔离作用 7.2 7.2路基底部的隔离作用 路基底部的隔离作用 7.2.1路基隔离机理当地基为饱和软土层,同时上部填料又较粗时,比如铁路碎石路基,这时就有土工合成材料隔离的需要。即能防止粗粒材料陷入软土层中,也可以阻止在动荷作用下软土挤入粗粒层,同时还可以限制碎散颗粒填料的侧向变形并增强路基整体性。胶州市 常州路路基加筋隔离土工格栅路基土土工织物隔离层未铺装道路基层与路基的隔离土工织物隔离层铺装道路基层与路基的隔离土工合成材料在未铺装与铺装道路路基中的隔离机理相似,在碎石路基底部铺设土工织物、土工格栅等土工合成材料,既可以减小因路基变形而引起的路面结构破损,又可以用
3、于隔离基层碎石与路基土,减小碎石对路基土的刺入破坏及其沉降变形。隔离作用 7.2.2穿刺与刺破分析(1)荷载的计算p路面和路基的自重的计算p1自重引起的垂直应力,kPa;i第 i 层材料的容重,kN/m3;hi第 i 层材料的厚度,m。在路面设计中,汽车荷载较小时,轮胎接触地面形状近似于圆形,随着荷载的增大,触地面形状趋于矩形,但为了方便计算,均按照圆形计算,当量圆直径D可按以下公式计算:p汽车轮胎接地面当量圆直径的计算P车轮承受的荷载,kN;pt轮胎压力,kPa。p施工机械轮胎接地面当量矩形的计算 道路施工机械常用的有压路机和轮胎压路机等,该类机械常是多个轮胎并排,其接地面形状应按当量矩形考
4、虑,即为BL。多个轮胎的接地当量面积B1单轮接地宽度,m;P1单轮承受的荷载,kN。B多个并排轮胎的两个最边沿轮胎外侧边的距离;L单轮接地长度,即与B边垂直的长度;隔离作用 7.2.2穿刺与刺破分析(2)力的传播 根据车辆荷载和几何位置,求得作用在土工合成材料表面的压力,车辆荷载按道路设计规范选定,采用弹性理论以及颗粒体力学求得较精确的应力分布数值,在实际计算中常用简化的等应力分布方法进行。应力扩散图荷载面积为圆形时,土工合成材料表面的压力荷载面积为矩形时,土工合成材料表面的压力p2土工合成材料表面承受扩散后的活荷载的压力,kPa;q 路面荷载在当量圆或矩形荷载面的平均压力,kPa;h 路面到
5、土工合成材料的垂直距离,m。应力传播的扩散角,一般可取=31,即tan=0.6。自重压力 p1加上 p2则为土工合成材料表面承受的连续分布压力p,即隔离作用 实际上压力是通过与土工织物接触的土粒传递的,传递压力的面积要比假想为均匀连续分布的面积小得多。接触面积的大小与土工织物下面的地基土的强度和变形特性以及上覆压力有关。7.2.2穿刺与刺破分析(3)实际接触压力的计算 目前计算中把按一定级配分布的粗粒简化为平均粒径 的等效圆粒进行分析,亦即圆粒陷下一定深度,陷下部分截面的最大直径为dc 的大小按如下两式计算:土工织物顶破分析土粒陷下部分截面的最大直径 dc 的计算土粒按最疏松的正方形排列考虑,
6、p是连续分布的,这样每一个粗粒的受力按下式计算:尖角粒圆角粒隔离作用 假定各粗粒受力相同,并且互相不产生影响,右图中显示,土工织物在粗粒的作用下可能产生两种类型的破坏:在AB圆周上拉破;BC球面上承受土的反力在点E上拉破。7.2.2穿刺与刺破分析(4)破坏分析土工织物顶破分析粗粒传下来的荷载F由地基极限承载力R和土工织物拉力T承担,单个粗粒下面地基的极限承载力按下式计算:R单个粗粒地基的极限承载力,kN;c,分别为土的黏聚力(kPa)和内摩擦角();Nq,Nc承载力系数,由土力学专著中查得;qc旁侧荷载,kPa;qc是BC段土工织物拉力对地基土的镇压作用,利用右侧公式求得:尖角粒圆角粒土工合成
7、材料和地基抗顶破的 安 全 系 数 Fs一般要求大于3AB圆周上作用着筋材的拉力T,其方向为AB圆周上的切线方向,与水平线成角,其垂直向分量为Tsin,其中sin 计算如公式所示隔离作用 7.3 7.3路面处的隔离作用 路面处的隔离作用 7.3.1路面开裂机理 路面开裂可以发生在面层或基层,其原因众多,但主要归纳为四类:地基和路基的不均匀变形,设计与施工的缺陷与不周、温度变化、裂纹反射 在研究路面开裂机理时,刚性、柔性和半刚性路面要区别对待,路面的开裂是一个发展过程,是应力和应变逐渐积累的结果,其中前三个开裂原因主要是由反复荷载作用下的疲劳应力决定的,其开裂机理下图所示。温缩荷载老化变形路面开
8、裂机理图 裂纹反射的路面开裂机理比较复杂,主要是在拉剪高应力反复作用下,图中D点处有可能开始断裂,裂缝尖端的应力集中促进了裂缝的发展,可分为直线型和折线型裂缝。交通荷载在面层底部引起的应力变化(a)直线型(b)折线型隔离作用 7.3.2路面结构中隔离机理土工合成材料铺在路面结构中,作为一个垫层或一个接触界面将起到减轻或推迟面层开裂的作用路面结构隔离加筋p路面结构的性能改善 隔离不同粒径材料,维持结构层厚;增强路面刚度、承担剪应力,减薄 路面厚度,减少车辙;增强了路面结构整体性,并增加了路 面面层与基层变形的协调性;加筋隔离层可以吸收裂缝尖端应力集 中,防治反射裂缝;防水和保温作用。隔离作用 7
9、.3.3土工织物隔离层设计(1)胀破强度 如果基层材料颗粒间存在孔隙,行车荷载下土基应力就会将土工织物压入颗粒间的孔隙,如图所示。土工织物所需的胀破拉力可按美国Giroud教授提出的均布荷载下的窄长缝上薄膜来计算。Tr 土工织物要求的胀破拉力,kN/m;土工织物表面压力(轮胎压力),kPa;dv 最大孔隙直径(dv 0.33 da);da粒料平均粒径;f()土工织物应变的函数,该函数确定压力在拉力方向的分力。通过胀破试验得到土工织物的胀破拉力 土工织物许容胀破拉力 土工织物胀破安全系数 db胀破试验装置直径,0.0305 m;Tu土工织物胀破拉力,kN/m;pb 土工织物胀破强度,kPa。Ta
10、 土工织物允许胀破强度,kPa;RF总折减系数,通常取1.52.5。Fs胀破安全系数;其余符号意义与前式相同。土工织物胀破示意图隔离作用 7.3.3土工织物隔离层设计(2)握持强度土工织物被粒料夹紧时,在表面压力作用下还将产生握持张拉力,从图中可以得到土工织物的最大应变 Tgr土工织物握持强度要求的张拉力,kN/m;其余符号意义与前式相同。(a)实际情况(b)握持强度测试土工织物握持强度示意图 土工织物拉伸变形;s 土粒间隙,近似为d/2。土工织物的变形与粒径无关,最大可达33%。荷载作用下土工织物的张拉力为土工织物容许握持拉力 Tga 土工织物容许握持拉力,kN;Tgu 土工织物握持强度,k
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