加筋软土的研究及其应用1

摘要 土工织物加筋软土通过室内试验和实际工程的应用，都已证明是处理软土行之有效的方法。文中讨论了土工织物加筋软土地基的设计方法。土工织物在预应力处理后对控制软土早期变形的作用，效果良好。此方法施工简便，造价低廉。 关键词：土工织物；加筋软土；工程应用

中图法分类号：TU 文献标示码：A 文章编号：

Study of the reinforcement of soft Soil by geotextile and its application

Abstract: The methods of soft Soil reinforced by geotextile, tests and application of project showed that the method was efficient to the soft soil reinforced. Main Calculation methods of soft soil foundation reinforced by geotextile have been viewed. After being prestressed, in controlling the early deformation of foundation,proved to be effective,simple, convenient and cheap.

Key words: geotextile; soft soil reinforced; application of engneering

土工织物应用于工程上主要有以下几个方面的作用：渗流排水作用；对两种不同材料的隔离作用；网孔渗透的滤层作用、加筋软土作用等，所以土工织物作为一种新型的建筑材料，广泛的应用于公路、航道、铁路、护坡、地基加固、加筋挡墙等工程。下面我简要阐述一下土工织物在加筋软土方面的应用。 1 加筋材料的选择

对于加筋垫层来说，应选择抗拉强度高、高模量、延伸率小、界面粗糙的产品，使加筋材料的表面与土之间产生足够摩阻力，就土工织物而言选择强度较高、模量较高、延伸率较小的有纺土工编织布为宜。

垫层的填料应结合工程具体情况尽量选用高强度、高模量的材料为好，最好用粗骨科，其次是砂料，填土必须压实，不能采用强度低的土料如淤泥，试验证明，土工织物置于砂土中比直接置于软土中的效果好。 2 合理的垫层构造设计

合理的垫层指合理的布置加筋材料，使加筋材料充分发挥其功能，阻止垫层被拉裂或加筋失效，提高垫层的整体性和抗弯刚度。 2.1 铺设层数

通过室内模型试验探讨铺设方式和层数N： BINGUENT 认为：

N=3–6 为最好 N＜3 效果不好 N＞6 效果并不增加

设加筋层的表面距垫层的第一层的土工布的距离为d，加荷基础板的宽度为B，BINQUENT认为：

d／B＜2／3 加筋效果为最好

王铁儒认为：

d／B=0.5 效果最好 d／B＜0.5 效果略降 d／B＞0.5 效果并不增加

加筋层的间距，一般认为：

△H／B＜0.5

△H—土工织物每一层的间距

2.2 铺设方向

根据柔性加筋的原理，确定柔性加筋体的布置方向，由于土工织物是属于柔性材料只能承受拉应力，不宜承受压应力，因此布筋的方位原理，要充分发挥材料的抗拉能力，把土工织物布置的与其在土内预计的最大拉应变方向相一致，同时材料的最大拉力方向也应力求与之吻合，沿张拉应变弧方向布置柔性拉筋，这样才能发挥拉筋对土体的约束和抗阻作用。若加筋布置在剪切变形面，有可能产生润滑作用，导致不良的效果。若拉筋在压缩弧段内布置，柔性筋的效果不会显著。根据基础下地基零张拉特性，在基础下地基加筋的最优方向是水平方向，所以在基础下宜布置水平拉筋，基础两侧为斜筋。 2.3 垫层厚度和宽度设计

厚度是加筋垫层设计的主要问题，根据建筑物荷载和沉降的要求及下卧软土层的性质，确定必要的加筋垫层的厚度和建筑物场地的性质和建筑物对地基的要求来确定。土质软弱，垫层厚度应厚些，建筑物荷载愈大，所需厚度也愈大，但达到一定的厚度之后，再增大，其效果就减弱，在设计中，先假设某一厚度，通过反复的验算确定，可参见换土垫层的方法。

垫层的厚度明显影响垫层的沉降。地基反力和垫层内的拉力，随着垫层厚度的增大，垫层底面的沉降、基础反力和垫层内的拉力也随之减少，并调整不均匀性，均化应力。但随着厚度的增大，减少沉降的速率也逐渐减少，达到一定厚度

之后，再增加厚度对沉降的减少甚微。

垫层宽度的设计一般采用经验确定。根据理论分析结果，垫层宽度愈大其效果愈好，但是，垫层的宽度超过基础宽度两端外（1.5–2.0）倍垫层厚度之后，再增大宽度，其效果就逐渐减弱，因此，垫层的宽度按B+（1.5–2.0）垫层厚度来确定。

增加垫层的宽度，增加锚固措施，增大拉力值，对垫层底面的沉降也有影响。随着垫层宽度和拉力值的增大，沉降有所减少。

根据以上各点，土工织物垫层对建筑物沉降和地基中应力的影响主要决定于土工织物的挠曲刚度和宽度或拉力值。

挠曲刚度的表达式：

DEH3212(1) （1）

式中 D——加筋垫层的挠曲刚度；

E——加筋垫层的复合模量，据室内测定和实际经验其值大概范围为

（2-6）×104Kpa；

H——加筋垫层的厚度；

μ——加筋垫层的泊松比，根据室内试验测定和实际工程其经验值大

概范围为0.3–0.35。

其中厚度的影响最明显，其次是复合模量，垫层的宽度和拉力值也有影响。由此可见，利用土工织物垫层改善建筑物基础的沉降和不均匀沉降，首先应考虑增大厚度其次采用强度较大的填料，合理布置加筋材料，并在构造上保证垫层的完整性，防止被拉断裂，才能起到增加刚度的作用。

加筋垫层的设计完毕，必须进行验算，验算加筋材料是否满足强度的要求和拔出失效。如果验算不能满足设计要求，则修正垫层的厚度或改变加筋材料及构造，通过反复验算直到达到满足设计要求为止，还要验算下卧层地基承载力。 3 加筋材料的强度和拉拔阻力检验

在荷载作用下，加筋垫层中的加筋材料承受拉应力，一种可能被拉断裂，另一种可能是被拔出，失去其抗力。为了保证土工织物加筋垫层的整体性和连续性，防止断裂，因此要求由荷载作用引起土中的拉应力不能超过加筋材料的容许抗拉强度和抗拔阻力，必须要求土工织物不被拉断和拔出，即要求满足：

T(N)Tf,Rf （2）

式中 T（N）——为加筋材料所承受的拉应力；

T f ——为加筋体在土中的抗拔阻力；

R f ——为加筋材料的容许抗拉力强度；

J．BINQUENT研究，对于条形基础下的加筋垫层中的加筋材料的拉

应力用下式计算：

T(Z,N)1ZZA()BA()H12Nbbqq(0q1) （3） 0式中 T（Z／N）——为垫层深度z，第N层的拉应力；

A1（z／b），A2（z／b）——分别为正应力和剪应力系数，可

查相关图表

B——为基础宽度；

ΔH——为土工织物布置的间距； N——为加筋层数；

q／q0——为荷载比，q0为天然地基承载力，q为建筑物作用于

加筋垫层表面的荷载。

加筋材料的容许拉力Rf ：

RfWNRtfyFsy （4）

式中 W——为单一拉筋的宽度；

NR——为单位宽度拉筋的总数； t —— 为拉筋的厚度； Fy ——为拉筋屈服抗拉强度；

Fsy ——为屈服强度的安全系数，Fsy =1.5—2.0；

抗拔阻力T f ：

zqTf(z)2tgLDRA3()Bq0()(L0x0)(zD) （5）

bq0式中 tgφ΄——为加筋材料与土的摩擦系数：

A3（z／b）——为应力系数，可查机关图表

L0、X0——为剪应力分区界限，可查机关图表，若加筋布置的宽度小

于L0，则改用实际的L；

LDR——为单位宽度内加筋材料的总宽度，即LDR=W×NR

Tf、Rf计算结果必须满足（2）式，否则要改变加筋的布置或改用强度较高的加筋材料，或增加加筋材料的数量。

注意：在工程应用分析中，只能用此法进行初步的检验。

4 加筋材料施工要点及应用 4.1 加筋材料的固定

筋材端部固定对发挥其抗拉强度非常重要。固定愈牢固，承载力提高愈多，地基中的应力分布愈均化，沉降愈得到均化。端部固定靠铺设长度得到保证，如把筋材端部折起并包裹砂砾，以其增加端部的握裹力。 4.2 加筋材料的变形

筋材强度只在变形时才得以发挥。在施工时不允许加筋材料有折皱，把土工织物尽可能拉平拉紧，使它们在受荷时有足够的应变。对筋材施加预应力，使其产生初应变，象预应力钢筋砼一样，会获得更佳的加筋效果。试验证明，在小应变时，土工织物的加筋作用基本上没有发挥，而这时大部分的荷载只能由土体承担，这就意味着受荷初期土体基本要承担全部荷载，势必导致基土在受荷的初期就产生大的变形。鉴于此，如果对土工织物象预应力钢筋混凝土一样，在没有使用之前施加预应力，让其产生一定的预应变，这样就可保证土工织物加筋垫层复合地基在受荷初期发挥它的作用，产生其效能。为此对加预应力和不加预应力的两组土工织物作了对比试验，如图1所示。对加预应力筋的土，土体的变形特性大为改善，很显然，受荷初期立即发挥作用，使土体的变形减少。图2为加预应力和不加预应力筋土的三轴试验(1/3)关系曲线。

ρ/kPa加预应力不加预应力σ1/σ2加预应力不加预应力ε/% 图1 加预应力和不加预应力p-s曲线 图2 加预应力和不加预应力(1/3)关系曲线。

由此得出结论：对土工织物在没有受荷之前施加预应力，使其先产生一定的预应变，不仅使它在受荷的初期发挥作用，使土体变形减少，而且在整个受力过程即

自始至终土体的变形都比不加预应力筋的土体要小，可见，施加预应变可以改变整个地基的受力状态，使地基的侧向位移和竖直向位移明显减少，提高了加筋复合地基的承载能力。

施工程序对加筋效果也有重要影响。对于水平铺设的土工织物要掌握的原则，施工时要让筋材尽早处于受拉状态。如（1）铺土工织物，（2）拉平拉紧两端填砂，（3）两端折起包裹砂砾并两端填砂，（4）中心填砂，（5）两端砂增高，（6）最后中心填砂。B.B.BROMS建议的间隔施工法，使土工织物初应变达到4—8%，被拉得很紧，效果良好。以上施工步骤其结果使土工织物形成波浪形而被崩紧，这样，其目的是为了让土工织物在加筋垫层中尽早的发挥其作用。

注意：铺一层土工织物的作用并不明显，因为一层土工织物拉力不足，波浪效应不明显，不易成拱，所以不能有效的约束地基的变形，不能较好的改变地基中的应力场。如铺二层以上的土工织物，加筋垫层的波浪效应明显，拱桥形成，加筋垫层形成一个整体，并且有一定刚度的垫层，其加筋效果就会显著得多。 4.3 加筋垫层方法

加筋垫层地基采用的方法有两种：一是在基础下按一定间距水平平铺土工布，两端回折，包裹土体；二是在基础下铺设土工织物碎石袋或砂袋垫层，用一定直径的编织布袋，内装碎石或砂，制成碎石袋分几层平行铺设，并以交角为60º交错重叠而成。

这两种方法比较，碎石袋加筋垫层的挠曲刚度比土工织物垫层的大，其扩散应力的效果好，对于防止垫层断裂，保持垫层的整体性，约束地基的侧向变形，改善地基的位移场，调整不均匀沉降，提高地基的极限承载力均有良好的效果。土工袋垫层布置合理、刚度大，但施工劳动强度大，造价略高，土工织物垫层，刚度略小，然而施工简便，造价也较低。理论分析和实测结果表明，影响加筋垫层的作用效果，主要取决于垫层的挠曲刚度和宽度，包括垫层的厚度，复合模量和加筋材料的布置的合理性和构造上的整体性。若垫层很薄，在施工时又不注意其整体性则效果很差，甚至无效。

5.结束语

（1）有纺土工织物作为加筋材料具有较高抗拉强度，较高模量、低延伸率、界面粗糙及良好的整体性和连续性，弥补了岩土的不足。

（2）对有纺土工织物施加预应力，使其在一开始受力就发挥作用，可改变整个加筋复合地基的受力状态和应变场，防止受荷初期土体产生过大变形。 （3）土工织物加筋垫层整体刚度较大，能起到扩散应力，均化应力的作用，调整加筋垫层以及下卧层的应变场，抗剪强度增大，能有效的阻止塑性剪切破坏的发生，增强了土体的稳定性，承载能力提高。

（4）土工织物加筋垫层要精心施工，严格控制质量，要将平铺的土工织物端部回折一定的长度，一是可防止被拔出，二是让土工织物层尽早受力发挥作用，平铺土工织物与袋装砾石交替铺垫，效果会更好。

参考文献：

[1] Binquent J, Lee K L. Bearing Copacity analysis of reinforced earth slabs[J]. J Geotech Engng ASCE,1975,101(12):1257-1276。

[2] 王伟，有纺土工织物加筋软土地基模型试验和机理研究[J]。岩土工程学报，2000，22（6）：750-753。

[3] 王铁儒、吴炎，土工织物在加固地基中的应用，中国土工织物学术讨论论文，1992年。

[4] Bengt B.Broms, Sabilization of very soft clay using Geofabyic Geotexiles and Geomembranes, 1987年。