土工合成材料加筋设计过程和存在问题分析

土工合成材料加筋设计过程和存在问题分析

【摘要】将连续柔性的片、条状土工合成材料与碎散的土相结合，大大的改善了土的物理、力学与水力学性质，形成一对绝佳的搭配。其中加筋是利用筋材对于土的约束作用提高其刚度与强度，可经济、可靠地达到人们的设计期望，因而被广泛地应用。基于此，本文对土工合成材料加筋设计过程和存在问题进行了研究。

【关键词】土工合成材料加筋设计问题 随着社会科技水平的快速发展，目前土工合成材料加筋已经被广泛的用于许多的工程项目中了。但是建筑工作者对于土工合成材料加筋的概念的认识还不够清晰。我们所说的土工合成材料加筋就是指通过土工合成材料与地基周围的土壤的咬合以及界面摩擦的作用并利用筋材的抗拉的特点产生相应的应力传递，这种应力传递可以有效的提高地基土体的韧性以及强度，还能改变原来地基土体的位移场以及应力场，同时还能够增加土体的稳定性以及改善土体变形性状的一种有效的技术手段。柔性纤维素一般通常是土工合成材料的原始材料，柔性纤维素具有伸长率较大的特点，因此土工合成材料的加筋概念与传统的钢筋混凝土加筋的概念是不一样的，筋材与土基质的作用机理的不同是最为主要的区别。这点区别对加筋的分析计算方法以及应用的效果也是有很大的影响的，是需要被注意并重视的。

土工合成材料的功能

1、分隔作用

在外荷作用下相互挤压的两种材料之间用土工合成材料将其隔开,可以防止河床掏刷、堤坊掏刷等，在渠道，隧道等建设中使用土工膜可以有效防止渗漏发生。

2、滤土排水作用

部分土工合成材料在工程中可以起到反滤层的作用。它允许液体在与其平面垂直方向流过而又使大部分或全部土的颗粒不被液体带走。另外像塑料排水板等材料具有良好的法向及水平向的透水性能,可将土中的水聚积到织物之内,形成排水管道,缓慢将水排出土体外,故可用于填方内水平排水, 挡土墙坡脚背面排水及挡土层背面排水、排气等。

加筋作用

所谓加筋,即将土工合成材料按照一定的方式埋入土中，使土工合成材料与土之间良好地结合，利用合成材料的较高强度性能，重新分布土体应力，增加土体变形模量，传递拉应力，限制土体侧向位移,增加土体的抗剪强度，从而提高土体及有关建筑物的稳定性。土工合成材料较多的应用于软弱地基处理、陡坡、

挡土墙等边坡稳定方面。加筋作用可以通过“宏观加筋”与“微观加筋”两种方法获得。宏观加筋就是在土体中埋入土工合成材料，形成所谓“加筋土”。土工合成材料在其中可以约束土体的拉伸应变，减少土体变形，从而增加土体的模量，改善土体的受力状况，提高土体的稳定性。各类土工织物都可埋入土体内起加筋作用, 特别是土工格栅效果更好。微观加筋就是在土体中掺合土工合成连续纤维丝，形成所谓“纤维土”( 或“织物土”) ，以提高土体的强度和稳定性。与加筋土相比,纤维的加固是三维的，而加筋土的加固一般是一维的，只有经过特殊设计才可能成为二维或三维的加筋结构。可用于加强软土地基，加强边坡稳定性，用作挡土墙会填土中的加筋或锚固挡土墙的面板，修筑包裹式挡土墙或桥台，加固柔性路面，防止反射裂缝的发展等。

土工合成材料加筋的作用机理

1、约束竖向变形，增加侧向压力

首先对堤坝地基进行三轴实验的测试，通过对比没有加筋以及有加筋的实验结果，就可以解释土工合成材料加筋的作用机理效果。当在没有进行加筋操作的堤坝地基上施加一定的竖直向下的应力时，会看到堤坝明显的侧向变形以及压缩现象的发生，并且堤坝建筑也受到了破坏。同样情况下，当对有进行加筋施加竖直的应力时，土与筋材会产生一定的相互作用。从实验中可以看出，由于堤坝受到的加筋的作用，侧向压力有增大的现象出现，我们称为压束力，同时由于加筋的作用堤坝也约束了竖向变形。

2、增大了土体的视内聚力

根据以上的三轴实验的测试结构，若想使加筋的试样在相同的应力的作用也达到破坏的效果，就必须相对的减少土样所受到的侧向的压力。通过实验数据可以看到，加筋土样的摩擦圆与没有加筋的土样的摩擦圆的区别并不大，所不同的是加筋土样的视内的聚力得到了增加。根据土力学的原理及物理学的计算公式计算可以得出，影响土体视内聚力增加的关键因素是土工织物筋材的抗拉的强度，并抗拉强度与视内聚力是程正比的，即织物的抗拉强度越好，视内聚力增加的就越多。相反的，当土体的抗拉强度很小时，或是筋材土工织物由于抗拉强度不够被拉断或是被拔出时，土体的视内聚力就不会增加，同时土工合成材料的加筋的效果也会消失。

3、隔离作用

土工织物的隔离作用体现在两个方面, 一方面它将两种不同材料分隔开来, 使它们不混合, 如在海涂上筑堤, 在海涂面上先铺一层土工织物, 然后在土工织物上填土( 或碎石、块石等) 筑堤, 这样填料就不会陷入海涂地基土中, 保证地基土不受扰动。另一方面, 土的抗拉强度很低, 而筋材则具有较高的抗拉强度, 若荷载通过土体传递至筋材时, 由于土与筋材的相互作用, 约束土体的变形, 防止抗拉断裂, 因而改变上下土体的应力状态, 形成以筋材为界, 把上下部土体分隔为不同应力状态的两部分。根据有限元分析结果, 在荷载作用下,若无加筋, 土

体内将形成一连续的塑性开展区, 若在土体内增设一层筋材, 则把塑性开展区分隔开来, 并缩小成不连续的两个塑性区。从离心模型试验观察也可发现存在隔离现象。如加筋陡坡破坏试验时, 土体破坏是沿水平布置的筋材, 分层逐渐破坏的, 并非整体连续的破坏, 而无加筋陡坡, 则沿一破坏面连续破坏。

三、土工合成材料加筋的布置形式

1、张拉应变弧布置筋材的理论

土工合成材料作为土体中的筋材，在土体中只受到拉力的作用，因此要想充分发挥土工合成材料筋材的抗拉作用，就必须合理的布置土工合成材料筋材的位置。土体单元除了承受主应力的作用，在相应的单元内还会受到剪应力的作用，在受到剪应力的平面内，沿剪应力方向的轨迹就是零延伸的方向，应变的摩尔圆可以有效的表示零延伸的方向。通过对应力摩尔圆的研究得出，零延伸的方向与滑动面的方向是一致的。由于土体的拉伸变形是被沿剪应力方向的轨迹线所形成的弧形包围着的，所以为了使土工合成材料筋材最大限度的发挥抗拉的作用，就应该将土工合成材料筋材土体内部的这个滑动弧上面。

土工合成材料筋材的布置形式

边坡位置土工合成材料的布置筋材的形式。根据张拉应变弧布置筋材的理论，边坡位置内的筋材应布置在滑动弧上面这个理想位置的，并且在实际的建筑工程中土工合成材料筋材应该是水平布置的，然后进行回拧的操作从而有效的锚固筋材的位置。

堤坝基底的土工合成材料筋材的布置形式。从理论上来讲，堤坝基底的土工合成材料筋材也是应该以水平位置进行布置的，在坝趾的区域则更适宜进行斜向的布置。通常圆弧的滑动为堤坝最为常见的破坏形式，所以进行筋材的布置时应尽量使筋材穿越整个圆弧的滑动面，整体布置筋材以及局部水平布置筋材为堤坝基底土工合成材料筋材最为常见的布置形式。

支挡结构中土工合成材料筋材的布置形式。目前工程项目中支挡结构主要有桥台和挡土墙两种形式。根据张拉应变弧的布筋理论，结构土体的主拉应变的方向应该是水平的，所以在实际的工程中，土工合成材料的筋材也应该是呈水平方向进行布置的。

四、结束语

土工合成材料加筋作用机理是十分复杂的, 工程应用时, 只要设计人员充分利用土工合成材料的特点, 合理布置筋材, 正确选择设计分析方法, 总结工程经验, 这样, 土工合成材料将会在工程建设中发挥其应有的效果。

参考文献

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[2]王正宏。土工合成材料应用技术知识[M].中国水利水电出版社，2008.

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