地基处理(加筋)ppt课件.ppt

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1、第7章 加筋法,7.1 概述7.2 加筋土挡墙7.3 土工合成材料7.4 土层锚杆7.5 土钉墙,主要内容,7.1 概述,加筋法泛指在地基土体中设置强度高、模量大的筋材，使土体与筋材一起形成加筋复合体，以达到提高地基土稳定性、改善变形性能为目的的一类地基处理方法的总称。,基本机理：通过土体与筋体间的摩擦作用，使土体中的拉应力传到筋体上，筋体承受拉力，筋间土承受压应力及剪应力，使加筋土中的筋体和土体都能较好地发挥各自的作用。,7.1 加筋土挡墙,一、概述,加筋土挡墙（reinforced earth Wall）是由填土、填土中布置的一定量的拉筋以及直立的墙面板三部分组成的一个整体的复合结构。这种

2、结构内部存在着墙面土压力、拉筋的拉力及填料与拉筋间的摩擦力等相互作用的内力,（1）可做成很高的垂直填土，从而减少占地面积；（2）面板的形式可根据需要生产，拼装完成后造型美观，适合于城市道路的支挡工程；（3）充分利用材料性能，以及土和拉筋的共同作用，因而使挡墙结构轻型化；（4）由于构件较轻，施工简便，除需配备压实机械外，不需配备其他机械，施工易于掌握；（5）工程造价较低；（6）适应性好；（7）具有良好的抗震性能。,加筋土挡墙的特点,二、加筋土加固机理,1.加筋土基本原理 20世纪60年代Henri Vidal用三轴试验证明，砂土中加入少量纤维后，土体的抗剪强度可提高4倍多。他认为在土样试件上施加

3、竖向压力时，一定会产生侧向膨胀。若加入拉筋，由于拉筋与土之间的摩擦，就会阻止土样的侧向膨胀，相当于在土样上施加一个水平约束力。随着垂直压力增加，水平约束力也成比例增加，只有当土与拉筋见失去摩擦或拉筋断裂，试件才能产生破坏。 上述现象可用摩尔-库仑破坏理论加以分析。,加筋土的应力状况,b圆-未加筋土极限应力圆；a圆-加筋土的摩尔应力圆。,d-无筋土极限应力圆；e-加筋土中填土的极限应力圆；f-加筋土的摩尔应力圆。 试验证明，加筋土内摩擦角与未加筋土内摩擦角相似，不同的是增加了c值，说明加筋的作用相当于土体强度增加了粘聚力c。,2.加筋土挡墙的破坏机理 加筋挡土墙的稳定性取决于加筋土挡墙的内部和外

4、部的稳定性。,1、加筋土挡墙的形式,三.设计计算,可分为路肩式和路堤式挡墙。,根据拉筋的不同配置方法，可分为单面加筋土挡墙、双面分离式加筋土挡墙、双面交错式加筋土挡墙和台阶式加筋土挡墙。,2.加筋土挡墙的荷载,应根据可能出现的作用荷载来选择荷载组合。组合1：基本可变荷载（平板挂车和履带车除外）的一种或几种与永久荷载的一种或几种相组合。组合2：平板挂车和履带车与结构重力、土的重力及土侧压力中的一种或几种组合。组合3：在进行施工阶段验算时，根据可能出现的施工荷载（如结构重力、脚手架、材料机具、人群等）进行组合，构件吊装时，构件重力应乘以动力系数1.2或0.85，并作适当增减。组合4：结构重力、土的

5、重力及土侧压力的一种或几种与地震力相组合。,3.面板 面板一般采用混凝土预制构件，强度等级不低于C18，厚度不应小于80mm。面板设计应满足坚固、美观、运输方便和易于安装等要求。 通常可选用十字形、槽型、六角形、L形和矩形等形状的面板。面板上的拉筋结点，可采用预埋钢拉环、钢板锚头或预留穿筋孔等形式。,4.拉筋 拉筋应采用抗拉强度高、伸长率小、耐腐蚀和柔韧性好的材料，同时要求加工、接长以及与面板的连接简单。,5.填土 填土一般应满足易压实、能与拉筋产生足够的摩擦力以及水稳定性好的要求。,加筋土挡墙的平面线型可采用直线、折线和曲线。,加筋土挡墙的剖面形式一般采用矩形。,加筋土挡墙面板下部应设宽度不

6、小于0.3m、厚度不小于0.2m的混凝土基础。,6.加筋土挡墙构造设计,对设置在斜坡上的加筋土结构，应在墙角设置宽度不小于1m的护脚。,加筋土挡墙应根据地形、地质、墙高等条件设置沉降缝。,墙顶一般均需设置帽石。,7、加筋土结构计算,加筋土挡墙的设计一般从加筋土挡墙的内部稳定性和外部稳定性两方面考虑。,1）加筋土挡墙的内部稳定性计算,加筋土挡墙的内部稳定性是指阻止由于拉筋被拉断或由于筋土间摩擦力不足，以至加筋土挡墙整体结构遭到破坏。因此，设计时必须考虑拉筋的强度和锚固长度。目前计算理论可分为两类：整体结构理论（复合材料）和锚固结构理论。其中郎肯理论属于后者，下面介绍郎肯理论分析的计算方法。,（1

7、）土压力计算,土体中产生一个与水平面的夹角为=45+/2的破裂面，土的自重应力和主动土压力随深度的增加而增大。,土的主动土压力：,土的自重引起的土侧压力为：,土的自重应力：,当加筋土结构上面存在超载（如车辆荷载等），可把超载换算成等代土层厚度he进行计算。则车辆荷载等引起的土侧压力为：,故总的水平土压力为：,式中：B-挡墙的荷载分布宽度（m）。,（2）拉筋所受拉力计算,每根拉筋所受拉力随深度的增加而增大，最下一根拉筋的拉力最大。,式中：T1-拉筋所受的最大拉力（KN）； sx、sy-拉筋的水平和垂向间距（m）。,（3）拉筋的断面计算,拉筋的断面面积为：,式中：A-拉筋设计断面面积（mm2）；

8、K-拉筋容许应力提高系数； L-拉筋容许应力（MPa）。,（4）拉筋长度的计算,每根拉筋在工作时还有被拔出的可能，因此需计算拉筋抵抗被拔出的锚固长度L0。,由于单位面积上覆土压力为（H+he），拉筋在锚固区内的摩擦面积为2L0b，故在锚固区内由于摩擦作用导致拉筋产生的抵抗力Tb为：,在同一深度出拉筋的抗拔稳定系数Kb为：,b筋体宽度；,由上式，可得拉筋的锚固长度为：,式中：Kb-拉筋抗拔稳定系数； f-拉筋与填料的似摩擦系数。,（5）拉筋的总长度计算,拉筋的总长度（第一根拉筋位置）可按下式求得,2）加筋土挡墙的外部稳定性计算,加筋土挡墙的外部稳定性是指包括考虑挡墙地基承载力、基底抗滑稳定性、抗

9、倾覆稳定性和整体抗滑稳定性等的验算。 验算时可将拉筋末端的连线与墙面板间视为整体结构，其他与一般重力式挡墙的计算方法相同。,7.3 土工合成材料,一、概述 土工合成材料（Geosynthetics）：是土木工程中应用的合成材料的总称。 它是以人工合成的聚合物（如塑料、化纤、合成橡胶等）为原料制成的各种类型的产品，置于土体内部、表面或各种土体之间，发挥加强或保护土体的作用。,二、土工合成材料种类,三、土工合成材料的主要功能,1.排水作用 具有一定厚度的土工合成材料具有良好的三维透水性，可使水经过土工合成材料的平面迅速沿水平方向排走，构成水平排水层。 2.反滤作用 将机织的和无纺的土工织物铺在细粒

10、土与粗粒料之间，可起反滤层的作用。 土工织物具有良好的透水或透气性能，当水流沿织物平面法向流过时，可有效阻止土颗粒不被水流带走，防止土体破坏，保证土体的稳定。简言之，就是“排水留土”。,3.隔离作用 将土工合成材料放在两种不同的材料之间，或用在一种材料的不同粒径之间以及地基与基础之间，使其隔离开来。当外载作用时，不使其相互混杂或流失，保持材料的的整体结构和功能。 4.加筋作用 当土工合成材料用做土体加筋时，其基本作用是给土体提供抗拉强度，改善土工结构的整体受力条件，提高地基承载力，增强上部结构的稳定性，主要用于土坡、坝堤、地基和挡墙。 5.防渗作用 采用土工膜或复合土工膜，可防止水或其它液体渗

11、漏，以保护环境和工程结构的稳定性。 6.防护作用 土工合成材料能够将比较集中的应力扩散或分解，防止土体受外力作用破坏。,四、土工合成材料的设计计算,1.土工合成材料作为反滤层时的设计 一般在反滤层设计时，既要求有足够的透水性，又要求能有效地防止土颗粒被带走。 采用无纺或有纺土工织物时，同样必须满足这两种基本要求。 土工合成材料作为滤层设计时的两个主要因素是土工合成材料的有效孔径和透水性能。在土工合成材料作滤层设计时，目前尚无统一的设计标准。,按符合一定标准和级配的砂砾料构成的传统反滤层，目前广泛采用的滤料要求为：,防止管涌：,保证透水性：,式中，d15、d85被保护土的粒径，小于该粒径的土的质

12、量占土的总质量的15%和85%；D15反滤料的粒径，小于该粒径质量占反滤料总质量的15%。,2.土工合成材料作为加筋时的设计,（1）地基加固,在软弱路基基底与填土间铺设土工合成材料是常用的浅层处理方法之一。若土工合成材料为多层时，则应在层间填以中粗砂以增加摩擦力。 土工合成材料所具有的较高的延伸率，可使上部负荷扩散，提高原地基承载力，并使填土增加稳定性。 如将具有一定刚度和抗拉力的土工合成材料铺设在软土地基表面上，再在其上填筑粗颗粒土（砂土或砾土），而作用荷载的正下方产生沉降，其周边地基产生侧向变形和部分隆起。,设计时其地基极限承载力ps+c的公式如下：,式中：，基础的形状系数，一般取=1.0

13、，=0.5； c土的内聚力（kPa）； Nc、Nq地基承载力系数，一般Nc=5.3，Nq=1.4； p土工合成材料的抗拉强度（N/m）； b基础宽度（m）； 基础边缘土工合成材料的倾斜角，一般为1017； r假想圆的半径，一般取3m，或为软土层厚度的1/2,但不 能大于5m。,公式是由太沙基极限承载力公式修正得来。 其中，第一项为地基土的原有承载力；第二项为在荷载作用下，由于地基的沉降使土工合成材料发生变形而承受拉力的效果。即筋材拉力的向上分量，表现为土工合成材料的张力膜作用；第三项是土工合成材料阻止隆起而产生的平衡镇压作用的效果，其中p/r为薄壁圆筒压力容器公式内压力值。,土工合成材料的张力

14、膜效应图,（2）路堤加固,土工合成材料用作增加填土稳定性时，其铺垫方式有两种：一种是铺设在路基底与填土间；另一种是在堤身内填土层间铺设。分析计算时常采用瑞典法和荷兰法两种计算方法。,瑞典法的计算模型是假定土工合成材料的拉力总是保持在原来的铺设方向，由于土工合成材料产生拉力S，相应地增加了两个稳定力矩。即：水平向总抗拉力强度，力臂为a；垂向抗力Stan1（ 1为填土的内摩擦角），力臂为b。,原最小安全系数：,增加土工合成材料后安全系数：,故所增加的安全系数为：,当已知土工合成材料的强度为S时，便可求得K。反之，当已知要求增加的K时，便可求得所需土工合成材料的抗拉强度S。,荷兰法的计算模型是假定土

15、工合成材料在和滑弧切割处形成一个与滑弧相适应的扭曲，且土工合成材料的抗拉强度S可认为直接切于滑弧。绕滑动圆心的力矩，其力臂长为滑弧半径R。,此时抗滑稳定安全系数为：,式中，Qi某一分条土体的重力（kN）； ci填土的粘聚力（kPa)； li某分条滑弧的长度（m）； i某分条与滑动面的倾斜角； i土的内摩擦角。,故所增加的安全系数为：,7.4 土层锚杆,一、概述,土层锚杆（Soil Anchor）是一种埋入土层深处的受拉杆件，一端与工程构筑物相连，另一端锚固在土层中，它把来自外界的荷载通过拉杆传递到锚固体，再由锚固体将荷载分散到周围稳定的土体中，从而减轻构筑物自重和节约工程材料。 它适用于一切需

16、要将拉应力传递到稳定土体中去的工程，如边坡稳定、基坑围护结构的支护、地下结构抗浮、防止桥台和输电塔的倾覆、桥基和隧道衬砌加固等。,国内外锚杆技术的发展前景：,1、发展新型的土锚施工机具，用以提高工效2、改进锚杆的结构和工艺3、应用领域日益拓宽，工程规模明显扩大4、加强对锚杆设计理论和工程应用的研究（1）土锚的徐变及预应力损失（2）锚杆承载力的时空效应（3）锚杆的防腐（4）地震荷载、邻近爆破及重复荷载条件下锚杆的性能（5）地基位移对锚杆性能的影响（6）单根锚杆的破坏，对邻近锚杆性能的影响（7）锚杆用于海洋工程的地基处理,二、锚杆的分类,按应用对象分：岩石锚杆、土层锚杆和海洋锚杆按施加应力分：预应

17、力锚杆和非预应力锚杆按锚固机理分：粘结型锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固型锚杆 和混合型锚杆。按锚固体传力方式分：压力型锚杆、拉力型锚杆和剪力型锚杆按锚固形态分：圆柱型锚杆、端部扩大头型锚杆和连续球体型锚杆,三、土层锚杆的构造,从力的传递机理来看，土层锚杆一般由锚头、拉杆及锚固体三个部分组成。,锚杆头部承受来自支护结构的力并传递给拉杆；拉杆将来自锚杆头部的拉力传递给锚固体；锚固体将来自拉杆的力传到稳定土层中。,四、锚杆的作用机理当锚固段受力时，首先通过钢筋（钢绞线）与周边的水泥砂浆之间的握固力传到水泥砂浆中，然后再通过砂浆与孔壁土的摩阻力传递到锚固地层中。,五、锚杆的力学作用,锚杆的力学作用有以下特

18、性：1、抗剪切破坏在边坡工程中，当存在滑动剪切面时，就会出现沿滑动剪切面的滑移破坏。采用预应力锚杆加固边坡，能够提供足够的抗滑力，提高潜在滑动面上的抗剪强度2、抗倾覆由于锚杆结构可充分利用土体的自身阻抗，又去制约另一部分土体变形和结构破坏，因而它是一种自我制约系统。它既能抵抗围护结构倾覆，也有利于减小围护桩的弯矩。,3、抗竖向位移 对水池、车库和船坞等结构物，当地下水的上浮力大于结构物的自重时，会使结构物上浮。如采用预应力锚杆，而锚杆的锚固力可克服上浮力而相抗衡。如地下水上浮力不大于锚杆预应力值时，理论上就不会出现竖向上浮的位移。4、预加固地基 经锚杆处理后能使地基土受到压缩，因此可在建造前对

19、地基进行预加固。其所需锚固力应根据结构物建成后作用于地基的永久荷载和施工开始前对地基加固的期限长短而定。,六、土层锚杆的设计计算（一）锚杆布置设计1、上覆土层厚度锚杆的上覆土层厚度不应小于4m。以避开车辆行驶等反复荷载的影响，也不至于因采用较高注浆压力而使上覆土隆起。2、锚杆间距锚杆间距的确定，应根据地层情况和钢材截面进行经济比较确定。锚杆间距一般不小于1.5m，也不大于4m。3、锚杆层数锚杆层数取决于挡墙受力计算中承受墙面或坑面的侧压力、土层分布情况、挡墙和坑壁的刚度和施工条件等综合因素。,4、锚杆的倾角 倾角不同，锚杆在水平和垂直方向的分力大小不同，而且倾角的大小还影响锚固段与非锚固段的划

20、分。 在锚杆的分力中，水平分力是有效分力，垂直分力不但无效而且还增加支护结构底部的压力，当支护结构底部土质不好时很不利。从这点出发，锚杆倾角越小越好。 但锚杆倾角要从多方面考虑，土层情况：锚杆的锚固体最好位于土质较好的土层中以提高锚杆的承载能力；锚杆还要避开邻近的建筑物和管线，而且锚杆最好不与原有的锚杆或设计中的锚杆相交叉；考虑钻孔和灌浆过程是否方便。 根据经验，倾角一般不小于13，不大于45，以1545为宜。,（二）拉杆材料的选择锚杆的受力拉杆与钢筋混凝土中的钢筋相似，采用的钢材在张拉时应具有足够大的弹性变形。（1）粗钢筋我国常采用热轧光面钢筋和变形钢筋，直径2232mm,单根或23根点焊成

21、束。（2）高强钢丝及钢绞线按国家标准GB5223-85与GB5224-85选用。（三）锚杆结构的设计1、锚杆锚固力和锚固段的确定对锚固体型式的不同，其锚固力的计算方法也有所不同。,（1）圆柱型锚杆,锚杆的极限锚固力,锚固体长度,式中，P锚杆的极限锚固力； Le锚固体长度； d锚固体直径； qs锚固体表面与周围岩土体间的粘结强度； Nt锚杆的设计轴向拉力值； K安全系数。,（2）端部扩大头型锚杆1）砂土中锚固长度按下式求得：,式中，土的重度； h扩大头上覆土层厚度； c扩大头承载力系数；D、d、L1、L2锚固体结构尺寸； cu土体不排水抗剪强度。,2）粘性土中锚固长度按下式求得：,2、锚杆自由段

22、长度的确定 锚杆在土体滑裂面以内的部分称为自由段，在滑裂面以外的部分称为锚固段。 锚杆自由段长度不宜小于5.0m，以防止由于锚具的缺陷或移动使施加的预应力值出现显著的衰减。另外，锚杆自由段长度应超过滑动破裂面1.0m，以利于改善锚固地层的稳定性。,（四）锚杆的稳定性验算 锚杆的稳定分析分为整体稳定性（土层滑动面在基坑支护桩的下面，可按常规的土坡稳定性验算方法计算）和深部破裂面稳定性（在基坑支护桩的下端处，按Kranz提出的简化法验算）。,单排锚杆深部破裂面稳定性验算： 从地基中取一平面楔体（包括支护桩、锚杆和土体）作为单元体，根据单元体的平衡状态用力多边形图解法对锚杆的稳定性进行验算。 通过锚

23、固体中心点c与支护桩下端的假想支点b连一直线，并假定bc线为深部滑动线，再通过c垂直向上做直线cd。abcd块体上作用有自重G、Ea、F、E1。当块体处于平衡状态时，利用力多边形求得锚杆承受的最大拉应力Rtmax。,Rtmax与锚杆设计轴向拉力Nt之比就是锚杆的稳定安全系数Ks，一般取1.5。,图中，G深部破裂面范围内土体重量（kN）； Ea作用在基坑支护上的主动土压力的反力； E1作用在cd面上的主动土压力； Fbc面上反力的合力； 土的内摩擦角； 基坑支护与土体间的摩擦角； 深部破裂面与水平面的夹角； 锚杆倾角。,7.5 土钉墙一、概述 土钉（soil nailing）是将拉筋插入土体内部

24、，并在坡面上喷射混凝土，从而形成土体加固区带，其结构类似于重力式挡墙，用以提高边坡的稳定性，适用于开挖支护和天然边坡加固，是一项实用有效的原位岩土加筋技术。 常用钢筋做拉筋，尺寸小，全长度与土粘结。二、土钉的类型、特点和适用范围按施工方法，土钉可分为钻孔注浆型土钉、打入型土钉和射入型土钉三类。,土钉作为一种施工技术，具有以下特点：（1）形成的土钉墙复合体，显著提高了边坡整体稳定性和承受坡顶超载的能力。（2）施工简单，施工效率高。（3）对场地邻近建筑物影响小。（4）经济效益好。据我国9项土钉工程的经济分析统计，认为可节约投资30%50%。,土钉适用于地下水位低于土坡开挖段或经过降水使地下水位低于

25、开挖层的情况。为保证土钉的施工，土层在分阶段开挖时应能保持自立稳定。为此，土钉适用于有一定粘结性的杂填土、粘性土、粉土、黄土类土及弱胶结的砂土边坡。此外，当采用喷射混凝土面层或坡面浅层注浆等稳定坡面措施能够保证每一切坡台阶的自立稳定时，也可采用土钉支挡体系作为稳定切坡的方法。,三、土钉与加筋土挡墙的比较,1、主要相同之处（1）加筋体（拉筋或土钉）均处于无预应力状态，只有在土体产生位移后，才能发挥其作用。（2）加筋体抗力都是由加筋体与土之间产生的界面摩阻力提供的，加筋土体内部本身处于稳定状态，它们承受着其后面外部土体的推力。（3）面层（加筋土挡墙面板为预制构件，土钉面层是现场喷射混凝土）都较薄，

26、在支撑结构的整体稳定中不起主要作用。,2、主要不同之处（1）虽然竣工后两种结构外观相似，但其施工程序却截然不同。土钉施工是“自上而下”，而加筋土挡墙则是“自下而上”施工。（2）土钉是一种原位加筋技术，是用来改良天然土层的，不像加筋土挡墙那样，能够预定和控制加筋土填土的性质。（3）土钉技术通常包含使用灌浆技术，使筋体和其周围土层粘结起来，荷载通过浆体传递给土层。在加筋土挡墙中，摩擦力直接产生于筋条和土层间。（4）土钉既可水平布置，也可倾斜布置。而加筋土挡墙内的拉筋一般为水平设置。,四、土钉与土层锚杆的比较,（1）土层锚杆在安装后一般进行张拉，因此在运移时能理想地防止结构发生各种位移。土钉则不予张

27、拉，发生少量位移后才可发挥作用。（2）土钉长度的绝大部分与土层相接触，而土层锚杆多通过在锚杆末端固定的部分传递荷载，即两者在支挡土体中产生的应力分布不同。（3）土钉的安装密度很高，因此单筋破坏的后果不严重。此外，土钉的施工精度要求不高。锚杆的设置密度比土钉要小一些。（4）因锚杆承受荷载很大，在锚杆的顶部需安装合适的承载装置。土钉顶部承担的荷载小，不需要安装坚固的承载装置。（5）锚杆往往较长，因此需要大型设备来安装。锚杆体系常用于大型挡土结构，这些结构本身也需要大型施工设备。,五、加固机理,土钉由较小间距的加筋来加强土体，形成一个原位复合的重力式结构，用以提高整个原位土体的强度并限制其位移。土体在复合土体中的作用为：（1）土钉在其加固的复合土体中起着箍束骨架的作用。（2）土钉与土体共同承担外荷载和土体自重应力。（3）土钉起着应力传递和扩散作用。（4）与土钉相连的钢筋网喷射混凝土面板也是发挥土钉作用的重要组成部分。（5）在地层中常有裂隙发育，当向土钉孔中进行压力注浆时，会使浆液顺着裂隙扩渗，形成网状胶结。将增强土钉与周围土体的粘结和整体作用。,