加筋土的作用机理及其在公路工程中的应用
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将土工合成材料应用于加筋土工程,该项技术在我国应用是从20世纪80年代初开始,如:京津塘高速公路等。20世纪90年代中期开始,国产的土工合成材料种类迅速增多,产品也逐渐系列化,同时加上国家加大基础设施的投资,加筋土工程得到了较大的发展,目前已广泛应用于水利工程、港航工程、公路工程等各个领域。
1加筋土的概念
土工合成材料的主要功能之一——加筋功能是指将土工合成材料铺设于土中形成加筋土,形成复合体结构,从而使整个结构系统的力学性能得到较大改善。土体本身具有一定的抗压和抗剪强度,而其抗拉强度却很低,将适当的筋材掺入或铺设于土中后,可以扩散土体所受的力,传递拉应力,限制土体的侧向移动,从而可以提高土与周围建筑物的结构稳定性。
2加筋土的机理
将筋材沿主应变方向铺设来提高土体的抗拉强度,其原理与在混凝土中加入钢筋的类似,土与筋材形成复合体,共同承担外力,筋材与土体的相互作用是其抗拉强度增加的主要原因。根据工程实践可知,加入筋材以后的松砂可保持一定的高度和直立状态而不倒塌,这说明加筋土的力学性能与稳定性与加筋前相比,都得到了较大的改善。
到目前为止,对筋材与土体之间相互作用原理的解释大致可总结为两类:一是摩擦加筋原理;二是准粘聚力原理或似粘聚力原理。
试验发现:加筋土的抗剪强度包络线是呈双直线的,转折点对应压力即为临界周围压力。临界周围压力的大小和加筋土界面的摩擦抗剪强度以及筋材的抗拉强度有关:筋材与土体之间界面的摩擦抗剪强度越大,临界周围压力越小。(1)当周围压力小于临界周围压力时,加筋土的破坏形式是筋土相对滑动破坏,这主要是由于筋材的摩擦角增加提高了加筋土的抗剪强度;(2)当周围压力大于临界周围压力时,加筋土的破坏形式为筋材拉断破坏,这主要是由于粘聚力的增加使得加筋土抗剪强度得到了提高。
3.1 路堤加筋
当在路堤中加入筋材,路堤的整体稳定性可以得到提高,并且其不均匀沉降有所减小并得到控制,因此加筋土在路堤中得到了较为广泛的应用。其工作原理是利用筋材具有抗拉能力,通过土与加筋材料之间的摩擦力,限制土体的侧向移动从而提高路堤的稳定性,路堤的整体性得到提高,均匀分散荷载,减小不均匀沉降。在工程中,主要采用土工格栅、土工织物、土工网等土工合成材料作为路堤加筋的筋材,这些土工合成材料应该具有足够的抗拉强度,具有较高的刺破强度、顶破强度等特性。只有填方压实度良好时,筋材与土体之间才具有足够的摩擦力,才能最大发挥其加筋效果。因此在施工中,应加强路堤的压实,使得填方路堤得到充分压实,以保证加筋土的加筋效果。
3.2 软土地基处理
软土具有天然含水量大、可压缩性高、承载能力低的特点,因此在软土地基上修建公路,必须对其进行加固处理。采用土工合成材料对垫层和路堤下部加筋处理,不但可以提高路堤的稳定性,还可以改变其力学性能,因此进行软基处理时会经常采用加筋土技术。将土工合成材料设置在路堤底部,除了具有上述的加筋效果外,还兼有过滤、排水、隔离等多种功能。筋材应在路基全宽范围内满铺,并且将其铺设于排水垫层之上,同时尽可能设置于路堤底部。
3.3 路面加筋
将加筋技术应用于路面工程中,主要由于其可以减少或延缓反射裂缝的数量,减少沥青路面的车辙等优点,且在半刚性基层沥青路面中基层的疲劳寿命还可得到适当的提高。沥青路面加筋是利用筋材的抗拉强度和抗拉模量较大来阻止裂缝向路面延伸。目前主要选择土工织物和玻纤网等土工合成材料应用于沥青路面加筋的,这些选用的筋材必须具备强度高,延伸率小,同时要求材料耐高温,否则材料的性能会在高温摊铺沥青混凝土时发生明显变化。
3.4 加筋土挡土墙
在公路工程中,路基挡土墙、加筋土桥台以及护坡工程等是加筋土挡土墙的主要应用形式。墙面板、填料、筋材这三部分组合而成形成加筋土挡土墙。在加筋土挡土墙结构中,其作用机理是由于填料自重和外力能共同产生侧压力,墙面板由于受侧压力的作用,通过面板上连接件将此侧压力传递给筋材,该力有将筋材从填料中拉出的趋势,而筋材又被填料与筋材之间的摩擦力阻止。由此可见填料和筋材由于摩擦力的存在从而被联结起来,加上墙面板,即形成一重力式挡土墙。
加筋土挡土墙结构的特点:(1)施工中可以预先制作面板和筋材,从而使加筋挡土墙的施工变得简便、快速,可以节省劳力和缩短工期;(2)加筋土挡土墙是一种很好的抗震结构物,主要是由于其结构物柔性,能够适应地基轻微的变形;(3)加筋土挡土墙同时具有节约用地,造型美观的特点;(4)加筋挡土墙的造价比较低;(5)加筋土挡土墙的安全性能较好。
4结语
加筋土的效果不仅和筋土界面的摩擦特性有关,同时还与加筋材料的层数或间距、布置、强度和刚度等多种因素有关。一般认为加筋的间距越小,筋土界面的摩擦强度越高,加筋效果越显著。在一定的范围内,抗剪强度随着加筋层数的增加而近似线性增加,但超过某一加筋层数后,抗剪强度不再有明显的增加。
用于加筋土工程中的土工合成材料非常广泛,新型材料在不断的推出,加筋土的应用领域在不断扩展,其应用是一项不断发展完善的新技术。但是加筋土的实践应用和理论计算方法并不是同步发展的。有些加筋土应用技术有着较丰富的经验,且建立了一套相对成熟的设计计算方法;但还是有很多经实践应用反映出有较好的加筋技术,但其基本理论研究还不够成熟,目前完整的设计计算方法还没有建立起来。所有在今后的设计、研究及施工应用中,需要通过不断的实践经验总结和理论研究,来进一步提高和完善。
参考文献
[1] 土工合成材料工程应用手册编写委员会.土工合成材料工程应用手册(第2版)[M].北京:中国建筑出版社,2000.
[2] 王钊.国外土工合成材料的应用研究[M].现代知识出版社.
[3] 傅华,凌华,蔡正银.加筋土强度影响因素的试验研究岩[J].土力学,2008.