加筋土

加筋土设计原理

发布时间:2012-11-20 14:55来源:江苏省常州常固土工合成材料有限公司  阅读:3836

加筋土工程设计原理

1 一般规定

1.1设计原则:

① 工程性质、使用要求、工程特点和发展需要

② 安全、适用、经济、美观的要求

③ 因地制宜、合理取材、有利施工、便于维护

④ 多方案比选

保证结构的稳定和安全,

保证各部分具有足够的强度、耐久性,

保证加筋体的整体稳定性。

1.2 设计内容:

①构造设计,

②结构计算,

③施工图绘制和明确施工技术要求,

④工程概算或预算。

加筋土工程与其它相比,有一个显著特点,由于加筋材料种类繁多、规格品种复杂、性能指标差异较大,填料的种类和物理力学指标不竞相同,各工程项目间可参考性较差。

加筋土工程能形成独立的使用功能,可作为单位工程编制相应的概算或预算,同时也便于工程施工组织和工程成本核算。

1.3 设计基本规定

内部稳定计算是加筋土工程设计的一个特点,公路、水运、铁路、水利等部门基本上相同。外部稳定计算可按各行业或部门规定进行计算(有关计算方法和安全系数取值等)。

内部稳定计算和外部稳定计算均采用单一安全系数法。(不采用分项安全系数法)

2 荷载计算和组合

2.1 荷载类型

(1)加筋土挡墙

1) 加筋体重力,

2) 加筋体上填土重力,

3) 水的浮力和加筋体后方的剩余水压力、水流力,

4) 加筋土体后方土的侧压力,

5) 车辆的等代荷载、固定设备、堆货等使用荷载(包括垂直力和侧压力),

6) 船舶荷载(系缆力、挤靠力、撞击力),

7) 地震荷载。

(2)加筋土桥台

除了有上述部分荷载作用外,加筋土桥台还有以下荷载作用。

1) 支座传递荷载(包括水平力和竖向压力),

2) 垫梁自重力,

3) 加筋土体自重力或加筋体上填土重力,

4) 水的浮托力,

5) 垫梁背面和加筋体背面的土侧压力。

(3)加筋土地基

1) 加筋体重力,

2) 加筋体上填土重力,

3) 地面建(构)筑物重力,

4) 地(路)面车辆等使用荷载 ,

5) 水的浮力 。

2.2 荷载计算

(1)永久荷载作用

1)加筋土体的自重力

2)加筋土体上填土重力

《公路加筋土工程设计规范》在加筋土挡墙的内部稳定分析时,对路堤式挡墙上的填土重力规定换算成等代均布土层厚度计算,见图4. 1。等代土层厚度h1 为:

h1=(H/2-bb)/m (4.1)

式中, h1——加筋体上填土换算成等代均布土层厚度(m),

当h1< H 时,取h1 =H;

m——路堤边坡率;

H——加筋体高度(m);

bb——坡脚至墙面板水平距离(戗台或马道宽度)(m);

H′——加筋体上路堤高度(m)。

3)加筋土整体式桥台垫梁处传递的自重力

4) 加筋体后填土引起的土压力

5) 水浮力和剩余水压力

(2) 可变荷载

1) 车辆荷载

2) 堆货荷载

3) 其它流动机械荷载

4) 船舶荷载

5) 波浪力和冰荷载

6) 施工荷载

(3) 偶然荷载

偶然荷载一般指地震荷载。

加筋土结构是柔性结构,具有很好的抗震性能。

地震基本烈度小于6度的地区,不计算地震力,

地震基本烈度为7度、8度、9度地区,只考虑水平地震力;

大于9度的地区,其地震力计算应进行专门研究。

2.3 荷载组合

公路加筋土结构的荷载组合有6;

护岸、码头、堤防类加筋体结构承载力极限状态设计考虑以下三种作用效应组合:

持久组合:对于于持久状况下的永久作用、主导可变作用和非主导可变作用的效应组合;持久组合采用设计高水位、设计低水位、极端高水位和极端低水位;

短暂组合:对应于短暂状况下永久作用与可变作用的效应组合;短暂组合采用设计高水、设计低水位或短暂状况下(如施工期)某一不利水位;

偶然组合:组合中包括了地震作用效应。


       3 构造设计

3.1 断面型式

断面型式根据地形和地质条件、结构稳定要求拟定。常用的有矩形,倒梯形,正梯形和锯齿形。

加筋体墙高6米以下者,一般选用矩形断面。

墙后边坡较陡,地基基础条件较好,宜选用倒梯形断面。

加筋体地基条件较差,后方边坡平缓,宜选用正梯形断面。

墙体较高,或墙基础本身较高,为满足整体稳定要求和地基承载力要求时,可选用锯齿形断面。

断面型式应考虑地形、地质条件,满足结构稳定要求(外部稳定和内部稳定),方便施工,尽量节约材料和造价,经稳定计算和多方案技术经济比较后确定。

3.2 基础

基础分为面板下的条形基础和加筋体下的基础。

条形基础的作用主要是便于安砌墙面板,起支托、定位的作用。其尺寸大小视地基、地形条件而定,宽度不宜小于30cm,厚度业不宜小于30cm。可采用C15素混凝土或浆砌条石。

基础的埋深在无浸水地区,一般可取60~100cm;浸水工程应根据水流的冲刷和淘刷作用大小而定,一般不少于150cm。

面板下的基础及加筋体下的基础都应满足地基承载力要求。若承载力不满足,应进行地基处理,处理方法与其它地基处理方法一样,如换填、挤密、抛石、桩基和加筋地基处理等。

条形基础沿纵向可根据地形、地质、墙高等条件设置沉降缝,其间距一般取10~30m,岩石地基可取大值。

加筋体基础在纵向同条形基础,在横向可做成阶梯形,但台阶最好2阶为宜,第1级的宽度不小于墙高的40%,且不小于4m 。

3.3 加筋材料

复合加筋带——钢~塑复合加筋带是以高强细钢丝为主受拉元件,外包裹抗老化塑料层,塑料层既使钢丝能协调共同工作,又保护钢丝免遭锈蚀。钢-塑复合加筋带具有较好的工程性能,对于建筑高大加筋土挡墙,具有比较明显的优势。

加筋材料应具有较高的强度,受力后变形小,表面粗糙、能与填料产生足够的摩擦力,抗腐蚀性好,加工、接长方便,与面板的连接简单、可靠。

加筋材料的铺设一般为平铺。

3.4 填料

填料的选择要求易压实、与拉筋材料有足够的摩擦力、满足化学和电化学标准。对浸水工程,要求水稳定性好。

因此,砾类土、砂类土、碎石土、黄土、中低液限粘性土及工业废渣(要满足化学和电化学标准)均可应用。

对目前大量应用的聚丙烯土工带、土工格栅、土工织物等土工合成材料,应尽量避免金属离子(铜、锰、铁等)进入加筋体,填料中不宜含有氯化钙、碳酸纳、硫化物等化学物质。

填料的压实能否达到设计要求是加筋土工程成败的关键。加筋土力学性能的改善和稳定性的提高与填料的压实紧密相关,因此,填料除了上述要求之外,还必须要有一个土工标准。

土工标准包括力学标准和施工标准,力学标准包括填料的组成成分、物理指标、力学指标,施工标准主要以压实度来控制。

3.5 面板

面板的作用是装饰整洁墙面、约束土体、传递下滑土体的推力,与加筋材料、填料共同形成加筋体。

面板的选择原则是与环境协调、造形优美、便于施工(预制脱模方便、便于安装、与筋带连接方便,规格品种少)、造价经济。

面板的型式常用的有槽形板、十字板、六角形板、L形板、矩形板等。

面板的厚度由拉筋拉力对面板的作用计算而确定,长和宽要与筋带的铺设、施工方法相一致。

面板上的筋带结点,可采用预埋钢拉环、钢板锚头或预留穿筋孔等形式。

墙顶、转角处、沉降缝处、与其它构筑物相结处可采用部分异形板或角隅板。异型板或角隅板既要考虑到结构上的需要,也要考虑到整个墙面的美观、整洁、顺畅、自然。

3.6 排水和反滤设施

加筋土挡墙和加筋土边坡都需做好排水设施。

位于河岸上的加筋土工程,在墙面板后做好反滤设施。

3.7 其它

加筋土挡墙的压顶或帽石。

墙顶栏杆可根据需要情况设置,现浇混凝土帽石时预留栏杆柱插口。

加筋体基底和后方边坡处理。

当挡墙高度较大时,在墙的中部宜设置错台。

当墙上有其它构筑物时,如涵洞等,构筑物的稳定应单独考虑。

墙(坡)顶种的绿化要求。


       4 加筋土工程设计计算

4.1 加筋土工程设计计算内容

加筋土挡墙和加筋土边坡设计计算内容一般包括:

(1)内部稳定计算

A. 加筋材料抗拉强度计算

B.加筋材料抗拔稳定计算;

(2)外部稳定计算

A、筋体倾覆稳定、滑移稳定、整体稳定验算,

B.基底应力和地基承载能力验算,

C.加筋体中变截面处的倾覆、滑移和整体稳定验算;

(3)构件强度和配筋计算

A.面板强度计算,

B.钢筋混凝土加筋带强度计算,

C.桥台垫梁、地基基础梁等构件强度计算等;

(4)其它计算

A.加筋土岸壁码头系船设施稳定计算,

B.水流对基础的冲刷与防护计算,

C.特殊处理地基需要的计算,

D.沉降变形计算等。

加筋地基计算内容一般包括:

稳定计算、承载能力(或承载比)计算和沉降变形计算。

设计计算时应考虑各种可能的荷载组合,即各种可能的工况。

4.2 加筋土挡墙内部稳定计算

(1)条带式直立加筋土挡墙

对高度小于12m的一般直立式加筋土挡墙,按局部平衡法计算。设结点的水平向间距为Sx,竖向间距为Sy,则加筋体中第i层1个结点加筋带的拉力为:

Ti = Ki Wi Sx Sy

Ki 可按规范计算(式(3.13))或经验法计算(式(3.12g))。

筋体中第i层1个结点所需加筋带的根数为:

nik= TI / Td (4.7)

式中, nik ——由强度计算所得的第 层1个结点加筋带的根数;

Td ——加筋带的设计拉力,取单根加筋带在延伸率为1.5%~2%的抗拉力,且不大于加筋带的极限抗拉强度的1/4~1/5,(kN)。

第i层加筋带的锚固长度按下式计算:

L2i=Kf Ti /(2ni b Wi f) (4.8)

式中, ni ——1个结点加筋带根数的设计实际采用值, ni 3 ni k ,

且不小于2,一般取偶数;

b ——单根加筋带的宽度(m);

其余符号意义同前。

加筋带的下料长度为:

Lxi = 2( L1i + L2i )+(0.3~0.5)m (4.9)

加筋带与面板在结点处采用钢筋拉环连接,拉环设计同吊环设计,拉力为Ti 。

(2)包裹式加筋土挡墙

加筋材料采用土工格栅或高强土工布,在纵向方向一般连续铺设,加筋材料拉力和抗拔稳定计算同前,包裹回折长度L0按下式计算:

L0= Kf Ti /(4 g zi tg j sg ) (4.8)

式中,L0——回折长度(m);

Kf——抗拔安全系数;

Ti——土工格栅拉力(kN/m), Ti = Ki Wi Si ;

Ki ——侧压力系数;

Wi——计算截面上的垂直压应力(kN/m2);

Si——第i层土工格栅的层间距(m);

j sg——土工格栅与填土的摩擦角(° ),由试验测得;

其余符号意义同前。

土工格栅的下料长度为:

Lxi = L0 + L1+ L2 + S (4.11)

由于加筋材料在纵向连续铺设,为了达到经济的目的,可调整加筋材料的层间距Si

Si= Td / (Kfi Wi ) (4.12)

式中,Td ——加筋材料的设计抗拉强度,取极限抗拉强度的1/4~1/5。

(3)L形面板阶梯型挡墙

如图4.8 所示L形面板的阶梯型墙,稳定坡面(或破裂面)的倾角为。破裂面以外为滑动体,每层滑动体的平均宽度为aS+0.5r S,每层滑动体的重量为:

Wa = ( a + 0.5 r ) g S2 (4.13)

防止面板滑动所需要的加筋材料拉力为:

Td = Wa tg( b - j ) (4.14)

加筋材料与面由拉环锚固时,按式(4.7)和式(4.8)确定筋带数量。加筋材料在L板处采用回折包裹时,加筋材料与面板的摩擦力Fb为:

Fb = 2a g S2 tg j b (4.15)

回折加筋材料的摩擦力F为:

F0 = 2 g S L0 tg j sg (4.16)

[ Kf ] Ti = Fb + F0 (4.17)

上述各式中,Wa——每层滑动体的重量(kN/m);

S ——加筋材料层间距(m);

a ——L面板底宽系数, a=B/S;

r ——梯形墙坡度比;

b ——破裂面倾角(° );

j b——加筋材料与面板的摩擦角(° );

(4)其它

对整体式桥台或墙高大于12 m的挡墙,在公路荷载组合Ⅰ(基本可变荷载的一种或几种与永久荷载的一种或几种组合)时,应采用总体平衡法验算,即按式(3.63)、式(3.64)和式(3.65)计算,也可直接采用经验法计算。

对外墙面陡于稳定面的阶梯型挡墙,也可用总体平衡法计算加筋体的内部稳定。


       4.3 加筋土挡墙外部稳定验算

首先确定加筋体结构断面的“墙背”。根据加筋体的填料和“墙背”后的填料及施工要求,参照附录确定“墙背”的外摩擦角,按规定确定各种工况,分别计算作用在“墙背”上的荷载(主要为土压力)。

加筋体沿基底及各界面处的滑移稳定按式(3.20)和(3.21)进行验算。

加筋体的倾覆稳定(沿加筋体前趾处)按式(3.22)和(3.23)进行验算。

加筋体基底应力按式(3.24)和(3.25)进行验算。根据规范规定,加筋体后踵处的基底应力s min3 0,当要满足s min=0时,相应的加筋体宽度,即底层加筋长度为最小

Lmin = H ( Ka )1/2 (4.18)

地基容许承载力验算

墙体前趾处不超过地基容许承载能力[R]值,其加筋长度为:

L≥{Ka g 1 H/(〔R〕- g 1 H )}1/2 (4.19)

式中,Ka——墙后填土的主动土压力系数;

H ——计算墙背的填土高度(含等代土层高度)(m);

g 1——墙后填土重度(kN/m3); [R] ——地基容许承载力(kN/m2)。

由于加筋体属柔性结构,按上述方法计算的墙前趾处的最大基底应力可进行适当折减。

加筋体与地基及后方部分填土的整体稳定按式(3.29)或式(3.30a)、(3.30b)进行验算。计算时一般不考虑圆弧穿过加筋层的情况。对于锯齿型断面,滑弧面穿过加筋体的下部加筋层时,应考虑用复合滑动面进行稳定验算,此时

Ks=(RAD+RDE+RT) / FAD (4.20)

式中,RAD、RDE ——分别为圆弧段AD、直线段DE的阻滑力

FAD——圆弧段AD的下滑力;

RT ——BD段拉筋产生的阻滑力;

Tfi——BD段第层加筋对应该滑面的抗拔力;

Td—— BD段第层加筋的容许拉力;

nk—— BD段加筋带总层数。

4.4 加筋边坡与加筋堤设计计算

(1)加筋边坡

加筋边坡与一般边坡相比,坡度都比较陡,根据边坡高度和填土情况及工作条件,坡比一般为1 : 0.5~ 1 : 1.5。

加筋边坡的设计计算主要为整体稳定计算,即按式(3.66)或式(3.67)计算。计算前,先参考类似工程初步选择加筋材料,拟定一个布筋方案,进行试算。然后再根据试算结果调整加筋材料,优化布筋方案,再进行详细计算。或者选择多种加筋材料和拟定相应的多种布筋方案计算,并进行技术经济比较,从中选择最佳方案绘制施工设计详图。

(2)堤底加筋垫层

根据情况,按式(3.71)或式(3.72)进行计算。

4.4.5 其它设计计算

(1)构件强度计算

面板承受填土压力,填土压力通过结点加筋材料向后传递。

(2)基础冲刷与防护计算

(3)局部冲刷

4.5 加筋地基设计计算

条形加筋地基的承载能力可由下式计算:

P = a c Nc b + T ( 2 sinq + b Ngb / r ) + g Df Ng b (4.25)

式中,P ——加筋地基承载力(kN/m);

a ,b ——地基形状系数,一般a =1,b =0.5;

C ——地基土的凝聚力(kPa);

Nc,Ng ——与内摩擦角有关的承载力系数,按建筑地基规范,可取Nc=5,Ng =1.39;

b ——基础宽度(m);

T ——加筋材料抗拉强度(kN/m);

q ——基础边缘与加筋材料的倾角,一般取10° ~20° ;

r ——假想“网兜”的半径(m),取软土层厚的一半,或取3 m,但不超过5 m ;

g ——地基土重度(kN/m3);

Df ——填土下沉及侧向隆起高度(m)。

5 加筋土工程设计注意问题

5.1 材料指标的选用

(1)加筋材料

加筋材料的设计取值,有两个重要指标,即强度和变形,各种手册和规范给出了一个较大的选择范围。在实际工程中,对合成类材料,应以2%变形时的强度值为控制值,最大不超过破断荷载的1/4,同时还应注意材料的防老化性能;对钢-塑复合带,变形比较小,材料的设计取值不应超过其破断荷载的1/3。对材料检测中离散性较大的材料,强度设计取值还应适当降低。

(2)加筋体填料

加筋体填料的重度、内摩擦角、似摩擦系数等指标都应以实测值为准。

(3)后方填料及地基承载能力

墙后填料在工程设计中应予充分重视,其设计取值既关系到工程的安全,同时又与工程造价紧密相关。设计中对后方回填料应明确施工标准,对填筑方式和排水设施都应充分注意。

地基承载力指的是加筋体下的地基,其承载能力应以多种方式确定,以现场实测为主。

5.2 地基处理

当加筋体下的原状地基承载力不能满足工程要求时,地基就要进行处理。加筋土结构的地基处理常用方法有:

(1)换填——将软弱层挖掉,换上片石、砂卵石等,分层碾压填筑或夯填;对水下基础用夯实的抛石基床比较适当。

(2)加大基础梁的高度和宽度;

(3)加筋地基;

(4)强夯处理;

(5)桩基——单排桩连续地基梁或低桩承台,根据稳定要求定和现场施工情况定,可采用挖孔桩、钻孔桩、楔形桩、碎石桩和灰土桩等;

(6)灌浆、高压注浆及深层搅拌等。

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