張維明
(重慶交通大學(xué))
(1)加筋土結(jié)構(gòu)包括邊坡、墻、路堤和壩以及廢物管理設(shè)備等。加筋土結(jié)構(gòu)物一般不承受大的外荷,其主要設(shè)計(jì)考慮結(jié)構(gòu)物在其自重下的穩(wěn)定性。
某些不均質(zhì)地基上的土結(jié)構(gòu),如通過喀斯特上的路堤,構(gòu)成加筋土結(jié)構(gòu),其加筋或在結(jié)構(gòu)之內(nèi),或在結(jié)構(gòu)與不均勻軟基之間。
(2)承載加筋結(jié)構(gòu),包括橋臺(tái)、柔性路面加筋、無(wú)鋪砌道路和鐵路基床加筋墊層、軟土地基上筑堤在界面上鋪設(shè)筋材的加筋結(jié)構(gòu)物。這類結(jié)構(gòu)在其自重下通常是穩(wěn)定的,設(shè)計(jì)中主要考慮在容許變形之下能夠承受附加荷載的能力。
(3)原位加筋系統(tǒng)是用長(zhǎng)金屬桿扦入原位不擾動(dòng)土體的加筋法如錨桿,土釘?shù)?。錨桿設(shè)置于土中由錨頭、自由段和錨固段組成由砂漿與地層粘結(jié)成錨固體,撐拉支擋結(jié)構(gòu),維護(hù)邊坡的穩(wěn)定。土釘系將一系列鋼筋材或鋼鉸索近似水平地置于擬加固的土質(zhì)邊坡中注漿形成加固體或似重力式擋土結(jié)構(gòu)保持邊坡的穩(wěn)定。此外還有在土中設(shè)置錨定板的輕型支擋結(jié)構(gòu)。
加筋法的優(yōu)點(diǎn)概括如下:
①加筋法可以筑造很高的垂直填土,當(dāng)然根據(jù)工程的需要也可以是傾斜坡面的;可用于地基,邊坡的加固和強(qiáng)化等;
②可以減少占地面積,特別是在不允許開挖的地區(qū)施工;
③加筋的土體及其結(jié)構(gòu)屬柔性的,對(duì)各種地基都有較好的適應(yīng)性,因而對(duì)地基的要求比其他結(jié)構(gòu)的建筑物為低。對(duì)遇到較弱地基時(shí),常不需采用深基礎(chǔ)。如美國(guó)科羅拉多州一加筋土墻沉降達(dá)60cm 而僅在墻面上發(fā)生細(xì)小的裂紋;
④加筋法的支擋和橋、臺(tái)等結(jié)構(gòu),墻面的變化多樣。可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)面板進(jìn)行美化,使之適用于城市道路工程,亦可采用表面植生,達(dá)到綠化的目的。
墻面板可就地預(yù)制,也可由工廠制造;
⑤加筋土結(jié)構(gòu)既適于機(jī)械化施工,也適于人力施工;施工設(shè)備簡(jiǎn)單,無(wú)需大型機(jī)械,更可以在狹窄場(chǎng)地條件下施工;施工管理簡(jiǎn)便,沒有建筑公害,諸如噪聲污染,施工垃圾的堆積等;
⑥加筋土的抗震性能、耐寒性能良好;
⑦造價(jià)較低。例如,根據(jù)國(guó)內(nèi)部分工程的資料統(tǒng)計(jì),加筋土擋墻的費(fèi)用約為普通擋墻造價(jià)的40%~60%,并且墻愈高節(jié)省投資愈多。
加筋法也有一定的缺點(diǎn)。例如,采用金屬筋材時(shí),由于金屬易銹蝕需要考慮防護(hù)措施;如采用聚合材料筋材,聚合物受紫外線照射會(huì)發(fā)生衰化以及材料的長(zhǎng)期蠕變性能在設(shè)計(jì)中都需予以考慮。
由加筋土基本材料構(gòu)成的各種加筋土結(jié)構(gòu)最終須確保它能安全、正常地運(yùn)用。在評(píng)價(jià)和選材時(shí)應(yīng)注意筋材與周圍土的相互作用特性,主要是二者的界面摩擦和抗拔特性;在荷載長(zhǎng)期作用下的變形特性以及具體環(huán)境條件下的抗老化性和耐久性。此外還須考慮施工的要求及損傷的可能和影響。一般應(yīng)在考慮具體的條件下進(jìn)行有關(guān)的規(guī)定試驗(yàn),提供設(shè)計(jì)用的參數(shù)要仔細(xì)考慮到有關(guān)的影響,必要時(shí)還要進(jìn)行專門的試驗(yàn)。評(píng)價(jià)和選用材料還要考慮設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的使用期限。
筋-土的摩擦和抗拔特性分別由具體使用材料的直剪和抗拔試驗(yàn)確定??拱文芰υu(píng)估,設(shè)計(jì)需要的長(zhǎng)期抗拔性態(tài)的三個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)。
(1)抗拔能力要求每一筋材的抗拔力必須滿足在設(shè)計(jì)荷載下的拉力并具有安全儲(chǔ)備;
(2)容許位移、發(fā)揮設(shè)計(jì)拉力時(shí),筋相對(duì)于土的位移應(yīng)小于容許的位移;
(3)長(zhǎng)期位移、拔出力應(yīng)小于臨界蠕變荷載。長(zhǎng)期拉拔狀態(tài)(在常量設(shè)計(jì)荷載下的位移)主要控制于土和筋材的蠕變特性,故土筋系統(tǒng)通常不能用于對(duì)蠕變敏感的粘土。
抗拔力定義為筋從土中拔出的最大拉力,有多種估算方法,下面為美國(guó)FHWA 手冊(cè)推薦的估算式
式中:Pr為單位寬度筋材的抗拔力;α 為尺寸修正;σ'v為筋土交面上有效垂直應(yīng)力;Le·C 為破壞面后單位筋材寬度的總表面積,其中Le為破壞后的埋長(zhǎng),C 為有效周長(zhǎng),對(duì)于條帶、格柵和面狀筋材C=2;F*為抗拔阻力因數(shù)(或摩擦——承載——相互作用因數(shù))。
試驗(yàn)證明筋材與土之間的摩擦系數(shù)與位移大小和土的類型有關(guān),摩擦力隨位移增大而增大,當(dāng)剪切位移較大時(shí)(>4~6 mm),筋材與砂土的摩擦角大于砂土的內(nèi)摩擦角;而筋材與粘土的內(nèi)摩擦角一般總比粘土加內(nèi)摩擦角小。對(duì)于重大工程筋土的內(nèi)摩擦角應(yīng)通過大型剪切試驗(yàn)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定。對(duì)于試驗(yàn)條件不具備且缺乏當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí),我國(guó)《公路加筋工程設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的數(shù)據(jù)如表1。
表1 土與筋材的表觀摩擦系數(shù)
加筋土筋材容許抗拉強(qiáng)度,按金屬筋材及土工合成材料筋材分別考慮。
金屬筋材單位寬度的容許抗拉強(qiáng)度Ta 可按式(2)計(jì)算式中:σa為筋材金屬的容許抗拉強(qiáng)度,一般采用等于0.55σy(σy為屈服強(qiáng)度)。若為焊接鋼絲網(wǎng)則σa=0.47σy;Ac為金屬筋材的有效斷面積;b 為金屬筋材的寬度。
由于目前的試驗(yàn)方法并不能如實(shí)地模擬材料的實(shí)際工作條件及環(huán)境,諸如試樣尺寸,試驗(yàn)邊界條件,受荷形式及速率等,為了考慮導(dǎo)致的差異,采用以試驗(yàn)所得的極限抗拉強(qiáng)度再分別針對(duì)各種影響計(jì)算折減的分項(xiàng)安全系數(shù),按下述方法確定容許抗拉強(qiáng)度Ta。
式中:FID為考慮施工損傷的安全系數(shù);FCR為考慮材料蠕變的安全系數(shù);FCD為考慮化學(xué)損傷的安全系數(shù);FBD為考慮生物損傷的安全系數(shù);Tu為筋材抗拉強(qiáng)度極限值。
分項(xiàng)安全系數(shù)隨筋材材質(zhì)及不同工程對(duì)象而不同,分項(xiàng)安全系數(shù)的取值,必須考慮具體的條件。
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