加筋边坡和加筋土挡墙的设计与施工.doc

第8章加筋边坡和加筋土挡墙的设计与施工 §8.1 概述 §8.1.1加筋土结构的特点 加筋土是一种在土中加入加筋材料而形成的复合土。在土中加入加筋材料可以提高土的强度，增强土体的稳定性。因此，凡在土中加入加筋材料而使整个土工系统的力学性能得到改善和提高的土工加固方法均称为土工加筋技术，形成的结构亦称之为加筋土结构。 加筋土技术从广义上讲是一门土工增强技术，或称土工补强技术。土工增强技术常见有加筋土、纤维土、复合土、改性土等。 加筋土技术应用于工程结构中形成加筋土结构，目前在工程中应用较多的是加筋土挡墙、加筋土边坡和加筋土地基，以及加筋路面。加筋土边坡一般由加筋材料和土体填料组成，坡面比较陡，根据工作条件和需要，坡面可设面板，也可不设面板，见图8.1。加筋土挡墙一般由基础、面板、加筋材料、土体填料、帽石等主要部分组成，见图8.2。加筋土陡坡和加筋土挡墙，与传统支挡结构相比，具有以下特点： (1)结构新颖、造型美观 加筋土结构新颖，巧妙地利用了面板、填料和加筋带。面板可根据环境和需要构思出各种图案，与景观、环境、相邻建构筑物等配套协调，富于艺术感染力。 (2)技术简单、施工方便 加筋土结构虽然机理复杂，但结构简单，技术容易掌握，需要的施工机械较少，不需专门的施工机具；再加之加筋体逐层回填压实形成，是柔性结构，墙体形成的加载而引起的地基变形对加筋土结构本身的影响很小，因而需要的地基处理也比较简单，施工十分方便。(3)要求较低、节省材料 加筋土各组成部分对材料的要求不高，大宗材料为加筋土填料(一般填土)，其来源广泛，易于获得；对地基承载能力的要求相对来说较低，比较容易满足；基础小、面板薄，所用材料少。在边坡工程中与其他支挡结构相比，能较显著地节省材料用量。 (4)施工速度快、工期短 加筋土结构由于技术简单、施工容易方便，而且材料用量少，现场土石方量减少，圬工量大大减少。面板可现场先预制，也可进行工厂化生产，再运至现场安装。施工作业简单，可组织流水作业，也可进行大面积施工。另一方面，加筋土工程施工组织简单，施工工序少，现场比较好管理和指挥。因此，加筋土工程施工速度很快，工期都比较短。 (5)造价低廉、效益明显 加筋土结构的造价与同等条件下的其他支挡结构相比，节约造价幅度一般为1050。加筋土挡墙的墙面板可以垂直砌筑，加筋土边坡的坡度一般也比较大，因此，工程占地较少。另外，施工时对环境的影响小，施工快、工期短，其综合效益十分显著。 (6)适应性强、应用广泛 加筋土技术的应用经过几十年的发展，已从公路路堤、路肩发展到应用于其他各种支挡结构和边坡防护。目前已用于处理公路边坡、市政建设、护岸工程、铁道工程路基边坡、工民建配套的支挡及边坡工程、防洪堤、林区工程、工业尾矿坝、渣场、料场、货场等；甚至还用于危险品(如石油、氨等)或危险建筑(核电站)的围堤设施等。 §8.1.2加筋土工作基本原理 在工程实践中，我们知道松散的砂土可堆成具有天然休止角的斜坡，粘性土体可开挖出一定高度的垂直坡面。如果在砂土中分层埋设水平向的加筋材料，则这种由砂土和加筋材料形成的筋土复合体就可保持一定的高度和直立状态而不塌成斜坡，与粘性土体相类似。这表明砂土加筋后所形成的复合体的力学性能和稳定性比以前有所改善和提高。如果利用加筋后的复合体来建筑某种建筑物，如挡土墙、边坡等，则加筋技术就具有一定的工程实际意义，并有可能获得一定的经济效果。加筋土技术的提出、应用正是从这一思路出发而发展起来的。 为了弄清砂土加筋后复合体强度和稳定性提高的原因，维达尔等人分别进行了三轴试验和现场试验测试，提出了各种假说来解释和阐述筋土之间的相互作用机理。根据迄今为止的研究结果，筋土间相互作用的基本原理大致可归纳为两大类：一是摩擦加筋原理，二是准粘聚力原理，或似粘聚力原理。 (1)摩擦加筋原理根据加筋土复合体中筋土之间的基本构造，我们在加筋体中取出一微段来分析。如图8.3所示，微元体长为dl，拉筋左截面受力为T1，右截面受力为T2，压住拉筋的法向应力为，略去筋带重量和微元体土体重量。设拉筋与土粒之间的摩擦系数为f，设b为筋带宽度。由于土的水平推力在该微元段拉筋中所引起的拉力为dT，dT= T1- T2。设dF为土粒与拉筋在该微元段上产生的总摩擦力，则有：dF=2fbdl (8.1)根据该微元体的受力分析，可知如果dF>dT (8.2)则筋土之间就不会产生相互错动，换句话说，土的水平推力被筋土间的摩擦力所克服，微元体保持稳定。反之则不能保持稳定。 从式(8.1)和式(8.2)可知，拉筋材料要满足两点：一是表面要粗糙，能使筋土之间产生足够的摩擦力；二是要有足够的强度和模量，前者保证在筋土之间产生错动前拉筋不被拉断，后者保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。在加筋土挡墙中，墙体由于受土体的推力产生破坏时(暂将加筋土体看成无筋土体)，依据郎肯理论，沿主动破裂面BC将墙体分为主动区和稳定区，见图8.4。下滑土棱体ABC自重产生的水平推力对每一层拉筋形成拉力，欲将拉筋从土中拔出，而稳定区土体与筋带的摩擦阻力阻止拉筋被拔出。如果每一层拉筋与土体的摩擦阻力均能抵抗相应的土推力，则整个墙体就不会出现BC滑动面，加筋土体的内部稳定性就有保证。设每层筋带所受的土体的水平推力为T，那么 (8.3)为判定加筋体稳定与否的必要条件。式中L2为拉筋在稳定区的长度。这一点为我们在工程中的实际计算提供了思路。 按上述的摩擦加筋原理分析，拉筋的工作类似于通过筋带将结构锚固在稳定土体中，所以，稳定区又称为锚固区，拉筋在稳定区的长度称为锚固段长度或有效长度。 摩擦加筋原理由于概念明确、简单，在加筋土挡墙的足尺试验中得到较好的验证。因此，在加筋土的实际工程中，特别是加筋土边坡和挡墙工程中得到较广泛的应用。 但是，摩擦加筋原理忽略了筋带在力作用下的变形，也未考虑土是非连续介质、具有各向异性的特点。所以，对高模量的加筋材料，如金属加筋材料比较适用，对加筋材料本身模量较小、相对变形较大的合成材料(如塑料带等)，则是比较近似的。 (2)准粘聚力原理 加筋土结构可看作是各向异性的复合材料，一般情况下拉筋的弹性模量远远大于填土的弹性模量，拉筋与填土共同工作，外测强度包括了填土的抗剪力、填土与拉筋的摩阻力和拉筋的抗拉力的共同作用，使得加筋土的强度明显提高。在加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样三轴对比试验中得到验证。 砂土试样在单轴压力下受到压密，土样侧向在侧压力作用下发生侧向应变。如在土中布置了拉筋，由于拉筋对土体的摩擦阻力，当土体受到垂直应力作用时，在拉筋中将产生一个轴向力，起着限制土体侧向变形的作用，相当于在土中增加了一个对侧压力的反力，使土的强度提高了。根据维达尔等人的试验，加筋土的强度与土的抗剪强度、土和拉筋间的摩擦系数、拉筋的抗拉强度、拉筋数量等有关。加筋土在受力变形过程中可能出现拉筋抗拉极限状态、拉筋与填土间摩擦粘着极限状态以及填土抗剪极限状态。加筋土的强度分析主要针对前两种。第三种只有当拉筋的弹模与填土相近时才会出现。 加筋砂样比无筋砂样强度提高，可根据库仑理论和摩尔破坏准则来加以阐明。 根据库仑理论，土的极限强度为 (8.4)式中：f土的极限抗剪强度； 土体上受到的正应力； c土的凝聚力； 土的内摩擦角。 当c=0时为砂土，c0时为粘性土。 设1f为土样破坏时的最大主应力，3为土样侧面的最小主应力。根据土样破坏时土样的摩尔圆与土样的库仑强度线相切的条件，可得 (8.5) 在三轴对比试验中，如果未加筋砂土样在1、3作用下达到极限平衡(见图8.5，为未破坏时的应力状态，为未加筋砂极限破坏状态)。保持3不变，则加筋砂在相同应力状态下未破坏，而是1增至1f时才达到极限破坏状态，如图8.5所示。砂样在加筋前后的值不变，加筋后土的强度提高了，它应有一条新的强度线来反映这些关系。 将未加筋砂和加筋砂试验的极限平衡条件两相比较，加筋砂多了一项由c引起的强度增加，或者说承载力增加。从三轴对比试验的结果来看(图8.6)，加筋砂与未加筋砂的强度线几乎完全平行，说明加筋前后砂样的值基本不变，但加筋砂的强度曲线不通过-坐标原点，而与纵坐标相截，其截距c相当于式(8.5)中的c，或者说，式(8.5)或式(8.4)对加筋砂土是成立的。因此，有人认为，加筋砂土力学性能的改善是由于新的复合土体具有某种“粘聚力”缘故。这个“粘聚力”砂土本身是没有的，而是砂土加筋后的结果。在试验中对加筋砂样施加的侧向力为3，而实际上砂样受到的侧压力是3+3，而3正是由于砂与拉筋间的摩阻而产生的，但在最后结果的表述中却被“c”所代替。事实上它不是粘聚力，而应是加筋土的强度增量。为表述方便，我们将这个“粘聚力”称为“准粘聚力”，或“似粘聚力”。它反映了加筋土这个复合体本身的材料特性。 将c看作加筋土的强度增量，用该原理不但可分析加筋砂的工作机理，同样可用来分析粘土类加筋土。 (3)其他理论假定 (a)均质等代材料原理 加筋土是由填料土与加筋材料层层交替铺设而成的复合体，每一加筋材料和每一层填土形成一个单元层，每层相互平行且间距相等，因此，可将加筋体看成为交替正交层系。加筋体由很多的单元层组成，加筋体的厚度(即正交层系)与单元层相比要厚得多。假定各单元层的分层界面上无相对位移，每一层中三个均质材料的平面垂直于一个直角坐标轴，而且层面必须平行于一个弹性对称面。那么，这种交替正交层系可以用等代均质材料的理论来分析，以研究加筋土在工作荷载作用下性状。 为计算加筋体中的应力分布，需要确定“等代于”土与加筋层系统的均质正交材料的性质、有关荷载条件和所给结构的几何条件。如果要确定等代材料中一点的应力，则可用正交层理论求得土与加筋中同一点的应力。将未加筋土体中的临界应力区与加筋数量不同、加筋方向不同、加筋材料布置不同的加筋体中的临界应力区进行比较，就可获得加筋土的最佳设计。 均质等代材料分析要求加筋体是弹性体，土与加筋材料问不产生相对滑动。实际上，只要土中应力状态低于土的破坏包络线，加筋材料中的主应力小于加筋材料的破坏应力，且土与加筋材料的界面剪应力低于界面土的最大抗剪强度，都可以用均质等代分析法进行计算。也就是说，要应用均质等代分析法，加筋体应在工作荷载条件下而不能在极限荷载条件下。 均质等代材料分析计算可采用有限元法、有限差分法、边界积分法或积分变换来求解。未加筋土体和加筋体的应力区比较判断从工程实用的角度上讲，还有一个判定标准问题要解决。均质等代材料分析的关键是确定等代的正交材料的有关参数。 (b)弹塑性层板理论 加筋体是填土与加筋材料层层铺设而成，把每一层加筋材料和填土看成为一个“层板单元”，整个加筋体就是由粘结在一起的层板单元的有限层组成。假定每一层单元具有唯一的确定的材料性质，则可用增量分析法计算层板单元在弹塑性状态下的位移和应力，从而对加筋体的应力变形特性进行分析。 弹性层板理论计算一般采用有限元法进行计算，关键是要选择并确定层板单元的弹一塑性模型和相应的屈服准则。 (c)有限元分析 将加筋体看成一般的实体结构，利用有限元计算的方便特点，将土体、加筋材料、加筋材料与填土界面进行离散，形成各自的单元。各种单元的性质用相应的材料的本构关系去描述，材料特性描述可以是弹性模型，也可采用弹塑性模型。一般，土体单元采用常应变三角形单元，加筋材料采用一微单元，接触面单元采用古德曼单元。 §8.1.3加筋土技术应用概述 (1)工程应用概况 加筋土技术国外在20世纪60年代就开始应用，目前已应用得相当普遍。我国于l979年在云南的田坝矿区的小型工程中第一次试用，80年代逐渐在公路、水运、铁路和水利工程中试用，使用地域主要集中在陕西、山西、重庆、四川、湖北、广东、云南和浙江。90年代应用规模和范围加大，先后在公路、水运、铁路、水利、市政、煤矿、林业等部门或行业应用这项技术，特别是近几年在公路建设和水利、水运建设中应用得较多，取得了巨大的经济效益和显著的社会效益。加筋土工程的设计计算理论和施工技术也日臻成熟，加筋材料品种多样化和产品标准化和规范化，使加筋土技术的应用领域和使用地域也不断扩大，从东到西、从南到北遍布全国，包括台湾、香港、澳门等。 在护岸及边坡处理工程应用中，比较有代表的和重要的工程有重庆长江滨江路工程、江津滨江西段护岸工程、彭水乌江西岸护岸工程、重庆江北滨江路护岸工程、重庆渝中区嘉陵江滨江路护岸工程、北碚嘉陵江防洪堤一期工程、泸州小市沿江整治工程、四川合江滨江路工程、重庆珊瑚公园护岸工程等。上述工程中，加筋墙直立墙高最大已达22m，半直立半斜坡复合式路堤结构总高达35m。 (2)应用规范、标准 在国内，交通部1991年就正式颁发了公路加筋土工程设计规范(JTJ 01591)和公路加筋土工程施工技术规范(JTJ 03591)，这是一套比较系统的加筋土工程设计施工专门规范。1998年底和1999年初国家和各部门相继正式颁发了土工合成材料应用技术规范(GB 5029098)、水运工程土工织物应用技术规程(JTJ 23998)、水利水电工程土工合成材料应用技术规范(stT 22598)、铁路路基土工合成材料应用技术规范(SLT 22598)，这四本应用技术规范(规程)中都有专门章节阐述加筋土的设计和施工规定。 在国外，对加筋土技术的应用，法国颁发有法国标准，日本有日本指南，美国有联邦公路局(FHWA)出版的加筋土结构建造指南(1990)和土工合成材料设计和施工导则(1998) 等。英国、荷兰、意大利、澳大利亚也有相应的标准或指南。 (3)加筋材料 加筋土工程中使用的加筋材料基本上都属于土工合成材料。土工合成材料按结构和工艺可分为5大类，即土工布、特种土工材料、土工膜、土工复合材料和其他材料等，在上述五大类材料中，除土工膜外，其余四大类中的大部分产品均可用作加筋材料。我国目前使用的加筋材料主要有条带式加筋带、土工格栅、土工布。条带式加筋带主要有国内生产的钢塑复合加筋带(CAT)、防老化塑料加筋带(PP)、玻璃纤维复合加筋带等，工格栅主要有国内生产的和部分进口的单向格栅、土工网、土工格室，土工布主要为织造土工布、复合土工布。 对加筋土工程中的最重要的元件加筋材料，各国都比较重视，将其视作基本的建筑材料，制定了有关产品标准和测试试验标准。目前，已正式出版的国际标准(ISO)有14个，另有10个即将出版。英国出版了8个标准(BS6906)，法国出版了l4个标准或直接采用国际标准，意大利出版了8个标准(UNl8279)，美国发布了58个标准。值得注意的是，美国标准中也有2个涉及土工合成材料的耐久性性能。 我国于1988年开始制定有关国家标准，迄今已正式发布了31个国家标准，其中21个基础标准和方法标准不同程度地采用了国际标准或国外标准。31个标准中，主要包括了土工布、土工膜、土工格栅等。对我国加筋土工程中用得较多的条带式加筋材料(合成材料和复合材料)，目前尚未有国家标准，有关行业标准中涉及了一部分，多数为生产厂家的企业标准。对各类土工合成材料的耐久性，目前也未有国家标准。 (4)理论研究和学术交流 加筋土技术的应用领域不断扩大，但理论研究总的说来严重滞后于工程应用。在土工合成材料应用界，加筋是一个非常活跃的一支，但基本上集中在工程应用上。对加筋土的基本性状、机理，新的设计计算理论，l0多年来未见有新的突破、新的发现。对加筋土挡墙结构，内部稳定计算一直采用局部应力平衡法，对高大挡墙的设计，这一方法显然不能适用。除公路规范规定采用总体平衡法外，其他行业规范均回避这一不应回避的问题。对外部稳定计算，均采用刚性墙的假定，计算问题虽大大简化了，但与其实际工作状态的差距也拉大了，显得十分勉强和无奈。近年来做了一些现场试验，并用有限元方法进行数值计算，但土体的本构方程的准确描述不容易，弹塑性模型选择上争论较大，试验获取土性指标与实际的差异，筋、土的界面处理困难，而且，繁杂的数值计算并不为大众所理解和掌握，使得数值计算的结果具有更多的学术意义。筋土共同工作的机理的明白阐述和简洁的设计计算才是工程应用中所企求的。加筋堤、加筋边坡的基本假定和计算方法与实际不太符合，工程应用中亟待改进。 我国在黄文熙、刘宗耀、王正宏等老前辈的倡导和努力下，l995年经国家民政部批准，正式成立“中国土工合成材料协会”。从1986年到2000年11月，共召开了5届“全国土工合成材料学术讨论会”，加筋土技术一直是历届学术讨论会的热门话题，提交的论文也最多。交通、水利、铁道等行业也召开过各类学术讨论会。近l0多年来，正式出版的各类手册、专著、宣传教材约l0本，在岩土工程、基础工程、交通类、水利类、铁道类、建筑类的有关学术刊物中，每年均有数篇到数十篇论文发表。 (5)加筋土技术应用中尚待解决的问题 通过l0多年加筋土技术的推广应用和工程实践，获得了许多宝贵的经验。为了使该技术的应用更趋合理、完善、规范，尚待研究解决以下问题： (a)计算理论和计算方法的改进 加筋土挡墙目前有较系统的方法，但对高大加筋土挡墙(墙高大于l2m)的设计内部稳定计算可以说是一个空白。对外部稳定计算，采用刚性墙的假定显然不符合实际，需要对原方法加以改进，或另行建立新的计算方法。对加筋边坡和加筋垫层，计算理论假定和计算方法也需要改进。加筋地基的设计计算理论和方法应尽快提出，满足工程应用要求。筋土共同工作的机理需要进一步研究，工程应用中企盼简洁、可靠的设计计算方法。 (b)加筋材料的耐久性问题 选用韵加筋材料必须充分考虑耐久性。目前的国家标准或行业规范对此尚不明确，加筋材料生产厂家几乎对此避而不提，国家对工程建设质量管理的加强和法制化，国家对建筑工程设计、施工、监督等条例的实施，业主、设计、施工、监理和质量监督各方却不能回避这个问题。应尽快制定和颁发各类土工合成材料(加筋材料)的耐久性标准。在国家标准未正式发布前，选用塑料带(PP带)或土工格栅时应按设计要求检验其防老化性能。或建议选用防老化性能较好的钢塑复合带，或聚烯烃玻璃纤维复合带等。 (c)加筋技术应用规范的补充和完善 修正加筋土挡墙的外部稳定计算，改进加筋边坡的计算方法，补充加筋地基的设计规定和施工要求，明确加筋土工程的耐久性或使用年限，都是加筋土技术应用中亟待解决的问题。 在现行的5本应用规范中，加筋土结构设计的有关条文均按传统的单一安全系数法进行规定，而其配套规范大部分业已宣布废止，急需进行修改、完善，才能使规范的使用配套。加筋土的施工规范也应制定。在工程推广应用中，针对我国的具体国情，应制定得比较具体、详细，便于操作、执行和管理。 §8.2加筋材料 §8.2.1加筋材料种类 加筋材料是加筋土结构的关键部分，正是因为加筋材料的研究开发才使加筋土技术得以广泛应用和不断向前发展。根据材质情况，加筋材料可分为4大类： 第一类属天然植物，如竹筋(竹片)、柳条等。一般用于临时工程、临时抢险工程等。 第二类为金属材料，如扁钢带、带肋钢带、镀锌钢带、不锈钢钢带等。 第三类为合成材料，如聚丙烯、聚乙烯、聚酯、尼龙、玻璃纤维材料等。其形式主要有聚丙烯条带、土工格栅、土工网、土工织物(俗称土工布)、土工格室等。 第四类为复合材料，如钢筋混凝土带、钢塑复合加筋带等。第三、第四类材料目前用得比较普遍，其主要构件形式见图8.7，有关主要指标见表8.1、表8.2和表8.3。 §8.2.2加筋材料试验 加筋材料试验主要有拉伸试验和直剪摩擦试验，对合成类材料还包括蠕变试验和老化试验。拉伸试验用于测定加筋材料的抗拉强度及延伸率，直剪试验用于测定加筋材料与土之间、加筋材料之间的滑动阻力。抗拉强度是指在外力作用下加筋材料在断裂时或断裂前所能承受的最大拉力，用kNm表示或kN根表示。延伸率是指对应最大拉力时加筋材料的应变量，用表示。加筋材料与土之间或加筋材料之间的滑动阻力用滑动力与其上的法向压力的比值表示，这个比值称为摩擦系数。本节主要介绍加筋材料的拉伸试验和直剪摩擦试验，这是加筋材料最基本的试验，加筋材料的单位质量、宽度、厚度、加筋带的偏斜率、土工布和土工格栅的连接强度试验也是加筋土工程设计所要用到的技术指标，可参见有关规范规定。 (1)土工织物拉伸试验 土工织物的拉伸试验用于测定土工织物的拉伸特性，即抗拉强度和延伸率。它适用于各种编织、机织和针织土工布，非织造型(无纺)土工布、复合土工布、土工格栅等。 样品应从批量产品中随机抽取，试样在抽取的样品中剪取，每项试验每组应不少于6个样品，每项试验的每个样品应至少能剪取3个试样。剪取试样前，应根据试验项目、试验数量制定剪裁计划。试样采用梯形取样法随机剪取，应符合有关规范规定。 如果要同时测量干态和湿态拉伸强度，则试样裁剪长度应为原试样长度的2倍，再一分为二，一块用于测干态强度，一块用于测湿态强度。 准备好干、湿试样，对湿态试样要从水中取出至上机拉伸的时间间隔不大于10min。将试样对中防入夹具内，使试样上的两条平行线尽可能贴近上下夹具的边缘。设定拉伸速度，进行试验，并做好记录。 若试样在钳口内打滑或有损伤，该试样应废除，并增补试样。 试验的抗拉强度和延伸率可由下式计算： (8.6)式中：Ts抗拉强度，kNm； Pf测得的最大抗拉力，kN； B0试样宽度，m； p延伸率，； L0试样的初始长度，mm； L1对应最大拉力时试样长度(标距范围)，mm。 按规定方法计算每组试样的抗拉强度、延伸率及各模量的平均值、标准差和变异系数。 (2)加筋带拉伸试验 加筋带的拉伸试验与土工织物的拉伸试验基本相同。夹具可利用土工织物试验的窄条试样夹具，也可采用专用夹具。取样在批样材料中随机抽取，每组不少于6个样本，每个样本的长度应能裁取3个试样。试样制取后，用游标卡尺测其宽度和厚度(初始宽度和初始厚度)，进行拉伸试验，将试验结果记录在加筋带拉伸试验记录表中。 加筋带的抗拉强度按下式计算： (8.7)式中：Tu加筋带的抗拉强度，kPa； Pf测得的加筋带的最大抗拉力，N； A0加筋带试样的初始断面积，mm2，A0= B0H0； B0加筋带试样宽度，mm； H0加筋带试样厚宽度，mm。 延伸率计算同土工织物。 (3)土工织物直剪摩擦试验 直剪摩擦试验目的是为了确定土与土工织物之间的滑动阻力、土工织物与土工织物之间的滑动阻力。 在直剪仪的上下盒内添土，在下盒顶放土工织物，上盒内填土，在法向压应力的作用下，土与织物压在一起，加荷移动下盒，使土工织物与土产生相对滑动，测定其滑动力。根据一组不同的、值，作出曲线，一般，曲线近似为直线，且过原点，则= = f，f称为摩擦系数。 按规范规定的操作步骤进行试验，每组试验至少3个试样，按有关规定选取和制备有代表性的土样。将试验结果记录在土工织物直剪摩擦试验记录表中。 水平剪切力和摩擦系数分别按下式计算： (8.8)式中：剪切力，kPa； 法向压应力，kPa，=PA； P法向压力，kN； F测得的水平推力，kN； A试样盒断面积，m2； 土与土工织物之间的界面摩擦角，º； f土与土工织物之间的摩擦系数。 (4)加筋带现场拉拔试验 拉拔试验就是对埋在填料中的加筋带施以拉拔力，将加筋带从填料中拔出或拔动，用以测定筋土之间的摩擦特性。拉拔试验分为室内模型槽拉拔试验和现场拉拔试验，两者都是测定筋土摩擦特性的简便试验方法。事实上，拉拔试验更多地反映了加筋带在填料中的实际工作状态，并不能完全反映筋土之间的摩擦特性，所测得的摩擦系数叫做似摩擦系数。 (a)室内模型槽拉拔试验 试验在试验槽中进行，加载和量测按规范规定。加筋带上下之间的填料必须按规定填筑，铺带时下部填土应平整。每组试件不少于3根，分别在不同的法向压力下进行试验。 加筋带与填料的似摩擦系数按下式计算： (8.9)式中：f*似摩擦系数； Tf测得的加筋带被拔出或拔动的最大拉力，kN； v加筋带上的法向压应力，kPa，v =P+h； P填料上施加的法向压力在加筋带上产生的法向压应力，kPa； 加筋带上的填料重度，kNm3； h加筋带上的填料高度，m； b加筋带宽度，m； L加筋带在填料中的埋置长度，m。 计算每组试件所得的f*的平均值、方差和变异系数。 (b)现场拉拔试验 与室内模型槽试验基本一样，埋设于试验槽中的加筋带改为埋设于施工现场的加筋带。用于试验检测加筋带与土的摩擦性能的试样应至少有3组，每组不少于3根，每组加筋带的高度位置基本一致，水平向间距510m，每根埋设长度一般取6m。用于检测施工质量的试件应沿墙高布置，每填高23m布设一组，埋设长度与同一位置结构用加筋带设计长度相同(加筋带不太长时)，也可少于设计长度(加筋带较长时)。 §8.2.3加筋材料指标选用及注意问题 加筋材料目前应用的有5种，一是钢带，二是钢筋混凝土板带，三是聚丙烯条带，四是复合土工带，钢塑复合土工带和玻璃纤维复合土工带，五是土工格栅、土工网格和复合土工布。前4种仅用于加筋土挡墙后一种可用于加筋土挡墙和加筋土边坡。 钢带用3号钢轧制，分有肋钢带和无肋钢带，有肋钢带较好，可采用表层镀锌防腐。钢带断面一般为扁矩形，宽度3cm左右，长度不等，中间连接用螺栓。如果批量较大，亦可按设计长度和规格由生产厂专门轧制。钢带应采取防腐蚀措施，同时预留锈蚀厚度。对非镀锌钢带，无水工程预留腐蚀厚度为l.5mm，浸淡水工程为2.0mm，浸海水工程为2.5mm；对镀锌钢带，无水工程预留腐蚀厚度为0.50mm，浸淡水工程为0.75mm。 钢筋混凝土板带的混凝土强度一般为C20，主钢筋大小由受力确定，墙高较大时可适当按高度分组，以避免造成过大浪费。钢筋混凝土带平面多为长条矩形，断面为扁矩形(也可做成楔形)，宽l025em，厚610cm，分节预制，每节长3m左右，现场施工时将主钢筋焊接而成，接头处须做防腐蚀处理。为防断裂，可在板中布设钢丝网或用纤维混凝土。 塑料土工带即聚丙烯土工带，它是在包装带生产的基础上发展起来的，目前在工程中用的最多的是PP301.5和PPl91.2两种规格。从外观上看，要求压纹清晰，无撕裂损伤，断面尺寸均匀；从性能指标来看，要求断裂强度不小于220MPa，断裂伸长率不大于10，容许应力为断裂强度的15左右。聚丙烯筋带的一个特点是变形较大，材料强度得不到充分利用。为满足工程的正常使用要求，国内目前已有厂家可将其断裂伸长率控制在78以内，这对于充分利用材料强度是比较有利的。聚丙烯筋带的另一个问题是蠕变和老化，蠕变影响结构本身的最终变形，而老化影响工程的耐久性，引起聚丙烯筋带老化的主要原因是筋带受到紫外线的照射。埋于土中的聚丙烯筋带，与暴露在自然状态下的聚丙烯筋带不可一概视之，一般来说应无多大问题。但由于使用聚丙烯筋带所建成的加筋土工程检验时间不长(最长的不到20年)，加之早期使用的聚丙烯加筋带的检验方法和手段、标准不统一，防止老化的添加剂的使用和剂量也不统一，所收集和积累的资料的可用性和权威性较差。尽管聚丙烯筋带在经济上有很大的诱惑力，但对其耐久性问题还缺乏一个权威的证明。因此，当选用聚丙烯做加筋材料时，对耐久性问题应特别注意，应选用抗老化的加筋材料。另外，聚丙烯筋带在采购、运输、储存和加工铺设过程中，紫外线的照射和影响比在土中要大得多。因此，在上述过程中，应尽量防止暴露，尽力减少阳光直接照射的时间。 复合加筋带在某种程度上说弥补了聚丙烯筋带的不足，变形问题获得了较为满意的解决，蠕变和老化问题缓解。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。聚烯烃玻璃纤维复合带与钢塑复合带类似，用有捻玻纤代替了高强钢丝，玻纤外包裹层为高聚烯烃复合物。就目前情况而言，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。 土工格栅目前国内已有生产厂，其强度指标已能满足各种工程需要。土工格栅的优点在于使土体能真正起到加筋作用，双向土工格栅使土体在平面的两个方向均受到约束，它在加筋地基中的作用和功能是条带式加筋材料所无法替代。另外，建筑加筋边坡工程，可以不设面板。 土工网格在加筋工程中是土工格栅未投入使用的一种过渡产品，主要用作滤层和垫层，也有一定的加筋作用。由于生产成本较低，在要求不高的部分工程中当成加筋材料使用仍能收到一定的效果和获得较好的经济效应。 对于高度不大的边坡，也可采用土工格室。复合高强土工织物(高强土工布)也正在不断发展，但国内应用的不多。 总之，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14，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13。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。 目前国内国外生产加筋材料的生产厂很多，规格、品中比较多、比较杂，工程中使用的加筋材料必须根据设计要求，认真选择。能用于加筋工程的加筋材料的有关枝术指标见表8.4。 在加筋土结构中，不管采用哪类加筋材料，有两点必须特别强调和严格控制，一是材料的变形和强度，二是材料的耐久性。 §8.3加筋边坡 §8.3.1加筋边坡形式 加筋边坡一般形式见图8.8。路堤边坡、防洪堤边坡、护岸边坡、碴场边坡等形式见图8.9。 §8.3.2加筋边坡的设计 (1)加筋边坡的构造要求 加筋边坡的构造比较简单，相关部分可参见加筋土挡墙构造部分内容。 (2)加筋边坡稳定计算 (a)一般情况 为了使加筋边坡的稳定安全系数达到要求的数值，在土坡内水平铺设若干层加筋材料以增加稳定。其稳定计算一般按瑞典条分法核算其安全系数Ks(图8.10) (8.10)式中：Wi第i土条重量； i第i土条底弧的仰角； li第i土条底弧长； R最危险滑动圆弧的半径； Yi第i层加筋材料至滑弧圆心的距离；、c边坡填土的内摩擦角和凝聚力；Tai第i层筋材的抗拉强度； n、m分别为土条数和加筋层数。 要求按上式算得的安全系数Ksl.3，如不满足，应调整筋材和布置间距。 (b)土层单一时如果填土是细粒粘性土，当其含水率接近饱和时，分析中常采用不排水抗剪强度cu，它不随作用于剪切面上的法向应力而变化，此时分析不再需要分条，而直接采用总强度指标。安全系数表达式变为(图8.11)： (8.11)式中：L滑动圆弧全长； W土坡滑动部分的总重量； x形距滑动圆心O的水平距离；其余符号意义同前。 (c)加筋边坡加筋材料长度 保证每层筋材延伸出滑动弧以外的长度Lp，可提供充分的握裹力，防止筋材被拔出。 (8.12)式中：Ta筋材的容许抗拉强度；Kf要求的安全系数；KfWv作用在某层筋材上的覆盖压力；土与筋材间的摩擦角，由拉拔试验测得。 对于接近饱和的软粘土，筋材与土之间的摩阻力不随界面处的法向应力而变化，而是靠二者间的粘着力ca提供握裹力，则筋材的被动段长度 (8.13)筋材总长度L为： (8.14)式中：La主动段长，即在滑弧以内的长度。(d)堤底加筋垫层 在软基上采用加筋垫层的堤坝坝体稳定分析计算可采用圆弧滑动面法或水平滑动面法。对厚层软基，假定为圆弧滑动破坏，圆弧穿过堤身、加筋垫层和地基。其抗滑稳定系数KSR可按下式估算： (8.15)式中：MT=(ciLi十Wicositgi)； MD=Wisini MT=Td(a+btg)(见图8.12a)；或MT=TdR(见图8.12b)。 KSR有土工织物加筋时的抗滑安全系数，取1.11.3； MT不计土工织物加筋时的抗滑力矩，kN·m/m： MD滑动力矩，kN·mm； MT土工织物加筋作用产生的抗滑力矩，kN·m/m； Li第i土条弧长，m； Wi第i土条的重力，kNm； i第i土条弧线中点切线与水平线的夹角，º； ci、i第i土条滑动面上的抗剪强度指标标准值，KPa； Td土工织物的设计抗拉强度，kNm；R滑动圆弧半径，m。 §8.3.3加筋边坡的施工 加筋边坡的施工方法基本上与一般筑堤工程类似。其施工顺序如下： (1)平整坡底和基础。 (2)铺放第一层加筋材料。 加筋材料在现场加工成铺设块，铺设块的拼缝采用“丁缝”或“包缝”连接，土工格栅可采用搭接后用细铅丝拴接。铺设时，加筋材料的纵向(材料强度大的方向)垂直于坡面，铺设底面必须平整，保证加筋材料顺直、平展，不皱折。可用沙袋等间隔摆放，也可按一定间隔打塑料钉或木钉，以固定加筋材料的位置。 (3)加筋材料上铺土压实。 在加筋材料上按设计厚度铺土，先铺边坡处，再逐渐向后铺填。碾压机械碾压时，填土厚度不少于15cm，近坡面处用轻型