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加筋土陡边坡设计方法研究

澳门太阳集团2007网站:admin  发布时间:2016-08-09  点击:1423

目前加筋土陡边坡的设计方法主要运用极限平衡理论,用圆弧滑动和楔体滑 动的条分法分析稳定性,国外一些技术规范采用双楔体法分析加筋土陡边坡的稳 定。条分法可适用于多层不同土类型、复杂的几何结构及水位等多种情况,而双楔 体法仅适用单一填料类型、简单的边界条件等,应用范围相对较窄。本节主要先容 条分法、双楔体法及其比较。

钢塑土工格栅
钢塑土工格栅

3.4.1条分法

1.         计算模型

加筋土陡边坡的设计,一般对其稳定性评价仍采用传统的边坡稳定极限分析 法,认为边坡的破坏类型为部分坡体沿某圆弧发生滑动下滑。此时边坡的稳定性 要受筋材的控制,当边坡土体要发生滑动时,筋材在一定程度上遏制土体的继续滑 动,从而提高土坡的稳定性。未加筋时,分别求出由滑动土体的重量对滑动圆心产 生的总滑动力矩和由于滑动面上土体抗剪强度对同一圆心产生的总抗滑力矩

M,得到安全系数据以评价边坡的稳定性,当安全系数大于某一规定值

时认为边坡是稳定的;边坡加筋后,由于筋材的拉力作用产生一附加抗滑力矩

AM”则理论安全系数为K =                 也就是说不考虑加筋作用对滑动面位置

和形状的影响,在未加筋土坡的滑动体的总抗滑力矩中增加由筋材拉力而产生的 附加抗滑力矩。

对折线形破坏,按楔体平衡理论,将筋材拉力弓I起的附加应力计入抗滑力矩中 计算安全系数。

2.         设计一般规定

加筋土陡边坡的设计包括土工格栅的长度及布置、边坡坡面防护及地基处理 设计等[5]。根据破坏形式的不同需要进行下述检算分析:边坡内部稳定性分析;

外部稳定性分析;边坡局部稳定性分析;地基沉降分析。

设计荷载根据不同的施工工况等因素,按计算分析的目的进行选用。除填土 自重外,还有上部结构荷载、活荷载、地震荷载及施工荷载等,当受浸水时,尚应进 行浸水条件下的稳定性分析。其中边坡面上的荷载常简化为均布荷载,对地震影 响则根据动荷载系数进行拟静力法分析。

设计时先按不加筋情况检算边坡的稳定安全系数,如不满足要求则按加筋陡

边坡设计;计算筋材为满足稳定要求而需要提供的拉力,确定筋材的布设和数量, 进行内部稳定和外部稳定计算,校核筋材的长度;验算边坡的局部稳定性,确定坡 面形式或辅助加固措施。

3. 稳定性分析

(1)外部稳定分析

外部稳定性分析包括破裂面穿过加筋层和地基土的稳定及加筋体外的整体稳 定。稳定分析方法可采用经典圆弧条分法,计算时假设若干个穿越地基土的滑弧, 计算其稳定安全系数并进行比较,以求得安全系数最小值和相应的临界滑动面。 当采用土工格栅加筋材料后,假设筋材的作用力保持水平方向,加筋层增加了抵抗 力矩,则稳定安全系数K

P = Mr +AMr = R ? Y,\_Cjlj +Wcosatan(pi] +'ETiyi                         1

e — Md                                                                                                                U

式中,MrMd——抗滑力矩和滑动力矩;

c,i——滑弧处土的黏聚力和内摩擦角?’

W,——上部荷载和土条重,位于水位以下时取土的浮重;

M——拉力T,与滑动圆心之间的垂直距离。

其余符号如图3. 13所示。

满足要求的拉力ST,即为要求的最小抗拔力。


 

(2)内部稳定性分析

边坡内部的稳定分析方法较多,按假定的滑动面形状的不同,分为圆弧法、单 楔体法、双楔体法、对数曲线法、共轭应力法等。由于加筋土结构的复杂性,用一种 方法分析边坡的稳定性往往有其局限性,建议采用多种方法进行分析比较。

国内规范中多采用圆弧条分法计算,计算式同上述外部稳定性一致,不同的是 假设在堤身内有若干滑弧,滑弧通过坡脚或边坡处拉筋的端部(图3. 14),分别计 算其稳定安全系数。



 

单楔体法在堤身内假设不同的楔形体,填料抗剪强度用综合内摩擦角表 示,则内部稳定安全系数尺为

Wtan0+—+lTi F'=^^ (3.2) 式中,W——樓形体土重及上部荷载重,当堤顶较宽且作用均布荷载g)时, w=(jyh2+qh)(^-^) aiP^破坏面和边坡坡面的倾角,见图3.15


 

(3)边坡局部稳定分析

当筋材间距过大时,应验算层间土体挤出破坏的稳定性。根据图3.16中可能 滑动失稳的楔块ABECD其中ABCD为主动块,块体重为% ,BCE为被动块,块 体重为,调整不同的《值计算局部稳定安全系数,计算式为

L (W\ cL ? sin?)tan(a_^o) —cL ? cosa 式中,——填料与拉筋间的综合内摩擦角;

L——块体的底边斜长。

^ZJbJD

e/ % X- V

3.16局部稳定性分析图示

当边坡坡面有局部失稳时,可采取减小筋材间距、设辅助短筋加固、返包式边 坡或混凝土刚性坡面等措施。

凸结点双向土工格栅
凸结点双向土工格栅

4. 设计计算内容

(1)       筋材强度估算及布置

土工格栅陡边坡设计时,一般先假定筋材强度、长度及竖向布置,再进行稳定 性验算,需提供的筋材拉力可采用土压力系数法进行估算,即

ET, = 1/2 ? K ? r *                                    (3. 4)

式中,——对应边坡高J/;所需的筋材拉力,根据筋材的容许抗拉强度可估算 筋材层数;

K——土压力系数,不考虑浸水时为边坡倾角;9与填料内摩擦角0的函数, 可计算为

K= .                                   2                                             (3.5)

sin^C sin^ +sm0)

筋材竖向间距应为最小碾压层厚度的整数倍,可计算为

Sy=n.Q《為                                         (3.6)

式中,Q~最小碾压层厚度;

Tga——筋材容许抗拉强度;

Z——从边坡顶往下的计算高度。

(2)       稳定性计算

按上述方法进行陡边坡的稳定性分析,其稳定安全系数应符合表3. 1要求。

3.1稳定安全系数表

内部稳定6

外部稳定Fe

局部稳定fl

1. 25?1.5

1. 25?1. 5

1.2 ?1.4

:在地震区和洪水期外部稳定安全系数不应小于L 1



(3)        筋长计算

筋长的设计除满足外部稳定性计算要求外,还应验算最不利滑弧外的拉筋抗 拔稳定,按筋土的摩擦特性,抗拔安全系数Fp计算式为

Fp = 2Le%tan^                                        (3. 7)

1 ga

式中,L?---- 最小铺固长度,一般不小于2. Om

----- 筋材上的覆盖压力;

FP----- 抗拔安全系数,一般取1. 5?2. 0

按加筋前最不利滑弧确定筋长,未考虑加筋后滑弧的变化,其对加筋锚固长度 的影响有待进一步分析研究。

(4)        返包式边坡设计

随着环保的需要及土工格栅性能的改善,土工格栅返包式边坡逐渐取代了既 有的片石、混凝土等刚性护坡形式,在返包式边坡上铺草皮或种草籽可达到稳定边 坡、绿化环境的目的。

土工格栅的回折长度L?可计算为

Lw>FwKy(yt+Sy/2)S^                                         (3.8)

yZMncp^

式中,Fw——回折稳定安全系数,可取1. 2?1. 4

3.4.2双楔体法[6]

双楔体法适用于加筋土陡边坡和加筋土挡墙等结构。

1-计算模型

双楔体法和条分法一样,以极限平衡理论为基础,将加筋土体内部和外部分为 两个楔体,其中一楔体位于填料内加筋部分,为滑动楔体,第二楔体位于加筋体外, 为施加土压力的楔体,两楔体交界于加筋体背面。

计算时在加筋体内假定一系列的破坏楔体,出口可位于加筋体底部或边坡坡 面任一处,破裂面可切割筋材、位于两层筋材之间或直接沿拉筋层面滑动。第二楔 体产生的土压力按库仑理论计算,第一楔体受力分析按力多边形法进行,计算力处 于平衡状态时为使边坡稳定而需由筋材提供的抗滑力Z筋材提供的拉力27^应 满足2>2

双楔体法不能检算加筋体沿地基深层滑动的破坏情况,地基相对软弱需检算 深层滑动稳定时,可采用条分法计算。

2.设计一般规定

外部稳定性验算时将加筋体视为刚体,验算抗水平滑动和地基承载力,土压力 按库仑理论计算,地基承载力验算要求作用于加筋结构基底的合力作用点位于基 底中部的1/3宽度内,基底应力分布按Meyerhoff法,认为应力均布在B — 2e的底 宽内CB为基底宽度、e为合力偏心距)。计算中一般假定填料为砂性土,黏聚力c 为零或很小(不超过5kPa)

如图3. 17所示,假设滑动面的起点在边坡坡面不同高度处,在加筋体内任意 假定破裂面进行稳定性计算,一般按每隔划分计算面,同时考虑沿筋材面和在 两层筋材之间而不与筋材相交的面两种特殊情况的验算,从而确定筋材的布置。

墙面稳定验算 3.17 DIBt双楔体计算方法


 

对砂类土主要验算内容及指标如表3_ 2所示。

3.2双楔体法验算内容和指标

验算内容

墙背摩擦角h

墙背土压力所 采用的摩擦角

计算时是否考虑加 筋体上临时荷载

说明

 

抗水平滑动

2^/3

9h

如果%小取外

外部稳定

地基承载力

2^/3

%

 

 

偏心距e

2^/3

 

 

 

斜楔体

 

 

/

都验算取危险情况

内部稳定

沿筋材面

2^/3

 

 

 

沿最陡的未加筋面

 

9b

/

都验算取危险情况

局部稳定

面板

0

 

 


:、灼分别指加筋体、后部填土和地基土的内摩擦角?


 

3.稳定性分析

与前述条分法一致,稳定性分析包括外部稳定、内部稳定和局部稳定。

(1)外部稳定分析

抗水平滑动和基底应力偏心距的计算同刚性挡墙一致,基底应力采用Meyer

文本框: (3.9)文本框: hoff法计算。 1)沿基底的抗滑动稳定系数为 Kc =

式中,SN——作用基底上的总垂直力kN)2iV=W+Ew T,Ex——加筋体主动土压力的总水平分力kN)

/基底与地基间的摩擦系数,取加筋土体的填料与地基土两者内摩擦角 中小值计算,f=as tan(?pw),沿拉筋材面时取as = 0.8,沿土层内 时 as = l. 0

滑动稳定系数Kc不应小于1. 3


 


2)        基底合力偏心距6

文本框: (3.10) (3.11) e = ^_c= g_SM,-EMQ 2^2      EN

式中,B----- 基底宽度(m);

C~作用于基底上的垂直分力对墙趾的力臂(m)。 偏心距应满足|e|

3)                                                       基底应力采用Meyerhoff法计算(图3.  18),即

_ SN _ EN H _ 2e

加筋土挡土墙

ilMF-

文本框: 图3.Meyerhoff法基底应力计算


 


地基承载力采用改进的太沙基承载力公式,且考虑合力的偏斜作用,对砂性土 地基(c=o),极限承载力计算式为

d = YiB'NbJOb                                     (3_ 12)

式中,iVb—^承载力系数,如表3- 3所系;


----- 荷载倾斜修正系数,?=—

要求里>2. 0

3. 3承载力系数

Nb

wn

Nb

20

2.0

32.5

15

22.5

3.0

35

23

25

4.5

37.5

34

27.5

7.0

40

53

30

10. 0

42. 5

83


:本表根据德国19978月颁布标准(DIN4017)编制。


 

(2)内部稳定分析

1)滑动面为倾斜面。

将作用于楔体上的力分解,绘制力多边形如图3. 19所示,根据力的平衡理论, 下滑力Z可计算为

Z = (G + P + Eav)tan(ffi — pw) +                                                    (3.13)

为保证楔体的稳定,须由OD面所切割的拉筋提供拉力ST,,应满足 2,拉筋拉力取拉筋锚固力与拉筋最大容许强度中的小值。其中锚固力可计算为

'^ — 2gptanffiw                                            m

3.19斜楔体内部稳定力多边形


 

式中,I——筋材提供的拉力(kN)

9V----- 加筋体的内摩擦角;

ap = 0_ 8?1_ 0;

Fsp = 2. 0D


计算时一般应按有荷和无荷两种条件分别验算,以判别最危险情况。

2)        滑动面沿筋材面。

滑动面沿筋材面时计算原理、公式和外部稳定性抗滑动稳定验算一致,其中筋 土摩擦系数/ = a^anC^),取?8 = 0. 8。验算要求抗滑稳定安全系数大于1. 5

3)        滑动面沿最陡的未加筋面。

滑动面沿两层筋材之间,设倾角为氏,按力的平衡条件沿滑动面计算稳定系

数为

(2V —SH ? tan(9u)tan(9w                        rn

Ks= SH-SV.tan0u~                                           (3.15)

其中,作用在禊体上的水平为之和为,垂直力之和为SV=G+P+fav

计算时一般应考虑有荷和无荷两种情况,验算要求抗滑稳定安全系数大于1. 5

3.4.3设计方法比较

设某干线铁路路基条件如下

1)                                             路堤:路基面宽8.0m边坡坡率1         : 1.5,受条件限制路基一侧需要收坡,采 用坡率 1 : 0. 75,荷载换算土柱/1= 3. 3m,Z0 = 3. 6m

2)                                                                       填料:c=0kPaP=35°y=19kN/m,筋土摩擦系数为      0. 3

3)                                                                    地基为硬塑粉质黏土。筋材控制最小设计强度7. 5kN/m筋材按等长布 置,最小设计长度3. 0m竖向最大布置间距0. 9m条分法要求加筋后稳定系数大 于1_ 25,双禊体法要求楔体的稳定系数大于2. 0。分别按条分法和双楔体法进行 设计,在满足构造要求的情况下,采用同一竖向布置间距时计算筋长、强度及造价 比见表3. 4

3.4条分法和双換体法设计对比

序号

墙高/

间距/m

条分法

双楔体法

最小稳定 系数

筋长/m

筋材设计 强度

/(kN/m)

造价比

最小稳定 系数Ks

筋长/m

筋材设计 强度 /(kN/m)

造价比

1

3

0.9

1. 55

3

7.5

1. 75

2.8

3

7.5

1, 75

2

5

0.9

1. 26

4

8

1. 49

2. 68

3

7.5

1.05

3

7

0.9

1.26

6. 5

12

2. 60

2.48

4

7.5

1.00

4

9

0.9

1.26

8

15

3.11

2. 02

5

9

1.17

5

12

0.9

1. 32

10

20

3. 89

2. 08

8

12

1.87


:造价比中设材料的单价与强度成正比,投资最少的取为1.0,不同墙高之间未考虑用地及填料数量 的变化对造价比的贡献。


 


从表3. 4中可知,采用条分法计算要求的筋长和强度大于采用双楔体法的计 算结果,对陡边坡采用条分法计算结果偏安全,如路堤高度5. Om以下,采用双楔 体法验算时拉筋满足构造要求即可。从造价比分析,采用双楔体法计算结果比条 分法经济,用材省,造价要便宜。由于国内采用双楔体法计算的工程实例不多,其 安全和稳定性有待进一步在工程测试中验证。

3.4.4有关问题的探讨

  1. 拉筋拉力方向

在进行内部稳定性分析时,由于设计采用的拉筋强度远小于拉筋的极限强度 (一般取1/3?1/4),实际拉筋变形较小,因此以上公式中假定拉筋拉力总是与拉 筋层布置方向一致(即水平方向)。但在边坡临界破坏时,拉筋可能沿破裂面方向 延伸,应该考虑加筋与水平方向的偏斜,这时拉筋将提供更大的抗滑力矩。

  1. 拉筋层的分布

文本框: 图3. 20拉筋层的分区当加筋土陡边坡不高(髙度小于6. Om),边坡内的拉筋一般根据计算确定需要 的拉筋层数,在边坡内等长等间距布设。当边坡高度大于6. Om时,结合拉筋在边 坡内的受力特点及加筋结构的高度,宜分2?3区布设拉筋(3. 20),每区拉筋拉 力分布:分两区时T=3/42,,丁上= 1/4ET;;分三区时:T= 1/2ST,T= 1/32,,丁上=1/62,

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