土工材料加筋土的發(fā)展

郭 妍

(福建林業(yè)職業(yè)技術學院，福建 南平 353000)

土工合成材料廣泛應用于現代巖土工程是在20世紀中期以后，最初以土工織物和土工膜最具代表性.目前，土工合成新材料中，具有代表性的有土工格柵、土工網等和其組合產品.在近20年中，這類材料相繼在巖土工程中應用獲得成功，成為建材領域中繼木材、鋼材和水泥之后的第四大類材料，并被譽為巖土工程領域的一次“革命”。其中加筋土材料運用較為廣泛。加筋土技術的推廣和應用起始于1965年法國工程師Henri vidal提出的加筋土的概念和設計理論起初的加筋材料主要是金屬材料，由于金屬材料抵御化學腐蝕的能力較弱，而且成本高"其使用范圍受到較大限制。20世紀90年代初我國開始將土工合成材料應用于加筋土工程，到90年代中期，其應用范圍已涉及鐵路，公路工程的軟基處理，加筋擋土墻，加筋土橋臺，加筋陡坡，加筋地基等。近年來，在海岸工程中也得到迅速推廣應用。但是，目前國內在現場觀測，模型試驗和理論研究方面還相對滯后。國內對土工合成材料尚無統(tǒng)一的測試標準，國際比較著名的標準有國際土工合成材料學會(IGS)，美國材料試驗學會(ASM)、國際標準組織(ISO)、德國標準化研究所(DIN)等。

1 理論計算

土工合成材料的理論和計算方法目前在土工合成材料課題上的理論研究主要集中在探討加筋土的工作機理、筋材應力應變分析、土與筋材的界面特性、極限承載力計算、加筋土體穩(wěn)定性分析等方面。按所考察的對象，加筋土體的極限承載力和穩(wěn)定性計算方法可分為2類:將土與筋材看成2種材料，它們通過接觸面共同工作；將筋和土看成1種復合材料探討其工作機理。

2 幾種在國內比較有影響的計算方法

2.1 加筋土的等效附加應力法

試驗表明，加筋土的內摩擦角和未加筋土的內摩擦角，幾乎相同，只是增加了粘聚力c。在三軸試驗中，試樣破壞時附加圍壓與粘聚力增量的關系為:(1)當筋材水平布置時，為布筋間距；(2)為試樣破壞時筋材單位寬度所受的力(當三軸試驗破壞為筋材拉斷破壞時，即為筋材的拉斷強度，如果破壞是由于筋材過度變形所引起的，就是試樣破壞時的應變與其模量之積)。等效附加應力的基本思路是把加筋土的作用等效成附加應力沿筋材方向加在土骨架上，取加筋土中的土體進行計算。具體地講就是在有限元計算中只出現土單元，筋的作用僅當成外力(等效附加應力)加在土單元上，模擬筋材本身的單元并不出現。有限元計算中只需建立布筋方向上等效附加應力與布筋方向上土單元應變之間的關系；(3)在有限元模型中，假設土單元只包含1層筋，沿筋方向上土單元的伸長應變?yōu)?壓應變?yōu)樨?，拉應變?yōu)檎?，筋中的應力T可以通過筋材拉伸試驗曲線確定。

2.2 利用楔體平衡理論計算加筋土

沈珠江認為傳統(tǒng)的圓弧滑動法在考慮壩體穩(wěn)定性時，將壩體分為兩部分，其中一部分沿圓弧滑動，從而導致壩體破壞。但是，經過土工合成材料加固的堤壩，如果土工合成材料強度足夠，它將保證壩體的整體性，從而不可能發(fā)生圓弧滑動破壞，只存在壩體同土工合成材料一起整體變形的可能。這時的可能破壞形式有3種：壩體前傾；壩體后傾；壩體整體下沉。由于壩體通常都是對稱的，因此除非特別情況下要考慮水平荷載，否則加筋堤壩的唯一可能破壞形式就是堤壩同土工合成材料的整體下沉并伴隨側向擠出破壞，可以利用機動許可方法來求解加筋軟基的極限承載力。在文獻[3]中，利用機動許可法中的楔體平衡法1通過對加筋土體的力的平衡分析，從而得到加筋軟基的承載力。

2.3 復合材料法

把加筋土看成一種宏觀上的均勻的復合材料也是可行的解決方法，在這種方法中假定宏觀應力由素土的和筋材料的兩個微觀應力組成，其中，分別是素土和筋材的體積系數。根據這一原理，建立筋土復合材料本構關系模型。由于這一復合材料拉，壓模量不等，橫縱向性質不同，所以本構模型較復雜，方程也難求解。目前，國內從事這方面研究的人較少。

2.4 考慮加筋綜合效應的方法

徐少曼認為加筋土對承載力和穩(wěn)定性貢獻是多方面綜合作用的結果。因此，他提出一種綜合考慮了筋材的抗拉作用，摩擦作用和應力擴散作用的理論計算方法。同時，他通過對多種加筋情況的分析比較得出:在織物總抗拉強度或總模量相同的情況下，層織物與多層織物的加筋效果相同。

2.5 加筋地基的承載力提高公式

王釗在對筋材所受力進行全面分析的基礎上，提出加筋地基的承載力提高公式，他認為，層筋材提高地基承載力是很有限的，正確的布筋方式是采用多層筋材，形成加筋土(砂)墊層。

3 土工合成材料與土的界面特性

土工合成材料與土在各方面的性質差別較大，因此它們共同作用時，其界面特性也是很重要的研究課題。目前對土工合成材料與土的界面特性研究手段主要是直剪試驗和拉拔試驗。吳景海以5種不同種類型的國產土工合成材料為加筋材料，以砂和石灰粉煤灰為填料，利用直剪試驗和拉拔試驗，比較不同種類土工合成材料與填料的界面特性。

填料與土工合成材料的界面摩擦角由2部分組成：土工合成材料表面與填料表面的摩擦角；填料對土工合成材料橫格的部分的被動土壓力產生的摩擦角。土工織物只存在第1部分；土工格柵表面與填料接觸面太小，所以第2部分起控制作用。

4 土工合成材料的工程應用

4.1 加筋擋土墻

在道路等工程建設中，傳統(tǒng)的支擋結構大多是采用鋼筋混凝土重力式或懸臂式擋土墻。但是這些剛性結構不能適應不均勻沉降，而且投資大，施工占地多。而加筋擋土墻與之相比則有以下優(yōu)點：施工過程簡便，快速，不用大型的施工機械和特殊的專業(yè)技術人員；現場準備工作少，施工占地小，無需大量的運輸工作；由于是柔性結構，因此對地基要求較低，適用范圍更廣而且抗震性能好；造價經濟。

在RSS設計中，整體穩(wěn)定性分析的方法與素土邊坡穩(wěn)定分析的瑞典條分法的原理相類似。其公式推導僅考慮了力矩的平衡，忽略了土條自身的平衡，盡管簡單，但顯粗糙。有學者在此基礎上，考慮了土條自身平衡和張力對破裂面摩阻力的貢獻，推得相應表達式，并結合數學規(guī)劃技術，對多個合成材料加筋土結構的穩(wěn)定性進行了成功分析。 近年來，基于概率統(tǒng)計和可靠性概念的極限狀態(tài)法 (Limit State Approach)開始應用于加筋土結構的設計，不同的極限狀態(tài)，分項修正系數和可靠性指標的引入，使得設計考慮得更加全面，也預示著合成材料加筋土結構設計的深刻變革已經開始。

4.2 在護岸工程中的應用

我國18000多公里海岸線，有25%屬于三角洲和平原地帶，其中(70%左右的岸段處于侵蝕后退狀態(tài)，岸灘后退速率一般在10～20m/s。為防止海岸侵蝕，目前大部分國家仍在采用木樁，鋼管，混凝土等傳統(tǒng)材料和硬工程結構。但這些結構造價高，運輸和施工不方便，且維護費用高，利用土工合成材料的排水反濾、隔水防滲、柔性護底、可加筋壓載等多種功能建設護岸工程。不僅造價低，施工簡易，儲運方便，耐腐蝕性好，而且不會因為取木材，石材等而破壞生態(tài)環(huán)境。所以，使用土工合成材料是護岸工程的一個新的發(fā)展方向。

4.3 在軟基處理中的應用

路基結構中合成材料加筋的機理不是十分清楚，路基材料的CBR 值超過310(非飽和)或超過10(飽和)時，合成材料作為筋材加固作用已十分微弱，此時主要功能是隔離作用。 但是在沒有永久性面層結構的臨時性道路、拖拉機道路或其它次要道路中，采用高模量的合成材料取代或減少碎石墊層厚度，增加路基整體穩(wěn)定性的做法是可行的。江都港一號碼頭軟基處理就是應用土工合成材料處理大面積軟基的成功實例。

4.4 在堤壩工程中的應用

在水利工程的堤壩工程中，已經有不少應用土工合成材料的實例。劉漢龍利用PLAXIS程序對堤壩下的不同加筋情況進行計算，經比較得出堤壩下加筋的正確布置方法:

(1)在堤壩下加筋，如果單層布筋時，應加在堤壩底部稍偏上的部位，這樣不但能抑制位移的發(fā)展，而且能夠增強地基的整體穩(wěn)定性。如果多層布置則建議加2層，1層在底部，1層在中部，穿過最危險滑弧，抑制最危險滑弧的發(fā)展。

(2)無論在任何位置加筋，土工合成材料都有，1個最小長度，只有當加筋長度超過此長度時，才能發(fā)揮土工合成材料的作用。

2000年7月竣工的長江口深水航道治理一期工程就是在堤壩工程中應用土工合成材料的5個典型實例

4.5 邊坡加固加筋土技術

土工合成材料用于原位邊坡的加固，一般采用土工棒結合土工織物或土工格柵聯(lián)合使用。顯然這一應用技術與加筋土技術有本質區(qū)別，對于自然邊坡則屬于原位加固技術。 因此，這一技術與土釘工作機制相似。Koerner and Robins根據極限平衡理論和條分法概念，提出了整體穩(wěn)定分析計算公式，并考慮了：土工棒作為筋材穿過邊坡內部潛在破裂面，類似于土釘增加了邊坡穩(wěn)定性；土工織物或土工格柵鋪設在邊坡表面與土工棒連接，其張拉應力增加了邊坡滑動體的穩(wěn)定性；土工織物張拉應力的鎮(zhèn)壓作用，增加了潛在破裂面上法向應力，提高了邊坡整體滑動穩(wěn)定性；這一體系增加了邊坡土體的密實程度，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

5 研究趨勢

雖然土工材料加筋土研究成果非常多，并且技術趨于成熟。但是仍然有許多方面有待繼續(xù)深入研究和解決。

(1)目前，國際上尚無統(tǒng)一的土工合成材料測試標準。但是有一些較著名的標準，如本文前面部分所述，在我國企業(yè)B行業(yè)內現行的一些參照標準相互不統(tǒng)一，而且多數指標簡單粗糙。當前如何結合我國實際情況，制定出符合我國國情的測試標準已是迫在眉睫的問題。

(2)我國專門從事土工合成材料研究的科研人員很少，而從事生產實踐研究的更是寥寥無幾。這使得我們的加筋理論研究有限。另外，我國高校目前還沒有土工合成材料這方面的課程，致使多數土建設計人員對土工合成材料知之甚少。這在很大程度上限制了土工合成材料的進一步推廣使用。

(3)目前，國際上對加筋的作用機理還處在研究階段，沒有形成成熟的理論計算方法。我國科研人員沈珠江、徐少曼等也提出了自己的計算方法。但是目前還沒有一種權威的、大家都能接受的計算方法。

[1]吳景海.土工合成材料加筋的試驗研究和有限元分析[D].天津：天津大學，2000.

[2]介玉新，李廣信.加筋土數值計算的等效附加應力法[J].巖土工程學報，1999，21(5):614-616.

[3]沈珠江.Limit analysis of ground reinforced by geosynthtics[J].巖土工程學報，1998，(2).

[4]徐少曼.考慮加筋墊層綜合效應的堤壩下軟基穩(wěn)定性分析方法[A].土工合成材料加筋軟基的研究學術論文集[C].福州：福州大學，2000.