加筋土技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

袁東進(jìn)

摘要：加筋土技術(shù)在土木工程中應(yīng)用較廣，是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。通過(guò)加筋土實(shí)驗(yàn)研究、加筋機(jī)理的研究、計(jì)算方法的研究等現(xiàn)狀分析，指出當(dāng)前研究的特點(diǎn)，針對(duì)加筋技術(shù)目前研究的不足之處，從目前加筋的問(wèn)題和發(fā)展的趨勢(shì)，提出今后研究尚待進(jìn)一步探討關(guān)注的問(wèn)題。

Abstract： Reinforced soil technology is widely used in civil engineering， and it is a hot research topic in the field of civil engineering. Through the experimental research of reinforced soil， reinforcement mechanism research， calculation method of the analysis of the present situation， this paper pointed out the characteristics of current research， and aiming at the deficiencies of the reinforcement technology at present， from the problems and the development trend of the current reinforcement， it put forward the future research needs to be discussed further concern.

關(guān)鍵詞：加筋；試驗(yàn)研究；機(jī)理研究；計(jì)算方法研究；展望

Key words： reinforced；experimental study；mechanism study；calculation method research；prospect

中圖分類號(hào)：TU472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）36-0238-03

1 研究背景

從如何提高土的抗拉強(qiáng)度這一思路出發(fā)，有鑒于以受壓性能為主的混凝土中增加了能承受抗拉性能的鋼筋后，改善了混凝土的性能，共同發(fā)揮兩種材料的特性受到啟迪，發(fā)展了加筋土，土工合成材料也被譽(yù)為繼鋼筋、木材、水泥之后的第四種建材，是一種非常有生命力的新型土工材料。

土的加筋[1]是指在土中沉入碎石樁（或砂樁）；或在路堤或擋土墻內(nèi)鋪設(shè)土工聚合物，使這種人工復(fù)合土體可以承受抗拉、抗壓、抗剪、或抗彎作用，籍以提高地基承載力，減少沉降和增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性。這種加筋作用的土工合成材料稱為筋體，它隨著化工技術(shù)的發(fā)展而日新月異，材料性能不斷提高，加固作用也日趨明顯，從早期的平面加筋材料發(fā)展到現(xiàn)在的立體加筋材料。

將土工格柵、土工織物等傳統(tǒng)的加筋技術(shù)定義為平面加筋，而將土工格室這種新型的三維加筋技術(shù)定義為立體加筋。土工格室是上個(gè)世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型的土工合成材料，這是一種由高分子聚合物寬條帶經(jīng)過(guò)強(qiáng)力焊接而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它伸縮自如，運(yùn)輸時(shí)可以縮疊起來(lái)，使用時(shí)張開(kāi)，并在格室內(nèi)充填砂、碎石、或泥土等材料，構(gòu)成具有大側(cè)限和大剛度的結(jié)構(gòu)。它可以用來(lái)作為墊層提高軟基承載力；也可以鋪設(shè)在坡面，構(gòu)成坡面防護(hù)結(jié)構(gòu)；還可以用來(lái)建造支擋結(jié)構(gòu)等。目前廣泛用于淺層地基處理，坡面的防沖和城市的管道支撐等工程中。正因?yàn)樗绕矫婕咏畈牧系膬?yōu)點(diǎn)多，從而成為替代土工格柵的新一代理想產(chǎn)品。

2 文獻(xiàn)綜述

加拿大皇家軍事工程學(xué)院土木工程系教授理查德[2]（Richard.J.Bathilsf）等人采用砂土進(jìn)行了一系列的大尺寸三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)分為三種狀態(tài)：①未加土工格室的中密砂；②加土工格室的松散砂；③加土工格室的中密砂。從加土工格室和未加土工格室的中密砂在不同圍壓條件下，偏應(yīng)力和垂直應(yīng)變間的關(guān)系圖中可以看出：在相同圍壓條件下，加土工格室的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未加土工格室的，加土工格室試驗(yàn)在大變形時(shí)顯示應(yīng)變硬化特性。未加土工格室試樣只顯示出微小的粘聚力，而加土工格室后受側(cè)向的限制，顯示出很大的表觀粘聚力。

印度的馬德拉斯技術(shù)學(xué)校土木系工程部[3]在室內(nèi)做了加筋砂墊層的三軸試驗(yàn)，得出加筋后c值有了明顯的提高，c提高的程度與格室材料的強(qiáng)度有關(guān)，與上述里查德的實(shí)驗(yàn)大致相符合。

西安公路交通大學(xué)[4]采用7組不同規(guī)格的土工格室進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，土工格室的側(cè)向限制作用，對(duì)基層滑動(dòng)面的形成和發(fā)展有一定的控制作用。土工格室的常用規(guī)格能滿足不同墊層條件的要求。當(dāng)墊層變形量達(dá)到預(yù)定值土工格室墊層承載力增大7倍以上，此時(shí)墊層的土工格室仍沒(méi)損壞，變形是由下部軟弱基床破壞造成的。

鐵道部科學(xué)研究院[5，6]針對(duì)土工格室墊層這一復(fù)合材料做了試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)中重點(diǎn)研究了土工格室在受力條件下與其填料間的相互作用以及土工格室墊層在受力條件下的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系，得出如下結(jié)論：①土工格室復(fù)合材料在豎向加載過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出了明顯的雙線性關(guān)系；②在計(jì)算過(guò)程中土工格室復(fù)合材料可以近似的被當(dāng)作彈性材料來(lái)考慮，其變形模量E在10～25MPa之間；③土工格室復(fù)合材料在受壓狀態(tài)下產(chǎn)生的豎向變形主要來(lái)源于下面的三種變形：土工格室內(nèi)填料的塑性變形、土工格室內(nèi)填料的彈性變形、土工格室材料自身環(huán)向變形導(dǎo)致整個(gè)復(fù)合材料的豎向變形；④隨著加卸載循環(huán)次數(shù)的增加，土工格室復(fù)合材料整體累積塑性變形的增長(zhǎng)速率逐漸降低，荷載～變形曲線也越來(lái)越接近一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

上海鐵道大學(xué)[7]研究了列車運(yùn)行時(shí)設(shè)置土工格室后基床的應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，并與換砂法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：用土工格室后，軌下動(dòng)應(yīng)力的衰減大于換砂法，但枕木端部的動(dòng)應(yīng)力衰減比換砂法減?。换蚕?.25m處的應(yīng)力橫向分布衰減很小，且較之換砂法（出現(xiàn)了應(yīng)力集中和不均勻沉降）更加均勻。關(guān)于動(dòng)應(yīng)變，設(shè)置土工格室后軌下和軌心都變現(xiàn)為拉應(yīng)變，換算成拉應(yīng)力后，其值均遠(yuǎn)小于格室本身的最大抗拉強(qiáng)度。

長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院[8]進(jìn)行了黃土路堤土工格室護(hù)坡的沖刷模型試驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以邊坡坡率、江水流量、土工格室規(guī)格為主要影響因素，進(jìn)行了一系列的室內(nèi)模型沖刷對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果表明：對(duì)于黃土路堤邊坡而言，有土工格室防護(hù)的坡面不會(huì)形成連續(xù)的沖溝，沖刷深度小于10cm，無(wú)土工格室防護(hù)的坡面，可以形成連續(xù)的“V”型沖溝，沖刷深度可以達(dá)到20～30cm；采用土工格室可以減少40%的沖刷量，說(shuō)明土工格室對(duì)黃土路堤邊坡的沖刷防護(hù)效果很明顯，是一種有效的方法。

3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)

對(duì)于加筋機(jī)理的研究，一般通過(guò)理論分析，有限元分析，模型試驗(yàn)等方法，在整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析有限元數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上得出規(guī)律。在分析的過(guò)程中，一般都要作一些假設(shè)。通過(guò)引入這些假設(shè)，可以推導(dǎo)出設(shè)計(jì)的計(jì)算公式，但是這些假設(shè)在實(shí)際工程中是很難滿足的，所得的結(jié)果的準(zhǔn)確性就令人懷疑。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究，得到了一系列的很有意義的結(jié)論，加深了人們對(duì)加筋的機(jī)理的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了其在工程中的運(yùn)用，根據(jù)到目前為止的研究結(jié)果，加筋機(jī)理大致可以分兩大類：一類是摩擦加筋機(jī)理，二是準(zhǔn)粘聚力原理，或似粘聚力原理。

俞仲泉[9]通過(guò)土工離心模型試驗(yàn)，探討了土工織物加固堤基的機(jī)理，并得出：采用土工織物砂墊層復(fù)合體加固堤基有明顯的效果，即減少了堤軸線附近的最大沉降，也可以減少地基土的水平位移，并且提高了堤基的穩(wěn)定性，土工織物與砂墊層在界面上有相互滑動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮土工織物與砂墊層之間的界面特性。

徐少曼[10]認(rèn)為土工織物的綜合加筋效應(yīng)應(yīng)該包括三點(diǎn)：土工織物的抗拉作用，織物與土體的摩擦作用以及加筋層的應(yīng)力擴(kuò)散作用。按此方法計(jì)算，加筋土的安全系數(shù)大幅度提高，且與實(shí)測(cè)情況較為接近，可見(jiàn)，現(xiàn)行的規(guī)范僅考慮抗拉作用一項(xiàng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，徐少曼的方法就更為合理。

殷建華[11]建議了模擬軟土上土工合成材料的粒狀的數(shù)學(xué)模型，在Pasternak剪切假定的基礎(chǔ)上，在模型中增加了變形相容條件，并引入了土工合成材料的剛度參數(shù)。與現(xiàn)有的二維模型和三維模型比較，該模型在變形和拉力方面獲得了更好的成果。

李廣信[12]在Yan“等效附加應(yīng)力”理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行引伸，在加筋土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中成功介入了筋材的等效附加應(yīng)力法，并給出了模擬筋材等效的附加應(yīng)力表達(dá)式。這是一種新的計(jì)算加筋土應(yīng)力變形的方法。它無(wú)需建立和引進(jìn)任何新的本構(gòu)模型，完全可以使用已經(jīng)建立的關(guān)于土的本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)，并用一個(gè)等效的附加應(yīng)力來(lái)代替筋材的作用，即可進(jìn)行加筋土的應(yīng)力變形計(jì)算。

王鐵儒[13]把油罐地基下的加筋墊層當(dāng)成以砂石為基質(zhì)，土工合成材料為增強(qiáng)體的層合板，采用彈性地基上的薄板理論來(lái)計(jì)算墊層的變形。俞仲泉從土工織物約束土體水平位移這一點(diǎn)出發(fā)，采用分層總和計(jì)算法，但這一結(jié)果不需要乘以地基中的綜合修正系數(shù)，就可以作為加筋堤壩的沉降量。

Gzalatkay[14]介紹了一種水平加筋地基的沉降計(jì)算方法，假定地基土體的彈性模量隨深度而變化，采用虎克定律求出應(yīng)變?nèi)缓笥脠D解法積分得出沉降，計(jì)算中把織物上、下加固范圍內(nèi)的土體指標(biāo)E，u由三軸試驗(yàn)確定，此范圍以外的土仍用原來(lái)的指標(biāo)，但是這種算法未考慮加筋引起的地基附加應(yīng)力變化。

土工織物加筋墊層對(duì)的沉降的影響目前有兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為加筋對(duì)減小地基沉降無(wú)效，或不明顯；另一種看法認(rèn)為加筋能夠有效地減少地基的沉降量。兩種意見(jiàn)都有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或者有限元計(jì)算結(jié)果證明它。

加筋對(duì)沉降的影響與很多因素有關(guān)，如工程的尺寸，筋體本身強(qiáng)度特性，加筋層數(shù)和高度，地基土體的性質(zhì)，軟土層的厚度，填土高度等，所以對(duì)沉降的分析要綜合考慮各種因素。

相對(duì)而言，加筋路堤的沉降計(jì)算方法研究很少，目前沒(méi)有成熟的方法。

4 展望

近年來(lái)，隨著我國(guó)現(xiàn)代化事業(yè)的不斷推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，帶動(dòng)了相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，修建了大量的公路、堤防、鐵路。我國(guó)的東部沿海地區(qū)是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要地區(qū)，這些地方的土以軟土為主，在這些地方進(jìn)行地基處理的時(shí)候，加筋技術(shù)是一項(xiàng)比較經(jīng)濟(jì)且效果比較明顯的方法。加筋法處理軟土地基已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，實(shí)踐表明，這種方法具有施工簡(jiǎn)便，造價(jià)低，工期短，效果良好等優(yōu)點(diǎn)。然而，對(duì)加筋路堤的設(shè)計(jì)還停留在概念設(shè)計(jì)上，尤其是土工格室這種新型的品質(zhì)卓越的加筋材料，目前的規(guī)范上并沒(méi)有相應(yīng)的說(shuō)明，平面加筋的計(jì)算方法很不成熟，計(jì)算的加固效果遠(yuǎn)不如實(shí)測(cè)值，造成盲目性和浪費(fèi)。因此加強(qiáng)對(duì)加筋機(jī)理的研究，有利于揭示加筋體與地基土，填料之間的作用機(jī)理，評(píng)價(jià)加筋效果，發(fā)展土工合成材料加筋處理軟基的分析計(jì)算方法。

從目前加筋的問(wèn)題和發(fā)展的趨勢(shì)看，尚待進(jìn)一步探討研究的問(wèn)題主要包括：

①傳統(tǒng)的平面加筋的穩(wěn)定性計(jì)算方法已經(jīng)不能滿足實(shí)際工程設(shè)計(jì)的需要，盡快地從大量的工程實(shí)踐中總結(jié)出一些比較合理的計(jì)算方法需要進(jìn)一步的研究。

②數(shù)值計(jì)算方面，建議全面考慮填土的施工過(guò)程、土體的滲流，固結(jié)和變形等方面，更準(zhǔn)確的找出土體變形規(guī)律，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

③如何合理的模擬處土工格室與其中填料相互作用，在土工格室加筋層本構(gòu)模型中如何考慮到筋材與其中填料之間的接觸問(wèn)題，提出比較合理的界面接觸單元模型。

④為了更好的模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可以進(jìn)行室內(nèi)加筋土的大三軸試驗(yàn)，獲得的結(jié)論會(huì)更加的精確，對(duì)工程建設(shè)的指導(dǎo)意義也更明顯。

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