淺談加筋土擋土墻及拉筋的發(fā)展＊

王天鵬，賈其萃，馬子昌

（1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

與一般的重力式或懸臂式鋼筋混凝土擋土墻等剛性結(jié)構(gòu)物相比，加筋土是一種柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)物，對于軟弱地基有更好的適應(yīng)性，而地基變形對加筋土擋土墻的影響也比剛性結(jié)構(gòu)物更小，因此被應(yīng)用于支擋結(jié)構(gòu)中。在經(jīng)過國內(nèi)外大量工程實踐和理論研究后，加筋土擋土墻技術(shù)有了新的進(jìn)展和技術(shù)革新，而且其拉筋的發(fā)展也直接影響著該技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新。

1 發(fā)展概況

1.1 國外加筋土擋土墻技術(shù)發(fā)展概況

加筋土工程起源于法國，由亨利·維達(dá)爾（Henri Vidal）于1963 年所發(fā)明，他首先研究了土中加筋的作用，而后付諸于實踐[1]。1965 年冬季，法國建成了世界上第一座加筋土擋土墻，因其擁有較好的性能和經(jīng)濟(jì)效益，加筋土擋土墻在世界各國得到了廣泛推廣應(yīng)用。日本于1967 年便將此項技術(shù)引進(jìn)，并且在日本國營鐵路進(jìn)行了原型實驗，后又進(jìn)行了該結(jié)構(gòu)對地震的適應(yīng)性試驗，近年來，日本的加筋土技術(shù)一直穩(wěn)步發(fā)展。美國的加筋土擋土墻技術(shù)起步較晚，于1969年引入加筋土技術(shù)后發(fā)展迅速。1972 年，美國第一個加筋擋土墻修建于加利福尼亞州洛杉磯東北部的39 號高速公路[2]，而后該技術(shù)被大面積推廣，且于1974 年被批準(zhǔn)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的施工方法。自加筋技術(shù)問世以來，不同的加筋體系得以發(fā)展和應(yīng)用。美國在長久的實踐中已有一定規(guī)模的加筋體系，發(fā)展了多種加筋材料類型和面板類型。當(dāng)前，加筋土結(jié)構(gòu)的材料和工藝的發(fā)展，使加筋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加廣泛。

1.2 國內(nèi)加筋土擋土墻技術(shù)發(fā)展情況

我國應(yīng)用加筋土技術(shù)已達(dá)上千年，古代的勞動人民最初采用的加筋材料都為天然植物纖維，如竹子、樹枝、草等。如我國古代用植物纖維摻入土中修筑城墻和房屋墻體，還有建于兩千多年前的中國長城，有些地方就是在黏土和礫石中添加柳枝“加筋材”來修筑城墻。但遺憾的是，這些加筋土的應(yīng)用由于無人進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)和完善，因此該技術(shù)在我國早期沒有較大發(fā)展。

加筋土技術(shù)于20 世紀(jì)70 年代末才在我國開始蓬勃發(fā)展，我國于1980 年在山西修建了第一座加筋土擋土墻[3]，與此同時，對加筋土技術(shù)進(jìn)行了研究，建立了相應(yīng)的工程技術(shù)規(guī)范。同時，在工程實踐的基礎(chǔ)上研制了很多符合我國國情的結(jié)構(gòu)形式和材料。近年來，我國更加重視加筋土擋土墻的應(yīng)用，迄今已建立數(shù)千座加筋土工程，廣泛應(yīng)用于路基、水利、水運、城市建設(shè)等工程中。

2 技術(shù)原理

加筋土擋土墻一般由面板、加筋材料和土體填料等主要部分組成。該結(jié)構(gòu)存在著擋土墻面板上的壓力、土體填料自重壓力、拉筋拉力和土體填料與筋條間的摩擦力等，相互作用保證了該復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。總的來說，加筋土擋土墻是利用土體填料和筋條之間所產(chǎn)生的摩擦力，使土體呈復(fù)合體，提高土體強度，抵抗墻后填土產(chǎn)生的側(cè)壓力。該技術(shù)原理一般可歸納為以下兩點。

2.1 準(zhǔn)粘聚力原理

由于加筋土可看成各向異性的復(fù)合體，拉筋與土體相比，其彈性模量更大，尤其是隨著拉筋的發(fā)展，拉筋和土體在共同工作情況下，加筋土的的強度顯著提高，該強度的提升被稱為準(zhǔn)粘聚力。

2.2 摩擦加筋理論

由填土自重和外力產(chǎn)生的側(cè)壓力作用于面板，通過面板上的筋帶連接件將側(cè)壓和傳給筋帶。筋帶材料被土壓住，筋帶與土之間產(chǎn)生的摩阻力阻止筋帶被拔出。因而，在擋土墻面板與拉筋穩(wěn)固連接時，只要拉筋材料具有足夠的強度，并與土體產(chǎn)生足夠的摩擦力，加筋的土體就可保持穩(wěn)定。

3 拉筋的發(fā)展

拉筋與土體填料間的摩擦力影響著加筋土擋土墻的性能和承載力，因此拉筋在擋土墻中的作用至關(guān)重要，應(yīng)具備較高抗拉強度，延伸率和蠕變變形小，有較好的柔性、抗腐性，與填土間有較大摩擦力，便于制作，價格低廉的特性。

3.1 拉筋的種類

隨著加筋土技術(shù)的不斷發(fā)展，拉筋的種類也不斷豐富。按材質(zhì)來劃分，拉筋可以劃分為以下四類。

3.1.1 植物拉筋

植物拉筋如稻草、竹筋，我國在20 世紀(jì)80 年代就曾試用竹筋作為拉筋。這種拉筋一般只用于臨時性工程。這種拉筋方法也印證了我國古代勞動人民在土中加入植物纖維以增強土體強度的做法是可取的，但隨著國家對于建筑物安全指標(biāo)要求的提高，植物拉筋的方法應(yīng)用較窄。

3.1.2 土工合成物

土工合成物如聚丙烯、聚乙烯、尼龍和聚酯等，我國首先采用聚丙烯塑料帶，并廣泛應(yīng)用與公路工程。20 世紀(jì)80年代中期，隨著土工合成材料的蓬勃發(fā)展，土工格柵被廣泛用作加筋土擋土墻的筋材。該筋材有經(jīng)過拉伸形成的具有方形或矩形的聚合物塑料網(wǎng)材和以高強度玻璃纖維為材質(zhì)，配合自粘感壓膠和表面瀝青浸漬處理可產(chǎn)生較大摩擦力的玻璃纖維網(wǎng)材等兩種形式。土工合成物的運用，有利地推動了擋土墻拉筋的發(fā)展，但因其變形和蠕變都較大，且因其使用年限短而無法認(rèn)證抗老化性能。

3.1.3 金屬材料

金屬材料如扁鋼帶和帶肋鋼帶，這類拉筋的效果好，但造價很高，長期防腐難以保證。在20 世紀(jì)末，國外大都采用小于12 cm 寬的鍍鋅鋼帶或鋼帶，為增大其總抗拔力，也有人將其表面做成鋸齒狀的[4]。我國80 年代初期曾試用復(fù)銅廢鋼帶作為拉筋，充分利用了就地取材的優(yōu)勢，產(chǎn)生了較好的效果，但并未解決筋帶較易腐蝕的問題。

3.1.4 復(fù)合材料

復(fù)合材料常用的有鋼筋混凝土帶和鋼塑復(fù)合加筋帶，我國鐵路設(shè)計基本上是采用混凝土分節(jié)串聯(lián)加筋。經(jīng)過眾多的工程實踐發(fā)現(xiàn)，該種材料的拉筋適合我國國情，并已為廣大加筋土擋墻工作者所采用。

3.2 拉筋的不足

許多工程實踐和理論研究表明，加筋土擋土墻技術(shù)存在一些不足。由于加筋土作用機理的復(fù)雜性導(dǎo)致多種不完備設(shè)計理論并存，有時依據(jù)設(shè)計理論計算的數(shù)據(jù)在模型試驗中不能得到理想驗證，而從模型試驗中得到的數(shù)據(jù)有時又與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)差異較大，這使得設(shè)計人員對加筋設(shè)計信心不足，為工程安全考慮只好依據(jù)個人經(jīng)驗增加拉筋數(shù)量，從而導(dǎo)致費用增加[5]，并且筋帶表面難以防腐以及對填料適應(yīng)性較差等問題一直亟待解決。

3.3 拉筋的創(chuàng)新點

拉筋的進(jìn)一步完善和創(chuàng)新是推動加筋土擋土墻發(fā)展的動力之一，其創(chuàng)新可以從以下幾個方面著手。

3.3.1 加強拉筋的抗腐蝕性

由于拉筋在土體內(nèi)會產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，如微生物侵蝕、酸性土壤腐蝕等，都可能使拉筋局部腐蝕破壞，進(jìn)而導(dǎo)致加筋土擋土墻的使用年限縮短。將拉筋結(jié)合致密抗氧化涂料制成更抗腐蝕的筋材是未來拉筋發(fā)展的方向之一。

3.3.2 加強拉筋的可持續(xù)發(fā)展

在我國樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策的背景下，大力發(fā)展清潔環(huán)?？沙掷m(xù)的筋材是必由之路。

如今，新材料的研究不斷深入，如何推廣應(yīng)用于加筋土擋土墻筋材，對環(huán)境更加友好，更加有效地利用廢棄物品再加工成筋材是該領(lǐng)域的研究方向之一。

3.3.3 拉筋形式多樣化

加筋土工程施工中，涌現(xiàn)了多樣的拉筋形式，包括單向線性、單向平面、雙向平面等，常使用如光面鋼帶、土工合成帶、土工格柵、鋼筋混凝土網(wǎng)等加筋方式。但擋土墻本身工作性狀復(fù)雜，工程實踐并沒有較好地和理論計算結(jié)果貼合，因而拉筋形式應(yīng)因地制宜，以便增加工程可靠度和經(jīng)濟(jì)效益。

3.3.4 發(fā)展新拉筋技術(shù)

鑒于加筋土擋土墻技術(shù)存在一些難以解決的問題，發(fā)展新的拉筋技術(shù)或者尋找新式代替筋材可能是根本性解決問題的關(guān)鍵。近年來，我國提出了一種可替代拉筋的新型質(zhì)料——加筋環(huán)[6]。加筋環(huán)的作業(yè)機理是充分利用鋼筋受拉強度高的特性，加筋環(huán)內(nèi)的土體填料在垂直荷載和自重的作用下受到擠壓并產(chǎn)生側(cè)向膨脹，而加筋環(huán)束縛了這種側(cè)向變形，使側(cè)向壓力全部轉(zhuǎn)化為由鋼筋圓環(huán)來包袱，還有包括預(yù)應(yīng)力加筋技術(shù)在內(nèi)的其他新拉筋技術(shù)正愈加受到工程界的重視。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)對于此技術(shù)的重視程度也在逐漸提升，采用加筋土擋土墻技術(shù)的工程會越來越多，因此研究此類加筋土技術(shù)和拉筋的發(fā)展，同時以此為依據(jù)指導(dǎo)支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工，對建設(shè)美麗中國、提高支擋結(jié)構(gòu)可靠度及減少工程耗費具有重要的現(xiàn)實意義，也具有很高的工程實用和經(jīng)濟(jì)價值。