土工材料加筋土的发展

郭 妍

(福建林业职业技术学院，福建 南平 353000)

土工合成材料广泛应用于现代岩土工程是在20世纪中期以后，最初以土工织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栅、土工网等和其组合产品.在近20年中，这类材料相继在岩土工程中应用获得成功，成为建材领域中继木材、钢材和水泥之后的第四大类材料，并被誉为岩土工程领域的一次“革命”。其中加筋土材料运用较为广泛。加筋土技术的推广和应用起始于1965年法国工程师Henri vidal提出的加筋土的概念和设计理论起初的加筋材料主要是金属材料，由于金属材料抵御化学腐蚀的能力较弱，而且成本高"其使用范围受到较大限制。20世纪90年代初我国开始将土工合成材料应用于加筋土工程，到90年代中期，其应用范围已涉及铁路，公路工程的软基处理，加筋挡土墙，加筋土桥台，加筋陡坡，加筋地基等。近年来，在海岸工程中也得到迅速推广应用。但是，目前国内在现场观测，模型试验和理论研究方面还相对滞后。国内对土工合成材料尚无统一的测试标准，国际比较著名的标准有国际土工合成材料学会(IGS)，美国材料试验学会(ASM)、国际标准组织(ISO)、德国标准化研究所(DIN)等。

1 理论计算

土工合成材料的理论和计算方法目前在土工合成材料课题上的理论研究主要集中在探讨加筋土的工作机理、筋材应力应变分析、土与筋材的界面特性、极限承载力计算、加筋土体稳定性分析等方面。按所考察的对象，加筋土体的极限承载力和稳定性计算方法可分为2类:将土与筋材看成2种材料，它们通过接触面共同工作；将筋和土看成1种复合材料探讨其工作机理。

2 几种在国内比较有影响的计算方法

2.1 加筋土的等效附加应力法

试验表明，加筋土的内摩擦角和未加筋土的内摩擦角，几乎相同，只是增加了粘聚力c。在三轴试验中，试样破坏时附加围压与粘聚力增量的关系为:(1)当筋材水平布置时，为布筋间距；(2)为试样破坏时筋材单位宽度所受的力(当三轴试验破坏为筋材拉断破坏时，即为筋材的拉断强度，如果破坏是由于筋材过度变形所引起的，就是试样破坏时的应变与其模量之积)。等效附加应力的基本思路是把加筋土的作用等效成附加应力沿筋材方向加在土骨架上，取加筋土中的土体进行计算。具体地讲就是在有限元计算中只出现土单元，筋的作用仅当成外力(等效附加应力)加在土单元上，模拟筋材本身的单元并不出现。有限元计算中只需建立布筋方向上等效附加应力与布筋方向上土单元应变之间的关系；(3)在有限元模型中，假设土单元只包含1层筋，沿筋方向上土单元的伸长应变为(压应变为负，拉应变为正)，筋中的应力T可以通过筋材拉伸试验曲线确定。

2.2 利用楔体平衡理论计算加筋土

沈珠江认为传统的圆弧滑动法在考虑坝体稳定性时，将坝体分为两部分，其中一部分沿圆弧滑动，从而导致坝体破坏。但是，经过土工合成材料加固的堤坝，如果土工合成材料强度足够，它将保证坝体的整体性，从而不可能发生圆弧滑动破坏，只存在坝体同土工合成材料一起整体变形的可能。这时的可能破坏形式有3种：坝体前倾；坝体后倾；坝体整体下沉。由于坝体通常都是对称的，因此除非特别情况下要考虑水平荷载，否则加筋堤坝的唯一可能破坏形式就是堤坝同土工合成材料的整体下沉并伴随侧向挤出破坏，可以利用机动许可方法来求解加筋软基的极限承载力。在文献[3]中，利用机动许可法中的楔体平衡法1通过对加筋土体的力的平衡分析，从而得到加筋软基的承载力。

2.3 复合材料法

把加筋土看成一种宏观上的均匀的复合材料也是可行的解决方法，在这种方法中假定宏观应力由素土的和筋材料的两个微观应力组成，其中，分别是素土和筋材的体积系数。根据这一原理，建立筋土复合材料本构关系模型。由于这一复合材料拉，压模量不等，横纵向性质不同，所以本构模型较复杂，方程也难求解。目前，国内从事这方面研究的人较少。

2.4 考虑加筋综合效应的方法

徐少曼认为加筋土对承载力和稳定性贡献是多方面综合作用的结果。因此，他提出一种综合考虑了筋材的抗拉作用，摩擦作用和应力扩散作用的理论计算方法。同时，他通过对多种加筋情况的分析比较得出:在织物总抗拉强度或总模量相同的情况下，层织物与多层织物的加筋效果相同。

2.5 加筋地基的承载力提高公式

王钊在对筋材所受力进行全面分析的基础上，提出加筋地基的承载力提高公式，他认为，层筋材提高地基承载力是很有限的，正确的布筋方式是采用多层筋材，形成加筋土(砂)垫层。

3 土工合成材料与土的界面特性

土工合成材料与土在各方面的性质差别较大，因此它们共同作用时，其界面特性也是很重要的研究课题。目前对土工合成材料与土的界面特性研究手段主要是直剪试验和拉拔试验。吴景海以5种不同种类型的国产土工合成材料为加筋材料，以砂和石灰粉煤灰为填料，利用直剪试验和拉拔试验，比较不同种类土工合成材料与填料的界面特性。

填料与土工合成材料的界面摩擦角由2部分组成：土工合成材料表面与填料表面的摩擦角；填料对土工合成材料横格的部分的被动土压力产生的摩擦角。土工织物只存在第1部分；土工格栅表面与填料接触面太小，所以第2部分起控制作用。

4 土工合成材料的工程应用

4.1 加筋挡土墙

在道路等工程建设中，传统的支挡结构大多是采用钢筋混凝土重力式或悬臂式挡土墙。但是这些刚性结构不能适应不均匀沉降，而且投资大，施工占地多。而加筋挡土墙与之相比则有以下优点：施工过程简便，快速，不用大型的施工机械和特殊的专业技术人员；现场准备工作少，施工占地小，无需大量的运输工作；由于是柔性结构，因此对地基要求较低，适用范围更广而且抗震性能好；造价经济。

在RSS设计中，整体稳定性分析的方法与素土边坡稳定分析的瑞典条分法的原理相类似。其公式推导仅考虑了力矩的平衡，忽略了土条自身的平衡，尽管简单，但显粗糙。有学者在此基础上，考虑了土条自身平衡和张力对破裂面摩阻力的贡献，推得相应表达式，并结合数学规划技术，对多个合成材料加筋土结构的稳定性进行了成功分析。 近年来，基于概率统计和可靠性概念的极限状态法 (Limit State Approach)开始应用于加筋土结构的设计，不同的极限状态，分项修正系数和可靠性指标的引入，使得设计考虑得更加全面，也预示着合成材料加筋土结构设计的深刻变革已经开始。

4.2 在护岸工程中的应用

我国18000多公里海岸线，有25%属于三角洲和平原地带，其中(70%左右的岸段处于侵蚀后退状态，岸滩后退速率一般在10～20m/s。为防止海岸侵蚀，目前大部分国家仍在采用木桩，钢管，混凝土等传统材料和硬工程结构。但这些结构造价高，运输和施工不方便，且维护费用高，利用土工合成材料的排水反滤、隔水防渗、柔性护底、可加筋压载等多种功能建设护岸工程。不仅造价低，施工简易，储运方便，耐腐蚀性好，而且不会因为取木材，石材等而破坏生态环境。所以，使用土工合成材料是护岸工程的一个新的发展方向。

4.3 在软基处理中的应用

路基结构中合成材料加筋的机理不是十分清楚，路基材料的CBR 值超过310(非饱和)或超过10(饱和)时，合成材料作为筋材加固作用已十分微弱，此时主要功能是隔离作用。 但是在没有永久性面层结构的临时性道路、拖拉机道路或其它次要道路中，采用高模量的合成材料取代或减少碎石垫层厚度，增加路基整体稳定性的做法是可行的。江都港一号码头软基处理就是应用土工合成材料处理大面积软基的成功实例。

4.4 在堤坝工程中的应用

在水利工程的堤坝工程中，已经有不少应用土工合成材料的实例。刘汉龙利用PLAXIS程序对堤坝下的不同加筋情况进行计算，经比较得出堤坝下加筋的正确布置方法:

(1)在堤坝下加筋，如果单层布筋时，应加在堤坝底部稍偏上的部位，这样不但能抑制位移的发展，而且能够增强地基的整体稳定性。如果多层布置则建议加2层，1层在底部，1层在中部，穿过最危险滑弧，抑制最危险滑弧的发展。

(2)无论在任何位置加筋，土工合成材料都有，1个最小长度，只有当加筋长度超过此长度时，才能发挥土工合成材料的作用。

2000年7月竣工的长江口深水航道治理一期工程就是在堤坝工程中应用土工合成材料的5个典型实例

4.5 边坡加固加筋土技术

土工合成材料用于原位边坡的加固，一般采用土工棒结合土工织物或土工格栅联合使用。显然这一应用技术与加筋土技术有本质区别，对于自然边坡则属于原位加固技术。 因此，这一技术与土钉工作机制相似。Koerner and Robins根据极限平衡理论和条分法概念，提出了整体稳定分析计算公式，并考虑了：土工棒作为筋材穿过边坡内部潜在破裂面，类似于土钉增加了边坡稳定性；土工织物或土工格栅铺设在边坡表面与土工棒连接，其张拉应力增加了边坡滑动体的稳定性；土工织物张拉应力的镇压作用，增加了潜在破裂面上法向应力，提高了边坡整体滑动稳定性；这一体系增加了边坡土体的密实程度，提高了边坡的稳定性。

5 研究趋势

虽然土工材料加筋土研究成果非常多，并且技术趋于成熟。但是仍然有许多方面有待继续深入研究和解决。

(1)目前，国际上尚无统一的土工合成材料测试标准。但是有一些较著名的标准，如本文前面部分所述，在我国企业B行业内现行的一些参照标准相互不统一，而且多数指标简单粗糙。当前如何结合我国实际情况，制定出符合我国国情的测试标准已是迫在眉睫的问题。

(2)我国专门从事土工合成材料研究的科研人员很少，而从事生产实践研究的更是寥寥无几。这使得我们的加筋理论研究有限。另外，我国高校目前还没有土工合成材料这方面的课程，致使多数土建设计人员对土工合成材料知之甚少。这在很大程度上限制了土工合成材料的进一步推广使用。

(3)目前，国际上对加筋的作用机理还处在研究阶段，没有形成成熟的理论计算方法。我国科研人员沈珠江、徐少曼等也提出了自己的计算方法。但是目前还没有一种权威的、大家都能接受的计算方法。

[1]吴景海.土工合成材料加筋的试验研究和有限元分析[D].天津：天津大学，2000.

[2]介玉新，李广信.加筋土数值计算的等效附加应力法[J].岩土工程学报，1999，21(5):614-616.

[3]沈珠江.Limit analysis of ground reinforced by geosynthtics[J].岩土工程学报，1998，(2).

[4]徐少曼.考虑加筋垫层综合效应的堤坝下软基稳定性分析方法[A].土工合成材料加筋软基的研究学术论文集[C].福州：福州大学，2000.