加筋土技术的研究现状与展望

袁东进

摘要：加筋土技术在土木工程中应用较广，是目前研究的一个热点。通过加筋土实验研究、加筋机理的研究、计算方法的研究等现状分析，指出当前研究的特点，针对加筋技术目前研究的不足之处，从目前加筋的问题和发展的趋势，提出今后研究尚待进一步探讨关注的问题。

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.

关键词：加筋；试验研究；机理研究；计算方法研究；展望

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

中图分类号：TU472 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）36-0238-03

1 研究背景

从如何提高土的抗拉强度这一思路出发，有鉴于以受压性能为主的混凝土中增加了能承受抗拉性能的钢筋后，改善了混凝土的性能，共同发挥两种材料的特性受到启迪，发展了加筋土，土工合成材料也被誉为继钢筋、木材、水泥之后的第四种建材，是一种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桩（或砂桩）；或在路堤或挡土墙内铺设土工聚合物，使这种人工复合土体可以承受抗拉、抗压、抗剪、或抗弯作用，籍以提高地基承载力，减少沉降和增强地基的稳定性。这种加筋作用的土工合成材料称为筋体，它随着化工技术的发展而日新月异，材料性能不断提高，加固作用也日趋明显，从早期的平面加筋材料发展到现在的立体加筋材料。

将土工格栅、土工织物等传统的加筋技术定义为平面加筋，而将土工格室这种新型的三维加筋技术定义为立体加筋。土工格室是上个世纪90年代出现的一种新型的土工合成材料，这是一种由高分子聚合物宽条带经过强力焊接而成的三维网状结构，它伸缩自如，运输时可以缩叠起来，使用时张开，并在格室内充填砂、碎石、或泥土等材料，构成具有大侧限和大刚度的结构。它可以用来作为垫层提高软基承载力；也可以铺设在坡面，构成坡面防护结构；还可以用来建造支挡结构等。目前广泛用于浅层地基处理，坡面的防冲和城市的管道支撑等工程中。正因为它比平面加筋材料的优点多，从而成为替代土工格栅的新一代理想产品。

2 文献综述

加拿大皇家军事工程学院土木工程系教授理查德[2]（Richard.J.Bathilsf）等人采用砂土进行了一系列的大尺寸三轴试验。试验分为三种状态：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。从加土工格室和未加土工格室的中密砂在不同围压条件下，偏应力和垂直应变间的关系图中可以看出：在相同围压条件下，加土工格室的应力值远远大于未加土工格室的，加土工格室试验在大变形时显示应变硬化特性。未加土工格室试样只显示出微小的粘聚力，而加土工格室后受侧向的限制，显示出很大的表观粘聚力。

印度的马德拉斯技术学校土木系工程部[3]在室内做了加筋砂垫层的三轴试验，得出加筋后c值有了明显的提高，c提高的程度与格室材料的强度有关，与上述里查德的实验大致相符合。

西安公路交通大学[4]采用7组不同规格的土工格室进行静载试验，测试结果表明，土工格室的侧向限制作用，对基层滑动面的形成和发展有一定的控制作用。土工格室的常用规格能满足不同垫层条件的要求。当垫层变形量达到预定值土工格室垫层承载力增大7倍以上，此时垫层的土工格室仍没损坏，变形是由下部软弱基床破坏造成的。

铁道部科学研究院[5，6]针对土工格室垫层这一复合材料做了试验研究，在试验中重点研究了土工格室在受力条件下与其填料间的相互作用以及土工格室垫层在受力条件下的应力～应变关系，得出如下结论：①土工格室复合材料在竖向加载过程中应力应变关系表现出了明显的双线性关系；②在计算过程中土工格室复合材料可以近似的被当作弹性材料来考虑，其变形模量E在10～25MPa之间；③土工格室复合材料在受压状态下产生的竖向变形主要来源于下面的三种变形：土工格室内填料的塑性变形、土工格室内填料的弹性变形、土工格室材料自身环向变形导致整个复合材料的竖向变形；④随着加卸载循环次数的增加，土工格室复合材料整体累积塑性变形的增长速率逐渐降低，荷载～变形曲线也越来越接近一个稳定的状态。

上海铁道大学[7]研究了列车运行时设置土工格室后基床的应力应变的变化规律，并与换砂法进行了比较，结果表明：用土工格室后，轨下动应力的衰减大于换砂法，但枕木端部的动应力衰减比换砂法减小；基床下0.25m处的应力横向分布衰减很小，且较之换砂法（出现了应力集中和不均匀沉降）更加均匀。关于动应变，设置土工格室后轨下和轨心都变现为拉应变，换算成拉应力后，其值均远小于格室本身的最大抗拉强度。

长安大学公路学院[8]进行了黄土路堤土工格室护坡的冲刷模型试验，采用正交试验设计方法，以边坡坡率、江水流量、土工格室规格为主要影响因素，进行了一系列的室内模型冲刷对比试验，试验的结果表明：对于黄土路堤边坡而言，有土工格室防护的坡面不会形成连续的冲沟，冲刷深度小于10cm，无土工格室防护的坡面，可以形成连续的“V”型冲沟，冲刷深度可以达到20～30cm；采用土工格室可以减少40%的冲刷量，说明土工格室对黄土路堤边坡的冲刷防护效果很明显，是一种有效的方法。

3 国内外相关经验

对于加筋机理的研究，一般通过理论分析，有限元分析，模型试验等方法，在整理试验数据和分析有限元数值计算的基础上得出规律。在分析的过程中，一般都要作一些假设。通过引入这些假设，可以推导出设计的计算公式，但是这些假设在实际工程中是很难满足的，所得的结果的准确性就令人怀疑。国内外许多学者对这一领域进行了广泛的研究，得到了一系列的很有意义的结论，加深了人们对加筋的机理的认识，促进了其在工程中的运用，根据到目前为止的研究结果，加筋机理大致可以分两大类：一类是摩擦加筋机理，二是准粘聚力原理，或似粘聚力原理。

俞仲泉[9]通过土工离心模型试验，探讨了土工织物加固堤基的机理，并得出：采用土工织物砂垫层复合体加固堤基有明显的效果，即减少了堤轴线附近的最大沉降，也可以减少地基土的水平位移，并且提高了堤基的稳定性，土工织物与砂垫层在界面上有相互滑动，在设计时，应考虑土工织物与砂垫层之间的界面特性。

徐少曼[10]认为土工织物的综合加筋效应应该包括三点：土工织物的抗拉作用，织物与土体的摩擦作用以及加筋层的应力扩散作用。按此方法计算，加筋土的安全系数大幅度提高，且与实测情况较为接近，可见，现行的规范仅考虑抗拉作用一项是远远不够的。因此，徐少曼的方法就更为合理。

殷建华[11]建议了模拟软土上土工合成材料的粒状的数学模型，在Pasternak剪切假定的基础上，在模型中增加了变形相容条件，并引入了土工合成材料的刚度参数。与现有的二维模型和三维模型比较，该模型在变形和拉力方面获得了更好的成果。

李广信[12]在Yan“等效附加应力”理论的基础上进行引伸，在加筋土的应力应变关系中成功介入了筋材的等效附加应力法，并给出了模拟筋材等效的附加应力表达式。这是一种新的计算加筋土应力变形的方法。它无需建立和引进任何新的本构模型，完全可以使用已经建立的关于土的本构模型和计算参数，并用一个等效的附加应力来代替筋材的作用，即可进行加筋土的应力变形计算。

王铁儒[13]把油罐地基下的加筋垫层当成以砂石为基质，土工合成材料为增强体的层合板，采用弹性地基上的薄板理论来计算垫层的变形。俞仲泉从土工织物约束土体水平位移这一点出发，采用分层总和计算法，但这一结果不需要乘以地基中的综合修正系数，就可以作为加筋堤坝的沉降量。

Gzalatkay[14]介绍了一种水平加筋地基的沉降计算方法，假定地基土体的弹性模量随深度而变化，采用虎克定律求出应变然后用图解法积分得出沉降，计算中把织物上、下加固范围内的土体指标E，u由三轴试验确定，此范围以外的土仍用原来的指标，但是这种算法未考虑加筋引起的地基附加应力变化。

土工织物加筋垫层对的沉降的影响目前有两种观点：一种认为加筋对减小地基沉降无效，或不明显；另一种看法认为加筋能够有效地减少地基的沉降量。两种意见都有实测数据或者有限元计算结果证明它。

加筋对沉降的影响与很多因素有关，如工程的尺寸，筋体本身强度特性，加筋层数和高度，地基土体的性质，软土层的厚度，填土高度等，所以对沉降的分析要综合考虑各种因素。

相对而言，加筋路堤的沉降计算方法研究很少，目前没有成熟的方法。

4 展望

近年来，随着我国现代化事业的不断推进，经济快速发展，带动了相关的基础设施的建设，修建了大量的公路、堤防、铁路。我国的东部沿海地区是基础设施建设的主要地区，这些地方的土以软土为主，在这些地方进行地基处理的时候，加筋技术是一项比较经济且效果比较明显的方法。加筋法处理软土地基已经在国内外的工程实践中得到了广泛应用，实践表明，这种方法具有施工简便，造价低，工期短，效果良好等优点。然而，对加筋路堤的设计还停留在概念设计上，尤其是土工格室这种新型的品质卓越的加筋材料，目前的规范上并没有相应的说明，平面加筋的计算方法很不成熟，计算的加固效果远不如实测值，造成盲目性和浪费。因此加强对加筋机理的研究，有利于揭示加筋体与地基土，填料之间的作用机理，评价加筋效果，发展土工合成材料加筋处理软基的分析计算方法。

从目前加筋的问题和发展的趋势看，尚待进一步探讨研究的问题主要包括：

①传统的平面加筋的稳定性计算方法已经不能满足实际工程设计的需要，尽快地从大量的工程实践中总结出一些比较合理的计算方法需要进一步的研究。

②数值计算方面，建议全面考虑填土的施工过程、土体的渗流，固结和变形等方面，更准确的找出土体变形规律，指导工程实践。

③如何合理的模拟处土工格室与其中填料相互作用，在土工格室加筋层本构模型中如何考虑到筋材与其中填料之间的接触问题，提出比较合理的界面接触单元模型。

④为了更好的模拟现场实际情况，可以进行室内加筋土的大三轴试验，获得的结论会更加的精确，对工程建设的指导意义也更明显。

参考文献：

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