浅谈加筋土挡土墙及拉筋的发展＊

2019-11-29王天鹏贾其萃马子昌

科技与创新 2019年6期

王天鹏，贾其萃，马子昌

（1.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098；2.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098）

与一般的重力式或悬臂式钢筋混凝土挡土墙等刚性结构物相比，加筋土是一种柔性复合结构物，对于软弱地基有更好的适应性，而地基变形对加筋土挡土墙的影响也比刚性结构物更小，因此被应用于支挡结构中。在经过国内外大量工程实践和理论研究后，加筋土挡土墙技术有了新的进展和技术革新，而且其拉筋的发展也直接影响着该技术的应用和创新。

1 发展概况

1.1 国外加筋土挡土墙技术发展概况

加筋土工程起源于法国，由亨利·维达尔（Henri Vidal）于1963 年所发明，他首先研究了土中加筋的作用，而后付诸于实践[1]。1965 年冬季，法国建成了世界上第一座加筋土挡土墙，因其拥有较好的性能和经济效益，加筋土挡土墙在世界各国得到了广泛推广应用。日本于1967 年便将此项技术引进，并且在日本国营铁路进行了原型实验，后又进行了该结构对地震的适应性试验，近年来，日本的加筋土技术一直稳步发展。美国的加筋土挡土墙技术起步较晚，于1969年引入加筋土技术后发展迅速。1972 年，美国第一个加筋挡土墙修建于加利福尼亚州洛杉矶东北部的39 号高速公路[2]，而后该技术被大面积推广，且于1974 年被批准可以代替传统的施工方法。自加筋技术问世以来，不同的加筋体系得以发展和应用。美国在长久的实践中已有一定规模的加筋体系，发展了多种加筋材料类型和面板类型。当前，加筋土结构的材料和工艺的发展，使加筋结构的应用更加广泛。

1.2 国内加筋土挡土墙技术发展情况

我国应用加筋土技术已达上千年，古代的劳动人民最初采用的加筋材料都为天然植物纤维，如竹子、树枝、草等。如我国古代用植物纤维掺入土中修筑城墙和房屋墙体，还有建于两千多年前的中国长城，有些地方就是在黏土和砾石中添加柳枝“加筋材”来修筑城墙。但遗憾的是，这些加筋土的应用由于无人进行系统地总结和完善，因此该技术在我国早期没有较大发展。

加筋土技术于20 世纪70 年代末才在我国开始蓬勃发展，我国于1980 年在山西修建了第一座加筋土挡土墙[3]，与此同时，对加筋土技术进行了研究，建立了相应的工程技术规范。同时，在工程实践的基础上研制了很多符合我国国情的结构形式和材料。近年来，我国更加重视加筋土挡土墙的应用，迄今已建立数千座加筋土工程，广泛应用于路基、水利、水运、城市建设等工程中。

2 技术原理

加筋土挡土墙一般由面板、加筋材料和土体填料等主要部分组成。该结构存在着挡土墙面板上的压力、土体填料自重压力、拉筋拉力和土体填料与筋条间的摩擦力等，相互作用保证了该复合结构的稳定性。总的来说，加筋土挡土墙是利用土体填料和筋条之间所产生的摩擦力，使土体呈复合体，提高土体强度，抵抗墙后填土产生的侧压力。该技术原理一般可归纳为以下两点。

2.1 准粘聚力原理

由于加筋土可看成各向异性的复合体，拉筋与土体相比，其弹性模量更大，尤其是随着拉筋的发展，拉筋和土体在共同工作情况下，加筋土的的强度显著提高，该强度的提升被称为准粘聚力。

2.2 摩擦加筋理论

由填土自重和外力产生的侧压力作用于面板，通过面板上的筋带连接件将侧压和传给筋带。筋带材料被土压住，筋带与土之间产生的摩阻力阻止筋带被拔出。因而，在挡土墙面板与拉筋稳固连接时，只要拉筋材料具有足够的强度，并与土体产生足够的摩擦力，加筋的土体就可保持稳定。

3 拉筋的发展

拉筋与土体填料间的摩擦力影响着加筋土挡土墙的性能和承载力，因此拉筋在挡土墙中的作用至关重要，应具备较高抗拉强度，延伸率和蠕变变形小，有较好的柔性、抗腐性，与填土间有较大摩擦力，便于制作，价格低廉的特性。

3.1 拉筋的种类

随着加筋土技术的不断发展，拉筋的种类也不断丰富。按材质来划分，拉筋可以划分为以下四类。

3.1.1 植物拉筋

植物拉筋如稻草、竹筋，我国在20 世纪80 年代就曾试用竹筋作为拉筋。这种拉筋一般只用于临时性工程。这种拉筋方法也印证了我国古代劳动人民在土中加入植物纤维以增强土体强度的做法是可取的，但随着国家对于建筑物安全指标要求的提高，植物拉筋的方法应用较窄。

3.1.2 土工合成物

土工合成物如聚丙烯、聚乙烯、尼龙和聚酯等，我国首先采用聚丙烯塑料带，并广泛应用与公路工程。20 世纪80年代中期，随着土工合成材料的蓬勃发展，土工格栅被广泛用作加筋土挡土墙的筋材。该筋材有经过拉伸形成的具有方形或矩形的聚合物塑料网材和以高强度玻璃纤维为材质，配合自粘感压胶和表面沥青浸渍处理可产生较大摩擦力的玻璃纤维网材等两种形式。土工合成物的运用，有利地推动了挡土墙拉筋的发展，但因其变形和蠕变都较大，且因其使用年限短而无法认证抗老化性能。

3.1.3 金属材料

金属材料如扁钢带和带肋钢带，这类拉筋的效果好，但造价很高，长期防腐难以保证。在20 世纪末，国外大都采用小于12 cm 宽的镀锌钢带或钢带，为增大其总抗拔力，也有人将其表面做成锯齿状的[4]。我国80 年代初期曾试用复铜废钢带作为拉筋，充分利用了就地取材的优势，产生了较好的效果，但并未解决筋带较易腐蚀的问题。

3.1.4 复合材料

复合材料常用的有钢筋混凝土带和钢塑复合加筋带，我国铁路设计基本上是采用混凝土分节串联加筋。经过众多的工程实践发现，该种材料的拉筋适合我国国情，并已为广大加筋土挡墙工作者所采用。

3.2 拉筋的不足

许多工程实践和理论研究表明，加筋土挡土墙技术存在一些不足。由于加筋土作用机理的复杂性导致多种不完备设计理论并存，有时依据设计理论计算的数据在模型试验中不能得到理想验证，而从模型试验中得到的数据有时又与现场实测数据差异较大，这使得设计人员对加筋设计信心不足，为工程安全考虑只好依据个人经验增加拉筋数量，从而导致费用增加[5]，并且筋带表面难以防腐以及对填料适应性较差等问题一直亟待解决。

3.3 拉筋的创新点

拉筋的进一步完善和创新是推动加筋土挡土墙发展的动力之一，其创新可以从以下几个方面着手。

3.3.1 加强拉筋的抗腐蚀性

由于拉筋在土体内会产生复杂的物理化学反应，如微生物侵蚀、酸性土壤腐蚀等，都可能使拉筋局部腐蚀破坏，进而导致加筋土挡土墙的使用年限缩短。将拉筋结合致密抗氧化涂料制成更抗腐蚀的筋材是未来拉筋发展的方向之一。

3.3.2 加强拉筋的可持续发展

在我国树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策的背景下，大力发展清洁环保可持续的筋材是必由之路。

如今，新材料的研究不断深入，如何推广应用于加筋土挡土墙筋材，对环境更加友好，更加有效地利用废弃物品再加工成筋材是该领域的研究方向之一。

3.3.3 拉筋形式多样化

加筋土工程施工中，涌现了多样的拉筋形式，包括单向线性、单向平面、双向平面等，常使用如光面钢带、土工合成带、土工格栅、钢筋混凝土网等加筋方式。但挡土墙本身工作性状复杂，工程实践并没有较好地和理论计算结果贴合，因而拉筋形式应因地制宜，以便增加工程可靠度和经济效益。

3.3.4 发展新拉筋技术

鉴于加筋土挡土墙技术存在一些难以解决的问题，发展新的拉筋技术或者寻找新式代替筋材可能是根本性解决问题的关键。近年来，我国提出了一种可替代拉筋的新型质料——加筋环[6]。加筋环的作业机理是充分利用钢筋受拉强度高的特性，加筋环内的土体填料在垂直荷载和自重的作用下受到挤压并产生侧向膨胀，而加筋环束缚了这种侧向变形，使侧向压力全部转化为由钢筋圆环来包袱，还有包括预应力加筋技术在内的其他新拉筋技术正愈加受到工程界的重视。