郭 妍

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000)

土工合成材料廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代巖土工程是在20世紀(jì)中期以后，最初以土工織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柵、土工網(wǎng)等和其組合產(chǎn)品.在近20年中，這類材料相繼在巖土工程中應(yīng)用獲得成功，成為建材領(lǐng)域中繼木材、鋼材和水泥之后的第四大類材料，并被譽(yù)為巖土工程領(lǐng)域的一次“革命”。其中加筋土材料運(yùn)用較為廣泛。加筋土技術(shù)的推廣和應(yīng)用起始于1965年法國(guó)工程師Henri vidal提出的加筋土的概念和設(shè)計(jì)理論起初的加筋材料主要是金屬材料，由于金屬材料抵御化學(xué)腐蝕的能力較弱，而且成本高"其使用范圍受到較大限制。20世紀(jì)90年代初我國(guó)開(kāi)始將土工合成材料應(yīng)用于加筋土工程，到90年代中期，其應(yīng)用范圍已涉及鐵路，公路工程的軟基處理，加筋擋土墻，加筋土橋臺(tái)，加筋陡坡，加筋地基等。近年來(lái)，在海岸工程中也得到迅速推廣應(yīng)用。但是，目前國(guó)內(nèi)在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，模型試驗(yàn)和理論研究方面還相對(duì)滯后。國(guó)內(nèi)對(duì)土工合成材料尚無(wú)統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際比較著名的標(biāo)準(zhǔn)有國(guó)際土工合成材料學(xué)會(huì)(IGS)，美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASM)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究所(DIN)等。

1 理論計(jì)算

土工合成材料的理論和計(jì)算方法目前在土工合成材料課題上的理論研究主要集中在探討加筋土的工作機(jī)理、筋材應(yīng)力應(yīng)變分析、土與筋材的界面特性、極限承載力計(jì)算、加筋土體穩(wěn)定性分析等方面。按所考察的對(duì)象，加筋土體的極限承載力和穩(wěn)定性計(jì)算方法可分為2類:將土與筋材看成2種材料，它們通過(guò)接觸面共同工作；將筋和土看成1種復(fù)合材料探討其工作機(jī)理。

2 幾種在國(guó)內(nèi)比較有影響的計(jì)算方法

2.1 加筋土的等效附加應(yīng)力法

試驗(yàn)表明，加筋土的內(nèi)摩擦角和未加筋土的內(nèi)摩擦角，幾乎相同，只是增加了粘聚力c。在三軸試驗(yàn)中，試樣破壞時(shí)附加圍壓與粘聚力增量的關(guān)系為:(1)當(dāng)筋材水平布置時(shí)，為布筋間距；(2)為試樣破壞時(shí)筋材單位寬度所受的力(當(dāng)三軸試驗(yàn)破壞為筋材拉斷破壞時(shí)，即為筋材的拉斷強(qiáng)度，如果破壞是由于筋材過(guò)度變形所引起的，就是試樣破壞時(shí)的應(yīng)變與其模量之積)。等效附加應(yīng)力的基本思路是把加筋土的作用等效成附加應(yīng)力沿筋材方向加在土骨架上，取加筋土中的土體進(jìn)行計(jì)算。具體地講就是在有限元計(jì)算中只出現(xiàn)土單元，筋的作用僅當(dāng)成外力(等效附加應(yīng)力)加在土單元上，模擬筋材本身的單元并不出現(xiàn)。有限元計(jì)算中只需建立布筋方向上等效附加應(yīng)力與布筋方向上土單元應(yīng)變之間的關(guān)系；(3)在有限元模型中，假設(shè)土單元只包含1層筋，沿筋方向上土單元的伸長(zhǎng)應(yīng)變?yōu)?壓應(yīng)變?yōu)樨?fù)，拉應(yīng)變?yōu)檎?，筋中的應(yīng)力T可以通過(guò)筋材拉伸試驗(yàn)曲線確定。

2.2 利用楔體平衡理論計(jì)算加筋土

沈珠江認(rèn)為傳統(tǒng)的圓弧滑動(dòng)法在考慮壩體穩(wěn)定性時(shí)，將壩體分為兩部分，其中一部分沿圓弧滑動(dòng)，從而導(dǎo)致壩體破壞。但是，經(jīng)過(guò)土工合成材料加固的堤壩，如果土工合成材料強(qiáng)度足夠，它將保證壩體的整體性，從而不可能發(fā)生圓弧滑動(dòng)破壞，只存在壩體同土工合成材料一起整體變形的可能。這時(shí)的可能破壞形式有3種：壩體前傾；壩體后傾；壩體整體下沉。由于壩體通常都是對(duì)稱的，因此除非特別情況下要考慮水平荷載，否則加筋堤壩的唯一可能破壞形式就是堤壩同土工合成材料的整體下沉并伴隨側(cè)向擠出破壞，可以利用機(jī)動(dòng)許可方法來(lái)求解加筋軟基的極限承載力。在文獻(xiàn)[3]中，利用機(jī)動(dòng)許可法中的楔體平衡法1通過(guò)對(duì)加筋土體的力的平衡分析，從而得到加筋軟基的承載力。

2.3 復(fù)合材料法

把加筋土看成一種宏觀上的均勻的復(fù)合材料也是可行的解決方法，在這種方法中假定宏觀應(yīng)力由素土的和筋材料的兩個(gè)微觀應(yīng)力組成，其中，分別是素土和筋材的體積系數(shù)。根據(jù)這一原理，建立筋土復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系模型。由于這一復(fù)合材料拉，壓模量不等，橫縱向性質(zhì)不同，所以本構(gòu)模型較復(fù)雜，方程也難求解。目前，國(guó)內(nèi)從事這方面研究的人較少。

2.4 考慮加筋綜合效應(yīng)的方法

徐少曼認(rèn)為加筋土對(duì)承載力和穩(wěn)定性貢獻(xiàn)是多方面綜合作用的結(jié)果。因此，他提出一種綜合考慮了筋材的抗拉作用，摩擦作用和應(yīng)力擴(kuò)散作用的理論計(jì)算方法。同時(shí)，他通過(guò)對(duì)多種加筋情況的分析比較得出:在織物總抗拉強(qiáng)度或總模量相同的情況下，層織物與多層織物的加筋效果相同。

2.5 加筋地基的承載力提高公式

王釗在對(duì)筋材所受力進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，提出加筋地基的承載力提高公式，他認(rèn)為，層筋材提高地基承載力是很有限的，正確的布筋方式是采用多層筋材，形成加筋土(砂)墊層。

3 土工合成材料與土的界面特性

土工合成材料與土在各方面的性質(zhì)差別較大，因此它們共同作用時(shí)，其界面特性也是很重要的研究課題。目前對(duì)土工合成材料與土的界面特性研究手段主要是直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)。吳景海以5種不同種類型的國(guó)產(chǎn)土工合成材料為加筋材料，以砂和石灰粉煤灰為填料，利用直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，比較不同種類土工合成材料與填料的界面特性。

填料與土工合成材料的界面摩擦角由2部分組成：土工合成材料表面與填料表面的摩擦角；填料對(duì)土工合成材料橫格的部分的被動(dòng)土壓力產(chǎn)生的摩擦角。土工織物只存在第1部分；土工格柵表面與填料接觸面太小，所以第2部分起控制作用。

4 土工合成材料的工程應(yīng)用

4.1 加筋擋土墻

在道路等工程建設(shè)中，傳統(tǒng)的支擋結(jié)構(gòu)大多是采用鋼筋混凝土重力式或懸臂式擋土墻。但是這些剛性結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)不均勻沉降，而且投資大，施工占地多。而加筋擋土墻與之相比則有以下優(yōu)點(diǎn)：施工過(guò)程簡(jiǎn)便，快速，不用大型的施工機(jī)械和特殊的專業(yè)技術(shù)人員；現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作少，施工占地小，無(wú)需大量的運(yùn)輸工作；由于是柔性結(jié)構(gòu)，因此對(duì)地基要求較低，適用范圍更廣而且抗震性能好；造價(jià)經(jīng)濟(jì)。

在RSS設(shè)計(jì)中，整體穩(wěn)定性分析的方法與素土邊坡穩(wěn)定分析的瑞典條分法的原理相類似。其公式推導(dǎo)僅考慮了力矩的平衡，忽略了土條自身的平衡，盡管簡(jiǎn)單，但顯粗糙。有學(xué)者在此基礎(chǔ)上，考慮了土條自身平衡和張力對(duì)破裂面摩阻力的貢獻(xiàn)，推得相應(yīng)表達(dá)式，并結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)，對(duì)多個(gè)合成材料加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了成功分析。 近年來(lái)，基于概率統(tǒng)計(jì)和可靠性概念的極限狀態(tài)法 (Limit State Approach)開(kāi)始應(yīng)用于加筋土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不同的極限狀態(tài)，分項(xiàng)修正系數(shù)和可靠性指標(biāo)的引入，使得設(shè)計(jì)考慮得更加全面，也預(yù)示著合成材料加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的深刻變革已經(jīng)開(kāi)始。

4.2 在護(hù)岸工程中的應(yīng)用

我國(guó)18000多公里海岸線，有25%屬于三角洲和平原地帶，其中(70%左右的岸段處于侵蝕后退狀態(tài)，岸灘后退速率一般在10～20m/s。為防止海岸侵蝕，目前大部分國(guó)家仍在采用木樁，鋼管，混凝土等傳統(tǒng)材料和硬工程結(jié)構(gòu)。但這些結(jié)構(gòu)造價(jià)高，運(yùn)輸和施工不方便，且維護(hù)費(fèi)用高，利用土工合成材料的排水反濾、隔水防滲、柔性護(hù)底、可加筋壓載等多種功能建設(shè)護(hù)岸工程。不僅造價(jià)低，施工簡(jiǎn)易，儲(chǔ)運(yùn)方便，耐腐蝕性好，而且不會(huì)因?yàn)槿∧静?，石材等而破壞生態(tài)環(huán)境。所以，使用土工合成材料是護(hù)岸工程的一個(gè)新的發(fā)展方向。

4.3 在軟基處理中的應(yīng)用

路基結(jié)構(gòu)中合成材料加筋的機(jī)理不是十分清楚，路基材料的CBR 值超過(guò)310(非飽和)或超過(guò)10(飽和)時(shí)，合成材料作為筋材加固作用已十分微弱，此時(shí)主要功能是隔離作用。 但是在沒(méi)有永久性面層結(jié)構(gòu)的臨時(shí)性道路、拖拉機(jī)道路或其它次要道路中，采用高模量的合成材料取代或減少碎石墊層厚度，增加路基整體穩(wěn)定性的做法是可行的。江都港一號(hào)碼頭軟基處理就是應(yīng)用土工合成材料處理大面積軟基的成功實(shí)例。

4.4 在堤壩工程中的應(yīng)用

在水利工程的堤壩工程中，已經(jīng)有不少應(yīng)用土工合成材料的實(shí)例。劉漢龍利用PLAXIS程序?qū)Φ虊蜗碌牟煌咏钋闆r進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)比較得出堤壩下加筋的正確布置方法:

(1)在堤壩下加筋，如果單層布筋時(shí)，應(yīng)加在堤壩底部稍偏上的部位，這樣不但能抑制位移的發(fā)展，而且能夠增強(qiáng)地基的整體穩(wěn)定性。如果多層布置則建議加2層，1層在底部，1層在中部，穿過(guò)最危險(xiǎn)滑弧，抑制最危險(xiǎn)滑弧的發(fā)展。

(2)無(wú)論在任何位置加筋，土工合成材料都有，1個(gè)最小長(zhǎng)度，只有當(dāng)加筋長(zhǎng)度超過(guò)此長(zhǎng)度時(shí)，才能發(fā)揮土工合成材料的作用。

2000年7月竣工的長(zhǎng)江口深水航道治理一期工程就是在堤壩工程中應(yīng)用土工合成材料的5個(gè)典型實(shí)例

4.5 邊坡加固加筋土技術(shù)

土工合成材料用于原位邊坡的加固，一般采用土工棒結(jié)合土工織物或土工格柵聯(lián)合使用。顯然這一應(yīng)用技術(shù)與加筋土技術(shù)有本質(zhì)區(qū)別，對(duì)于自然邊坡則屬于原位加固技術(shù)。 因此，這一技術(shù)與土釘工作機(jī)制相似。Koerner and Robins根據(jù)極限平衡理論和條分法概念，提出了整體穩(wěn)定分析計(jì)算公式，并考慮了：土工棒作為筋材穿過(guò)邊坡內(nèi)部潛在破裂面，類似于土釘增加了邊坡穩(wěn)定性；土工織物或土工格柵鋪設(shè)在邊坡表面與土工棒連接，其張拉應(yīng)力增加了邊坡滑動(dòng)體的穩(wěn)定性；土工織物張拉應(yīng)力的鎮(zhèn)壓作用，增加了潛在破裂面上法向應(yīng)力，提高了邊坡整體滑動(dòng)穩(wěn)定性；這一體系增加了邊坡土體的密實(shí)程度，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

5 研究趨勢(shì)

雖然土工材料加筋土研究成果非常多，并且技術(shù)趨于成熟。但是仍然有許多方面有待繼續(xù)深入研究和解決。

(1)目前，國(guó)際上尚無(wú)統(tǒng)一的土工合成材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。但是有一些較著名的標(biāo)準(zhǔn)，如本文前面部分所述，在我國(guó)企業(yè)B行業(yè)內(nèi)現(xiàn)行的一些參照標(biāo)準(zhǔn)相互不統(tǒng)一，而且多數(shù)指標(biāo)簡(jiǎn)單粗糙。當(dāng)前如何結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，制定出符合我國(guó)國(guó)情的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)已是迫在眉睫的問(wèn)題。

(2)我國(guó)專門從事土工合成材料研究的科研人員很少，而從事生產(chǎn)實(shí)踐研究的更是寥寥無(wú)幾。這使得我們的加筋理論研究有限。另外，我國(guó)高校目前還沒(méi)有土工合成材料這方面的課程，致使多數(shù)土建設(shè)計(jì)人員對(duì)土工合成材料知之甚少。這在很大程度上限制了土工合成材料的進(jìn)一步推廣使用。

(3)目前，國(guó)際上對(duì)加筋的作用機(jī)理還處在研究階段，沒(méi)有形成成熟的理論計(jì)算方法。我國(guó)科研人員沈珠江、徐少曼等也提出了自己的計(jì)算方法。但是目前還沒(méi)有一種權(quán)威的、大家都能接受的計(jì)算方法。

[1]吳景海.土工合成材料加筋的試驗(yàn)研究和有限元分析[D].天津：天津大學(xué)，2000.

[2]介玉新，李廣信.加筋土數(shù)值計(jì)算的等效附加應(yīng)力法[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21(5):614-616.

[3]沈珠江.Limit analysis of ground reinforced by geosynthtics[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998，(2).

[4]徐少曼.考慮加筋墊層綜合效應(yīng)的堤壩下軟基穩(wěn)定性分析方法[A].土工合成材料加筋軟基的研究學(xué)術(shù)論文集[C].福州：福州大學(xué)，2000.