加筋土技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

袁東進

摘要：加筋土技術(shù)在土木工程中應(yīng)用較廣，是目前研究的一個熱點。通過加筋土實驗研究、加筋機理的研究、計算方法的研究等現(xiàn)狀分析，指出當前研究的特點，針對加筋技術(shù)目前研究的不足之處，從目前加筋的問題和發(fā)展的趨勢，提出今后研究尚待進一步探討關(guān)注的問題。

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.

關(guān)鍵詞：加筋；試驗研究；機理研究；計算方法研究；展望

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

中圖分類號：TU472 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）36-0238-03

1 研究背景

從如何提高土的抗拉強度這一思路出發(fā)，有鑒于以受壓性能為主的混凝土中增加了能承受抗拉性能的鋼筋后，改善了混凝土的性能，共同發(fā)揮兩種材料的特性受到啟迪，發(fā)展了加筋土，土工合成材料也被譽為繼鋼筋、木材、水泥之后的第四種建材，是一種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樁（或砂樁）；或在路堤或擋土墻內(nèi)鋪設(shè)土工聚合物，使這種人工復(fù)合土體可以承受抗拉、抗壓、抗剪、或抗彎作用，籍以提高地基承載力，減少沉降和增強地基的穩(wěn)定性。這種加筋作用的土工合成材料稱為筋體，它隨著化工技術(shù)的發(fā)展而日新月異，材料性能不斷提高，加固作用也日趨明顯，從早期的平面加筋材料發(fā)展到現(xiàn)在的立體加筋材料。

將土工格柵、土工織物等傳統(tǒng)的加筋技術(shù)定義為平面加筋，而將土工格室這種新型的三維加筋技術(shù)定義為立體加筋。土工格室是上個世紀90年代出現(xiàn)的一種新型的土工合成材料，這是一種由高分子聚合物寬條帶經(jīng)過強力焊接而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它伸縮自如，運輸時可以縮疊起來，使用時張開，并在格室內(nèi)充填砂、碎石、或泥土等材料，構(gòu)成具有大側(cè)限和大剛度的結(jié)構(gòu)。它可以用來作為墊層提高軟基承載力；也可以鋪設(shè)在坡面，構(gòu)成坡面防護結(jié)構(gòu)；還可以用來建造支擋結(jié)構(gòu)等。目前廣泛用于淺層地基處理，坡面的防沖和城市的管道支撐等工程中。正因為它比平面加筋材料的優(yōu)點多，從而成為替代土工格柵的新一代理想產(chǎn)品。

2 文獻綜述

加拿大皇家軍事工程學(xué)院土木工程系教授理查德[2]（Richard.J.Bathilsf）等人采用砂土進行了一系列的大尺寸三軸試驗。試驗分為三種狀態(tài)：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。從加土工格室和未加土工格室的中密砂在不同圍壓條件下，偏應(yīng)力和垂直應(yīng)變間的關(guān)系圖中可以看出：在相同圍壓條件下，加土工格室的應(yīng)力值遠遠大于未加土工格室的，加土工格室試驗在大變形時顯示應(yīng)變硬化特性。未加土工格室試樣只顯示出微小的粘聚力，而加土工格室后受側(cè)向的限制，顯示出很大的表觀粘聚力。

印度的馬德拉斯技術(shù)學(xué)校土木系工程部[3]在室內(nèi)做了加筋砂墊層的三軸試驗，得出加筋后c值有了明顯的提高，c提高的程度與格室材料的強度有關(guān)，與上述里查德的實驗大致相符合。

西安公路交通大學(xué)[4]采用7組不同規(guī)格的土工格室進行靜載試驗，測試結(jié)果表明，土工格室的側(cè)向限制作用，對基層滑動面的形成和發(fā)展有一定的控制作用。土工格室的常用規(guī)格能滿足不同墊層條件的要求。當墊層變形量達到預(yù)定值土工格室墊層承載力增大7倍以上，此時墊層的土工格室仍沒損壞，變形是由下部軟弱基床破壞造成的。

鐵道部科學(xué)研究院[5，6]針對土工格室墊層這一復(fù)合材料做了試驗研究，在試驗中重點研究了土工格室在受力條件下與其填料間的相互作用以及土工格室墊層在受力條件下的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系，得出如下結(jié)論：①土工格室復(fù)合材料在豎向加載過程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出了明顯的雙線性關(guān)系；②在計算過程中土工格室復(fù)合材料可以近似的被當作彈性材料來考慮，其變形模量E在10～25MPa之間；③土工格室復(fù)合材料在受壓狀態(tài)下產(chǎn)生的豎向變形主要來源于下面的三種變形：土工格室內(nèi)填料的塑性變形、土工格室內(nèi)填料的彈性變形、土工格室材料自身環(huán)向變形導(dǎo)致整個復(fù)合材料的豎向變形；④隨著加卸載循環(huán)次數(shù)的增加，土工格室復(fù)合材料整體累積塑性變形的增長速率逐漸降低，荷載～變形曲線也越來越接近一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

上海鐵道大學(xué)[7]研究了列車運行時設(shè)置土工格室后基床的應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，并與換砂法進行了比較，結(jié)果表明：用土工格室后，軌下動應(yīng)力的衰減大于換砂法，但枕木端部的動應(yīng)力衰減比換砂法減??；基床下0.25m處的應(yīng)力橫向分布衰減很小，且較之換砂法（出現(xiàn)了應(yīng)力集中和不均勻沉降）更加均勻。關(guān)于動應(yīng)變，設(shè)置土工格室后軌下和軌心都變現(xiàn)為拉應(yīng)變，換算成拉應(yīng)力后，其值均遠小于格室本身的最大抗拉強度。

長安大學(xué)公路學(xué)院[8]進行了黃土路堤土工格室護坡的沖刷模型試驗，采用正交試驗設(shè)計方法，以邊坡坡率、江水流量、土工格室規(guī)格為主要影響因素，進行了一系列的室內(nèi)模型沖刷對比試驗，試驗的結(jié)果表明：對于黃土路堤邊坡而言，有土工格室防護的坡面不會形成連續(xù)的沖溝，沖刷深度小于10cm，無土工格室防護的坡面，可以形成連續(xù)的“V”型沖溝，沖刷深度可以達到20～30cm；采用土工格室可以減少40%的沖刷量，說明土工格室對黃土路堤邊坡的沖刷防護效果很明顯，是一種有效的方法。

3 國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗

對于加筋機理的研究，一般通過理論分析，有限元分析，模型試驗等方法，在整理試驗數(shù)據(jù)和分析有限元數(shù)值計算的基礎(chǔ)上得出規(guī)律。在分析的過程中，一般都要作一些假設(shè)。通過引入這些假設(shè)，可以推導(dǎo)出設(shè)計的計算公式，但是這些假設(shè)在實際工程中是很難滿足的，所得的結(jié)果的準確性就令人懷疑。國內(nèi)外許多學(xué)者對這一領(lǐng)域進行了廣泛的研究，得到了一系列的很有意義的結(jié)論，加深了人們對加筋的機理的認識，促進了其在工程中的運用，根據(jù)到目前為止的研究結(jié)果，加筋機理大致可以分兩大類：一類是摩擦加筋機理，二是準粘聚力原理，或似粘聚力原理。

俞仲泉[9]通過土工離心模型試驗，探討了土工織物加固堤基的機理，并得出：采用土工織物砂墊層復(fù)合體加固堤基有明顯的效果，即減少了堤軸線附近的最大沉降，也可以減少地基土的水平位移，并且提高了堤基的穩(wěn)定性，土工織物與砂墊層在界面上有相互滑動，在設(shè)計時，應(yīng)考慮土工織物與砂墊層之間的界面特性。

徐少曼[10]認為土工織物的綜合加筋效應(yīng)應(yīng)該包括三點：土工織物的抗拉作用，織物與土體的摩擦作用以及加筋層的應(yīng)力擴散作用。按此方法計算，加筋土的安全系數(shù)大幅度提高，且與實測情況較為接近，可見，現(xiàn)行的規(guī)范僅考慮抗拉作用一項是遠遠不夠的。因此，徐少曼的方法就更為合理。

殷建華[11]建議了模擬軟土上土工合成材料的粒狀的數(shù)學(xué)模型，在Pasternak剪切假定的基礎(chǔ)上，在模型中增加了變形相容條件，并引入了土工合成材料的剛度參數(shù)。與現(xiàn)有的二維模型和三維模型比較，該模型在變形和拉力方面獲得了更好的成果。

李廣信[12]在Yan“等效附加應(yīng)力”理論的基礎(chǔ)上進行引伸，在加筋土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中成功介入了筋材的等效附加應(yīng)力法，并給出了模擬筋材等效的附加應(yīng)力表達式。這是一種新的計算加筋土應(yīng)力變形的方法。它無需建立和引進任何新的本構(gòu)模型，完全可以使用已經(jīng)建立的關(guān)于土的本構(gòu)模型和計算參數(shù)，并用一個等效的附加應(yīng)力來代替筋材的作用，即可進行加筋土的應(yīng)力變形計算。

王鐵儒[13]把油罐地基下的加筋墊層當成以砂石為基質(zhì)，土工合成材料為增強體的層合板，采用彈性地基上的薄板理論來計算墊層的變形。俞仲泉從土工織物約束土體水平位移這一點出發(fā)，采用分層總和計算法，但這一結(jié)果不需要乘以地基中的綜合修正系數(shù)，就可以作為加筋堤壩的沉降量。

Gzalatkay[14]介紹了一種水平加筋地基的沉降計算方法，假定地基土體的彈性模量隨深度而變化，采用虎克定律求出應(yīng)變?nèi)缓笥脠D解法積分得出沉降，計算中把織物上、下加固范圍內(nèi)的土體指標E，u由三軸試驗確定，此范圍以外的土仍用原來的指標，但是這種算法未考慮加筋引起的地基附加應(yīng)力變化。

土工織物加筋墊層對的沉降的影響目前有兩種觀點：一種認為加筋對減小地基沉降無效，或不明顯；另一種看法認為加筋能夠有效地減少地基的沉降量。兩種意見都有實測數(shù)據(jù)或者有限元計算結(jié)果證明它。

加筋對沉降的影響與很多因素有關(guān)，如工程的尺寸，筋體本身強度特性，加筋層數(shù)和高度，地基土體的性質(zhì)，軟土層的厚度，填土高度等，所以對沉降的分析要綜合考慮各種因素。

相對而言，加筋路堤的沉降計算方法研究很少，目前沒有成熟的方法。

4 展望

近年來，隨著我國現(xiàn)代化事業(yè)的不斷推進，經(jīng)濟快速發(fā)展，帶動了相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，修建了大量的公路、堤防、鐵路。我國的東部沿海地區(qū)是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要地區(qū)，這些地方的土以軟土為主，在這些地方進行地基處理的時候，加筋技術(shù)是一項比較經(jīng)濟且效果比較明顯的方法。加筋法處理軟土地基已經(jīng)在國內(nèi)外的工程實踐中得到了廣泛應(yīng)用，實踐表明，這種方法具有施工簡便，造價低，工期短，效果良好等優(yōu)點。然而，對加筋路堤的設(shè)計還停留在概念設(shè)計上，尤其是土工格室這種新型的品質(zhì)卓越的加筋材料，目前的規(guī)范上并沒有相應(yīng)的說明，平面加筋的計算方法很不成熟，計算的加固效果遠不如實測值，造成盲目性和浪費。因此加強對加筋機理的研究，有利于揭示加筋體與地基土，填料之間的作用機理，評價加筋效果，發(fā)展土工合成材料加筋處理軟基的分析計算方法。

從目前加筋的問題和發(fā)展的趨勢看，尚待進一步探討研究的問題主要包括：

①傳統(tǒng)的平面加筋的穩(wěn)定性計算方法已經(jīng)不能滿足實際工程設(shè)計的需要，盡快地從大量的工程實踐中總結(jié)出一些比較合理的計算方法需要進一步的研究。

②數(shù)值計算方面，建議全面考慮填土的施工過程、土體的滲流，固結(jié)和變形等方面，更準確的找出土體變形規(guī)律，指導(dǎo)工程實踐。

③如何合理的模擬處土工格室與其中填料相互作用，在土工格室加筋層本構(gòu)模型中如何考慮到筋材與其中填料之間的接觸問題，提出比較合理的界面接觸單元模型。

④為了更好的模擬現(xiàn)場實際情況，可以進行室內(nèi)加筋土的大三軸試驗，獲得的結(jié)論會更加的精確，對工程建設(shè)的指導(dǎo)意義也更明顯。

參考文獻：

[1]葉觀寶，葉書鱗，編著.地基加固新技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[2]Richard J. Bathursta & Mark A. Knightb.Analysis of geocell reinforced-soil covers over large span conduits[J]. Computers and Geotechnics， 1998，22：205-219.

[3]Sujit Kumar Dash， N.R. Krishnaswamy， K. Rajagopal，Bearing capacity of strip footings supported on geocell-reinforced sand[J]. Geotextiles and Geomembrances， 2001（1）：235-256.

[4]周華保.加筋砂墊層處理軟基的室內(nèi)大模型試驗及分析[D].西南交通大學(xué)，2001.

[5]江輝煌.土工格室加筋基床表層的模型試驗與分析[D].鐵道部科學(xué)研究院，1996.

[6]俞翰斌.土工格室加筋地基承載力的試驗與分析[D].鐵道部科學(xué)研究院，1996.

[7]曾錫庭，于志強.土工格室及其應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2004，4（2）.

[8]王路平.土工格室生態(tài)擋墻工程形狀數(shù)值仿真分析[D].長安大學(xué)，2004.

[9]俞鐘泉，李少青.土工織物加固堤基的離心模型試驗[J].巖土工程學(xué)報，1989（4）.

[10]徐少曼，洪昌華.考慮加筋墊層綜合效應(yīng)的堤壩下軟基穩(wěn)定分析法[J].土木工程學(xué)報，2000.

[11]殷建華.A one-dimensional geosynthetics-reinforced foundation model with non-linear spring support[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1998，20（1）：76-79.

[12]李廣信，陳輪，蔡飛.加筋土應(yīng)力變形計算的新途徑[J].巖土工程學(xué)報，1994，16（3），46-53.

[13]王鐵儒，魏新江.土工織物墊層變形的雙參數(shù)法分析[C].全國第二屆土工合成材料學(xué)術(shù)會議論文集，1990：329-336.

[14]Gzalatkay，I.Calculation method for settlement of horizontally reinforced sub.In：3rd Int Confon Geotextiles， Austria，1986：255-260.