加筋土技術在巖土工程中的應用淺析

周治剛

0 引言

加筋土技術由法國工程師亨利于20世紀60年代初發明,并從理論上建立了一套加筋土的設計方法。1979年加筋土技術傳到我國后,相繼修建了大量加筋土工程,逐步在公路、水運、鐵路、礦山和水利工程中試用,近幾年在公路建設和水利、礦山工程建設中的軟弱地基處理和擋土結構中應用較多,取得了巨大的經濟和社會效益[1],加筋土工程的設計計算理論和施工技術也日臻成熟。

1 加筋土作用機理

土體一般具有一定的抗壓強度,土體受壓時,其破壞與否與土的側向變形大小有關,允許的側向變形愈小,它能承受的壓力將愈高,要提高土的承受能力,可以從設法減小其側向擴張著手,加筋土技術正是利用了這一原理。在土體中的一定部位鋪設水平方向的加筋材料,將土壓實后,土與加筋材密切結合成一復合土體(加筋土),當在復合土體的表面施加荷載,由于加筋材與周圍土之間有較大的摩阻力(有時尚有咬合力),限制了土的側向變形,相當于在土體側面上施加了約束力,使得土體變成側限受壓,這種復合土體的承壓能力理所當然地得到提高。

2 加筋土筋材

從加筋土的作用機理可知,加筋目的在于最大限度地限制受壓土體的側向變形,這就需要依靠土體中的筋材與周圍土的相互作用。因此筋材與土體之間應有較高的界面強度(摩擦力與咬合力大)。加筋土中的加筋材料通常采用土工織物、土工帶和土工格柵等。此外,還需要考慮加筋材料的蠕變性對抗拉能力的影響。在目前的加筋材料中,土工格柵的蠕變性較低,是較為理想的加筋材料,表1為玻璃纖維土工格柵性能參數。

表1 玻璃纖維土工格柵性能參數

3 加筋土的本構模型

3.1 加筋土分析方法

1)加筋土復合土體模型。該模型是把加筋土看成宏觀上均勻的復合材料,土與筋材的相互作用表現為內力,只對復合材料的性質產生影響,而不直接出現在應力應變計算中,在復合體有限元計算中必須建立一種加筋土的本構模型。近年來不少學者在此方面作了很多工作。該模型主要是通過加筋土體的三軸試驗分析而建立。但是由于加筋土的各向異性和非均質特點,因而具有明顯的尺寸效應,目前對加筋土三軸試驗結果尚無統一的認識。

2)加筋土分離模型。目前對加筋土的計算分析方法主要分為兩類。一類是分離模型,即把筋、土分開考慮。一般將加筋體用一維線性單元或薄層矩形單元進行模擬,土體仍采用未加筋時的本構模型。土筋之間的相互作用常采用接觸單元進行模擬。由于筋材本身以及與土相互作用關系的復雜性,在模型試驗如何進行和界面參數取法上還存在許多爭議;如何正確地選用接觸面單元和選擇能合理模擬填土體中加筋體、接觸面單元的本構關系仍然值得研究;在加筋土體臨近破壞或有較大變形時用常規有限元法模擬尚有困難,而且當加筋層數很多時該方法將會由于過于復雜而不適用實際工程計算。

3.2 加筋土的本構模型

加筋土的本構模型主要有彈性模型、彈塑性模型和流變模型三種。這三種本構模型都是基于一定的假設條件,對特定條件下的加筋土適用。考慮到加筋土中的筋材和土體都具有的蠕變特點,本文主要討論流變模型,該模型由波蘭的薩威基[2](Sawicki)在1999年建立。此模型是建立在連續介質的基礎上,模型中假設土工合成材料是粘彈性體,將加筋土的整個應力應變關系分成彈性和塑性來建立模型方程。在彈性階段中,筋材的初應力減小,致使土體中宏觀應力的重組,直到土體達到屈服條件。土體剛開始產生塑流對應的時間可以由模型確定。在塑性階段中,筋材的宏觀應力保持常數,但由于筋材的蠕變特性,加筋土單元的總應變增大。在此階段可以確定描述加筋土變形的塑性應變率和加筋土單元的水平變形。由于此模型考慮到土工合成材料的蠕變性質,模型方程較復雜,還有待于試驗檢驗[3]。

4 加筋土的設計內容

目前,加筋土主要用于軟土地基加固、堤壩邊坡加筋和加筋土擋墻三個方面,形成三種類型的加筋土結構。影響土工織物加筋效果的因素有很多,既包括土工織物本身的性質,也有加筋設計和施工方面的影響。在進行加筋設計的時候,土工織物的強度,加筋的長度,加筋的位置,加筋的層數等因素都是應該考慮的。對于土工織物加筋機理的研究,一般基于理論分析,有限元法、離心模型試驗和現場觀測等方法。1)加筋長度和位置。文獻[5]通過對一堤防工程進行加筋的有限元分析,得出了如下結論:在加筋長度不大的情況下,堤防的最大位移和堤腳的水平位移并無顯著變化,當加筋長度超過一定長度后,效果才明顯。坡頂的垂直位移,則是一開始變化較大,而其后則無顯著變化。在底部加筋時,安全系數幾乎無變化,說明在底部加筋并不能顯著提高整體穩定性。在中部加筋時,開始安全系數提高也不明顯,但加筋長度超過一定長度后,則安全系數提高很快。無論在任何位置加筋,土工織物都有一個最小長度,只有加筋長度超過此最小長度,才能發揮土工織物的作用。至于這個最小長度的大小,則與堤防的形狀和所采用的參數有關,要具體問題具體分析。在確定加筋位置時,如果加一層筋,應該加在堤防底部稍偏上的地方,這樣不但能夠抑制位移的發展,而且能夠增強整體穩定性。2)加筋的層數。如果多層加筋,則建議加兩層,一層在底部,一層在中部,穿過最危險滑弧,抑制最危險滑弧的發展,使得最危險滑弧的形狀、大小、位置都發生改變,以提高整體穩定性。

5 結語

加筋土技術目前大部分工作集中在設計、施工等方面。復合材料模型的發展又相對較緩慢,加筋土復合體的彈塑性模型的研究才剛剛起步,現有的模型都是在相關條件下才適用,都不是普遍適用的模型。新的模型需要試驗結果進行驗證,因此,土工織物加筋機理方面的理論成果仍落后于工程實踐,需要進行深入的研究。

[1] 陳 群,朱分清,何昌榮.加筋土本構模型研究進展[J].巖土工程技術,2003(6):360-363.

[2] 劉漢龍,吳維軍,高玉峰.土工織物加固堤防非線性有限元分析[J].巖土力學,2003,24(1):79-83.

[3] Sawicki A.Rheological model of geosynthetic-reinforced soil[J].Geotextiles and Geomembranes,1999,17(1):33-49.

[4] 李孝勤.加筋土擋墻施工工藝探索[J].山西建筑,2008,34(31):169-170.

[5] 彭 釗.基于人工智能方法加筋土本構模型[D].長沙:湖南大學碩士論文,2009.

[6] 陳昌富,彭 釗,劉懷星.基于BP神經網絡的草根加筋土本構模型[J].水土保持通報,2008,28(3):93-96.