淺談加筋土技術原理及在工程中的應用

李晨 陳華

加筋土是一種在土中加入加筋材料形成的復合土。在土中加入加筋材料可以提高土體的強度,增強土體的穩定性。因此,凡在土中加入加筋土材料而使整個土工系統的力學性能得到改善和提高的土工加固方法均稱為土工加筋技術,形成的結構亦稱之為加筋土結構。加筋材料是加筋土結構的關鍵部分,加筋材料的變形和強度以及材料的耐久性必須嚴格控制。根據材質情況,加筋材料可分為天然植物,如竹筋(竹片)、柳條等;金屬材料,如扁鋼帶、帶肋鋼帶、鍍鋅鋼帶、不銹鋼鋼帶等;合成材料,如聚丙烯、聚乙烯、聚酯、尼龍、玻璃纖維材料等,其形式主要有聚丙烯條帶、土工格柵、土工網、土工織物(俗稱土工布);復合材料,如鋼筋混凝土帶,鋼—塑復合加筋帶等。

1 加筋土技術原理

松散的砂在自重的作用下可堆成具有天然休止角的砂堆,如在砂中分層埋設水平向的加筋材料,則這種由砂和加筋材料形成的加筋土復合體就可保持一定高度的直立狀態而不塌成斜坡。這表明加筋土復合體的力學性能和穩定性比未加筋前有了較大的改善和提高。加筋土力學性能改善的根本原因在于筋土之間的相互作用。筋—土間相互作用的基本原理大致可歸納為兩大類:1)摩擦加筋原理;2)準粘聚力原理,或是粘聚力原理。

摩擦加筋原理如圖1所示,土的水平推力(T1-T2)被筋—土之間的摩擦力所克服,則微元體保持穩定。

加筋土技術在擋土墻中應用的摩擦加筋原理如圖2所示,依據朗金理論,沿主動破裂面 BC將墻體分為主動區和穩定區,下滑土棱體ABC自重產生的水平推力對每一層拉筋形成拉力,欲將拉筋從土中拔出,而穩定區土體與筋帶的摩擦阻力阻止拉筋被拔出。如果每一層拉筋與土體的摩擦阻力均能抵抗相應的土推力,則整個墻體就不會出現BC滑動面,加筋土體的內部穩定就有保證。

摩擦加筋原理概念明確、簡單,但是忽略了筋帶在力作用下的變形,也未考慮土是非連續介質、具有各向異性的特點。

準粘聚力原理是通過加筋土樣和未加筋土樣的三軸對比試驗,根據庫侖理論和摩爾破壞準則分析得出,如圖3所示。比較加筋前后砂土的極限平衡條件,加筋砂土比未加筋砂土多了一項由 C′引起的強度增量,純砂土本身并沒有這個“粘聚力”,顯然是加筋以后的結果,加筋作用仍是增大了土樣的側向約束力,從而提高了土的抗剪強度和抗壓強度。側向約束力和抗剪強度以及抗壓強度三者的大小均與所用的筋材的抗拉強度、加筋層間距和土的內摩擦角有關。

2 加筋土設計計算方法

目前,加筋土的設計計算方法主要有三類:極限平衡法、極限狀態法和有限元法。1)加筋土極限平衡法是在無加筋土極限平衡法基礎上演繹出來的。其思路是:首先假定可能的破壞形式,然后在極限平衡分析中計入加筋拉力對加筋土體穩定性的貢獻。基于極限平衡分析的設計方法很多,常用的有錨固楔體法、圓弧滑動法等。錨固楔體法多用于加筋擋墻計算,圓弧滑動法多用于加筋軟土地基計算。2)極限狀態法是同時考慮強度和變形,即承載力極限狀態和正常使用極限狀態,而且引入了分項安全系數來代替整體安全系數。3)與極限平衡法相比,有限元法可以提供受荷土體的應力場和位移場,在計算中考慮土體的非均勻和非線性、土體性質隨時間的變化、施工程序和荷載變化,因而計算結果可反映從施工開始到運行期間土體性質變化的全過程。

3 加筋土技術的工程應用

3.1 加筋土擋土墻

加筋土擋土墻是一種由輕型面板、拉筋和填料混合組成的三位一體的新型支擋結構。面板可由鋼板或預制鋼筋混凝土板拼裝而成,拉筋可用抗拉性能強的材料組成,面板與拉筋相連,拉筋范圍內由填料填充壓實通過填料與拉筋之間產生的摩阻力來改變填土原有的力學特性,從而使填土承載力得到很大的提高。加筋土擋墻可分為剛性筋式和柔性筋式兩種形式。前者采用抗拉模量高、延伸率低的土工格柵或加筋土工帶作為筋材,后者則以土工織物等中等拉伸模量的材料為筋材。

加筋土擋墻設計采用極限平衡法。外部穩定驗算同重力式擋墻,墻背土壓力按朗金土壓力理論計算。內部穩定包括筋材強度和抗拔穩定性驗算。筋材布置應滿足材料抗拉強度要求。筋材長度應滿足抗拔驗算,同時考慮構造要求。為了施工方便,自上而下筋材可取同等長度,也可分段采用不同長度節約材料。

3.2 加筋土邊坡

加筋土邊坡有兩種方式:填土加筋邊坡和原位加筋邊坡,填土加筋邊坡中筋材隨填土的升高分層填入土中,分層加筋分層壓實,一般采用土工織物或格柵。原位加筋邊坡是對已有邊坡的加固,筋材錨入邊坡,又稱錨釘法,其基本結構由三部分組成:錨釘、面板和灌漿體。一般要求筋材具有較高的強度和模量。

加筋土邊坡設計采用極限平衡理論。可按圓弧滑動法或楔體滑動法核算土坡的安全系數,其值應大于1.3。筋材強度驗算和內部穩定驗算同加筋擋墻驗算。

3.3 加筋土地基

加筋土地基具有提高地基承載力、減少地基沉降、控制不均勻沉降的優點。加筋土地基的筋材一般為土工織物、土工格柵、土工格室或土工帶。設計包括穩定驗算、地基承載力驗算、沉降驗算、加筋構造。穩定驗算也采用傳統的極限平衡法,分深層抗滑穩定性和淺層抗滑穩定性校核。深層穩定性校核采用圓弧滑動法,淺層穩定性校核采用平面滑動極限平衡法。地基承載力和沉降驗算應滿足相應的規范要求。筋材的選型應根據工程特性、土質條件和土工合成材料的類型等確定,一般要求為筋材在墊層中受力時,其延伸率不宜超出4%～5%,且不宜被拉出。

4 結語

土工合成材料加筋技術在近年來得到迅速發展,在很多部門得到廣泛應用,取得很大的經濟效益和社會效益。加筋技術在理論和實踐方面取得了很多的成果,具有廣闊的發展前景。在大量總結研究的基礎上,近年來頒布了土工合成材料應用技術規范的國家標準和行業標準,標志著此項技術漸趨成熟,進一步提高了我國加筋土技術的水平,并對今后推廣應用加筋土技術起到了巨大的作用。

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