土工合成材料加筋設計過程和存在問題分析

徐俊

（臺州市交通勘察設計院，浙江 臺州 318000）

隨著社會科技水平的快速發展，目前土工合成材料加筋已經被廣泛的用于許多的工程項目中了。但是建筑工作者對于土工合成材料加筋的概念的認識還不夠清晰。我們所說的土工合成材料加筋就是指通過土工合成材料與地基周圍的土壤的咬合以及界面摩擦的作用并利用筋材的抗拉的特點產生相應的應力傳遞，這種應力傳遞可以有效的提高地基土體的韌性以及強度，還能改變原來地基土體的位移場以及應力場，同時還能夠增加土體的穩定性以及改善土體變形性狀的一種有效的技術手段。柔性纖維素一般通常是土工合成材料的原始材料，柔性纖維素具有伸長率較大的特點，因此土工合成材料的加筋概念與傳統的鋼筋混凝土加筋的概念是不一樣的，筋材與土基質的作用機理的不同是最為主要的區別。這點區別對加筋的分析計算方法以及應用的效果也是有很大的影響的，是需要被注意并重視的。

土工合成材料的加筋材料具有很多種，無織土工織物、復合型土工織物、土工網、土工格柵、紡織土工織物、編織土工織物等都是土工合成材料的加筋材料。這些土工合成材料具備明顯的優點：輕度高、彈性好、質地輕、抗腐蝕性好、抗酸堿性好、抗蟲蛀性能優良。但是它們也具有共同的缺點，那就是在陽光或是紫外線的照射下，老化現象十分明顯。根據土工合成材料的這些特點，在實際的工程項目存在以下幾種土工合成材料加筋的類型：（1）堤壩或陡坡加筋，這種加筋的類型主要應用于高速公路、公路、鐵路、土壩、海堤的基底以及其陡坡或是堤壩的加筋。（2）工程建筑物的地基基礎加筋，這種類型的加筋主要應用于油罐基礎、條形基礎及其地基中加筋。（3）支擋結構加筋。橋墩加筋以及擋墻結構加筋都是較為常見的支擋結構加筋的形式。隨著土工合成材料加筋在建筑工程中的廣發的應用，目前在一些高等級建筑工程以及堤壩工程的修建中，土工合成材料加筋也得到了發展及應用。

1 土工合成材料加筋的作用機理

通過模型試驗、室內試驗以及離心試驗對土工合成材料加筋土的觀測及分析，土工合成材料加筋主要存在以下三個方面的作用機理：

1.1 約束豎向變形，增加側向壓力

首先對堤壩地基進行三軸實驗的測試，通過對比沒有加筋以及有加筋的實驗結果，就可以解釋土工合成材料加筋的作用機理效果。當在沒有進行加筋操作的堤壩地基上施加一定的豎直向下的應力時，會看到堤壩明顯的側向變形以及壓縮現象的發生，并且堤壩建筑也受到了破壞。同樣情況下，當對有進行加筋施加豎直的應力時，土與筋材會產生一定的相互作用。從實驗中可以看出，由于堤壩受到的加筋的作用，側向壓力有增大的現象出現，我們稱為壓束力，同時由于加筋的作用堤壩也約束了豎向變形。

1.2 增大了土體的視內聚力

根據以上的三軸實驗的測試結構，若想使加筋的試樣在相同的應力的作用也達到破壞的效果，就必須相對的減少土樣所受到的側向的壓力。通過實驗數據可以看到，加筋土樣的摩擦圓與沒有加筋的土樣的摩擦圓的區別并不大，所不同的是加筋土樣的視內的聚力得到了增加。根據土力學的原理及物理學的計算公式計算可以得出，影響土體視內聚力增加的關鍵因素是土工織物筋材的抗拉的強度，并抗拉強度與視內聚力是程正比的，即織物的抗拉強度越好，視內聚力增加的就越多。相反的，當土體的抗拉強度很小時，或是筋材土工織物由于抗拉強度不夠被拉斷或是被拔出時，土體的視內聚力就不會增加，同時土工合成材料的加筋的效果也會消失。

1.3 土工織物的隔離作用

土工織物的隔離作用主要有兩個方面的內容：一方面是由于加筋的筋材是具有很高的抗拉強度的，而土體本身的抗拉強度又是較低的，這時當外力的荷載通過土體的作用傳遞給筋材時，筋材與土體會產生一定的相互作用，為防止土體因抗拉強度過低而產生斷裂的現象，筋材會約束土體的變形，從而改變了土體上下兩部分的應力狀態，這是土體就會以筋材為界被分成上下兩個部分了。根據對有限元的實驗分析，土體沒有加筋的情況，在外力的荷載下土體內部會形成一段連續的塑性開展區。當在土體內增設一層筋材時，這一段連續的塑性開展區就會被隔離開來，形成兩個不連續的塑性開展區。在離心模式的試驗中可以清晰的看到這種隔離的現象。當對陡坡進行破壞實驗時，沒有加筋的陡坡會沿著破壞面連續破壞，而進行了加筋的陡坡，土體是沿著加筋筋材的水平布置產生破壞的，并且破壞的形式不是連續的破壞而是分層逐漸被破壞的。另一方面的隔離作用是土工織物可以將兩種不同的材料隔離開，防止兩種材料混合在一起。如在海涂上進行筑堤施工時，在海涂面上鋪一層土工織物之后，再在土工織物的上面進行填土筑堤的施工操作，這樣就可以保證填料不會掉入到海涂地基中去，同時地基不被擾動也同樣得到了有效的保證。

2 土工合成材料加筋的布置形式

2.1 張拉應變弧布置筋材的理論

土工合成材料作為土體中的筋材，在土體中只受到拉力的作用，因此要想充分發揮土工合成材料筋材的抗拉作用，就必須合理的布置土工合成材料筋材的位置。

土體單元除了承受主應力的作用，在相應的單元內還會受到剪應力的作用，在受到剪應力的平面內，沿剪應力方向的軌跡就是零延伸的方向，應變的摩爾圓可以有效的表示零延伸的方向。通過對應力摩爾圓的研究得出，零延伸的方向與滑動面的方向是一致的。由于土體的拉伸變形是被沿剪應力方向的軌跡線所形成的弧形包圍著的，所以為了使土工合成材料筋材最大限度的發揮抗拉的作用，就應該將土工合成材料筋材土體內部的這個滑動弧上面。

2.2 土工合成材料筋材的布置形式

根據以上的張拉應變弧布置筋材的理論得出，土工合成材料筋材應該埋設在滑動弧上面并且是橫穿滑動弧的。因此如何確定零延伸線的方向以及預估拉伸應變軌跡線的方向就是建筑設計人員所面臨的最棘手的問題。以下主要介紹四種常見的土工合成材料筋材的布置形式：

2.2.1 邊坡位置土工合成材料的布置筋材的形式。根據張拉應變弧布置筋材的理論，邊坡位置內的筋材應布置在滑動弧上面這個理想位置的，并且在實際的建筑工程中土工合成材料筋材應該是水平布置的，然后進行回擰的操作從而有效的錨固筋材的位置。

2.2.2 堤壩基底的土工合成材料筋材的布置形式。從理論上來講，堤壩基底的土工合成材料筋材也是應該以水平位置進行布置的，在壩趾的區域則更適宜進行斜向的布置。通常圓弧的滑動為堤壩最為常見的破壞形式，所以進行筋材的布置時應盡量使筋材穿越整個圓弧的滑動面，整體布置筋材以及局部水平布置筋材為堤壩基底土工合成材料筋材最為常見的布置形式。

2.2.3 支擋結構中土工合成材料筋材的布置形式。目前工程項目中支擋結構主要有橋臺和擋土墻兩種形式。根據張拉應變弧的布筋理論，結構土體的主拉應變的方向應該是水平的，所以在實際的工程中，土工合成材料的筋材也應該是呈水平方向進行布置的。

以上是結構相對簡單的建筑的土工合成材料筋材的布置形式，對結構相對負責的結構來說，應使用有限元求解的方法或是室內模型試驗的方法求出建筑物地基的零延伸線并確定零延伸線的方向。然后再根據張拉應變弧布置土工材料筋材的理論，合理有效的布置土工合成材料筋材的位置。

3 土工合成材料加筋的主要設計分析方法

近些年來，隨著科學水平的快速發展，土工合成材料加筋的設計分析方法也越來越多，其中主要有以下兩種土工合成材料加筋的設計分析方法。

3.1 土工合成材料加筋堤壩的極限平衡分析方法

在工程項目的設計分析中，根據土工合成材料加筋堤壩的破壞形式，通過以下五個方面的內容對加筋堤壩的穩定性問題進行分析工作。這五個方面分別是加筋堤壩地基的承載力、加筋堤壩沿土工織物表面的滑動破壞的形式、加筋堤壩穿過筋材的圓弧破壞的形式、土工織物的過量變形的問題以及加筋堤壩的軸向彎曲的破壞形式。

3.1.1 加筋堤壩地基的承載力的分析。在軟土地基上修建的堤壩工程沒有進行加筋才施工的臨界承載力取決于堤壩地基的局部穩定的計算，而對于進行了加筋施工的堤壩，由于土工織物能夠調整并且使堤壩填土層傳給地基的應力進行擴散，同時還能夠保持堤壩地基的整體性。所以此時從局部破壞變為整體性的破壞就是加筋堤壩的破壞形式，破壞形式的變化自然也會導致軟土地基承載力的變化，地基的承載能力得到了相應的改善。通常加筋堤壩地基承載力的分析方法可以采用經典極限平衡法進行分析計算，再由太沙基的地基承載力的計算公式得出：q=CNc+ΥZNc+0.58BYNr。公式中的C代表了堤壩地基土體的凝聚力；Υ是堤壩地基土體的容重；B代表了堤壩基底的寬度；Z為堤壩基底水平面以上的深度；Nc、Nc、Nr均為地基承載力的承載系數。

3.1.2 加筋堤壩沿土工織物表面的滑動破壞的形式。在堤壩地基加筋的階段，堤壩側向的土體的壓力會形成一定的作用力，為了有效平衡并且抵消這種作用力，就一定會施加給堤壩地基一定的剪應力。如果軟土地基的抗剪輕度處于較低的狀態或是土工合成材料的加筋與堤壩或是地基之間的摩擦力阻力不能夠抵抗這種剪應力的作用，堤壩內部的受力就會產生一定的不平衡，就會出現堤壩不穩定的現象。所以這就要求了加筋與堤壩或是地基之間必須有足夠的摩擦力阻力，從而能夠有效的阻止堤壩或是地基在土工織物表面的滑動破壞，同時還要求土工織物具有足夠的抗撕破強度以及抗斷裂的強度。

堤壩在土工織物表面滑動破化的主要的破壞作用力是堤壩的橫向的土體壓力。堤壩越高，橫向的土體壓力就越大。堤壩或是地基的單位長度的作用力公式為：Pa=0.5KaΥH2。其中Ka為主動土體的壓力系數；Υ為加筋堤壩土體的容重；H為加筋堤壩的最大高度；Pr為加筋堤壩產生滑動的土體的上壓力。沿著加筋堤壩的填土與土工織物接觸面上的摩擦力阻力即是抗滑力，加筋堤壩單位長度上的抗滑力公式為：Pr=0.5ΥLH－tanΦsf，其中L為加筋堤壩內的土工織物的有效抗阻力的長度；Φsf為土工織物與加筋堤壩填土之間的有效摩擦角；Pr則為土工織物與加筋堤壩填土之間因摩擦所產生的抗滑力。根據以上兩個公式則推出抗滑安全系數Fs的公式為：Fs=Pr/Pa=LtanΦsf/H。另外還必須保證土工織物有足夠的抗拉強度，不能夠被拉斷。所以抗拉安全系數FL的公式為：FL=Tf/Pa=2Tf/KaΥH2。此公式中的Tf為土工織物的抗拉強度。

3.1.3 加筋堤壩穿過筋材的圓弧破壞的形式。如果加筋堤壩的整體承載力已經達到要求時，則就要對加筋堤壩的邊坡的穩定性進行相應的分析工作。在實際的工程項目的設計用，通常采用土工極限平衡的方法可以找到加筋堤壩的最危險的滑動面。加筋堤壩的抗滑力矩以及滑動力矩都是可以通過計算得到的，再根據工程項目對安全系數的要求，就可以計算得出土工織物需要的附加抗滑力矩。根據通過分析計算得到的土工織物的附加的抗滑力矩，便可以有效進行選擇以及布置土工織物。在工程實際施工的情況當中，為了有效避免土工織物被拉斷的現象的發生，還應對土工織物增加一些附加的安全因素。

3.1.4 土工織物的過量變形的問題。要想使土工織物在加筋堤壩中真正的起到應有的作用，土工織物的變形現象是不可以避免的。但是對于加筋堤壩的橫向變形要進行預測及預防的工作。土工織物的橫向變形的變形值是要受到土工織物模量的控制以及影響的。所以為了防止土工織物在加筋堤壩中發揮作用的同時產生過量的橫向變形，就必須對土工織物的許可變形的值加以限制。

在土工織物上的拉應變的分布是呈逐漸變化的趨勢的，在堤壩的頂部是最大值，在堤壩教是最小值且值為零。所以土工織物的模量的最小值的計算公式為：Emin=Tf/εmax。其中Tf土工織物的拉伸強度；εmax為土工織物在加筋堤壩中心所產生的最大應力值；Emin便為土工織物模量的最小值。即土工織物的應力值越大，則土工織物的模量值越小。

3.1.5 加筋堤壩的軸向彎曲的破壞形式。施工階段土工織物因受到邊界荷載的受拉破壞以及堤壩的縱向彎曲破壞還可能是堤壩的基礎條件所引起的，這些應力的分布以及大小都是難以確定的。根據多次進行的實驗得出：土工織物的橫向的抗拉強度大小應為其縱向抗拉強度的4倍。

3.2 加筋擋墻局部穩定的設計分析方法

用于加筋擋墻局部穩定的設計分析也有多種的方法，其中在實際工程中較為常用的主要有有粘著力重力分析法以及拉索楔形體分析法。擋墻墻面轉動及側向壓力在土工合成材料加筋土中的作用和破壞帶的形狀的假設不同是這兩種方法最主要的不同。

3.2.1 有粘著力重力分析法。有粘著力重力分析法與拉索楔形體分析的不同之處在于計算土工合成材料的加筋強度時，本方法僅采用主動土體壓力系數，而拉索楔形體分析法只是在6m的深度以下采用主動土壓力系數，其余則采用靜止土壓力系數。

這種方法土體合成材料的加筋強度計算公式為Tf=FrKΥHS，其中，L為土工合成材料的最小長度；Υ為填土的容重；Fr土工合成材料的抗拉安全系數；S為加筋的垂直間距；H則為加筋擋墻的高度。K的取值在深度大于6m時和小于6米時是不同的，則土工合成材料加筋的最大抗拔力就可以由土工合成材料的橫向寬度、土工合成材料在填土中的長度以及土工合成材料在填土阻抗區的長度等參數通過公式計算得出。

3.2.2 拉索楔形體分析法。應用此方法時，土工合成材料加筋強度的計算公式仍為Tf=FrKΥHS，并且符號的意思同有粘著力重力分析法公式中符號的意義是相同的。如果存在復荷載時，則計算加筋的抗拉強度時還應該計入這部分的折算高度。則土工合成材料的最小長度的計算公式應為L=La+Ld。其中 La=Htan(45°-Φ/2)，Ld=FpKsS/2tanΦsf。其中公式中，La為土工合成材料在主動區的長度；Ld則為土工合成材料在主動去之外的長度；Φsf為土工合成材料與周圍土體之間的界面摩擦角；Fp為土工合成材料的抗拔安全系數；Φ為填土土體的摩擦角，其余符號同上述的意義相同。

通過以上的論述，我們對土工合成材料加筋的作用機理、土工合成材料加筋的布置形式以及土工合成材料加筋的設計分析方法進行了詳細的分析和探討。土工合成材料的加筋的作用機理本就是十分復雜的，所以在工程項目的實際應用中，建筑設計人員必須采取正確的土工合成材料加筋的布置形式，還要選擇正確的設計分析的方法，只有這樣土工合成材料加筋才能工程項目的建設中發揮應有的作用，土工合成材料加筋才能夠更為迅速的推廣及發展。

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