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了解加筋土技術(shù)
Understanding Reinforced Soil Technology
 

1 加筋土技術(shù)的發(fā)展歷程

       加筋土的應(yīng)用具有悠久的歷史。公元前3000年以前，人類就開始利用加筋土技術(shù)修筑道路。我國是加筋土的故鄉(xiāng)，自古以來，筑土墻加草筋、用柴排處理軟弱地基、用土袋或樹枝壓條加固堤岸等，都是對(duì)加筋土技術(shù)的實(shí)踐。戰(zhàn)國中期成都都江堰工程中使用的“竹籠”，就是纖維材料與土石材料合成應(yīng)用，并沿用了兩千多年。

        現(xiàn)代加筋土理論是由法國工程師Henri Viadal于20世紀(jì)60年代初提出的，并于1963年首先公布了其研究成果，1965年法國在比利牛斯山的Prageres修建了世界上第一座加 筋土擋墻。由于加筋土技術(shù)在法國的成功應(yīng)用，引起了世界各國工程界、學(xué)術(shù)界的重視，其發(fā)展速度相當(dāng)快，應(yīng)用范圍也日益廣泛。1979年德國《地下建設(shè)》雜志將加筋土譽(yù)為“繼鋼筋混凝土之后又一造福人類的復(fù)合材料”。
隨后加筋土技術(shù)在日本、美國、加拿大及歐洲各國得到大量的推廣應(yīng)用。理論技術(shù)日趨成熟，加筋土的原理中應(yīng)用領(lǐng)域也由公路擋墻的發(fā)展應(yīng)用到橋臺(tái)、護(hù)岸、堤坎、建筑基礎(chǔ)、鐵路路堤、碼頭、防洪堤、水庫、尾礦壩、儲(chǔ)倉及庫用設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。
20世紀(jì)70年代是加筋土技術(shù)在世界范圍內(nèi)傳播、發(fā)展的階段。相應(yīng)的試驗(yàn)、研究工作也同時(shí)進(jìn)行。20世紀(jì)80年代以后，美國、法國合作利用離心機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以了解不同的筋材、面板剛度、地基土的壓縮性以及不同的超載和填料對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)穩(wěn)定的影響，并利用有限元法對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成果進(jìn)行數(shù)值分析。
20世紀(jì)70年代后期現(xiàn)代加筋土技術(shù)引入我國后，1979年云南省煤炭設(shè)計(jì)院在云南田壩礦區(qū)建成我國第一座加筋土擋墻儲(chǔ)煤倉。因其結(jié)構(gòu)簡單、施工容易、造價(jià)節(jié)省、對(duì)地基承載力要求低、外形美觀等特點(diǎn)，引起了我國土木建筑行業(yè)技術(shù)人員的興趣。 　　
       時(shí)至今日，在我國各省、市、自治區(qū)參與修建的加筋土工程已逾千項(xiàng)。隨著加筋土理論日益完善，加筋土技術(shù)已受到廣大巖土工作者的青睞，我國的加筋土事業(yè)也逐漸蓬勃發(fā)展。

2 加筋土結(jié)構(gòu)的基本原理
       土體具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，其拉強(qiáng)強(qiáng)度卻很低。在土體中摻入或鋪設(shè)適量的加筋材料形成加筋土后，可以不同程度地改善土體的強(qiáng)度與變形特征。將加筋材料埋置在土體中，可以擴(kuò)散土體的應(yīng)力、增加土體模量、傳遞拉應(yīng)力、限制土體側(cè)向變形，同時(shí)還增加土體和其他材料之間的摩阻力，提高土體及有關(guān)結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性。因此，在填土中加入抗拉材料，通過摩阻力將加筋材料的抗拉強(qiáng)度與土體的抗壓強(qiáng)度結(jié)合起來，增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性，使土體的整體強(qiáng)度得以提高。這種整體復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在著對(duì)墻（坡）面的土壓力、加筋材料的拉力，以及填土與加筋材料間的摩擦力等相互作用的內(nèi)力，它們之間相互平衡，從而保證了這個(gè)復(fù)合體的穩(wěn)定。
對(duì)于土體加筋后強(qiáng)度和穩(wěn)定性提高的原因，世界各國進(jìn)行了廣泛的研究，通過對(duì)土體的三軸試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出了各種筋土之間的相互作用機(jī)理。到目前，筋—土之間的相互作用的基本原理大致可分為下列幾類，其中主要為前兩類，即摩擦加筋原理和準(zhǔn)粘聚力原理。

1.1摩擦加筋原理
      根據(jù)加筋土復(fù)合體中筋—土之間的基本構(gòu)造，取加筋體中一微段（如下圖）所示來分析，說明如下：

　　微元體長為dl，筋材左截面受力為P1，筋材右截面受力為P2，壓住筋材的法向應(yīng)力為σ，f為筋材與土之間摩擦系數(shù)， b 為筋帶寬度， 略去筋帶重量和微元體土體重量。
　　土的水平推力在該微元段筋材中所引起的拉力為 dT，則 dT＝P1－P2。 設(shè)d F為土粒與筋材在該微元段上產(chǎn)生的總摩擦力，則有：
dF=2σf b dl　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1--1
根據(jù)該微元體的受力分析，可知， 如果
dF＞ dT　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   1--2
　　則筋－土之間就不會(huì)產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)。 或者說，土的水平推力被筋－土間的摩擦力所克服，微元體保持穩(wěn)定。反之則不能保持穩(wěn)定。
　　從上式可知，筋材材料要滿足兩點(diǎn)要求，即一是表面要粗糙，摩擦系數(shù)大，使筋—土之間產(chǎn)生足夠的摩擦力，二是要有足夠的強(qiáng)度和彈性模量，前者是保證在筋—土之間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)前筋材不會(huì)被拉斷，后者保證筋材的變形與土體的變形大致相一致。
　　在加筋土墻穩(wěn)定分析中，墻體由于受到土體的推力產(chǎn)生破壞時(shí)（可先假定將加筋土看成無筋土體），依據(jù)郎金土壓力理論，沿主動(dòng)破裂面AB將墻體分為主動(dòng)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。下滑土棱體ABC自重產(chǎn)生的水平推力對(duì)每一層筋材形成拉力T，欲將筋材從土中拔出，而穩(wěn)定區(qū)土體與筋帶的摩擦阻力阻止筋材被拔出。如果每一層筋材與土體摩擦阻力均能抵抗相的土推力，則整個(gè)墻 體就不會(huì)出現(xiàn)AB滑動(dòng)面，加筋土的內(nèi)部穩(wěn)定有保證。
　　設(shè)每層筋帶所受的土體的水平推力為T，那么
 
　　式中：L2——筋材在穩(wěn)定區(qū)的長度，其它符號(hào)同上，
　　上式為判定加筋體穩(wěn)定與否的必要條件。
　　按上述的摩擦加筋原理分析，筋材的工作類似于通過筋帶結(jié)構(gòu)錨固在穩(wěn)定土體中，所以，穩(wěn)定區(qū)又稱為錨固區(qū)，筋材在穩(wěn)定區(qū)的長度L2稱為錨固段長度或有效長度。摩擦加筋原理由于概念明確、簡單，在加筋土擋墻的足尺試驗(yàn)中得到較好的驗(yàn)證。因此，在加筋土的實(shí)際工程中，特別是加筋土擋墻工程中得到較廣泛的應(yīng)用。但是，摩擦加筋原理忽略了筋帶在力作用下的變形，也未考慮土是非連續(xù)介質(zhì)、具有各向異性的特點(diǎn)。所以，對(duì)高模量的加筋材料，如金屬加筋材料比較適用，對(duì)加筋材料本身模量較小、相對(duì)變形較大的合成材料（如塑料帶等），則是比較近似的。

1.2準(zhǔn)粘聚力原理

圖3　加筋土與無筋土強(qiáng)度曲線

       加筋土結(jié)構(gòu)可看作是各向異性的復(fù)合材料，一般情況下筋材的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于填土的彈性模量，筋材與填土共同工作，外側(cè)強(qiáng)度包括了填土的抗剪強(qiáng)度、填土與筋材的摩阻力和筋材的抗拉力等共同作用，使得加筋土的強(qiáng)度明顯提高。這一點(diǎn)在加筋砂圓柱土樣與未加筋砂圓柱土樣三軸對(duì)比試驗(yàn)中得到證實(shí)。
　　砂土試樣在單軸壓力下受到壓密，土樣側(cè)向在側(cè)壓力作用下發(fā)生側(cè)向應(yīng)變。如果在土樣中布置了筋材，由于筋材對(duì)土體的摩擦阻力，當(dāng)土體受到垂直應(yīng)力作用時(shí)，在筋材中將產(chǎn)生一個(gè)軸向力，起著限制土體側(cè)向變形的作用，相當(dāng)于在土中增加了一個(gè)對(duì)土體側(cè)壓力的反力，使土的強(qiáng)度提高。根據(jù)維達(dá)爾等人的試驗(yàn)研究，加筋土的強(qiáng)度與土的抗剪強(qiáng)度、土與筋材之間的摩擦系數(shù)、筋材的抗拉強(qiáng)度、筋材的數(shù)量等有關(guān)。加筋土在受力變形過程中可能出現(xiàn)筋材抗拉極限狀態(tài)、筋材與填土之間的摩擦—粘著極限狀態(tài)以及填土抗剪極限狀態(tài)。加筋土的強(qiáng)度分析主要針對(duì)前兩處，第三種只有當(dāng)筋材與填土的彈性模量相近時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

　　加筋砂樣比無筋砂樣強(qiáng)度提高，可根據(jù)庫侖理論和摩爾破壞準(zhǔn)則來加以闡明。 根據(jù)庫侖理論，土的極限強(qiáng)度為
τf ＝ σ tgφ＋C                                        1--4
式中τf――土的極限抗剪強(qiáng)度 σ ――土體上受到的正應(yīng)力
C ――土的凝聚力 
φ ――土的內(nèi)摩擦角 
當(dāng)C＝0時(shí)為砂土，C≠0時(shí)為粘性土 
　　設(shè)σ1f 為土樣破壞時(shí)的最大主應(yīng)力， σ3為土樣側(cè)面的最小主應(yīng)力。根據(jù)土樣破壞時(shí)土樣的摩爾園與土樣的庫侖強(qiáng)度線相切的條件，可得 
σ1f =σ3 tg2 (450 +φ/2) +2 c tg(450 +φ/2)                      1--5
　　在三軸對(duì)比試驗(yàn)中，如果未加筋砂土樣在σ1、σ3作用下達(dá)到極限平衡，并為破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，保持σ3不變，對(duì)于加筋砂樣在相同的應(yīng)力下未破壞，而是當(dāng)增大至?xí)r才能達(dá)到極限破壞狀態(tài)。砂樣在加筋前后的內(nèi)摩擦角φ值不變，但加筋后土的強(qiáng)度提高了。
　　比較未加筋砂和加筋砂試驗(yàn)的極限平衡條件，加筋砂多了一項(xiàng)由C’引起的強(qiáng)度增加，或者說承載力增加。從三軸對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果來看，加筋砂與未加筋砂的強(qiáng)度線幾乎完全平行，說明加筋前后砂樣的內(nèi)摩擦角φ值基本不變，但加筋砂的強(qiáng)度曲線不通過σ—τ坐標(biāo)原點(diǎn)，而與縱坐標(biāo)軸τ相截，其截距C’相當(dāng)于上式1--4中的C，或者說，式1--4對(duì)于加筋砂土的強(qiáng)度是成立的。因此，可以認(rèn)為，加筋砂土力學(xué)性能的改善是由于新的復(fù)合土體具有某種“粘聚力”的緣故。砂土本身是沒有這個(gè)“粘聚力”的，而是砂土加筋后的結(jié)果。在試驗(yàn)中對(duì)加筋砂樣施加的側(cè)向壓力為σ3，而實(shí)際上砂樣受到的側(cè)壓力是σ3+Δσ3，而Δσ3正是由于砂與筋材間的摩阻而產(chǎn)生的，但在最后結(jié)果的表述中卻被“C”所代替。事實(shí)上它不是粘聚力，而是加筋土的強(qiáng)度增量。為了表達(dá)方便，我們將這個(gè)“粘聚力”稱為“準(zhǔn)粘聚力”或“似粘聚力”，它反映了加筋土這個(gè)復(fù)合土體本身的材料特性。將C’看作加筋土的強(qiáng)度增量，用該原理不但可分析加筋砂的工作機(jī)理，同樣可用來分析粘土類加筋土。下面來分析導(dǎo)出C’的計(jì)算公式。
　　把加筋砂的三軸試驗(yàn)當(dāng)作無筋砂試驗(yàn)，但相應(yīng)的σ3用σ3+Δσ3代替，當(dāng)其達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，有
σ1f =（σ3+Δσ3） tg2 (450 +φ/2)                            1--6
σ1f =σ3 tg2 (450 +φ/2) +Δσ3 tg2(450 +φ/2)        1--7
比較2—5和2-7式，可得
2 c tg(450 +φ/2)  =Δσ3 tg2(450 +φ/2)則有
C =（Δσ3 /2）tg (450 +φ/2 )                              1--8
Δσ3為等效應(yīng)力增量，它是由加筋砂土體中的筋材產(chǎn)生的，無法直接測(cè)得，可示為
                                1--9
　　取三軸試驗(yàn)破裂時(shí)的土體為脫離體，作用在脫離體上的作用力有：軸向應(yīng)力σ1（破壞時(shí)為σ1f）、水平應(yīng)力σ3、筋材拉力T、破裂面上土的反作用力R。破裂時(shí)R與破裂面的夾角為φ，破裂面與水平面的夾角為450 +φ/2。
　　設(shè)A為試件的截面積，Rf 為每層筋材單位寬度加筋土中筋材的抗拉力，Sy 為加筋土體中筋材層的豎向間距，則筋材拉力，
 
　　試驗(yàn)結(jié)果得出，加筋土的似粘聚力發(fā)展很快，對(duì)于0.2%的軸向變形，C’就可以達(dá)到80%的極限值，軸向變形到2%時(shí)，加筋層的抗拉強(qiáng)度已全部發(fā)揮作用。