了解加筋土技术
Understanding Reinforced Soil Technology
 

1 加筋土技术的发展历程

       加筋土的应用具有悠久的历史。公元前3000年以前，人类就开始利用加筋土技术修筑道路。我国是加筋土的故乡，自古以来，筑土墙加草筋、用柴排处理软弱地基、用土袋或树枝压条加固堤岸等，都是对加筋土技术的实践。战国中期成都都江堰工程中使用的“竹笼”，就是纤维材料与土石材料合成应用，并沿用了两千多年。

        现代加筋土理论是由法国工程师Henri Viadal于20世纪60年代初提出的，并于1963年首先公布了其研究成果，1965年法国在比利牛斯山的Prageres修建了世界上第一座加 筋土挡墙。由于加筋土技术在法国的成功应用，引起了世界各国工程界、学术界的重视，其发展速度相当快，应用范围也日益广泛。1979年德国《地下建设》杂志将加筋土誉为“继钢筋混凝土之后又一造福人类的复合材料”。
随后加筋土技术在日本、美国、加拿大及欧洲各国得到大量的推广应用。理论技术日趋成熟，加筋土的原理中应用领域也由公路挡墙的发展应用到桥台、护岸、堤坎、建筑基础、铁路路堤、码头、防洪堤、水库、尾矿坝、储仓及库用设计等多个领域。
20世纪70年代是加筋土技术在世界范围内传播、发展的阶段。相应的试验、研究工作也同时进行。20世纪80年代以后，美国、法国合作利用离心机进行模拟试验，以了解不同的筋材、面板刚度、地基土的压缩性以及不同的超载和填料对加筋土结构内稳定的影响，并利用有限元法对加筋土结构的设计和试验成果进行数值分析。
20世纪70年代后期现代加筋土技术引入我国后，1979年云南省煤炭设计院在云南田坝矿区建成我国第一座加筋土挡墙储煤仓。因其结构简单、施工容易、造价节省、对地基承载力要求低、外形美观等特点，引起了我国土木建筑行业技术人员的兴趣。 　　
       时至今日，在我国各省、市、自治区参与修建的加筋土工程已逾千项。随着加筋土理论日益完善，加筋土技术已受到广大岩土工作者的青睐，我国的加筋土事业也逐渐蓬勃发展。

2 加筋土结构的基本原理
       土体具有一定的抗压强度和抗剪强度，其拉强强度却很低。在土体中掺入或铺设适量的加筋材料形成加筋土后，可以不同程度地改善土体的强度与变形特征。将加筋材料埋置在土体中，可以扩散土体的应力、增加土体模量、传递拉应力、限制土体侧向变形，同时还增加土体和其他材料之间的摩阻力，提高土体及有关结构物的稳定性。因此，在填土中加入抗拉材料，通过摩阻力将加筋材料的抗拉强度与土体的抗压强度结合起来，增强土体的稳定性，使土体的整体强度得以提高。这种整体复合结构内部存在着对墙（坡）面的土压力、加筋材料的拉力，以及填土与加筋材料间的摩擦力等相互作用的内力，它们之间相互平衡，从而保证了这个复合体的稳定。
对于土体加筋后强度和稳定性提高的原因，世界各国进行了广泛的研究，通过对土体的三轴试验和现场测试，得出了各种筋土之间的相互作用机理。到目前，筋—土之间的相互作用的基本原理大致可分为下列几类，其中主要为前两类，即摩擦加筋原理和准粘聚力原理。

1.1摩擦加筋原理
      根据加筋土复合体中筋—土之间的基本构造，取加筋体中一微段（如下图）所示来分析，说明如下：

　　微元体长为dl，筋材左截面受力为P1，筋材右截面受力为P2，压住筋材的法向应力为σ，f为筋材与土之间摩擦系数， b 为筋带宽度， 略去筋带重量和微元体土体重量。
　　土的水平推力在该微元段筋材中所引起的拉力为 dT，则 dT＝P1－P2。 设d F为土粒与筋材在该微元段上产生的总摩擦力，则有：
dF=2σf b dl　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1--1
根据该微元体的受力分析，可知， 如果
dF＞ dT　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   1--2
　　则筋－土之间就不会产生相互错动。 或者说，土的水平推力被筋－土间的摩擦力所克服，微元体保持稳定。反之则不能保持稳定。
　　从上式可知，筋材材料要满足两点要求，即一是表面要粗糙，摩擦系数大，使筋—土之间产生足够的摩擦力，二是要有足够的强度和弹性模量，前者是保证在筋—土之间产生错动前筋材不会被拉断，后者保证筋材的变形与土体的变形大致相一致。
　　在加筋土墙稳定分析中，墙体由于受到土体的推力产生破坏时（可先假定将加筋土看成无筋土体），依据郎金土压力理论，沿主动破裂面AB将墙体分为主动区和稳定区。下滑土棱体ABC自重产生的水平推力对每一层筋材形成拉力T，欲将筋材从土中拔出，而稳定区土体与筋带的摩擦阻力阻止筋材被拔出。如果每一层筋材与土体摩擦阻力均能抵抗相的土推力，则整个墙 体就不会出现AB滑动面，加筋土的内部稳定有保证。
　　设每层筋带所受的土体的水平推力为T，那么
 
　　式中：L2——筋材在稳定区的长度，其它符号同上，
　　上式为判定加筋体稳定与否的必要条件。
　　按上述的摩擦加筋原理分析，筋材的工作类似于通过筋带结构锚固在稳定土体中，所以，稳定区又称为锚固区，筋材在稳定区的长度L2称为锚固段长度或有效长度。摩擦加筋原理由于概念明确、简单，在加筋土挡墙的足尺试验中得到较好的验证。因此，在加筋土的实际工程中，特别是加筋土挡墙工程中得到较广泛的应用。但是，摩擦加筋原理忽略了筋带在力作用下的变形，也未考虑土是非连续介质、具有各向异性的特点。所以，对高模量的加筋材料，如金属加筋材料比较适用，对加筋材料本身模量较小、相对变形较大的合成材料（如塑料带等），则是比较近似的。

1.2准粘聚力原理

图3　加筋土与无筋土强度曲线

       加筋土结构可看作是各向异性的复合材料，一般情况下筋材的弹性模量远远大于填土的弹性模量，筋材与填土共同工作，外侧强度包括了填土的抗剪强度、填土与筋材的摩阻力和筋材的抗拉力等共同作用，使得加筋土的强度明显提高。这一点在加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样三轴对比试验中得到证实。
　　砂土试样在单轴压力下受到压密，土样侧向在侧压力作用下发生侧向应变。如果在土样中布置了筋材，由于筋材对土体的摩擦阻力，当土体受到垂直应力作用时，在筋材中将产生一个轴向力，起着限制土体侧向变形的作用，相当于在土中增加了一个对土体侧压力的反力，使土的强度提高。根据维达尔等人的试验研究，加筋土的强度与土的抗剪强度、土与筋材之间的摩擦系数、筋材的抗拉强度、筋材的数量等有关。加筋土在受力变形过程中可能出现筋材抗拉极限状态、筋材与填土之间的摩擦—粘着极限状态以及填土抗剪极限状态。加筋土的强度分析主要针对前两处，第三种只有当筋材与填土的弹性模量相近时才会出现。

　　加筋砂样比无筋砂样强度提高，可根据库仑理论和摩尔破坏准则来加以阐明。 根据库仑理论，土的极限强度为
τf ＝ σ tgφ＋C                                        1--4
式中τf――土的极限抗剪强度 σ ――土体上受到的正应力
C ――土的凝聚力 
φ ――土的内摩擦角 
当C＝0时为砂土，C≠0时为粘性土 
　　设σ1f 为土样破坏时的最大主应力， σ3为土样侧面的最小主应力。根据土样破坏时土样的摩尔园与土样的库仑强度线相切的条件，可得 
σ1f =σ3 tg2 (450 +φ/2) +2 c tg(450 +φ/2)                      1--5
　　在三轴对比试验中，如果未加筋砂土样在σ1、σ3作用下达到极限平衡，并为破坏时的应力状态，保持σ3不变，对于加筋砂样在相同的应力下未破坏，而是当增大至时才能达到极限破坏状态。砂样在加筋前后的内摩擦角φ值不变，但加筋后土的强度提高了。
　　比较未加筋砂和加筋砂试验的极限平衡条件，加筋砂多了一项由C’引起的强度增加，或者说承载力增加。从三轴对比试验的结果来看，加筋砂与未加筋砂的强度线几乎完全平行，说明加筋前后砂样的内摩擦角φ值基本不变，但加筋砂的强度曲线不通过σ—τ坐标原点，而与纵坐标轴τ相截，其截距C’相当于上式1--4中的C，或者说，式1--4对于加筋砂土的强度是成立的。因此，可以认为，加筋砂土力学性能的改善是由于新的复合土体具有某种“粘聚力”的缘故。砂土本身是没有这个“粘聚力”的，而是砂土加筋后的结果。在试验中对加筋砂样施加的侧向压力为σ3，而实际上砂样受到的侧压力是σ3+Δσ3，而Δσ3正是由于砂与筋材间的摩阻而产生的，但在最后结果的表述中却被“C”所代替。事实上它不是粘聚力，而是加筋土的强度增量。为了表达方便，我们将这个“粘聚力”称为“准粘聚力”或“似粘聚力”，它反映了加筋土这个复合土体本身的材料特性。将C’看作加筋土的强度增量，用该原理不但可分析加筋砂的工作机理，同样可用来分析粘土类加筋土。下面来分析导出C’的计算公式。
　　把加筋砂的三轴试验当作无筋砂试验，但相应的σ3用σ3+Δσ3代替，当其达到极限平衡状态时，有
σ1f =（σ3+Δσ3） tg2 (450 +φ/2)                            1--6
σ1f =σ3 tg2 (450 +φ/2) +Δσ3 tg2(450 +φ/2)        1--7
比较2—5和2-7式，可得
2 c tg(450 +φ/2)  =Δσ3 tg2(450 +φ/2)则有
C =（Δσ3 /2）tg (450 +φ/2 )                              1--8
Δσ3为等效应力增量，它是由加筋砂土体中的筋材产生的，无法直接测得，可示为
                                1--9
　　取三轴试验破裂时的土体为脱离体，作用在脱离体上的作用力有：轴向应力σ1（破坏时为σ1f）、水平应力σ3、筋材拉力T、破裂面上土的反作用力R。破裂时R与破裂面的夹角为φ，破裂面与水平面的夹角为450 +φ/2。
　　设A为试件的截面积，Rf 为每层筋材单位宽度加筋土中筋材的抗拉力，Sy 为加筋土体中筋材层的竖向间距，则筋材拉力，
 
　　试验结果得出，加筋土的似粘聚力发展很快，对于0.2%的轴向变形，C’就可以达到80%的极限值，轴向变形到2%时，加筋层的抗拉强度已全部发挥作用。