土工合成材料加筋设计过程和存在问题分析
摘 要：进入到新世纪以来，随着我国市场经济水平的迅速提升，我国的公路工程、建筑工程等工程项目也得到了迅速的发展。众所周知，在软土地基上进行建筑物的施工过程是比较困难的，建筑物的承载力不足并且十分容易出现建筑物沉降的现象，这就加快了土工合成材料加筋地基的出现，土工合成材料加筋地基可以有效的减少建筑物的沉降并且提高软土地基的承载力，同时还具有施工成本低、施工方法简单并且快捷的特点。在当代的工程项目，土工合成材料加筋地基在路堤、海堤、房屋建筑以及围堰和油罐等等基础地基的加筋的过程中被广泛的应用。本文便对土工合成材料加筋的作用机理、土工合成材料加筋的布置形式以及土工合成材料加筋的设计分析方法三个方面的内容进行了详细的探析，从而详细的分析了土工合成材料加筋的设计过程及关键问题。
关键词：土工合成材料加筋；设计过程；关键问题
中图分类号：U495文献标识码：A
随着社会科技水平的快速发展，目前土工合成材料加筋已经被广泛的用于许多的工程项目中了。但是建筑工作者对于土工合成材料加筋的概念的认识还不够清晰。我们所说的土工合成材料加筋就是指通过土工合成材料与地基周围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点产生相应的应力传递，这种应力传递可以有效的提高地基土体的韧性以及强度，还能改变原来地基土体的位移场以及应力场，同时还能够增加土体的稳定性以及改善土体变形性状的一种有效的技术手段。柔性纤维素一般通常是土工合成材料的原始材料，柔性纤维素具有伸长率较大的特点，因此土工合成材料的加筋概念与传统的钢筋混凝土加筋的概念是不一样的，筋材与土基质的作用机理的不同是最为主要的区别。这点区别对加筋的分析计算方法以及应用的效果也是有很大的影响的，是需要被注意并重视的。
土工合成材料的加筋材料具有很多种，无织土工织物、复合型土工织物、土工网、土工格栅、纺织土工织物、编织土工织物等都是土工合成材料的加筋材料。这些土工合成材料具备明显的优点：轻度高、弹性好、质地轻、抗腐蚀性好、抗酸碱性好、抗虫蛀性能优良。但是它们也具有共同的缺点，那就是在阳光或是紫外线的照射下，老化现象十分明显。根据土工合成材料的这些特点，在实际的工程项目存在以下几种土工合成材料加筋的类型：（1）堤坝或陡坡加筋，这种加筋的类型主要应用于高速公路、公路、铁路、土坝、海堤的基底以及其陡坡或是堤坝的加筋。（2）工程建筑物的地基基础加筋，这种类型的加筋主要应用于油罐基础、条形基础及其地基中加筋。（3）支挡结构加筋。桥墩加筋以及挡墙结构加筋都是较为常见的支挡结构加筋的形式。随着土工合成材料加筋在建筑工程中的广发的应用，目前在一些高等级建筑工程以及堤坝工程的修建中，土工合成材料加筋也得到了发展及应用。
1 土工合成材料加筋的作用机理
通过模型试验、室内试验以及离心试验对土工合成材料加筋土的观测及分析，土工合成材料加筋主要存在以下三个方面的作用机理：
1.1 约束竖向变形，增加侧向压力
首先对堤坝地基进行三轴实验的测试，通过对比没有加筋以及有加筋的实验结果，就可以解释土工合成材料加筋的作用机理效果。当在没有进行加筋操作的堤坝地基上施加一定的竖直向下的应力时，会看到堤坝明显的侧向变形以及压缩现象的发生，并且堤坝建筑也受到了破坏。同样情况下，当对有进行加筋施加竖直的应力时，土与筋材会产生一定的相互作用。从实验中可以看出，由于堤坝受到的加筋的作用，侧向压力有增大的现象出现，我们称为压束力，同时由于加筋的作用堤坝也约束了竖向变形。
1.2 增大了土体的视内聚力
根据以上的三轴实验的测试结构，若想使加筋的试样在相同的应力的作用也达到破坏的效果，就必须相对的减少土样所受到的侧向的压力。通过实验数据可以看到，加筋土样的摩擦圆与没有加筋的土样的摩擦圆的区别并不大，所不同的是加筋土样的视内的聚力得到了增加。根据土力学的原理及物理学的计算公式计算可以得出，影响土体视内聚力增加的关键因素是土工织物筋材的抗拉的强度，并抗拉强度与视内聚力是程正比的，即织物的抗拉强度越好，视内聚力增加的就越多。相反的，当土体的抗拉强度很小时，或是筋材土工织物由于抗拉强度不够被拉断或是被拔出时，土体的视内聚力就不会增加，同时土工合成材料的加筋的效果也会消失。
1.3 土工织物的隔离作用
土工织物的隔离作用主要有两个方面的内容：一方面是由于加筋的筋材是具有很高的抗拉强度的，而土体本身的抗拉强度又是较低的，这时当外力的荷载通过土体的作用传递给筋材时，筋材与土体会产生一定的相互作用，为防止土体因抗拉强度过低而产生断裂的现象，筋材会约束土体的变形，从而改变了土体上下两部分的应力状态，这是土体就会以筋材为界被分成上下两个部分了。根据对有限元的实验分析，土体没有加筋的情况，在外力的荷载下土体内部会形成一段连续的塑性开展区。当在土体内增设一层筋材时，这一段连续的塑性开展区就会被隔离开来，形成两个不连续的塑性开展区。在离心模式的试验中可以清晰的看到这种隔离的现象。当对陡坡进行破坏实验时，没有加筋的陡坡会沿着破坏面连续破坏，而进行了加筋的陡坡，土体是沿着加筋筋材的水平布置产生破坏的，并且破坏的形式不是连续的破坏而是分层逐渐被破坏的。另一方面的隔离作用是土工织物可以将两种不同的材料隔离开，防止两种材料混合在一起。如在海涂上进行筑堤施工时，在海涂面上铺一层土工织物之后，再在土工织物的上面进行填土筑堤的施工操作，这样就可以保证填料不会掉入到海涂地基中去，同时地基不被扰动也同样得到了有效的保证。
2 土工合成材料加筋的布置形式
2.1 张拉应变弧布置筋材的理论
土工合成材料作为土体中的筋材，在土体中只受到拉力的作用，因此要想充分发挥土工合成材料筋材的抗拉作用，就必须合理的布置土工合成材料筋材的位置。
土体单元除了承受主应力的作用，在相应的单元内还会受到剪应力的作用，在受到剪应力的平面内，沿剪应力方向的轨迹就是零延伸的方向，应变的摩尔圆可以有效的表示零延伸的方向。通过对应力摩尔圆的研究得出，零延伸的方向与滑动面的方向是一致的。由于土体的拉伸变形是被沿剪应力方向的轨迹线所形成的弧形包围着的，所以为了使土工合成材料筋材最大限度的发挥抗拉的作用，就应该将土工合成材料筋材土体内部的这个滑动弧上面。
2.2 土工合成材料筋材的布置形式
根据以上的张拉应变弧布置筋材的理论得出，土工合成材料筋材应该埋设在滑动弧上面并且是横穿滑动弧的。因此如何确定零延伸线的方向以及预估拉伸应变轨迹线的方向就是建筑设计人员所面临的最棘手的问题。以下主要介绍四种常见的土工合成材料筋材的布置形式：
2.2.1 边坡位置土工合成材料的布置筋材的形式。根据张拉应变弧布置筋材的理论，边坡位置内的筋材应布置在滑动弧上面这个理想位置的，并且在实际的建筑工程中土工合成材料筋材应该是水平布置的，然后进行回拧的操作从而有效的锚固筋材的位置。
2.2.2 堤坝基底的土工合成材料筋材的布置形式。从理论上来讲，堤坝基底的土工合成材料筋材也是应该以水平位置进行布置的，在坝趾的区域则更适宜进行斜向的布置。通常圆弧的滑动为堤坝最为常见的破坏形式，所以进行筋材的布置时应尽量使筋材穿越整个圆弧的滑动面，整体布置筋材以及局部水平布置筋材为堤坝基底土工合成材料筋材最为常见的布置形式。
2.2.3 支挡结构中土工合成材料筋材的布置形式。目前工程项目中支挡结构主要有桥台和挡土墙两种形式。根据张拉应变弧的布筋理论，结构土体的主拉应变的方向应该是水平的，所以在实际的工程中，土工合成材料的筋材也应该是呈水平方向进行布置的。
以上是结构相对简单的建筑的土工合成材料筋材的布置形式，对结构相对负责的结构来说，应使用有限元求解的方法或是室内模型试验的方法求出建筑物地基的零延伸线并确定零延伸线的方向。然后再根据张拉应变弧布置土工材料筋材的理论，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设计分析方法
近些年来，随着科学水平的快速发展，土工合成材料加筋的设计分析方法也越来越多，其中主要有以下两种土工合成材料加筋的设计分析方法。
3.1 土工合成材料加筋堤坝的极限平衡分析方法
在工程项目的设计分析中，根据土工合成材料加筋堤坝的破坏形式，通过以下五个方面的内容对加筋堤坝的稳定性问题进行分析工作。这五个方面分别是加筋堤坝地基的承载力、加筋堤坝沿土工织物表面的滑动破坏的形式、加筋堤坝穿过筋材的圆弧破坏的形式、土工织物的过量变形的问题以及加筋堤坝的轴向弯曲的破坏形式。
3.1.1 加筋堤坝地基的承载力的分析。在软土地基上修建的堤坝工程没有进行加筋才施工的临界承载力取决于堤坝地基的局部稳定的计算，而对于进行了加筋施工的堤坝，由于土工织物能够调整并且使堤坝填土层传给地基的应力进行扩散，同时还能够保持堤坝地基的整体性。所以此时从局部破坏变为整体性的破坏就是加筋堤坝的破坏形式，破坏形式的变化自然也会导致软土地基承载力的变化，地基的承载能力得到了相应的改善。通常加筋堤坝地基承载力的分析方法可以采用经典极限平衡法进行分析计算，再由太沙基的地基承载力的计算公式得出：q=CNc+ΥZNc+0.58BYNr。公式中的C代表了堤坝地基土体的凝聚力；Υ是堤坝地基土体的容重；B代表了堤坝基底的宽度；Z为堤坝基底水平面以上的深度；Nc、Nc、Nr均为地基承载力的承载系数。
3.1.2 加筋堤坝沿土工织物表面的滑动破坏的形式。在堤坝地基加筋的阶段，堤坝侧向的土体的压力会形成一定的作用力，为了有效平衡并且抵消这种作用力，就一定会施加给堤坝地基一定的剪应力。如果软土地基的抗剪轻度处于较低的状态或是土工合成材料的加筋与堤坝或是地基之间的摩擦力阻力不能够抵抗这种剪应力的作用，堤坝内部的受力就会产生一定的不平衡，就会出现堤坝不稳定的现象。所以这就要求了加筋与堤坝或是地基之间必须有足够的摩擦力阻力，从而能够有效的阻止堤坝或是地基在土工织物表面的滑动破坏，同时还要求土工织物具有足够的抗撕破强度以及抗断裂的强度。
堤坝在土工织物表面滑动破化的主要的破坏作用力是堤坝的横向的土体压力。堤坝越高，横向的土体压力就越大。堤坝或是地基的单位长度的作用力公式为：Pa= 0.5KaΥH2。其中Ka为主动土体的压力系数；Υ为加筋堤坝土体的容重；H为加筋堤坝的最大高度；Pr为加筋堤坝产生滑动的土体的上压力。沿着加筋堤坝的填土与土工织物接触面上的摩擦力阻力即是抗滑力，加筋堤坝单位长度上的抗滑力公式为：Pr=0.5ΥLHtanΦsf，其中L为加筋堤坝内的土工织物的有效抗阻力的长度；Φsf为土工织物与加筋堤坝填土之间的有效摩擦角；Pr则为土工织物与加筋堤坝填土之间因摩擦所产生的抗滑力。根据以上两个公式则推出抗滑安全系数Fs的公式为：Fs=Pr/Pa=LtanΦsf/H。另外还必须保证土工织物有足够的抗拉强度，不能够被拉断。所以抗拉安全系数FL的公式为：FL=Tf/Pa=2Tf/KaΥH2。此公式中的Tf为土工织物的抗拉强度。
3.1.3 加筋堤坝穿过筋材的圆弧破坏的形式。如果加筋堤坝的整体承载力已经达到要求时，则就要对加筋堤坝的边坡的稳定性进行相应的分析工作。在实际的工程项目的设计用，通常采用土工极限平衡的方法可以找到加筋堤坝的最危险的滑动面。加筋堤坝的抗滑力矩以及滑动力矩都是可以通过计算得到的，再根据工程项目对安全系数的要求，就可以计算得出土工织物需要的附加抗滑力矩。根据通过分析计算得到的土工织物的附加的抗滑力矩，便可以有效进行选择以及布置土工织物。在工程实际施工的情况当中，为了有效避免土工织物被拉断的现象的发生，还应对土工织物增加一些附加的安全因素。
3.1.4 土工织物的过量变形的问题。要想使土工织物在加筋堤坝中真正的起到应有的作用，土工织物的变形现象是不可以避免的。但是对于加筋堤坝的横向变形要进行预测及预防的工作。土工织物的横向变形的变形值是要受到土工织物模量的控制以及影响的。所以为了防止土工织物在加筋堤坝中发挥作用的同时产生过量的横向变形，就必须对土工织物的许可变形的值加以限制。
在土工织物上的拉应变的分布是呈逐渐变化的趋势的，在堤坝的顶部是最大值，在堤坝教是最小值且值为零。所以土工织物的模量的最小值的计算公式为：Emin=Tf/εmax。其中Tf土工织物的拉伸强度；εmax为土工织物在加筋堤坝中心所产生的最大应力值；Emin便为土工织物模量的最小值。即土工织物的应力值越大，则土工织物的模量值越小。
3.1.5 加筋堤坝的轴向弯曲的破坏形式。施工阶段土工织物因受到边界荷载的受拉破坏以及堤坝的纵向弯曲破坏还可能是堤坝的基础条件所引起的，这些应力的分布以及大小都是难以确定的。根据多次进行的实验得出：土工织物的横向的抗拉强度大小应为其纵向抗拉强度的4倍。
3.2 加筋挡墙局部稳定的设计分析方法
用于加筋挡墙局部稳定的设计分析也有多种的方法，其中在实际工程中较为常用的主要有有粘着力重力分析法以及拉索楔形体分析法。挡墙墙面转动及侧向压力在土工合成材料加筋土中的作用和破坏带的形状的假设不同是这两种方法最主要的不同。
3.2.1 有粘着力重力分析法。有粘着力重力分析法与拉索楔形体分析的不同之处在于计算土工合成材料的加筋强度时，本方法仅采用主动土体压力系数，而拉索楔形体分析法只是在6m的深度以下采用主动土压力系数，其余则采用静止土压力系数。
这种方法土体合成材料的加筋强度计算公式为Tf=FrKΥHS，其中，L为土工合成材料的最小长度；Υ为填土的容重；Fr土工合成材料的抗拉安全系数；S为加筋的垂直间距；H则为加筋挡墙的高度。K的取值在深度大于6m时和小于6米时是不同的，则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横向宽度、土工合成材料在填土中的长度以及土工合成材料在填土阻抗区的长度等参数通过公式计算得出。
3.2.2 拉索楔形体分析法。应用此方法时，土工合成材料加筋强度的计算公式仍为Tf=FrKΥHS，并且符号的意思同有粘着力重力分析法公式中符号的意义是相同的。如果存在复荷载时，则计算加筋的抗拉强度时还应该计入这部分的折算高度。则土工合成材料的最小长度的计算公式应为L=La+Ld。其中La=Htan(45°-Φ/2)，Ld=FpKsS/2tanΦsf。其中公式中，La为土工合成材料在主动区的长度；Ld则为土工合成材料在主动去之外的长度；Φsf为土工合成材料与周围土体之间的界面摩擦角；Fp为土工合成材料的抗拔安全系数；Φ为填土土体的摩擦角，其余符号同上述的意义相同。
通过以上的论述，我们对土工合成材料加筋的作用机理、土工合成材料加筋的布置形式以及土工合成材料加筋的设计分析方法进行了详细的分析和探讨。土工合成材料的加筋的作用机理本就是十分复杂的，所以在工程项目的实际应用中，建筑设计人员必须采取正确的土工合成材料加筋的布置形式，还要选择正确的设计分析的方法，只有这样土工合成材料加筋才能工程项目的建设中发挥应有的作用，土工合成材料加筋才能够更为迅速的推广及发展。
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