我国土工合成材料界面特性的研究和应用概况

---- 包承纲
Study on the interaction characteristics of geosynthetics and soil in China.
摘要
　　土工合成材料作为一种加筋（加固）材料在工程中应用得越来越广泛，但加筋的机理和设计理论方面的研究却落后于工程实际，从而影响加筋技术的发展。本文简要地叙述了这种机理研究中的一个重要方面，即界面特性在中国的研究成果及其工程应用情况，指出了筋材与土的复合加筋体的加固机理可大致分为直接加筋作用和加筋体对周围土体的刚度、应力和应变分布，破坏形式等影响的间接加固作用两方面，尤其对接触面相邻的土体中的剪切带作了重点的叙述，然后介绍了界面特性的室内和现场若干试验研究成果，最后列举了工程应用的某些实例。
前言
　　土工合成材料最重要的功能之一是加筋（加固）。用土工合成材料加筋（加固）的土木工程、水利工程和环境工程等遍布全世界，在中国也有飞跃式的发展。实践已经表明，土工合成材料加筋（加固）工程具有良好的工程效益、经济效益和环境效益，并且展现出广阔的应用前景。
　　然面应当指出，在工程广泛应用的同时，有关的理论研究却十分不足，并已大大落后于工程实践的发展。表现在按现有某些方法进行的计算结果，反映不了土工合成材料对改善结构物性能的巨大作用。以软土地基加固为例。实践表明，土工合成材料可以有效地增加软基上堤坝或其他结构物的稳定性、保证工程的安全，但常用的按园弧滑动或按水平滑动核算的稳定安全系数FS一般只增加2~5%左右[1，2]若按有限元法计算，FS也只增加4%[3]，远远不能反映加固的实际效果。这种矛盾已为大量的试验和实践所指明。Rowe的原型试验表明，铺土工织物可使试验堤的极限高度提高30%以上，甚至可提高1倍，这表明土工合成材料的加固机理和被加固工程的可能破坏模式还没有太搞清楚。由于缺乏反映加筋实际效果的计算方法，因此土工合成材料的加筋应用就带有一定盲目性，并可能严重影响其推广和技术发展。因此，研究它的加固机理、破坏模式和合适的计算方法就成为加筋工程中重要而又紧迫的课题。
　　不少学者曾对目前在加筋工程中常用的园弧滑动法进行了研究，并提出了改进意见。例如，有的认为应在沿筋材顶面考虑力矩平衡的园弧复合滑动面上进行核算，它可以提高安全系数约7%，而简化Bishop法的条间力影响则不大（仅差2%左右）[2]；有的认为，现有的极限平衡法只考虑加筋垫层在滑面处的拉力所产生的抗滑力矩，未考虑加筋垫层在土体界面所承受的拉力对稳定的作用，这样会使安全系数偏低[5]；还有的认为，在地基园弧滑动分析中，还应考虑筋材摩擦力对地基应力状态的影响，应力状态应按有限元法计算，然后再用园弧滑动法计算安全系数[6]。上述的研究对改进现有稳定计算的具体方法有一定作用，但基本上尚未涉及加筋机理和加固工程破坏形式这个较本质的问题。

2 现有关于加筋机理的一些说法
目前有关于加筋机理已有不少研究成果，主要有如下几种说法：
（1）界面摩擦作用理论
　　土与筋材界面存在着摩阻力，它约束了土的侧向位移，增大了土体的刚度，提高了加筋土体的强度和稳定性。根据这种说法，就可以用一个摩阻力代表加筋土中筋材的作用，然后仍按常规的（无加筋的）情况进行稳定计算[7]。接触面摩擦力的大小可以根据作用的正应力和接触面摩擦系数求得；

　　当土体在荷载作用（自重和超重）下产生下沉时，铺设于土中的加筋薄膜也产生了垂向挠曲，薄膜的挠度等于接触面处土体的竖向变形。由于加筋薄膜因变形（拉伸）而产生的能力作用，使它分担了一部分竖向荷载，从而使下层结构的负担得以减轻。由此可知，筋材的绕度越大，加筋效果越好，但与筋材的强度关系不大。同时，筋材需要发生一定娈形的条件下，才能发挥加筋作用，这就与筋材的埋设位置有关[10]。顺便指出，当筋材发生下沉时，其上的土层也将随之下沉，由此，土层中将会产生一种“拱效应”，土中的应力被扩散，延迟了破坏面的出现[16]。

（4）加筋垫层的应力扩散作用理论

（5）加筋导致土体应力状态和位移场改变的作用

　　沈珠江在他的“土工合成物加强软土基的极限分析”一文中[13]强调了筋材摩擦力对其应力状态变化的影响。他认为当筋材具有足够强度，不发生断裂或拔出等情况下，园弧滑动是不可能出现的，唯一的破坏形式是伴随沉降而产生的横向挤出。由于筋材改变了地基剪应力的方向，从而使地基的承载力大幅度地提高。王伟在软基的织物加固机理研究中[14]，强调了加筋明显地改变了地基的位移场，实质上，加筋垫层在复合地基基本上形成了一个“自撑式的持力体系”。

（6）剪切带理论

　　试验研究已经表明，土与其他结构物接触面相邻的土体中，在剪切位移达到一定值以后，会产生一个剪切带，这种变形的局部化问题是分叉理论中的一个新课题。剪切带形成过程中造成的对接触面的阻滑作用是加筋机理的一个重要方面，已引起土力学界的广泛注意[15,17,19]。下面将有进一步叙述。

3界面特性分析及其对加筋的作用

　　上述关于加筋机理的一些分析均有一定的根据。但笔者以为，仍有必要对以往在中国进行的加筋机理方面的定性和定量研究作一分析和归纳，并提出笔者的观点。

　　加筋土的加筋机理归纳起来有两大方面：

　　一是筋材与土的接触带来的界面效应造成的直接加筋效果，二是筋材与相邻土体联合形成的复合体（似刚性体）产生的间接加固效果。对于前者，上面提到的接触界面上摩擦与嵌锁作用，接触界面上的张力膜效应特别是接触界面附近土体内出现的“剪切带现象”都会增强地基的承载力，延缓破坏的发生；对于后者，由于加筋体而造成的地基内应力（应变）重分布改变剪应力的方向、应力扩散作用使上覆土层产生的拱作用以及加筋层下面一定深度内土体出现的“似刚性区”的存在等，都会使整个加筋土体的破坏模式发生改变，地基的承载力会显著增加，建筑物的稳定性会大大改善。从中国现有的一些室内，现场试验数值分析研究以及位移观测的成果来看，这些认识已经初步得到验证。下面对这些试验和分析研究成果作一介绍。

4界面特性与剪切带的研究

　　前已指出，加筋作用的直接方面来自土与筋材的界面效应。加筋土体在受力过程中的反应不仅发生在接触面上，而且也发生在相邻土层中，当筋材与土的相对位移达到一定程度时，靠近筋材的土会出现一定厚度的剪切带，它是由于接触面上的嵌锁与摩擦作用而造成的。另一方面，也与材料本身的不均匀或某些缺陷和弱点使土中应力、应变的不均匀有关的，不难想像，随着变形的增大，软弱部位的剪应力会愈加集中，应变更加不均匀，而高应变梯度会传递到相邻区域，最终导致变形的局部化发展，剪切带就形成了[15][17]。变形局部化问题是分叉理论中的一个新课题，也是研究土与结构物共同作用的一个核心问题。

　　根据张嘎的大型拉拔试验及土工织物与砾之间界面的力学性质研究[15]认为，作为结构物的土工织物表面具有一定的糙度，它与土发生相对位移时，接触面相邻的区域内的土颗粒会发生变位，滚动，破碎等现象，并在较大剪切变形时形成剪切带，这个剪切带与结构面共同构成了有厚度的界面。根据试验，该剪切带的厚度约为土的平均粒径的5~6倍，因此过去认为的土与结构物的交界面是无厚度的说法是不全面的。本文以下所提及的“界面”均指包含了剪切带的有一定厚度的交接面。界面的性状与若干因素有关：接触面的糙度对界面的应力应变特性有较大的影响(图4)，实际上光滑的接触面不会形成剪切带，而仅仅只能产生滑动破坏。粗糙的接触面会造成界面土体结构的异向性；法向应力的大小对界面的力学特性也有一定影响（图5），界面上土体的法向变形在法向应力较小时，表现为剪胀，而较大时则表现为剪缩，但法向应力对剪切带的厚度影响不大。在切向应力与接触面相对位移的关系中呈现一定的应变软化特性，法向应力大，软化程度也大。

　　土性对界面力学特性的影响表现为强度包线形状的不同，土工织物与均匀砾相接触，与土工织物与标准砂相接触，两者的强度包线有些弯曲（图6），但弯曲程度有差别，强度的大小也有不同，这是与织物材料嵌入土颗粒的程度不同有关的。在中国，已研究过的被加筋土有砂、砾，碎石土，残积土，灰土，软土及细粒尾矿等，可以认为，接触面的糙度、土性和法向应力大小是影响界面特性的主要因素。

　　还应指出，既然界面是由接触面和剪切带构成的，因此筋材一侧或两侧与土接触的两种情况，它的剪应力与相对切向位移的关系将随界面的情况有所不同，如对均匀砾的双界面，该关系较平缓，而且强度包线为一直线。因为此时的接触面不再是平整的，而是波状起伏的，于是接触面增大，抗拔力也提高了。这个增加的强度分量称为界面的剪胀强度分量，在计算中考虑这分量的校正可以提高数值模拟计算的精度[16]。

　　为了证明上述推论，试验中采用了数字照相和土颗粒位移图像的相关分析技术，量测了剪切过程中结构面附近土粒的细观变位和破碎程度，证明受剪过程中剪切带内存在颗粒破碎和压密两种物态的变化[15]。

　　由于变形的局部化现象，试样内部各部分的状态差别很大，故其应力应变关系也很复杂，既有应变硬化，又有应变软化，还有卸载等，因此选择反映这种界面特性的本构关系就比较困难。在中国，不少学者采用试验实测的应力应变特性曲线进行适当概化，然后建立分段拟合方程进行计算[18]。

　　对于张力膜效应的数值模拟，王陶等已根据薄膜横向挠度很小的假定，针对加筋道路工程建立了薄膜的平衡微分方程，并利用层状弹性体与薄膜竖向位移与应力的连续性将两者藕合建立了土工合成材料加筋道路的计算模型。并以两层加筋体系为例，导出了在轴对称和非轴对称荷载作用下的一般解。

　　上述的界面本构关系研究以及相应的数值分析工作，对于采用计算方法来求得拉拔力与拉拔位移的关系，并为工程中应用打下了一定的基础。

5界面特性的试验研究

　　界面特性研究是两种不同材料的相互作用问题，中国对筋材与土体接触的界面特性已有不少研究和试验成果。

（1）摩擦特性与嵌锁作用

　　界面特性主要包含摩擦和嵌锁作用以及由此而引起的其他加固效应。摩擦是筋材表面与土面相对位移时产生的，而嵌锁作用在格栅等加筋材料中主要由于横肋与土的相对位移产生的，并且只有在位移较大时才会明显的显现。因此这两种效应作用并不一定能同时发挥，这可从文献[21]土工格栅与砂拉拔的试验曲线中看出。

　　摩阻力在格栅位移很小时，即迅速增长，并达峰值，进而稳定。此时横肋阻力开始较小，但很快占主导地位（承担90%左右的拉拔荷载），如图3示。

（2）界面特性试验

　　界面特性研究的定量方法主要是进行各种加筋土的试验。进行过的试验有：室内试验（直剪、拉拔和三轴试验），工程的静力模型试验和离心模型试验，以及现场试验。直剪试验是模拟摩擦作用的，它比较简单易行，成果规律性较好，可以获得界面的应力位移特性和抗剪强度参数；拉拔试验是模拟摩擦和嵌锁作用全过程的，它也可获得与直剪试验相类似的成果，但所得的C，φ等参数略为小些。由于设备控制比较困难，有时成果规律性较差，三轴试验也是常用的室内试验方法，这时将加筋土试样当作复合体。由于三轴试验可以控制多种试验条件，受力状态明确，成果较规律，因此可以获得不同条件下和不同影响下加筋土性状的成果。

　　静力模型试验和现场模拟试验的方法在一些重要工程中进行过，其受力情况与拉拔试验相近。此外加筋土结构的离心模型试验也曾有若干次的探索，得到一些初步成果。

（3）加筋土界面的典型试验成果

①直剪试验和拉拔试验[22][23]

　　筋材为经编土工格栅、单向土工格栅和有纺布三种

　　从表1成果可以看出，加筋土的界面特性与筋材的特性和土的性质等因素有关。第4节已指出，剪切带的发展与筋材表面的糙度密切相关，糙度大则剪切带厚度大，相反若糙度小到一定程度，则剪切带就不会出现，因此，糙度较大的且横肋嵌锁作用较强的经编格栅就具有较厚的剪切带，并较高的抗剪强度。与此相应，被加固的土的粒径越大，强度越高，则加筋土的强度也必然越大，因为当剪切时，邻近被动员起来的土颗粒也一定越多。

　　当然，不难想像，除上述因素外，筋材的布置方式（层数、间距、长度、端部因素和预拉应变等）及施工方法必然影响加筋的效果，有关这方面的研究以及相应的设计方法的讨论也常见诸于中国的有关刊物和书籍中[1][6][7][12]。

②三轴试验成果[25]

③模型试验

　　从图中看出，箱式布筋可延缓破坏面的出现，加筋效果更好。

④离心模型试验

6加筋（加固）功能在中国的应用

　　前已述及，不同类型的土工合成材料与各种不同土类之间界面效应，使土工合成材料广泛地用于土体加筋（加固）工程中，它们主要有如下几种类型：

（1）软土地基的加固

　　这是应用得最广的工程类型之一，中国的沿海地区广泛分布着软弱软土，在软基上修建堤坝时，采用有纺土工积物加筋的砂垫层进行加固已是一种常规的措施，用得十分普遍[30,31]。有的工程还采用塑料土工网作为筋材[32]，该加筋复合地基的允许承载力可达180kpa。现场试验表明，在上海江滩堆场上，采用这种地基结构受力特性良好，具有良好的卸荷回弹性能，可起压力分散作用，减少荷载影响深度并显著地减小不均匀沉降。

（2）加筋挡墙

　　这是一个应用极广的结构类型，尤其是铁道，公路，天然边坡加固等工程中更是如此。目前，挡土墙的高度在30m以上不在少数，最高已达55m，分为三级[31]，采用聚丙烯复合加筋带加筋，并用离心模型试验研究其效果和优化筋材布置方式。

　　结合挡墙进行筋材的变形和应力分布的实测的工程实例也为数不少，它有助于了解筋材的工作状况。根据实测可知，实测土压力基本接近Rankine理论的计算值[27]，如图14。

（3）路面裂缝的防治[35]

　　在中国，公路方面的加固常采用土工格栅，格栅与混凝土集料之间的嵌固作用可防治路面的抗疲劳开裂。高气温下形成的车辙会使路面发生侧向推移，格栅的存在可以增加横向约束力，限制了侧向推移的发生，同时可以减少路面的下沉量；此外，在防止新旧路面之间反射裂缝方面也有广泛的成熟应用经验。

（4）处理桥头跳车问题[36]

　　广州的一座桥梁地基为软土，但桥台采用了桩基，故桥台台背会产生台阶式的沉降差，发生跳车现象。经采用土工格栅处理桥台台背的软土地基，效果良好，最大沉降仅0.4mm，没有明显的台阶形不均匀沉降，与有限元法理论计算也较一致，使用几年后未发现桥头跳车现象。土工格栅的作用使软土地基表面的承载力大大增加，而表面的荷载压强大为减小，故台背土体的总沉降也减小，且变形的分布是连续变化的，非台阶形突变。

（5）土工格栅碎石桩加固[37]

　　碎石桩在软基处理中常用作提高地基承载力、降低压缩量、加速地基固结速度的措施。但是碎石桩桩体易发生侧向变形影响桩的承载力，为此采用了土工格栅或土工织物对碎石桩进行加固。其加固方法有①在桩外裹一层土工格栅或积物；②在距桩顶一定深度范围（2-3倍桩径）内分层水平铺设土工格栅或织物。在320国道湖南省境内段处理极软地基时，就采用了这种措施以限制碎石桩的侧向变形，提高其承载能力[37]。实践表明，碎石桩外包裹土工格栅或土工织物可以显著地提高桩的承载力，尤其当桩径比较小时。

７结语

　　从上面的叙述可以得出如下的结论

(1)土工合成材料和土共同形成的加筋土体改变了土（尤其是无粘性）作为散体材料的特性，而成为具有一定似凝聚力和较好整体性的“似连续性”材料，其刚度和强度都大为提高，从而使加筋块体可以承担更大的外荷，它不仅增强了工程的稳定性，而且可以减小总沉降量和不均匀沉降量。

(2)土工合成材料的加筋作用主要由加筋体的“直接加固效果”和由加筋体的存在改变了土体的应力场、应变场及破坏模式所带来的“间接加固效果”两者组成的。

(3)“界面效应”是发生加筋作用的重要原因，这里所指的“界面”是由筋材与土之间的接触面及其相邻土体中在一定厚度的剪切带（局部化变形部分）组成的。

(4)影响剪切带的主要因素是接触面的粗糙度、被加固土的粒径和外加荷载的大小，光滑的接触面不可能形成剪切带，因此，增大接触面的糙度对增强加筋作用十分重要。

(5)界面特性的研究可以采用室内试验，静力模型和离心模型试验，现场原位试验和对工程的原型观测等手段进行。根据加筋工程中筋材的工作机理和破坏形式而建立的本构模型及相关的数值分析方法，可以对工程的加筋效果作出预测，这方面工作已经开始，尚需继续研究，并在实际工程中检验。

(6)采用土工合成材料对各类工程进行加固的实践已十分广泛，而且正在发展，加固机理的深入研究将有助于这种新技术更好地推广应用。

参考文献

[2]陈洪江堤坝下软基土工合成土工合成材料加筋稳定分析方法探讨，2002年全国加筋土工程学术研讨会会后论文集，现代知识出版社2003，130~137

[3]浙江里墩供水工程（实录），水利工程土工合成材料技术和应用，葛文辉等主编，科学普及出版社，2000，375-388

[5]黄传志等，土工织物加筋垫层抗滑作用及共边坡稳定分析方法，2002年全国加筋土工程学术研讨会会后论文集，现代知识出版社2003.152-165

[6]土工合成材料工程应用手册（第二版）中国建筑工业出版社2000年218-232

[10]王陶，土工合成材料加筋路面根理研究与性能分析武汉大学博士学位论文，2003.4

[11]李驰等扩展基础加筋风积砂地基室内模型试验研究岩土工程学报25（4）2003441-444考虑加筋层综合效应的堤坝下软基稳定分析法

[12]徐少曼，411-414全国第三届土工合成材料学术会议论文集，现代知识出版社，2000.

[13]刘文等加筋风积砂扩展基础的抗拔试验与位移控制计算

[14]王伟，有纺土工织物加筋软土地基的模型试验和机理研究岩土工程学报22（6），2000，750~753

[15]张嘎

[16]张嘎，张建民大型土与结构接触面循环加载剪切仪的研制及应用，岩土工程学报25（2）2003，150~153

[17]蔡正银无粘性土中剪切带的形成过程，岩土工程学报25（2）2003，129-134

[18]张孟喜等土工合成材料加筋土应变转化特性及弹型性分析，土木工程学报33（3）2000，104-107

[19]胡黎明，黄家骝土与结构物接触面物理力学特性试验研究，岩土工程学报23（4），2001

[20]王陶，王钊，考虑薄膜效应的土工合成材料加筋道路模型，岩土工程学报25（6），2003，706-709

[21]闫树旺等，土工格栅与土相互作用的有限元分析，岩土工程学报19（6）1997

[22]马时冬土工格栅与土界面摩擦特性试验研究，长江科学院院报21（1），2004，11-14

[23]许仲生土工织物与土相互作用试验研究的所问题，全国第二届土工合成材料学术会议论文选采1990，428-432

[24]王吉力、马时冬加筋砂应力一应变关系的三轴试验研究，全国第三届土工合成材料学术会议论文选集，天津大学出版社，1992，17-23

[25]赵川、周亦唐土工格栅加筋碎石土大型三轴试验研究岩土力学，22（4），2001，419-422

[26]吴景海等土工合成材料加筋砂土的三轴试验研究，岩土工程学极，22（2），2000，199-204

[27]王祥，徐林荣双级土工格栅加筋土挡墙的测试分析岩土工程学报25（2），2003，220-224

[28]章为民等加筋挡土墙的离心模型研究，土要工程学报33（3），2000，84-91

[29]杨锡武，易志坚基于离正模型和断裂理论的加筋边坡合理布筋方式研究,土木工程学报35(4)，2002，59-63

[30]罗强等,土工合成材料加筋砂垫层减小软土地基沉降试验研究岩土工程学报，25(6)，2003.706-709

[31]林彤超高三级加筋土挡墙聚丙烯复合拉筋的抗力研究岩土工程学报24（4），2002.706-709

[32]倪文源，高强度塑料土工网加固软土地基的研究与实践，全国第五届土工合成材料学术会议论文集，现代知识出版社2000471~474

[33]马时冬，土工格栅加筋垫层的效果检验（待发表）

[34]俞锡健等两个加筋土支控结构运营情况的调查，全国第五届土工合成材料学术会议论文集，现代知识出版社2000，519-522

[36]田小革等，土工格栅与处理软土地基的桥头跳车问题中的应用全国第五届土工合成材料学术会议论文集2000，511-514

[37]周志刚、张起森，土工格栅碎石桩的承载力分析，岩土工程学报19（1），58-62