加筋土路基设计控制指标与参数取值
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摘要：本文主要从对常用的两种土工格栅进行蠕变进行讨论，提出加筋土路基设计控制指标与参数取值建议，研究结果对于提升加筋土路基的设计和施工质量，促进加筋土路基的进一步发展具一定帮助。
关键词：加筋土路基，抗拉强度，蠕变分析，参数取值
加筋土路基设计时，除了需要土体的指标之外，还需要用到筋材以及筋土相互作用的相关指标。筋材指标主要涉及到强度和变形指标，主要用于路基整体稳定性分析；筋土相互作用指标主要涉及到相互作用的摩擦角或摩擦系数，主要用于内部稳定性分析．这些指标取值的合理性将直接影响到设计计算的正确性和加筋土路基工程的稳定性，甚至耐久性，至关重要[1,2]。本文就加筋土路基设计控制指标和参数取值问题进行探讨，提出有关建议。
1.现状分析
(1)抗拉强度
由于目前常见的加筋材料大部分是高分子合成材料(HDPE、PP、PET等)，而高分子合成材料对试验条件，如温度、拉伸速率(拉伸应变率)等特别敏感，所以在选购材料时，采用相同试验方法(同等试验条件)来优选产品就非常重要。土工合成材料用于加筋时，考虑到会受到铺设损伤、老化、生物化学腐蚀以及蠕变等因素的影响，设计计算时，需要对拉伸强度进行折减，其目的为了是让筋材经受施工应力和长期埋于土中经历预期设计寿命年限后，仍能保持设计要求的强度．对于公路加筋土工程，影响强度降低的主要因素是铺设损伤和筋材的蠕变，其它因素影响相对较小。
发达国家如美国对土工合成材料的铺设损伤、老化、生物损伤、蠕变等特性进行了较为深入的研究，提出了不同折减系数，分别考虑不同因素引起的土工合成材料强度的降低，就其提出的折减系数值来看，远远大于我国现行规范提出的折减系数。
（2） 筋土界面参数
除筋材抗拉强度外，筋材与土体相互作用是保证加筋效果的关键因素，是选择加筋材料的主要依据。对筋土相互作用参数，研究较多的是静力摩擦角。目前主要通过三种试验手段来获得：直剪摩擦试验、拉拔摩擦试验和环剪摩擦试验，用得较多的是前两种试验。对于环剪摩擦试验，研究范围仅限于部分欧美学者，其优势在于测定筋材与土界面残余强度。筋土动摩擦特性研究还处于探索阶段，有学者通过离心模型试验和振动台试验来获得界面动摩擦强度。界面粘聚力和内摩擦系数与很多因素有关。如试验方法、试验条件、填料的性质、筋材的特性等。
2.加筋土路基设计控制指标与参数取值的建议
2.1 加筋土路基设计控制指标
目前我国加筋土路基型式主要有加筋土支挡结构、加筋土坡、陡坡加筋以及软基加筋，无论型式如何，从加筋目的上讲，可简单分为侧重增强稳定的加筋(如加筋土支挡结构、加筋土坡及软基加筋)和侧重减少变形的加筋(如增强填挖结合的陡坡加筋)。之所以只能说是侧重，原因在于稳定和变形两者难以截然分开。不稳定，谈不上减少变形；过度的变形，会导致土体或结构产生变形，在水等不利因素的影响下，稳定性降低进而丧失。因此，无论何种加筋土路基型式，均应在稳定和变形方面提出要求，但侧重点可以有所区别。
为控制加筋土路基的变形，尤其是对填挖结合路基的处理这种以减少路基不均匀沉降为主要目的的加筋土路基，一般认识是选择具有较高模量的加筋材料。如在作得比较仔细的设计文件中，对加筋材料2％、5％等应变对应的拉伸强度提出了要求，以此间接提出模量的要求。但事实上，此模量是加筋材料没有考虑时间因素的模量，对加筋土路基的变形，尤其是长期变形不能起到控制作用。在路基填筑完成时，常规室内拉伸试验所反映的加筋材料的变形就已完成，真正起到控制作用的是加筋材料的蠕变特性。
对加筋土挡墙和墙台背减少土压力的加筋，计算分析表明，采用较高模量的加筋材料可起到增强挡墙稳定性和减少土压力的作用，此时，模量参数的选取具有一定的意义。
在进行加筋土路基设计时，主要用到加筋材料特性指标和筋土相互作用特性指标，这也是加筋土路基设计所需要控制的两大指标。加筋材料特性主要反映在强度和变形两个方面。随着人们认识的深入，越来越认识到：在强度方面，仅仅简单采用加筋材料的极限抗拉强度是不够的，需要考虑材料所使用的环境对其强度进行折减；在变形方面，需要考虑材料的蠕变特性。目前通常把蠕变放到强度指标中一并考虑。按理讲，筋土相互作用特性包括似粘聚力和摩擦角两个指标，但由于似粘聚力的复杂性和不稳定性，以及在整个相互作用力中所占的比重不大，因此，目前多考虑的是摩擦角指标，或由此换算的摩擦系数。
加筋材料在使用中会受到铺设损伤、化学损害、生物损害和紫外线老化损害，连接点强度不够也会影响整体加筋强度．一般加筋土路基工程中，化学损害和生物损害不多；筋材埋设于土中，一般也不会受到紫外线影响；加筋材料铺设时，通常要求主受力方向为材料强度高的方向．因此，加筋土路基工程对加筋材料强度应侧重考虑铺设损伤和蠕变两个方面。
基于上述，提出表1所示的加筋土路基设计控制指标。
表1 加筋土路基设计控制指标
指标 考虑的影响因素 适用场合
加筋材料特性指标 抗拉强度 铺设损伤 蠕变 所用加筋土路基
模量 加筋土挡墙、墙台背加筋
筋土相互作用特性指标 摩擦角或摩擦系数 加筋材料特性 土特性 所用加筋土路基
2.2 加筋土路基设计控制参数取值建议
就加筋材料特性指标和筋土相互作用特性指标的参数取值，国内外已开展过相关的研究。综合研究结果，就加筋材料抗拉强度蠕变折减系数和筋土相互作用的摩擦系数取值提出有关的建议。
（1）加筋材料抗拉强度蠕变折减系数取值
通过土工格栅室内短期蠕变试验，得到TGDGl30型单向聚丙烯土工格栅蠕变折减系数为4.47，CATT型双向聚乙烯塑料土工格栅蠕变折减系数为3.39，与美国FHWA 1998年建议的土工格栅蠕变折减系数：聚丙烯PP=5～4.0，聚乙烯距=5～2.5比较吻合，而较R0bert M，koemer(1998)推荐的土工格栅用于加筋路堤时的蠕变折减系数2.0～3.0要大得多．考虑到筋材蠕变特性的复杂性，建议土工格栅蠕变折减系数取值：聚丙烯PP为4.5～4.0，聚乙烯PE为4.0～3.0。
(2)筋土界面摩擦系数
通过不同压实度、不同孔径的土工格栅，不周含水量情况的界面摩擦试验，得到：填土压实度和含水量对筋土界面摩擦系数有较大影响，当填土压实度只有90％时，筋土界面摩擦系数只是填土摩擦系数的0.83倍，压实度达到93％时，可上升为0.95倍；填土含水量接近饱和时，筋土界面摩擦系数下降到填土摩擦系数的0.5倍。填土粒径与格栅孔径存在一个最佳的配合，但影响不如填土压实度和含水量显著，就试验的情况，最佳的配合为d50/土工格栅孔径=0.5。除高含水量情况外，其它情况下筋土界面摩擦系数基本在0.82～0.95(为土内摩擦角)之间，与国外所得到的(0.88～0.92) 基本一致。
综合国内外已有成果以及本文得到的试验结果，对加筋土路基筋土界面摩擦系数，建议：一般情况下取为(0.80～0.90)，填土压实度大时取高值，低时取低值；路基填土为高含水量的高液限土或需要考虑路基受到水影响时，取为0.5。另外，在选取土工格栅孔径时，可参照d50/土工格栅孔径=0.5考虑。
3.结语
通过对加筋土路基工程设计控制指标及取值进行了分析。得知目前筋材设计指标主要考虑其拉伸强度，同时考虑到会受到铺设损伤、老化、生物化学腐蚀以及蠕变等因素的影响，设计计算时，需要对拉伸强度进行折减。就其提出的折减系数值来看，国外发达国家远远大于我国现行规范提出的折减系数．除筋材抗拉强度外，筋材与土体相互作用是保证加筋效果的关键因素，是选择加筋材料的主要依据。本文对常用的两种土工格栅进行蠕变进行研究，得到各自的蠕变折减系数，从而对于就加筋土路基设计控制指标和参数取值问题进行探讨，提出有关建议。
参考文献：
[1] 王钊，邓卫东，等．国外土工合成材料的应用研究[M]．香港：现代知识出版社．2002.
[2] 吴景海．土工合成材料试验研究和有限元分析[D]．天津大学博士学位论文。2002.
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