[土工合成材料加筋设计过程和存在问题分析] 土工合成材料加筋

　　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。