加筋土工程設(shè)計中格柵的選型問題

一、 引言
在巖石工程中，用于加筋土的土工格柵，正日益受到土木工程界的重視，得到越來越廣泛的應(yīng)用，是土工合成材料中最興旺的一族。土工格柵的主要用途是改善土體的工程性能，起到加固和穩(wěn)定土體的作用。這些土工格柵按其加工工藝分類，可分為整體拉伸聚合物土工格柵、高強纖維編織土工格柵和復(fù)合熔接土工格柵，后兩者都屬編織類的土工格柵。這三類格柵因其結(jié)構(gòu)不同、材質(zhì)不同，所以其功能和性能也不同。因此，在設(shè)計應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求做好加筋材料的選型，才能很好的達(dá)到設(shè)計要求的目的。如果選型不當(dāng)，可能會造成加筋失效，或耐久性達(dá)不到預(yù)期要求。這里僅就加筋土工程設(shè)計中的筋材選型問題進行分析，以供參考。

二、 土工格柵的加筋作用原理
沒有鋼筋的素混凝土有較高的抗壓強度，抗剪強度居次，抗拉強度最低；加了鋼筋形成的鋼筋混凝土，使它的三種強度都得到很大提高，這是加鋼筋的作用。與此相似，土體有一定的抗壓性能，但抗剪能力差，幾乎不抗拉，給土加筋后，使它的抗力得到較大的提高，從而改善了它的工程性能。加緊土的加筋作用主要表現(xiàn)在筋材對土體側(cè)向變形的約束作用。
單向土工格柵是由縱肋和橫檔構(gòu)成的類橢圓形結(jié)構(gòu)，雙向土工格柵是由縱橫兩向正交的筋肋組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它們埋在土體或瀝青等介質(zhì)中，主要借助網(wǎng)孔和土體、瀝青的相互咬合作用與互鎖作用，約束了土體或瀝青等的變形與位移，起到了加固作用。所以，這就要求格柵必須具有以下性能：
（一）、節(jié)點強度（抗拉、抗剪、抗撕裂、抗扭）要高，及格柵縱橫向筋肋的節(jié)點傳力性能要好，能把橫向筋條受到的作用力通過節(jié)點傳給縱向肋條，反之亦然。因此，要求節(jié)點必須整體性好，節(jié)點強度要高于筋條的強度（抗拉時不在節(jié)點處斷裂），或者兩者強度相差較少，能相匹配，這才是最合理、最經(jīng)濟的。否則，節(jié)點強度比筋條強度低很多，并不能完全發(fā)揮出高強度的肋條抗拉能力，形成結(jié)構(gòu)性的不合理，造成“大馬拉小車”式的浪費。
（二）、格柵筋條、肋條的總面積盡可能小于其開孔面積、才能保證機械咬合與互鎖作用比較大。也就是說要是網(wǎng)孔盡可能咬合更多面積的土體，才能充分發(fā)揮其咬合作用，但網(wǎng)孔尺寸也不宜過大，否則肋條的剛度變小，反倒是咬合力降低。雙向格柵網(wǎng)格的尺寸以30~50mm為最優(yōu)。
（三）、格柵的筋和肋要互相垂直，以便更有效的傳遞荷載。如果兩者不垂直，容易造成應(yīng)力增大而斷裂，失去傳遞荷載的作用而使加筋失效。
三、 選擇筋材類型應(yīng)考慮的幾個影響因素
（一）、格柵原材料對其性能的影響
生產(chǎn)土工格柵的原材料主要是高密度聚乙烯（HDPE）和聚丙烯（PP）。一般來說單向土工格柵用聚乙烯生產(chǎn)，雙向土工格柵用聚丙烯生產(chǎn)，這主要是因為：
1. 高密度聚乙烯的分子結(jié)構(gòu)是直線型的，支鏈少，結(jié)晶度高達(dá)75%~90%，它具有優(yōu)良的機械強度，較高的剛性和韌性，較高的表面強度和使用溫度（80℃）,良好的耐溶劑性，耐酸、堿性和耐蒸汽性，以及較好的尺寸穩(wěn)定性和耐環(huán)境應(yīng)力開裂性，用于生產(chǎn)單向格柵非常合適。它的缺點是達(dá)到抗拉強度時的延伸率較大，一般在12%左右。
2. 聚丙烯共聚物是有側(cè)甲基的直線結(jié)構(gòu)，它具有比聚乙烯更良好的機械強度和耐沖擊強度，較高的剛性和耐繞曲性，較高的耐高溫和耐化學(xué)腐蝕性能。不足之處是低溫易脆，容易老化，需要經(jīng)過拉伸或其他方法進行改性處理，所以特別適于經(jīng)過雙向拉伸而生產(chǎn)的雙向土工格柵。
（二）、生產(chǎn)工藝對其性能的影響
1. 整體拉伸生產(chǎn)的土工格柵，一般是經(jīng)過加熱擠出板材?精密打孔?縱向拉伸后再橫向拉伸而形成的。這種拉伸作用非常重要，它使聚合物分子重新定向排列，使格柵的性能得到極大的改善：第一，分子的定向排列，提高了材質(zhì)的強度；同時，定向排列的分子使節(jié)點的整體性更好。這和假性格柵（如編織的、復(fù)合熔接的）不同。假性格柵的節(jié)點是編織的或復(fù)合熔接的，整體性差，縱橫向的傳力性能很差。第二，提高了抗拉模量，使得格柵在低應(yīng)變時就能發(fā)揮出高抗拉強度的性能。第三，長期的蠕變試驗證明拉伸處理的聚合物格柵，在長期持續(xù)荷載作用下蠕變的傾向大幅度降低，使加筋的可靠性得到保證。第四，拉伸對于聚丙烯格柵是一次改性處理，改善了許多性能，如大大降低了低溫易脆和容易老化的弊病，提高了使用的耐久性。
2. 編織生產(chǎn)的土工格柵，它是用高強合成材料絲帶縱橫編織而成的，又稱高強纖維土工格柵。它是以強度高、延伸率低的滌綸纖維或玻璃纖維為原料，在經(jīng)編機上編成格柵狀后，按工藝要求浸漬聚氯乙烯（PVC）而成。這種格柵的肋條抗拉強度高，它的假性節(jié)點整體性差，節(jié)點強度很低，縱橫向傳力性能很差，在土體中的抗拔力原低于其自身強度，作為加筋材型，它的自身強度沒有得到充分發(fā)揮。
3. 復(fù)合熔接土工格柵，它是一種假性格柵，由多條聚丙烯條帶或鋼塑復(fù)合條帶編織后，對節(jié)點進行熔接而成。它的單筋強度比較高。由于節(jié)點是經(jīng)向和緯向搭接在一起形成的，整體強度取決于節(jié)點出的溶接強度。這種節(jié)點的抗剪強度、抗撕裂強度、抗頂破強度都比較低。整體性差，強度不高，節(jié)點傳遞縱橫向作用力的性能不好；尺寸穩(wěn)定性和整體性能相對較差。
由美國Drexel大學(xué)提出的節(jié)點強度試驗方法，并由其測試的整體抗拉土工格柵和假性土工格柵的結(jié)果（節(jié)點強度以單一肋條強度的百分比表示），如下表所示：
格柵類型 節(jié)點強度/單一肋條強度
整體拉伸的雙向土工格柵 90%~100%
節(jié)點為熔接的假性雙向土工格柵 ＜10%
節(jié)點為編織的假性雙向格柵 3%~13%
另外還有一個問題就是假性格柵節(jié)點粘接性能也不穩(wěn)定，熔合面積受偶然因素影響偏差性較大，粘接面積和粘接力隨著周圍介質(zhì)的浸蝕，時間越久，下降的越多。所以，假性格柵的耐久性較差。
4. 生產(chǎn)工藝好的土工格柵，外形均一，表面平整，有明顯的抗老化劑碳黑的光澤；生產(chǎn)工藝較差的土工格柵表面比較粗糙。表面粗糙及其它花紋雖然可以增加一點摩擦力，但并不能提高格柵整體的加筋性能，因為摩擦力只占其加筋性能的很小一部分，而主要的加筋性能表現(xiàn)為格柵網(wǎng)孔與填料的互鎖力和嵌固作用。表面粗糙的格柵除了說明其加工工藝比較低之外，表面的紋形刻痕和凹口處在受外力時應(yīng)力集中，倒是消弱了它的抗拉性能，也影響了耐久性。再說，靠摩擦力來確定錨固長度，也是很不經(jīng)濟的。
（三）、結(jié)構(gòu)形式對其性能的影響
結(jié)構(gòu)形式對土工格柵性能的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：節(jié)點形式和基材的構(gòu)成。整體拉伸的聚合物土工格柵，材質(zhì)單一，無需負(fù)荷，節(jié)點是整體的，單根筋肋的強度和節(jié)點強度匹配較好，整體強度較高。編織的土工格柵，節(jié)點是假性的，節(jié)點處交織的經(jīng)緯絲帶僅靠浸漬的聚氯乙烯（PVC）粘接，強度低，傳力性能很差。熔接的復(fù)合土工格柵，網(wǎng)孔尺寸在100mm左右。這種格柵過大的網(wǎng)孔，使筋肋的抗彎剛度變小，易彎曲變形，使咬合力降低。這種格柵是有兩種材質(zhì)經(jīng)復(fù)合而成，節(jié)點也是假性的，節(jié)點強度低，傳力性能較差。復(fù)合而成的塑鋼條帶，在運輸、施工和使用的受力過程中，可能是包敷層受損，出現(xiàn)裂紋和破裂脫落，濕氣和它周圍的水分對剛質(zhì)筋材產(chǎn)生浸蝕性銹蝕，使有效斷面變小，減少了抗力和使用壽命。
（四）、產(chǎn)品強度的測定方法對筋材選型的影響
以上三種形式的土工格柵所標(biāo)識的強度是由拉伸試驗測定的。因此，材料的拉伸試驗方法和測試所得數(shù)據(jù)代表的意義，應(yīng)是設(shè)計時特別注意的因素之一。整體拉伸的土工格柵的加筋，土體是通過與其土顆粒間的機械咬合與互鎖作用來實現(xiàn)的。據(jù)此，美國Geosynthetic Research Institute的標(biāo)準(zhǔn)GRI?GGI規(guī)定：拉伸實驗數(shù)據(jù)的測取，必須符合格柵在土體中所受作用力的傳遞關(guān)系；并指出縱向拉力的取得與橫筋的直角傳遞密不可分，即格柵在土體中的縱向拉力是通過與橫向筋的機械咬合作用傳遞到縱向筋上來實現(xiàn)的。所以，在拉伸實驗中，縱向拉力的測取是通過夾持橫向筋并沿縱向拉伸取得的。由于整體格柵的縱橫向筋肋是一個整體，當(dāng)然也可以直接夾持縱筋拉伸來進行抗拉強度的測定，兩者得出的結(jié)果是相吻合的，而不會失真。其他那兩種假性格柵，由于節(jié)點強度低而破壞，組成格柵的縱橫向構(gòu)件不是一個整體，當(dāng)橫肋的咬合力傳給節(jié)點，由于節(jié)點強度低而破壞，使縱筋產(chǎn)生滑移，加筋失效。鑒于這種情況，在測取其抗拉強度時，夾具只能夾持在縱筋上，測得的是縱筋的強度，而不是格柵的整體強度，用縱筋的強度來代表整體強度，是失真的。這也就是假性格柵的標(biāo)識強度高，而實際卻低的重要原因，也是作為加筋材料的一個致命弱點。加筋選型時，應(yīng)特別當(dāng)心！

四、 結(jié)束語
綜上所述，真性與假性兩種土工格柵的結(jié)構(gòu)不一樣，生產(chǎn)工藝也不相同，材質(zhì)及其組合也有區(qū)別，強度測試方法也有差異，但不管怎樣，在應(yīng)用土工格柵作加筋設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)十分注意這些細(xì)節(jié)，綜合考慮其可靠性和經(jīng)濟性，選擇合于實際工程要求的土工格柵的筋材類型，才能有效發(fā)揮這種新型土工材料的實際作用。