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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度居次，抗拉強(qiáng)度最低；加了鋼筋形成的鋼筋混凝土，使它的三種強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度要高于筋條的強(qiáng)度（抗拉時不在節(jié)點處斷裂），或者兩者強(qiáng)度相差較少，能相匹配，這才是最合理、最經(jīng)濟(jì)的。否則，節(jié)點強(qiáng)度比筋條強(qiáng)度低很多，并不能完全發(fā)揮出高強(qiáng)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(jī)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(jī)械強(qiáng)度，較高的剛性和韌性，較高的表面強(qiáng)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(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度和耐沖擊強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)合成材料絲帶縱橫編織而成的，又稱高強(qiáng)纖維土工格柵。它是以強(qiáng)度高、延伸率低的滌綸纖維或玻璃纖維為原料，在經(jīng)編機(jī)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(qiáng)度高，它的假性節(jié)點整體性差，節(jié)點強(qiáng)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(qiáng)度，作為加筋材型，它的自身強(qiáng)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(jìn)行熔接而成。它的單筋強(qiáng)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(qiáng)度取決于節(jié)點出的溶接強(qiáng)度。這種節(jié)點的抗剪強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、抗頂破強(qiáng)度都比較低。整體性差，強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度以單一肋條強(qiáng)度的百分比表示），如下表所示：
格柵類型 節(jié)點強(qiáng)度/單一肋條強(qiáng)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(jì)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(qiáng)度和節(jié)點強(qiáng)度匹配較好，整體強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jìn)行抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度時，夾具只能夾持在縱筋上，測得的是縱筋的強(qiáng)度，而不是格柵的整體強(qiáng)度，用縱筋的強(qiáng)度來代表整體強(qiáng)度，是失真的。這也就是假性格柵的標(biāo)識強(qiáng)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(qiáng)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(jì)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。