加筋机理：新观点探索

上述的加筋机理分析是有一定道理的，但是不够全面。事实上，在实际工程的稳定分析中，若按照上述观点而进行稳定计算（即在传统方法上加一个摩擦力），其结果发现，加筋作用十分有限，尤其像软土地基的抗滑稳定分析，仅会使安全系数提高3%～5%，反映不出加筋实际的巨大加固作用。为此，必须寻找新的、尚未被认识的加筋机理。不少学者为此做了不少工作。张力膜理论是其中之一，应力扩散理论也对此提出了新的解释。

5.3.2.1　张力膜理论

如果在软基上筑堤坝，在软弱地基表面铺上加筋材料，当其上加建筑物的荷载后，筋材会发生变形形成弯曲面（图5.7），这时筋材的张力作用会承担一部分外荷载的作用，从而使地基中的应力减小。当然，这时在软基上铺设的筋材应具有较大的刚度，而且对织物等比较软弱的筋材来说，应设置多层筋材，才能起一定的作用。目前在道路工程中流行的桩网式（或桩承式）加筋堤的原理就与此类似，在土堤荷载作用下，筋材发生向下的变形，从而在土堤的土体中形成“拱效应”，减小了外荷对地基的作用，详见第11章。

但有的研究认为，根据试验结果，对于堤坝基底仅铺设一层土工合成材料的情况（垫层上为堤坝填土荷载，下为软土地基），与无筋情况比较，其稳定性和沉降方面基本相同，表明单层加筋不起作用或者作用甚微，尤其当加筋垫层的筋材抗拉强度较低（＜15kN/m），厚度较薄（＜0.2m）时。只有当堤坝基底垫层达到一定厚度（＞0.5m），筋材具有一定的抗拉强度（＞35kN/m）、复合模量和抗绕曲刚度，并能保持垫层的密实整体时，才能发挥垫层提高堤坝基底承载能力与稳定性，均化基底应力，调整和减小沉降的作用。

图5.7　张力膜理论示意图

图5.8　垫层应力扩散示意图

高重大建筑物（如油罐、高塔或其他高耸建筑物）的基础中，往往设置相当厚的加筋垫层，当建筑荷载通过这种垫层而传到地基中时，会发生显著的应力扩散作用（图5.8），于是地基中的应力就降低了。

这种加固作用是由于筋材改变了原有建筑物的结构形式而引起的，尚不属于加筋的直接作用。

5.3.2.2　应力场和位移场改变

第二种新观点是从筋材改变了加筋土的应变场（位移场）的观点出发的（沈珠江，1998）。土体中加入筋材后，加筋土不再是各向同性体了，它的应力场和位移场将发生改变，从而使土的破坏模式也发生了根本性的变化。最明显的例子是，若在失稳的土体中加入足够的筋材，而且筋材具有足够的强度，不会被剪断，则穿过筋材的圆弧形滑动面就可能不会发生，破坏的型式就会改变，土体的稳定性就会改善。因此，若对加筋土体进行符合实际的有限元分析，求得真实的应力场和位移场，将对加筋土的机理有新的认识，也有助于新计算方法的建立。但要进行这样的分析比较麻烦。

沈珠江在他的《土工合成物加强软土地基的极限分析》一文中曾经指出过筋材摩阻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，圆弧滑动是不可能出现的，唯一可能的破坏形式是伴随沉降而发生的横向挤出。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提高。

王伟在软基的织物加固机理研究中，强调了加筋明显地改变了地基的位移场，实质上，加筋土体会在复合地基中基本上形成了一个“自撑式”的持力体系（王伟，2000）。

上述观点强调了加筋土在应力和变形（位移）方面的特点，导致了破坏型式的改变，从而发挥了加固作用。这就比较深入地触及了加筋功能的实质，不再是在既有的稳定分析方法中做文章，而是把眼光扩展到筋材与土接触面之外的空间中。

杨锡武等的离心模型试验证实，由于筋材的存在，土体中原有裂缝开展的方向会发生变化（图5.9），导致不可能形成弧形的滑动面产生。说明上述的分析是正确的（杨锡武，2002）。

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图5.9　加筋引起的开裂路径的变化

5.3.2.3　间接影响带理论

最近一种新观点是本书著者提出的（包承纲，2006）。这种观点认为，土中的加筋材料不仅会在土与筋材的接触面上产生直接加筋作用，而且也会在接触面以外的一定范围内对土体产生一种间接加固作用，可称为“间接影响带”。也就是说，由于筋材附近一定范围内的土会同时发生颗粒之间位置的调整或颗粒的破碎，使土的抗力（强度）增大。这种土体强度的增大与筋材表面的糙度、土体的粒径和性质，以及所受的压力大小密切相关。换句话说，岩土粒径较粗，筋材表面的糙度越高，以及外加压力越大，则这种影响的范围也越大，或者说，间接加固作用也越强。

间接影响带的观点已被丁金华等的拉拔试验初步证实（丁金华等，2006）。该试验采用长江科学院的DHJ60型叠环剪切仪进行。仪器分上、下盒两部分，上盒由10个高度为30mm的金属环叠合而成，环与环之间和侧面配置滚动轴排，以将摩擦力减至最小（图5.10）。

图5.10　应变式拉拔试验装置示意力（单位：mm）

（a）平面图；（b）剖面图

把所选的单向拉伸或双向拉伸加筋格栅材料置于上盒与下盒填土面之间，试样在垂直荷载作用下固结稳定，按要求的拉拔速率匀速施加水平荷载，进行拉拔。当出现下述情况之一时，结束试验：①水平拉拔力达峰值后下降，并达稳定值；②格栅自由端产生位移，且移动速率基本趋于稳定。

从试验可知，整个拉拔过程可以分为两个阶段：即筋材尚未被拉出时的静摩擦阶段和筋材被拉出以后的动摩擦和颗粒位置变动的阶段。当剪切位移达到一定值时，颗粒之间的相互位置发生调整、滚动甚至剪破，这时拉拔力不仅包含动摩擦力，而且反映了咬合作用和剪破土粒所需的能量。这种作用可以从格栅与土之间的接触面向土体内部传递至一定的距离，在此范围内，就形成了对土体的“间接加固作用”。如果这种机理存在，可以想象，在试验中，不仅格栅所在的叠环会发生移动，而且由于土体中存在剪阻力，接触面以外的其他叠环也会被带动。这种现象在试验中已被观测到。图5.11和图5.12表示了不同叠环的位移过程图。

从图5.11看出，在σn=50kPa下，剪阻力的影响一直延伸到接触面以外30cm左右，可见其影响范围是相当大的。忽略这种影响就无法解释加筋的巨大作用。

图5.11　对应最大水平拉拔力时叠环的侧向位移分布示意图

从图5.12还可看出，离接触面越近的叠环，如10号叠环和6号叠环，它的拉拔作用发挥得很早，即在拉拔试验开始不久就发挥出剪阻作用；另外，离拉拔端最远的B3-1测点在试验开始3000s后才开始发挥剪阻的影响，反映了剪阻力的传递过程。这个试验直接证实了，土与筋材界面两侧的土体确实存在间接加固作用区，从而使加筋土能承受更大的外荷作用。因此加筋土的加固机理不仅仅发生在土与筋材的接触面上，而且实际上，在地基中形成了一个更大范围的半刚性加固影响区，它具有比原有土体更强的抵抗破坏的能力，也就是说，该影响带的土的强度和模量等参数比原有的土体更大。

图5.12　叠环位移时程线（σn=50kPa）

5.3.2.4　深基础效应

日本东京大学黄景川等人将基础埋深为Df的未加筋的地基，与深度为Dr的加筋土无埋深加筋地基的试验结果进行比较，发现两者的承载力相当（图6.33）。由此可以认为，地基中加筋，相当于基础的埋置深度增加，即Df=Dr，从而使地基的承载力提高。这就是“深基础效应”，详见第6章。