筋土相互作用研究综述

摘要：加筋土是在土中加入加筋材料而形成的复合体，筋土相互作用直接决定了加筋土的受力特性。本文结合国内外筋土相互作用研究现状，分别从界面参数、相互作用理论以及试验三个方面总结了加筋土研究中取得的成果，以期为加筋土的研究提供一定的参考。

关键词：加筋土；筋土界面；应力分布

1 引言

自1966年法国工程师Henri Vidal提出加筋概念之后，经过将近50年的发展，加筋土技术已经被广泛应用于挡墙、边坡、路基等基础工程之中。加筋土的工作原理为土体和筋带通过界面摩擦形成复合体，加强原土体的抗剪强度。因此，关于筋土之间荷载传递规律的探索对于研究加筋土强度、本构、蠕变等特性就显得十分有必要且有意义了。

2 筋土界面参数研究

筋土界面参数主要包括界面强度参数和似摩擦系数两种，由于其受到土颗粒密实度、级配及加筋材料表面粗糙程度等影响，所以其取值到目前为止均尚无定论。但各国在标准直剪试验（direct shear test）和拉拔试验（pullout test）的基础上提出了规范取值以供设计人员参考。如我国《土工合成材料测试规程》（SL/T235―1999）。

2.1 界面强度参数确定

关于界面强度参数的研究，各国学者通过直剪试验得到了一致的结论，均认为筋土界面抗剪强度可按Mohr―Coulomb强度理论进行计算，即认为其与法向应力之间呈线性关系：

式中： 为筋土界面强度； 为筋土界面粘聚力； 为界面法向应力； 为筋土界面内摩擦角。

然而，若在拉拔过程中，筋土界面强度并非均匀分布，而是随着界面上每点应变的不同而不同，上述公式将不再适用。因此，针对拉拔试验，一般考虑最不利情况，即加筋材料被拔出瞬间。假设在筋材拔出瞬间，筋材上下表面摩阻力相等且均匀分布。此时，筋土界面抗剪强度可用下式表示：

式中： 为筋材最大抗拔力； 为筋材表面宽度； 为筋材长度。

2.2 筋土界面似摩擦系数确定

对于筋土界面似摩擦系数的研究，各国规范建议值差异较大。我国现行规范均规定筋土界面似摩擦力应通过试验确定，规定：

则对于拉拔试验有：

（4）

式中： 为筋土界面似摩擦系数；其余参数含义同前。

由上述定义可以看出，我国对界面似摩擦系数是一个反映了筋土问摩擦效应的综合强度参数，不同于传统意义上只关于界面内摩擦角的定义。若无试验可以参考时，可用填料的内摩擦角 ，按下式取值：

而美国规范更注重从加筋材料对土体的加强效应来计算界面摩擦系数 。如美国联邦公路局编制规范（GRIGG5规定：

式中： 为土体的抗剪强度；其余参数含义同前。

3 筋土相互作用理论研究

加筋土作为筋材和土体构成的复合材料，对加筋土的研究主要有两种思路，即将加筋土视为整体和将筋土分开考虑。由此演化出了一系列计算理论，如极限平衡法、有限元法、边界单元法、剪力滞后理论等。而要考虑筋土间的相互作用则需要将筋土分开考虑。

3.1 有限元法

由于加筋土所受影响因素众多，且大部分参数难以取值，所以想要获得其解析解是十分困难的。因此，国内外学者更多趋向于通过数值计算方法研究筋土相互作用，其中有限元法成为了加筋土研究的重要途径。加筋土有限元方法计算模型很多，但不外乎存在两种假设，即：

（1）筋土间无相对滑动

有学者认为，当加筋土处于工作状态，筋土间不存在相对假设，此时在进行有限元计算时不必在筋土间设置接触单元，这可以大大简化计算。

（2）筋土间设置接触单元

对于筋土间的接触单元，众多学者进行了富有成效的研究。其中尤以Goodman于1968提出的零厚度岩石节理单元和Dcsai与1985年提出的有限薄层单元受到了最广泛的应用。国内学者张道宽[1]和利用Goodman的零厚度接触单元解决了接触面单元法向刚度取值困难的问题。

3.2 等效附加应力法

等效附加应力法是由李广信等 [2]于1994年提出，该理论的基本思路为在进行筋土相互作用分析时，将筋材的加筋作用等效为一个附加于土体上的外力，如此在计算过程中则无需考虑筋材单元和接触单元，大大简化了计算难度。

3.3 剪力滞后理论

剪力滞后理论是复合材料研究中的重要理论，其由Cox于1962年首次提出，后经过Rosen等人的发展已经成为研究复合材料纤维受力研究的重要途径。杨广庆等[3]根据加筋土与一般复合材料的相似性将土体视为基体，筋带视为纤维加强，应用修正后的剪滞理论分析了加筋挡墙筋带轴向应力分布规律，成功得解释了筋材应力抛物线分布特点。

4 筋土相互作用试验研究

加筋土筋土作用试验研究主要包括两层含义，第一，加筋土筋土相互作用的模型试验研究；第二，数值试验研究。

对于筋土相互作用，模型试验主要有直剪试验和拉拔试验两种方法。张嘎，张建民[4]通过粗粒土与土工布的单调和往返剪切试验发现，筋土界面上存在应变软化的现象，相对法向位移的变化受法向应力影响很大，并表现出各向异性；丁金华、包承纲[5]等通过改造的叠环剪切试验仪研究了两种不同土工格栅的拉拔特性，发现由格栅拉拔所产生的附加剪切应力会沿法向衰减，形成所谓的“加筋有效影响范围”。

在数值试验方面，除了传统的大型有限元软件（如Abaqus）模拟和有限差分软件（如FLAC）外，近年来出现的离散元软件PFC以其能还原颗粒物质离散性、能模拟大变形等优点越来越受到国内外学者的青睐。对于筋土界面的研究，其更具有得天独厚的优势。如周健[6]通过PFC2D模拟土工格栅在轴向拉拔力作用下应力分布特点时清晰得发现紧邻格栅的一定土体区域内出现应力逐渐减少到零的现象，验证了加筋有效影响范围的存在性。

5 结论与建议

尽管各国学者对筋土相互作用研究了很多，也取得了大量的研究成果，但对于筋土界面研究任务仍然任重而道远，还有大量尚未解决的科学难题需要所有学者不断努力。但是相信随着计算机技术和测量技术的发展，关于筋土相互作用研究将取得更辉煌的成果。

参考文献：

[1]张道宽.土工织物加强软土路基的研究[D].铁道部科学研究院，1987.

[2]李广信，陈轮，蔡飞.加筋土应力变形计算的新途径[J].岩土工程学报，1994，16（3）：46-53.

[3]杨广庆，周亦涛，石乔勇等.加筋土挡墙拉筋轴向应力分布规律研究[J].岩土工程学报，2013，35（4）：650 - 654.

[4]张嘎，张建民.土与土工织物接触面力学特性的试验研究[J].岩土力学，2006， 27（1）：51-55.

[5]丁金华，包承纲，丁红顺等.南水北调中线工程土工格栅――膨胀岩的拉拔试验研究[J]. 南水北调与水利科技，2008，6（1）：52 - 56.

[6]周 健，孔祥利，鞠庆海等.土工合成材料与土界面的细观研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（1）：3196-3202.