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(diǎn)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(diǎn)傳力性能要好,能把橫向筋條受到的作用力通過節(jié)點(diǎn)傳給縱向肋條,反之亦然。因此,要求節(jié)點(diǎn)必須整體性好,節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度要高于筋條的強(qiáng)度(抗拉時不在節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(fèi)。
(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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)整體性差,節(jié)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行熔接而成。它的單筋強(qiáng)度比較高。由于節(jié)點(diǎn)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(diǎn)出的溶接強(qiáng)度。這種節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)為熔接的假性雙向土工格柵 <10%
節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是整體的,單根筋肋的強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度匹配較好,整體強(qiáng)度較高。編織的土工格柵,節(jié)點(diǎn)是假性的,節(jié)點(diǎn)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(diǎn)也是假性的,節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度低,傳力性能較差。復(fù)合而成的塑鋼條帶,在運(yùn)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(shí)現(xiàn)的。據(jù)此,美國Geosynthetic Research Institute的標(biāo)準(zhǔn)GRI?GGI規(guī)定:拉伸實(shí)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(shí)現(xiàn)的。所以,在拉伸實(shí)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(diǎn)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(diǎn),由于節(jié)點(diǎn)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(shí)際卻低的重要原因,也是作為加筋材料的一個致命弱點(diǎn)。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(shí)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(shí)際作用。