加筋土工程设计中格栅的选型问题

一、 引言
在岩石工程中，用于加筋土的土工格栅，正日益受到土木工程界的重视，得到越来越广泛的应用，是土工合成材料中最兴旺的一族。土工格栅的主要用途是改善土体的工程性能，起到加固和稳定土体的作用。这些土工格栅按其加工工艺分类，可分为整体拉伸聚合物土工格栅、高强纤维编织土工格栅和复合熔接土工格栅，后两者都属编织类的土工格栅。这三类格栅因其结构不同、材质不同，所以其功能和性能也不同。因此，在设计应用时，应根据设计要求做好加筋材料的选型，才能很好的达到设计要求的目的。如果选型不当，可能会造成加筋失效，或耐久性达不到预期要求。这里仅就加筋土工程设计中的筋材选型问题进行分析，以供参考。

二、 土工格栅的加筋作用原理
没有钢筋的素混凝土有较高的抗压强度，抗剪强度居次，抗拉强度最低；加了钢筋形成的钢筋混凝土，使它的三种强度都得到很大提高，这是加钢筋的作用。与此相似，土体有一定的抗压性能，但抗剪能力差，几乎不抗拉，给土加筋后，使它的抗力得到较大的提高，从而改善了它的工程性能。加紧土的加筋作用主要表现在筋材对土体侧向变形的约束作用。
单向土工格栅是由纵肋和横档构成的类椭圆形结构，双向土工格栅是由纵横两向正交的筋肋组成的网状结构，把它们埋在土体或沥青等介质中，主要借助网孔和土体、沥青的相互咬合作用与互锁作用，约束了土体或沥青等的变形与位移，起到了加固作用。所以，这就要求格栅必须具有以下性能：
（一）、节点强度（抗拉、抗剪、抗撕裂、抗扭）要高，及格栅纵横向筋肋的节点传力性能要好，能把横向筋条受到的作用力通过节点传给纵向肋条，反之亦然。因此，要求节点必须整体性好，节点强度要高于筋条的强度（抗拉时不在节点处断裂），或者两者强度相差较少，能相匹配，这才是最合理、最经济的。否则，节点强度比筋条强度低很多，并不能完全发挥出高强度的肋条抗拉能力，形成结构性的不合理，造成“大马拉小车”式的浪费。
（二）、格栅筋条、肋条的总面积尽可能小于其开孔面积、才能保证机械咬合与互锁作用比较大。也就是说要是网孔尽可能咬合更多面积的土体，才能充分发挥其咬合作用，但网孔尺寸也不宜过大，否则肋条的刚度变小，反倒是咬合力降低。双向格栅网格的尺寸以30~50mm为最优。
（三）、格栅的筋和肋要互相垂直，以便更有效的传递荷载。如果两者不垂直，容易造成应力增大而断裂，失去传递荷载的作用而使加筋失效。
三、 选择筋材类型应考虑的几个影响因素
（一）、格栅原材料对其性能的影响
生产土工格栅的原材料主要是高密度聚乙烯（HDPE）和聚丙烯（PP）。一般来说单向土工格栅用聚乙烯生产，双向土工格栅用聚丙烯生产，这主要是因为：
1. 高密度聚乙烯的分子结构是直线型的，支链少，结晶度高达75%~90%，它具有优良的机械强度，较高的刚性和韧性，较高的表面强度和使用温度（80℃）,良好的耐溶剂性，耐酸、碱性和耐蒸汽性，以及较好的尺寸稳定性和耐环境应力开裂性，用于生产单向格栅非常合适。它的缺点是达到抗拉强度时的延伸率较大，一般在12%左右。
2. 聚丙烯共聚物是有侧甲基的直线结构，它具有比聚乙烯更良好的机械强度和耐冲击强度，较高的刚性和耐绕曲性，较高的耐高温和耐化学腐蚀性能。不足之处是低温易脆，容易老化，需要经过拉伸或其他方法进行改性处理，所以特别适于经过双向拉伸而生产的双向土工格栅。
（二）、生产工艺对其性能的影响
1. 整体拉伸生产的土工格栅，一般是经过加热挤出板材?精密打孔?纵向拉伸后再横向拉伸而形成的。这种拉伸作用非常重要，它使聚合物分子重新定向排列，使格栅的性能得到极大的改善：第一，分子的定向排列，提高了材质的强度；同时，定向排列的分子使节点的整体性更好。这和假性格栅（如编织的、复合熔接的）不同。假性格栅的节点是编织的或复合熔接的，整体性差，纵横向的传力性能很差。第二，提高了抗拉模量，使得格栅在低应变时就能发挥出高抗拉强度的性能。第三，长期的蠕变试验证明拉伸处理的聚合物格栅，在长期持续荷载作用下蠕变的倾向大幅度降低，使加筋的可靠性得到保证。第四，拉伸对于聚丙烯格栅是一次改性处理，改善了许多性能，如大大降低了低温易脆和容易老化的弊病，提高了使用的耐久性。
2. 编织生产的土工格栅，它是用高强合成材料丝带纵横编织而成的，又称高强纤维土工格栅。它是以强度高、延伸率低的涤纶纤维或玻璃纤维为原料，在经编机上编成格栅状后，按工艺要求浸渍聚氯乙烯（PVC）而成。这种格栅的肋条抗拉强度高，它的假性节点整体性差，节点强度很低，纵横向传力性能很差，在土体中的抗拔力原低于其自身强度，作为加筋材型，它的自身强度没有得到充分发挥。
3. 复合熔接土工格栅，它是一种假性格栅，由多条聚丙烯条带或钢塑复合条带编织后，对节点进行熔接而成。它的单筋强度比较高。由于节点是经向和纬向搭接在一起形成的，整体强度取决于节点出的溶接强度。这种节点的抗剪强度、抗撕裂强度、抗顶破强度都比较低。整体性差，强度不高，节点传递纵横向作用力的性能不好；尺寸稳定性和整体性能相对较差。
由美国Drexel大学提出的节点强度试验方法，并由其测试的整体抗拉土工格栅和假性土工格栅的结果（节点强度以单一肋条强度的百分比表示），如下表所示：
格栅类型 节点强度/单一肋条强度
整体拉伸的双向土工格栅 90%~100%
节点为熔接的假性双向土工格栅 ＜10%
节点为编织的假性双向格栅 3%~13%
另外还有一个问题就是假性格栅节点粘接性能也不稳定，熔合面积受偶然因素影响偏差性较大，粘接面积和粘接力随着周围介质的浸蚀，时间越久，下降的越多。所以，假性格栅的耐久性较差。
4. 生产工艺好的土工格栅，外形均一，表面平整，有明显的抗老化剂碳黑的光泽；生产工艺较差的土工格栅表面比较粗糙。表面粗糙及其它花纹虽然可以增加一点摩擦力，但并不能提高格栅整体的加筋性能，因为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现为格栅网孔与填料的互锁力和嵌固作用。表面粗糙的格栅除了说明其加工工艺比较低之外，表面的纹形刻痕和凹口处在受外力时应力集中，倒是消弱了它的抗拉性能，也影响了耐久性。再说，靠摩擦力来确定锚固长度，也是很不经济的。
（三）、结构形式对其性能的影响
结构形式对土工格栅性能的影响主要表现在两个方面：节点形式和基材的构成。整体拉伸的聚合物土工格栅，材质单一，无需负荷，节点是整体的，单根筋肋的强度和节点强度匹配较好，整体强度较高。编织的土工格栅，节点是假性的，节点处交织的经纬丝带仅靠浸渍的聚氯乙烯（PVC）粘接，强度低，传力性能很差。熔接的复合土工格栅，网孔尺寸在100mm左右。这种格栅过大的网孔，使筋肋的抗弯刚度变小，易弯曲变形，使咬合力降低。这种格栅是有两种材质经复合而成，节点也是假性的，节点强度低，传力性能较差。复合而成的塑钢条带，在运输、施工和使用的受力过程中，可能是包敷层受损，出现裂纹和破裂脱落，湿气和它周围的水分对刚质筋材产生浸蚀性锈蚀，使有效断面变小，减少了抗力和使用寿命。
（四）、产品强度的测定方法对筋材选型的影响
以上三种形式的土工格栅所标识的强度是由拉伸试验测定的。因此，材料的拉伸试验方法和测试所得数据代表的意义，应是设计时特别注意的因素之一。整体拉伸的土工格栅的加筋，土体是通过与其土颗粒间的机械咬合与互锁作用来实现的。据此，美国Geosynthetic Research Institute的标准GRI?GGI规定：拉伸实验数据的测取，必须符合格栅在土体中所受作用力的传递关系；并指出纵向拉力的取得与横筋的直角传递密不可分，即格栅在土体中的纵向拉力是通过与横向筋的机械咬合作用传递到纵向筋上来实现的。所以，在拉伸实验中，纵向拉力的测取是通过夹持横向筋并沿纵向拉伸取得的。由于整体格栅的纵横向筋肋是一个整体，当然也可以直接夹持纵筋拉伸来进行抗拉强度的测定，两者得出的结果是相吻合的，而不会失真。其他那两种假性格栅，由于节点强度低而破坏，组成格栅的纵横向构件不是一个整体，当横肋的咬合力传给节点，由于节点强度低而破坏，使纵筋产生滑移，加筋失效。鉴于这种情况，在测取其抗拉强度时，夹具只能夹持在纵筋上，测得的是纵筋的强度，而不是格栅的整体强度，用纵筋的强度来代表整体强度，是失真的。这也就是假性格栅的标识强度高，而实际却低的重要原因，也是作为加筋材料的一个致命弱点。加筋选型时，应特别当心！

四、 结束语
综上所述，真性与假性两种土工格栅的结构不一样，生产工艺也不相同，材质及其组合也有区别，强度测试方法也有差异，但不管怎样，在应用土工格栅作加筋设计时，应当十分注意这些细节，综合考虑其可靠性和经济性，选择合于实际工程要求的土工格栅的筋材类型，才能有效发挥这种新型土工材料的实际作用。