土工格栅加筋设计强度的确定

1 概述
目前在市面上我们能看到应用的土工格栅，从材料的不同主要有聚酯(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)和玻璃纤维等几种(由于玻璃纤维的拉伸变形量很小，一般小于3%，显示刚性，不适于允许一定变形的柔性结构的加筋土工程，故本文后面不涉及此种材料的土工格栅)；从加工方法的不同主要有挤板-冲孔-拉伸型、挤出平网拉伸型、纤维织带经编型、以及挤出条带焊接型等四种。
刚开始很多设计人员在采用土工格栅做加筋陡坡和加筋挡土墙设计时，普遍对选择何种材质、何种加工方式的土工格栅没有概念，当然在进行设计安全性验算时，对采用的设计强度如何转化为材料的质控要求更感棘手。所以大部分情况下，就是参照国外相关资料和一些厂家提供的质控强度指标进行折算，具体折算是否合理并不清楚，所以这时大家对材料的质控强度和断裂伸长率很重视(因为很多设计人员就是用这个强度指标的折算，来进行设计安全性验算的)。随着大家对土工格栅在土体中的作用机理认识的加深，土工格栅在恒定荷载下的蠕变性能逐步引起大家的重视。在对同种质控抗拉强度的不同材质、不同加工方式的土工格栅分别进行蠕变测试后，发现不同的格栅显示不同的测试结果，所以又开始对土工格栅在一定的应变要求范围内、一定的温度下、在一定长的时间内所能承受的恒定荷载的蠕变强度高度重视，因为蠕变强度比质控抗拉强度更直观地体现了土工格栅的实际使用要求。但蠕变测试只是考虑了长期负载时格栅强度的衰减，而实际使用过程中施工、填料、环境等也会对格栅的强度产生影响，所以，实际使用填料的施工破坏、土壤酸碱度的影响、土壤微生物的影响、土工格栅连接件的影响等，也必须考虑。考虑了这些因素以后，最终才能确定我们的设计强度，然后用这个设计强度来进行加筋结构体设计，设计是否安全也是用这个设计强度来验算，看其内部稳定、外部稳定及总体安全系数是否满足要求，来确保加筋结构体的安全。
本文将逐一对与土工格栅加筋设计强度相关的因素进行阐述，并提出笔者的一些看法。
2 质控抗拉强度
质控抗拉强度就是土工格栅在生产制造时用于控制产品质量的强度指标，也就是材料试样在一定的温度环境下，快速拉伸时的屈服强度。该强度值一般用于生产制造、或选购材料时，判断产品是否合格。所以，生产厂家对每种产品一般会提供一个标准值(T标)，而产品在实际检验时，会有一个实测的最大(极限)抗拉强度(Tult)。目前国内厂家的标准要求是实测Tult必须≥T标；而国外厂家(Tensar、Tenax等)的标准要求是实测Tult针对T标的置信度为95%，意即实测Tult100个样，最多允许有5个样不满足T标要求。
由于目前常见的加筋材料大部分是高分子合成材料(HDPE、PP、PET等)，而高分子合成材料对试验条件，如温度、拉伸速率(拉伸应变率)等特别敏感，所以在选购材料时，采用相同试验方法(同等试验条件)来优选产品就非常重要。
目前，典型的用于土工格栅质控抗拉强度测试的测试方法主要有：国际标准ISO10319-1996；美国ASTMD6637-01；美国GRI-GG1-87；中国国家标准GB/T17689-1999等(见表一)。由于这四个标准对试验温度、试验拉伸速率、和试样检测宽度要求不一样，而这三个试验条件对高分子合成材料的影响又很大，故用不同方法，测出的结果将会有很大出入，所以首先应该统一测试方法。
从高分子材料本身的特性来说，一般试验环境的温度越低，测出的强度越高，拉伸变形量越小；而试验拉伸速率越小，测出的拉伸强度越小，拉伸变形量越大；另外，试样宽度的不同，影响也不一样，试样越宽，测出的强度越大，拉伸变形量越小。从我们在实际工作中测量的数据分析来看，一般温度差距在5℃范围内，测出强度值变化在2%以内，如果差距达到10℃，则测出强度值变化会超过10%；一般拉伸速率在20%/min和50%/min时测出的结果，其变化值也在5%以上；试样宽度200mm(相当于10根筋)测试比单根筋测试，强度值一般增加6%～10%，变形量小20%左右。如果这三种条件同时变化，其累积变化值将更大。这也是我国目前由于在土工格栅的生产、采购过程中，由于采用技术水平的不一样，未采用统一的测试标准，而导致在产品质量验收过程中，经常产生合同纠纷的原因。
从表一可以看出，GRI—GG1和GB/T17689的试验条件变数多一些，这也是为什么美国在2001年前用GRI—GG1标准，而之后用ASTMD6637代替的原因，而欧洲普遍采用ISO10319标准。因此，在我国要想在统一的标准基础上，研究讨论材料的质控强度指标，必须尽快修改GB/T17689-1996，以力争做到既与国际标准同步，亦统一认识、避免误区的产生。
3　蠕变强度
我们都知道，土工格栅在实际加筋应用中，所受到的作用力并不是逐渐加大的快速拉伸作用力，而是一个相对变化很小、近似恒定的长期作用力。那么土工格栅在这种力的作用下，随着时间的推移，其表现出的抗拉强度值，是否与我们在快速拉伸试验时所表现出的强度值(质控抗拉强度值)一致呢？对高分子合成材料而言，答案是否定的，而且不同材质所表现出的结果有很大的不同。那这种不同，我们能通过试验得出其与质控抗拉强度的大致相关关系吗？答案是肯定的，前提条件是材质、配方、加工方法、工艺条件等影响产品性能的相关因素都不发生变化时，是可以找到这种大致相互关系。这样材料的蠕变试验就提出来了。
蠕变试验就是将土工格栅在某一特定温度下，在要求的变形量范围内，测试其承受某恒定荷载所能持续的时间；然后通过对三种以上荷载的试验结果，来推导在某一长期时间内，在要求的变形量范围内，其能承受的恒定荷载，这个荷载就是我们所说的蠕变强度。
目前被普遍采用的土工格栅蠕变试验方法主要有：国际标准ISO13431-1999、美国ASTMD5262-97和英国标准BS6909：Part5：1991等(见表二)，测试方法基本差不多，不像测试质控抗拉强度的标准那样，存在很多影响结果的变化因素。
蠕变试验的结果只是一个试验报告，报告产生的是在一相对较短(针对应用而言)时间内在几种荷载下的产品随时间的应变图和具体数据，并不是我们设计时所需要的120年或50年以后产品变形量不超过10%的蠕变强度。如何得到这个蠕变强度，就要借助一定的数理方法进行推导。目前，各种标准没有规定用什么具体的推导方法，所以各生产厂家和研究部门都各自采用自己认为较合理的方法，至于谁的推导更精确，不是本文要阐述的内容。目前用得比较多的推导方法如下：
1．根据蠕变试验得出的以时间对数为横坐标的时间一应变关系图，分别做出在四种荷载时，1h，10h，100h，1000h，以及10000h的等时曲线图，即横坐标为应变，纵坐标为荷载(取Tult的%数)；
2．根据各时段四种荷载的应变所连成的曲线，等时推导出5个时间段应变为10%时的荷载值；图一为某产品在恒温20℃时的四个时段的推导曲线；
3．读取各时间段10%应变值时的荷载值，做荷载一时间对数对应曲线，根据趋势推导出我们所要求时间段的承受荷载水平，这个荷载水平就是我们设计时所要求时间段的蠕变强度。如果我们希望推导的数据要更精确，除做不同荷载蠕变试验外，还应做恒定高温加速蠕变试验，这种试验的成本就相对高多了。图二为某产品在20℃环境下的荷载一时间对数推导曲线；

4 设计必须考虑的其它折减系数
土工格栅在实际加筋应用过程中，除了考虑蠕变的衰减以外，不同生产过程的影响、不同的环境、填料、施工过程中的机械损伤、连接件引起的连接强度衰减等都要考虑，一般用折减系数来表达。目前，设计必须考虑的折减系数有四个，生产稳定性可信度(fm)、在不同填料里使用时的施工损伤(fd)、环境-酸碱-微生物影响(fe)、连接强度的影响(fi)。fm—与生产厂家的技术水平和对产品质量控制的能力有关，一般如果生产厂家对其产品的质控抗拉强度符合性的控制，能达到30以上水平，同时有实实在在的完善的ISO9000质量保证体系，则fm可取1.0；否则取1.05～1.10。
fd—主要与填料的颗粒大小有关，不同的填料在压实过程中，对土工格栅的伤害不一样，而同种填料用不同的格栅，格栅的强度损失也不一样。具体每种格栅对应不同填料的折减系数，一般要通过试验得出。试验方法也很简单，就是将格栅在现场按要求埋设并压实后，然后再挖出格栅，进行质控抗拉强度的对比测试(埋设前和埋设后的)，两个结果值相除即得该折减系数。表四为英国Tensar公司在取得BBA认证时，试验得出的该折减系数推荐值。
格栅的强度越大(越厚)，在施工过程中，填料对其强度的破坏影响越小，所以低强度的薄格栅在大粒径的填料中使用，强度衰减非常明显，这也是为什么在有些应用时，对填料有严格要求的原因之一。而对于纤维经编型格栅，由于纤维比板、条带更易受到伤害，所以其折减系数更大，更应避免在有大粒径填料的场合使用。
fe—主要与格栅产品的材质有关，从目前土工格栅所用的三种主要材料来说，HDPE、PP对任何土体中的酸、碱、微生物呈惰性，此折减系数可取1.0；而PET对酸、碱、微生物都会发生一定程度的化学降解，随着PET的不断改性，这些影响也在逐步变小。表五为美国某公司PET经编格栅的fe推荐值。从表中可以看出，对于土壤9<pH值<3的场合，不推荐使用PET格栅，当然，这类土壤在实际应用中，是很难碰到的。
5 土工格栅加筋设计强度的确定


6 结语和建议
1.我们在用土工格栅做加筋设计时，首先要对厂家提供的产品的材质、配方、加工方式、加工工艺一定要有一个初步了解，对厂家提供的各种强度指标，除了看重指标以外，更要注意所采用的测试方法。
2．我国应尽快统一测试标准，尤其是快速拉伸试验方法与蠕变测试方法的相互对应，同时也要尽量与国际标准接轨。
3．由于目前土工格栅采用的蠕变试验都是在无约束的情况下做出的，并不能真实表现格栅在土体结构里的蠕变状态，有很多国内外专家指出，土工格栅在有约束情况下的蠕变要大大小于无约束状态，由此认为目前的设计强度过于保守，但目前仍未见具体的实体试验验证，因此，这项工作我们有待进一步研究。
4．随着科学技术的不断进步，新材料或改性材料会不断涌现，本文涉及的一些材料不排除改性的可能，如有厂家号称有改进，设计人员应要求厂家提供足够的试验验证材料，否则，不要盲目采用。
5．除土工格栅以外，还有其它加筋材料，譬如加筋带、编织土工布、土工格室等，其加筋设计强度的确定，可以借用本文的方法分别进行试验、推导。如要进行相互间的对比分析，切记采用试验标准的统一性。

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