土工格柵設計強度的確定

1、土工格柵加筋設計強度的確定張慶明（湖北力特土工材料有限公司 總工程師）摘 要：目前很多設計人員在采用土工格柵做加筋陡坡和加筋擋土墻設計時，由于專業(yè)局限，對如何較準確地確定土工格柵的設計強度這一問題感到棘手。本文從高分子材料的特性和土工應用要求兩方面，介紹了土工格柵的質控強度、蠕變強度以及在應用過程中強度的折減等的試驗方法，通過這些方法最后確定不同材質的土工格柵的設計強度。本文中還對不同材質的土工格柵的應用給出了建議。關鍵詞：質控抗拉強度 蠕變強度 加筋 推導 折減系數(shù)概述 目前在市面上我們能看到應用的土工格柵，從材料的不同主要有聚酯（PET）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）和玻璃纖維

2、等幾種（由于玻璃纖維的拉伸變形量很小，一般小于3%，顯示剛性，不適于允許一定變形的柔性結構的加筋土工程，故本文后面不涉及此種材料的土工格柵）；從加工方法的不同主要有擠板-沖孔-拉伸型、擠出平網(wǎng)拉伸型、纖維織帶經(jīng)編型、以及擠出條帶焊接型等四種。剛開始很多設計人員在采用土工格柵做加筋陡坡和加筋擋土墻設計時，普遍對選擇何種材質、何種加工方式的土工格柵沒有概念，當然在進行設計安全性驗算時，對采用的設計強度如何轉化為材料的質控要求更感棘手。所以大部分情況下，就是參照國外相關資料和一些廠家提供的質控強度指標進行折算，具體折算是否合理并不清楚，所以這時大家對材料的質控強度和斷裂伸長率很重視（因為很多設計人員

3、就是用這個強度指標的折算，來進行設計安全性驗算的）。隨著大家對土工格柵在土體中的作用機理認識的加深，土工格柵在恒定荷載下的蠕變性能逐步引起大家的重視。在對同種質控抗拉強度的不同材質、不同加工方式的土工格柵分別進行蠕變測試后，發(fā)現(xiàn)不同的格柵顯示不同的測試結果，所以又開始對土工格柵在一定的應變要求范圍內(nèi)、一定的溫度下、在一定長的時間內(nèi)所能承受的恒定荷載的蠕變強度高度重視，因為蠕變強度比質控抗拉強度更直觀地體現(xiàn)了土工格柵的實際使用要求。但蠕變測試只是考慮了長期負載時格柵強度的衰減，而實際使用過程中施工、填料、環(huán)境等也會對格柵的強度產(chǎn)生影響，所以，實際使用填料的施工破壞、土壤酸堿度的影響、土壤微生物的

4、影響、土工格柵連接件的影響等，也必須考慮?？紤]了這些因素以后，最終才能確定我們的設計強度，然后用這個設計強度來進行加筋結構體設計，設計是否安全也是用這個設計強度來驗算，看其內(nèi)部穩(wěn)定、外部穩(wěn)定及總體安全系數(shù)是否滿足要求，來確保加筋結構體的安全。本文將逐一對與土工格柵加筋設計強度相關的因素進行闡述，并提出筆者的一些看法。質控抗拉強度質控抗拉強度就是土工格柵在生產(chǎn)制造時用于控制產(chǎn)品質量的強度指標，也就是材料試樣在一定的溫度環(huán)境下，快速拉伸時的屈服強度。該強度值一般用于生產(chǎn)制造、或選購材料時，判斷產(chǎn)品是否合格。所以，生產(chǎn)廠家對每種產(chǎn)品一般會提供一個標準值（T標），而產(chǎn)品在實際檢驗時，會有一個實測的最大

5、（極限）抗拉強度（Tult）。目前國內(nèi)廠家的標準要求是實測Tult必須T標；而國外廠家（Tensar、Tenax等）的標準要求是實測Tult針對T標的置信度為95%，意即實測Tult100個樣，最多允許有5個樣不滿足T標要求。由于目前常見的加筋材料大部分是高分子合成材料（HDPE、PP、PET等），而高分子合成材料對試驗條件，如溫度、拉伸速率（拉伸應變率）等特別敏感，所以在選購材料時，采用相同試驗方法（同等試驗條件）來優(yōu)選產(chǎn)品就非常重要。目前，典型的用于土工格柵質控抗拉強度測試的測試方法主要有：國際標準ISO10319 - 1996；美國ASTM D6637 - 01；美國GRI GG1 -

6、87；中國國家標準GB/T17689-1999等（見表一）。由于這四個標準對試驗溫度、試驗拉伸速率、和試樣檢測寬度要求不一樣，而這三個試驗條件對高分子合成材料的影響又很大，故用不同方法，測出的結果將會有很大出入，所以首先應該統(tǒng)一測試方法。表一：質控抗拉強度測試方法對比測試方法試驗環(huán)境溫度試驗拉伸速率試樣寬度備注ISO10319 - 199620±220±5%/min200mm測量至少兩個節(jié)距長ASTM D6637-0121±210±3%/min200mm或單根筋測量至少兩個節(jié)距長GRIGG1 - 8721±250mm/min*單根筋測量至少兩個

7、節(jié)距長GB/T17689-199923±250mm/min*單根筋測量至少兩個節(jié)距長* 美國用于加筋的土工格柵的兩個節(jié)距長一般在540mm左右，所以其拉伸速率相當于10±3%/min；* 我國目前用于加筋的土工格柵的兩個節(jié)距一般在90mm 500mm之間，所以其拉伸速率在10% 56%/min之間。從高分子材料本身的特性來說，一般試驗環(huán)境的溫度越低，測出的強度越高，拉伸變形量越?。欢囼灷焖俾试叫?，測出的拉伸強度越小，拉伸變形量越大；另外，試樣寬度的不同，影響也不一樣，試樣越寬，測出的強度越大，拉伸變形量越小。從我們在實際工作中測量的數(shù)據(jù)分析來看，一般溫度差距在5范圍內(nèi)，

8、測出強度值變化在2%以內(nèi)，如果差距達到10，則測出強度值變化會超過10%；一般拉伸速率在20%/min和50%/min時測出的結果，其變化值也在5%以上；試樣寬度200mm（相當于10根筋）測試比單根筋測試，強度值一般增加6% 10%，變形量小20%左右。如果這三種條件同時變化，其累積變化值將更大。這也是我國目前由于在土工格柵的生產(chǎn)、采購過程中，由于采用技術水平的不一樣，未采用統(tǒng)一的測試標準，而導致在產(chǎn)品質量驗收過程中，經(jīng)常產(chǎn)生合同糾紛的原因。從表一可以看出，GRIGG1和GB/T17689的試驗條件變數(shù)多一些，這也是為什么美國在2001年前用GRIGG1標準，而之后用ASTM D6637代替

9、的原因，而歐洲普遍采用ISO10319標準。因此，在我國要想在統(tǒng)一的標準基礎上，研究討論材料的質控強度指標，必須盡快修改GB/T17689 1996，以力爭做到既與國際標準同步，亦統(tǒng)一認識、避免誤區(qū)的產(chǎn)生。蠕變強度 我們都知道，土工格柵在實際加筋應用中，所受到的作用力并不是逐漸加大的快速拉伸作用力，而是一個相對變化很小、近似恒定的長期作用力。那么土工格柵在這種力的作用下，隨著時間的推移，其表現(xiàn)出的抗拉強度值，是否與我們在快速拉伸試驗時所表現(xiàn)出的強度值（質控抗拉強度值）一致呢？對高分子合成材料而言，答案是否定的，而且不同材質所表現(xiàn)出的結果有很大的不同。那這種不同，我們能通過試驗得出其與質控抗拉強

10、度的大致相關關系嗎？答案是肯定的，前提條件是材質、配方、加工方法、工藝條件等影響產(chǎn)品性能的相關因素都不發(fā)生變化時，是可以找到這種大致相互關系。這樣材料的蠕變試驗就提出來了。 蠕變試驗就是將土工格柵在某一特定溫度下，在要求的變形量范圍內(nèi)，測試其承受某恒定荷載所能持續(xù)的時間；然后通過對三種以上荷載的試驗結果，來推導在某一長期時間內(nèi)，在要求的變形量范圍內(nèi)，其能承受的恒定荷載，這個荷載就是我們所說的蠕變強度。目前被普遍采用的土工格柵蠕變試驗方法主要有：國際標準ISO13431 1999、美國ASTM D5262 97和英國標準BS6909：Part5：1991等（見表二），測試方法基本差不多，不像測試

11、質控抗拉強度的標準那樣，存在很多影響結果的變化因素。表二：蠕變測試方法對比標準名稱試驗環(huán)境溫度伸長量精度試樣尺寸預拉荷載荷載水平%TultASTM D5262-9721±20.003mm寬200mm，長至少200mmTult17.5KN/m取45NTult17.5KN/m取1.25%Tult，且300N20，30，40，60BS 6906：Part5：199120±2計量長度的0.2%寬50mm，長足夠（1.0±0.2）%Tult20，30，40，60ISO 13431：199920±2計量長度的0.1%格柵不少于3個單元1.0%Tult，且不超過蠕變荷

12、載的10%5，10，20，30，40，50，60任選四種 由于蠕變試驗的時間很長，我們不可能對每批產(chǎn)品都做蠕變試驗。所以國外蠕變試驗一般只要求同一個廠家生產(chǎn)的至少一種同材質、同配方、同加工工藝的產(chǎn)品（“三同”產(chǎn)品）第一次蠕變試驗（40%Tult荷載以下的試驗）的時間要做足10,000小時，而后該生產(chǎn)廠家的本種產(chǎn)品及該產(chǎn)品的“三同”系列產(chǎn)品只要做足1,000小時即可。 蠕變試驗的結果只是一個試驗報告，報告產(chǎn)生的是在一相對較短（針對應用而言）時間內(nèi)在幾種荷載下的產(chǎn)品隨時間的應變圖和具體數(shù)據(jù)，并不是我們設計時所需要的120年或50年以后產(chǎn)品變形量不超過10%的蠕變強度。如何得到這個蠕變強度，就要借助

13、一定的數(shù)理方法進行推導。目前，各種標準沒有規(guī)定用什么具體的推導方法，所以各生產(chǎn)廠家和研究部門都各自采用自己認為較合理的方法，至于誰的推導更精確，不是本文要闡述的內(nèi)容。目前用得比較多的推導方法如下：1、 根據(jù)蠕變試驗得出的以時間對數(shù)為橫坐標的時間應變關系圖，分別做出在四種荷載時，1h，10h，100h，1000h，以及10000h的等時曲線圖，即橫坐標為應變，縱坐標為荷載（取Tult的%數(shù)）；2、 根據(jù)各時段四種荷載的應變所連成的曲線，等時推導出5個時間段應變?yōu)?0%時的荷載值；圖一為某產(chǎn)品在恒溫20時的四個時段的推導曲線；3、 讀取各時間段10%應變值時的荷載值，做荷載時間對數(shù)對應曲線，根據(jù)趨

14、勢推導出我們所要求時間段的承受荷載水平，這個荷載水平就是我們設計時所要求時間段的蠕變強度。如果我們希望推導的數(shù)據(jù)要更精確，除做不同荷載蠕變試驗外，還應做恒定高溫加速蠕變試驗，這種試驗的成本就相對高多了。圖二為某產(chǎn)品在20環(huán)境下的荷載時間對數(shù)推導曲線； 從上述推導結果，可以得到：如果某產(chǎn)品RS50HDPE的實測Tult= 52.5kN/m，則其在120年時的蠕變強度為：52.5KkN/m×40.02%= 21kN/m。如果用蠕變折減系數(shù)（fc）來表示的話，fc= 52.5/21= 2.5。圖一： RS50HDPE在20環(huán)境下的等時曲線圖圖二： RS50HDPE在20環(huán)境下1,000,0

15、00h的蠕變強度推導圖 值得說明的是，我們通過蠕變試驗得出的蠕變強度，如想簡化為Tult的蠕變折減系數(shù)來推廣使用的話，必須建立在產(chǎn)品為同材質、同配方、同加工工藝的基礎上，因為到目前為止所做的實際蠕變試驗結果顯示，“三不同”產(chǎn)品的蠕變結果相差很大，而“三同”產(chǎn)品的結果非常接近。美國聯(lián)邦公路局曾主持做過HDPE、PP兩種擠板沖孔拉伸格柵和PET編織格柵的蠕變聯(lián)合試驗，其結果建議見表三。從表三我們可以看出，相對而言HDPE、PET材質的格柵的長期蠕變衰減較小，而PP材質的長期蠕變衰減較大，這個結果跟我們已做過的蠕變試驗結果類似。所以，僅從蠕變的角度考慮，建議做長期使用的加筋結構體，最好用PET和HD

16、PE材質的，而只有臨時加筋結構體方可考慮PP材質的。表三： 美國推薦的格柵蠕變折減系數(shù)格柵品種fc備注PVC涂復的PET編織格柵1.75其折減系數(shù)是建立在Tult按ASTM D6637-01，蠕變試驗按ASTM D5262-97的基礎上。時間為約100年。丙烯酸酯涂復的PET格柵1.75HDPE拉伸格柵2.15PP拉伸格柵4.0設計必須考慮的其它折減系數(shù) 土工格柵在實際加筋應用過程中，除了考慮蠕變的衰減以外，不同生產(chǎn)過程的影響、不同的環(huán)境、填料、施工過程中的機械損傷、連接件引起的連接強度衰減等都要考慮，一般用折減系數(shù)來表達。目前，設計必須考慮的折減系數(shù)有四個，生產(chǎn)穩(wěn)定性可信度（fm）、在不同填

17、料里使用時的施工損傷（fd）、環(huán)境-酸堿-微生物影響（fe）、連接強度的影響（fj）。fm與生產(chǎn)廠家的技術水平和對產(chǎn)品質量控制的能力有關，一般如果生產(chǎn)廠家對其產(chǎn)品的質控抗拉強度符合性的控制，能達到3以上水平，同時有實實在在的完善的ISO9000質量保證體系，則fm可取1.0；否則取1.051.10。fd主要與填料的顆粒大小有關，不同的填料在壓實過程中，對土工格柵的傷害不一樣，而同種填料用不同的格柵，格柵的強度損失也不一樣。具體每種格柵對應不同填料的折減系數(shù)，一般要通過試驗得出。試驗方法也很簡單，就是將格柵在現(xiàn)場按要求埋設并壓實后，然后再挖出格柵，進行質控抗拉強度的對比測試（埋設前和埋設后的），

18、兩個結果值相除即得該折減系數(shù)。表四為英國Tensar公司在取得BBA認證時，試驗得出的該折減系數(shù)推薦值。表四： Tensar公司產(chǎn)品fd推薦值碎石最大粒徑mm40RE55RE80RE120RE160RE61.001.001.001.001.0037.51.071.071.071.001.00751.251.201.151.061.011251.481.361.251.121.02從表中可以看出，格柵的強度越大（越厚），在施工過程中，填料對其強度的破壞影響越小，所以低強度的薄格柵在大粒徑的填料中使用，強度衰減非常明顯，這也是為什么在有些應用時，對填料有嚴格要求的原因之一。而對于纖維經(jīng)編型格柵，由

19、于纖維比板、條帶更易受到傷害，所以其折減系數(shù)更大，更應避免在有大粒徑填料的場合使用。fe主要與格柵產(chǎn)品的材質有關，從目前土工格柵所用的三種主要材料來說，HDPE、PP對任何土體中的酸、堿、微生物呈惰性，此折減系數(shù)可取1.0；而PET對酸、堿、微生物都會發(fā)生一定程度的化學降解，隨著PET的不斷改性，這些影響也在逐步變小。表五為美國某公司PET經(jīng)編格柵的fe推薦值。從表中可以看出，對于土壤9pH值3的場合，不推薦使用PET格柵，當然，這類土壤在實際應用中，是很難碰到的。表五： PET經(jīng)編格柵fe推薦值產(chǎn)品加筋土、回填土pH 3pH55pH88pH9PET數(shù)均分子量20000，40CEG502.01

20、.62.0PET數(shù)均分子量25000，CEG(羧基數(shù)量)301.31.151.3fj主要是針對加筋擋土墻而言，因為加筋陡坡一般沒有連接問題，而有面板和反包裹覆式無面板加筋擋土墻都有一個連接問題。對于無面板擋墻而言，其反包連接件處的強度必須大于90%的質控抗拉強度；而對有面板加筋擋土墻而言，格柵預制在面板里或嵌固在拼裝面板里，其與混凝土結合處強度會在施工過程中受到一定影響，由于預制和拼裝面板的形式很多，所以一般都是在現(xiàn)場進行簡單試驗后得出具體折減系數(shù)，另外格柵與格柵的連接與無面板加筋擋土墻一樣有1.1折減。因此，綜合考慮，一般無面板擋墻的fj取1.101.15，有面板擋墻的fj取1.151.25

21、。土工格柵加筋設計強度的確定 闡述到這里，我們很容易得出土工格柵加筋設計強度的計算公式： （1） 式中：Td 設計強度 kN/m Tc 蠕變強度 kN/m 在Tult的測試方法（標準）與Tc的測試方法（標準）及推導方法相一致時，對于“三同”產(chǎn)品，我們有如下公式： （2） 式中：Tult 實測質控抗拉強度 kN/m fc 蠕變折減系數(shù) 在此需要說明的是，公式（2）只有“三同”產(chǎn)品才可以套用，而且質控抗拉強度的檢測方法也必須和蠕變試驗方法相對應，如不對應，也是不能套用的。目前，國外利用此公式的對應標準是：ISO10319 1996與ISO13431 1999相對應；ASTM D6637 01與AS

22、TM D5262 97相對應；在采用標準對應的基礎上，我們可得到公式（3）： （3） 所以，只要我們進行了必要的試驗，根據(jù)公式（3），計算土工格柵的加筋設計強度就非常容易了。例：如果我們現(xiàn)有三種土工格柵，即HDPE、PP擠板拉伸格柵和PET纖維經(jīng)編格柵，假如按ISO10319 1996測得三種格柵的Tult均為52.5kN/m，同時按ISO13431 1999試驗并推導120年的蠕變折減系數(shù)為表二值，生產(chǎn)廠家都是高水準的取得ISO9001 2000版認證的企業(yè)，那么我們將其用在填料粒徑小于37.5mm、土壤pH為5的無面板加筋擋土墻中的設計強度分別為多少呢？表六可以清楚地給出答案。從表六可以看

23、出，如果我們的設計人員，只是簡單的要求加筋格柵的質控抗拉強度多少，延伸率多少，我們的材料采購員會至少買回我們舉例的三種土工格柵，而這三種土工格柵對結構體所起到的加筋作用可能會是天壤之別。表六： 計算土工格柵加筋設計強度示例土工格柵Tult kN/mfcfmfdfefjTd kN/mHDPE擠板拉伸52.52.151.01.071.01.120.75PP擠板拉伸52.541.01.071.01.111.15PET纖維經(jīng)編52.51.751.01.101.31.119.07結語和建議1、 我們在用土工格柵做加筋設計時，首先要對廠家提供的產(chǎn)品的材質、配方、加工方式、加工工藝一定要有一個初步了解，對廠

24、家提供的各種強度指標，除了看重指標以外，更要注意所采用的測試方法。2、 我國應盡快統(tǒng)一測試標準，尤其是快速拉伸試驗方法與蠕變測試方法的相互對應，同時也要盡量與國際標準接軌。3、 由于目前土工格柵采用的蠕變試驗都是在無約束的情況下做出的，并不能真實表現(xiàn)格柵在土體結構里的蠕變狀態(tài)，有很多國內(nèi)外專家指出，土工格柵在有約束情況下的蠕變要大大小于無約束狀態(tài)，由此認為目前的設計強度過于保守，但目前仍未見具體的實體試驗驗證，因此，這項工作我們有待進一步研究。4、 隨著科學技術的不斷進步，新材料或改性材料會不斷涌現(xiàn)，本文涉及的一些材料不排除改性的可能，如有廠家號稱有改進，設計人員應要求廠家提供足夠的試驗驗證材

25、料，否則，不要盲目采用。5、 除土工格柵以外，還有其它加筋材料，譬如加筋帶、編織土工布、土工格室等，其加筋設計強度的確定，可以借用本文的方法分別進行試驗、推導。如要進行相互間的對比分析，切記采用試驗標準的統(tǒng)一性。參考文獻1 Tensar RE Geogrids for Reinforced Soil Retaining Wall and Bridge Abutment Systems. BBA Roads and Bridges Agreement Certificate No99/R109, 19992 Tenax Geogrid Soil Reinforcement and Stabilisation System. I.T.C. Technical Agreement Certificate N. 580/02, 20023 Specification for Mechanically Stabilized Earth Slope Retention System. Tensar E