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土工格栅加筋设计强度的确定

张庆明

（湖北力特土工材料有限公司总工程师）

摘要：目前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，由于专业局限，对如何较准确地确定土工格栅的设计强度这一问题感到棘手。本文从高分子材料的特性和土工应用要求两方面，介绍了土工格栅的质控强度、蠕变强度以及在应用过程中强度的折减等的试验方法，通过这些方法最后确定不同材质的土工格栅的设计强度。本文中还对不同材质的土工格栅的应用给出了建议。

关键词：质控抗拉强度蠕变强度加筋推导折减系数

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尝试后，发现不同的格栅显示不同的尝试结果，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。但蠕变尝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。

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尝试的尝试方法主要有：国际标准ISO10319 - 1996；美国ASTM D6637 - 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，所以首先应该统一尝试方法。

10±3%/min；

** 我国目前用于加筋的土工格栅的两个节距一般在90mm ~ 500mm之间，所以其拉伸速率在10% ~ 56%/min之间。

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）尝试比单根筋尝试，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，未采用统一的尝试标准，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ASTM D6637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。

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，尝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ASTM D5262 –97和英国标准BS6909：Part5：1991等（见表二），尝试方法基本差不多，不像尝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。

一般只要求同一个厂家生产的至少一种同材质、同配方、同加工工艺的产品（“三同”产品）第一次蠕变试验（40%Tult荷载以下的试验）的时间要做足10,000小时，而后该生产厂家的本种产品及该产品的“三同”系列产品只要做足1,000小时即可。

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—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—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—时间对数推导曲线；

从上述推导结果，可以得到：如果某产品RS50HDPE的实测Tult= 52.5kN/m，则其在120年时的蠕变强度为：52.5KkN/m×40.02%= 21kN/m。如果用蠕变折减系数（fc）来表示的话，fc= 52.5/21= 2.5。

图一：RS50HDPE在20℃环境下的等时曲线图

图二：RS50HDPE在20℃环境下1,000,000h的蠕变强度推导图值得说明的是，我们通过蠕变试验得出的蠕变强度，如想简化为Tult的蠕变折减系数来推广使用的话，必须建立在产品为同材质、同配方、同加工工艺的基础上，因为到目前为止所做的实际蠕变试验结果显示，“三不同”产品的蠕变结果相差很大，而“三同”产品的结果非常接近。美国联邦公路局曾主持做过HDPE、PP两种挤板冲孔拉伸格栅和PET编织格栅的蠕变联合试验，其结果建议见表三。从表三我们可以看出，相对而言HDPE、PET 材质的格栅的长期蠕变衰减较小，而PP材质的长期蠕变衰减较大，这个结果跟我们已做过的蠕变试验结果类似。所以，仅从蠕变的角度考虑，建议做长期使用的加筋结构体，最好用PET和HDPE材质的，而只有临时加筋结构体方可考虑PP材质的。

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（fj）。

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3σ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尝试（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。

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。

裹覆式无面板加筋挡土墙都有一个连接问题。对于无面板挡墙而言，其反包连接件处的强度必须大于90%的质控抗拉强度；而对有面板加筋挡土墙而言，格栅预制在面板里或嵌固在拼装面板里，其与混凝土结合处强度会在施工过程中受到一定影响，由于预制和拼装面板的形式很多，所以一般都是在现场进行简单试验后得出具体折减系数，另外格栅与格栅的连接与无面板加筋挡土墙一样有1.1折减。因此，综合考虑，一般无面板挡墙的fj取1.10~1.15，有面板挡墙的fj取1.15~1.25。

土工格栅加筋设计强度的确定

阐述到这里，我们很容易得出土工格栅加筋设计强度的计算公式：

（1）

式中：Td —设计强度kN/m

Tc —蠕变强度kN/m

在Tult的尝试方法（标准）与Tc的尝试方法（标准）及推导方法相一致时，对于“三同”产品，我们有如下公式：

（2）

式中：Tult —实测质控抗拉强度kN/m

fc —蠕变折减系数

在此需要说明的是，公式（2）只有“三同”产品才可以套用，而且质控抗拉强度的检测方法也必须和蠕变试验方法相对应，如不对应，也是不能套用的。目前，国外利用此公式的对应标准是：ISO10319 – 1996与ISO13431 – 1999相对应；ASTM D6637 – 01与ASTM D5262 – 97相对应；在采用标准对应的基础上，我们可得到公式（3）：

（3）

所以，只要我们进行了必要的试验，根据公式（3），计算土工格栅的加筋设计强度就非常容易了。

例：如果我们现有三种土工格栅，即HDPE、PP挤板拉伸格栅和PET纤维经编格栅，假如按ISO10319 – 1996测得三种格栅的T ult均为52.5kN/m，同时按ISO13431 – 1999试验并推导120年的蠕变折减系数为表二值，生产厂家都是高水准的取得ISO9001 – 2000版认证的企业，那么我们将其用在填料粒径小于37.5mm、土壤pH为5的无面板加筋挡土墙中的设计强度分别为多少呢？表六可以清楚地给出答案。从表六可以看出，如果我们的设计人员，只是简单的要求加筋格栅的质控抗拉强度多少，延伸率多少，我们的材料采购员会至少买回我们举例的三种土工格栅，而这三种土工格栅对结构体所起到的加筋作用可能

会是天壤之别。

表六：计算土工格栅加筋设计强度示例

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。

参考文献

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