摘要
研究强力土工格室开发技术，对格室的拉伸特性深入分析，为解决工程中软弱地基加固处理难题和新材料的开发提供理论依据。本文通过理论分析与试验，研究强力土工格室的特点、原料和制作工艺，根据室内拉伸试验、数值模拟等方式研究强力土工格室受力和变形规律；通过对土工格室传统制造工艺进行研究，结合特殊超声波焊结工艺、智能光纤工艺和固定锁片工艺等新技术，开发强力土工格室；通过进行拉伸试验，建立伸长率与应力及时间的变化关系；通过FLAC3D数值模拟，对新格室力学性能进行模拟研究，分析其应力与应变、时间与位移的关系，根据模拟的实际情况，指导强力土工格室的安全设计和施工管理。
Abstract
The research focuses on the development of high-strength geocell technology, with an in-depth analysis of the tensile properties of geocells, providing a theoretical basis for solving problems related to soft foundation reinforcement in engineering and the development of new materials. Through theoretical analysis and experimental research, the study investigates the characteristics, raw materials, and manufacturing processes of high-strength geocells. The research includes indoor tensile tests and numerical simulations to study the stress and deformation patterns of high-strength geocells. By examining traditional manufacturing processes and incorporating new technologies such as special ultrasonic welding, intelligent fiber optics, and fixed locking plates, high-strength geocells are developed. Tensile tests are conducted to establish the relationship between elongation, stress, and time. FLAC3D numerical simulations are used to study the mechanical properties of the new geocells, analyzing their stress-strain relationships and the relationship between time and displacement. Based on the simulation results, guidance is provided for the safe design and construction management of high-strength geocells.
Keywords
0 引言
土工格室是一种新型土工合成材料，强度高、稳定性好、施工方便、价格低廉，广泛应用于基础工程的加固和软弱地基的处理。但是，随着工程地质条件多样性的增加以及施工难度的加大，国内目前使用的改性聚烯烃片材传统土工格室已不能满足工程的需要，在沙漠化、高边坡、软弱地基处理等复杂条件下的工程施工问题日益突出（杨明辉等， 2011；赵明华等，2013；王占亮等，2021；尹丽军等， 2021；刘奇，2022；陈旭，2024；索增辉和徐晓琪， 2024；白耀楠等，2025）。
国外对于土工格室的研究，主要集中在加固路基和提高挡土墙整体承载力。土工格室用在软土基层处理时，一般将格室用填充材料填满，增强其刚度和强度，减小沉降量。Thallak et al.（2007）通过室内模型试验，研究表明土工格室将影响荷载扩散，从而提升软土地基承载力；Emersleben and Meyer （2014）结合垂直柱巷道施工，对土工格室加固荷载进行研究，解决软土地基加固问题；Song et al.（2013）对土工格室柔性挡墙的破坏模式和机理进行了分析并就土工格室挡墙问题提出了处理措施。中国在这方面已经进行了相应的室内和现场试验，屈畅姿等（2023）通过室内模型试验，研究了竖向分级静载作用下挡墙的变形、墙内竖向应力以及格室加筋层应变等力学变形特点，探讨了均匀长格室层的加筋作用机制；王志杰等（2023）通过大型三轴试验，研究了在不同设计参数下的土工格室对碎石复合体力学性能的影响，并创新引入强度加筋系数评价不同设计条件下的加筋效果；靳飞飞等 （2023）通过FLAC3D软件建模以及室内试验，系统研究了不同位置和数量的拉筋带对于挡墙力学性能的影响，研究表明水平峰值加速度沿墙高呈“增加-减小-增加”的三段形态；邓友生等（2024）通过室内试验和有限元理论计算，研究了刚性桩桩径、桩间距、桩身长度和土工加筋材料及其种类等因素对路基沉降的影响规律；苏永华等（2011）利用敏感度分析方法，对加筋材料应用于解决路基变形进行分析，并通过试验进行了验证；宋飞等（2011）利用 FLAC3D对土工格室进行数值模拟，研究格室的变形情况，根据模拟的实际结果分析格室变形规律。此外，宋飞等（2013）、Han et al.（2012）、Moghaddas et al.（2014）及 Sear et al.（2014）也对土工格室力学性能及工程应用等进行了研究，并取得了丰硕的研究成果。
但是，在处理软土地基工程中，随着复杂特殊地质难度的增加，工程中应用到的土工格室经常出现各种各样的难题。有的土工格室制造工艺复杂、过程繁琐，在成型过程中导致其抗拉强度、撕裂强度和摩擦强度大大降低，达不到设计标准和要求； 有的土工格室为了增加强度，内层设置钢丝网，连接部位通过钢丝网的焊接，虽然整体性有所增强，但是造价较高，施工运输等带来诸多不便；有的土工格室在焊接部位采用高温焊接，使得格室在工程应用中，极易发生焊接处的撕裂，传统的超声波焊接工艺，制备焊接过程又相对复杂，增加了较多的不稳定性因素；有的土工格室应用于处理软土地基时，长时间承受过大载荷直到疲劳，产生过大变形，破坏前未能采取有效措施进行处理等等。
因此，随着工程建设地质条件越来越苛刻，国际国内市场对土工格室智能化、安全稳定性、抗老化及较好的组件连接功能等要求越来越高，亟需开发研究强度更高、稳定性更好、安全性更高及适应性更强的强力土工格室，满足建设工程发展的需求。
1 强力土工格室概述
强力土工格室是由特种高分子材料制成片材，通过特殊方法和工艺，形成立体空间三维结构的网状格室（王清标等，2013），如下图1所示为产品示意图。格室上辅以穿孔，施工中引入铠甲光缆，实施监测应力变化，具有安全预警功能（杨晓华等， 2005）；节点连接处使用特殊超声波焊接工艺，不损伤化学键，与非连接处保持一致，保证了土工格室具有较强的整体性和稳定性；良好的伸缩功能，缩叠方便运输，与填料一起构成具有高强度的结构体 （王广月等，2012）。强力土工格室可用于加固沙性土壤的道路基础（施利国等，2011；Özer et al.， 2014），加固复杂条件下铁路的路基，机场、港口高边坡防护，修建挡土墙等难度较大的工程领域（张玲等，2013；Corey et al.，2014）。
图1格室产品示意图
2 强力土工格室技术研发
2.1 技术开发路线
产品开发的制作工艺流程如图2所示。
图2格室制作工艺流程
（1）用塑料颗粒（PP、PE）和中国科学院长春应用化学研究所联合研发的助剂进行配方混合后，用螺杆挤出机加温混炼，最后通过成型模具制作成片材；
（2）片材再经过加热后，进行纵向拉伸，使高分子材料的分子链进行取向排列，使拉伸强度达到最高值250 MPa；
（3）根据产品设计要求，把经过拉伸的片材分切成一定宽度的条带，根据工程需要在条带上进行打孔，以便铠甲包覆的智能光纤材料穿入；
（4）相邻的两条带重合在一起进行切缝开口 （在条带长度方向上），在条带宽度方向上均布平行切缝，切缝间距为5～15 mm；
（5）用“U”型插件的开口两头分别依次交错穿过两条带上的切缝，同时把两条带插接编织连接在一起，再把插件开口处用止退固定锁片封闭锁紧，以防插件脱落；
（6）第三根条带重合叠加后，应在相邻两个插件中间位置再进行相邻两条带上切缝安装插件，依次类推，连续重复进行；
（7）沿条带长度方向，把铠甲光纤经过条带上的小孔穿入，“S”形附在条带表面，经过光纤与信息采集系统连接，起到数据反馈的功能，并进行安全预警，及时提供工程内部结构环境变化，预防工程险情发生；
（8）连接后用特殊超声波焊接工艺均匀焊接，不影响材料的微观性能，使连接处均匀成为一个整体，达到最大强度。
2.2 技术创新
（1）强力土工格室在节点拉伸强度、片体拉伸屈服强度等指标大大增强的基础上，引入感应光纤概念，通过有特殊护甲包覆的铠甲光纤连接，感应光纤外围有铠甲材料包覆，通过片材表面的预留孔沿着加固地基前进方向“S”型穿插布置在片材的表面，对结构层的应力变化具有感应作用。在工程发生不可抗应力变化时，结构层产生较大的应变，包覆在感应光纤外围的铠甲材料在力的作用下发生较大的变形，感应光纤在大变形作用下，光学信号的传输受到较大影响，甚至阻断信号的传输。当光学信号经光栅解调仪收集后，根据影响信号由监测系统分析数据，实现工程的安全预警，填补国内空白，在工程应用领域是一次应用创新。
（2）强力土工格室采用高分子材料经过加热张拉后制成片材，经过特殊焊接工艺，将相邻的片材焊接在一起，焊接强度远远大于传统土工格室的节点焊接强度，组成整体的空间结构，提高复合整体性。为了防止两相邻片材发生错位、松动、脱落现象，发明了“U”型止退固定锁片，并可任意选择方向封闭锁紧，保证了相邻片材之间更好的连接，整体发挥土工格室的作用，更好的解决软弱地基问题，该项技术水平达到国内领先。
（3）强力土工格室在传统土工格室的基础上进行研发，引入的先进技术和先进的工艺较传统土工格室是一大创新和突破，与传统产品相比，在直接经济效益和间接经济效益上都有着比较明显的优越性。通过对两种产品产生的效益进行分析和研究，将研究的结果汇总于表1所示。
表1两种格室产品的技术经济指标对比
3 力学性能试验研究
3.1 试验装置及方案设计
强力土工格室具有网状空间结构，变形不仅与施加的荷载有关，温度、时间对格室性能的影响也较显著。试验过程中，由于试验条件、试验方法以及试验人员等产生不可避免的误差，因此，假设在理想条件下，对土工格室进行常温下的自由拉伸试验。为保证试验数据的真实、可靠性，拉伸试验分别选用 0.5 m×0.5 m 的传统格室与强力土工格室材料进行对比。试验格室与固定端横梁通过夹具牢固处理，下端与重物连接进行加载，并分别在 300 kg、500 kg和800 kg作用下，观察记录不同时刻格室的变形量，分析其在不同应力作用下的变形规律。经过一段时间的观察之后，卸载并记录格室的残余变形量，计算不同作用下的弹塑性变形量。
3.2 试验结果分析
将试验过程中的数据和结果进行统计，并根据统计结果绘制如下曲线，强力和传统土工格室的应力—伸长率曲线关系如图3所示，强力和传统土工格室的焊接抗拉强度—伸长率曲线关系如图4所示，强力和传统土工格室伸长率—时间关系如图5所示。试验过程中测得的两种格室张拉强度等数据统计于表2。
图3强力和传统土工格室应力-伸长率曲线
图4强力和传统土工格室焊接抗拉强度-伸长率曲线
图5强力和传统土工格室伸长率-时间曲线
表2强力土工格室与传统产品拉伸试验数据对比
综合以上图表所示试验数据分析可知：
（1）对比分析3组不同应力的试验结果，两种格室的初期变形均较大，一段时间后，变形平缓或接近停止。在保持相同温度条件下，荷载大小对土工格室的流变性具有显著的影响。应力越大，伸长率越大且达到稳定所需要的时间越长。
（2）根据两组格室的拉伸试验结果可知，在相同应力相同时间条件下，土工格室的伸长率随应力变化呈 S 型曲线关系，格室伸长率随着时间的推移逐渐缓慢，并维持稳定。因此，可知土工格室材料的模量低而蠕变高，当应用于具体工程加固时，如果在竣工后一段时间内，变形保持在允许的范围内，那么就可认定工程较安全。
（3）由图3、图4及表2可知，强力土工格室具有比传统土工格室更高的强度和整体性，在相同的外荷载作用下，变形更小。这主要是因为传统的塑料片材条带经挤出压延成型，未经过拉伸，用超声波热熔焊接后形成节点，节点强度只有 200 N/cm，极易开裂。强力土工格室使用特殊超声波焊接工艺，在焊接的同时，使焊接点处分子取向排列，不损伤化学键，保证产品的最大拉伸强度，远远大于传统节点连接工艺的节点强度。强力土工格室还与中国科学院长春应用化学研究所共同研发拉伸特殊工艺，使得节点强度≥2000 N/cm，超过传统工艺土工格室10倍以上。
4 数值模拟分析
本文根据试验实测土工格室参数值，假设土工格室发生受力以后发生的变形都为平面问题且完全弹性，土工格室与土体发生弹塑性破坏，本构关系满足 Mohr-Coulomb 准则，运用 FLAC3D对拉拔试验进行验证性模拟。所建模型模拟区域的长×宽× 高=5 m×5 m×6 m，模型顶面采用自由边界，无约束，模型侧面无剪力但是有位移，采用滚动支座约束，模型底面采用固定边界，约束形式为固定支座，模型中共布设3层土工格室，经压实后，只对中间层进行拉拔试验模拟。
模型共划分有 27000 个单元和 29791 个节点，建立的 FLAC3D三维模拟如图5所，模型参数见表3。图6为格室在X轴方向上的应力云图俯视图，图7为沿X轴方向上的应力云图，图8为整体的位移云图，图9为格室在 Z 轴方向上的位移曲线，图10为格室沿X轴方向拉拔速率与时步的关系曲线。
表3物理力学性质参数
图6三维数值模拟模型
图7格室在X方向上的应力云图
图8沿X轴方向上的应力云图
图9整体的位移云图
图10格室在Z轴方向上的位移曲线
图11格室沿X轴方向拉拔速率与时步的关系曲线
根据图7进行分析可知，格室沿 X 轴方向的应力最大值出现在云图中的左端，为1.96×106 Pa，并且沿着X轴方向逐渐减小。
通过对图8进行分析可知，格室沿着X轴方向的整体应力自上向下逐渐减小，最小值出现在格室的底部，且不为零。最大值出现在顶部，为1.72×105 Pa。
根据图9格室整体的位移云图分析可知，格室在进行拉拔过程时，整体的位移自上而下逐渐减小，最底层的位移变化值为 0，最顶部的位移值最大，为1×10-2 m。
根据图10和图11分析可知，对中间土工格室进行拉拔过程中，在Z轴方向上的位移逐渐增大，最大值为 1×10-6 m，超过峰值之后位移出现上下的波动，表现为格室的伸长率逐渐减小，最后达到稳定状态。沿着X轴方向，拉拔速率与时步呈线性关系，表现为拉拔过程中，伸长率随应力变化而呈现出的 “S”型曲线关系，达到稳定状态后，基本趋于平缓。
5 讨论
目前，土工格室的强度、刚度和稳定性等很难满足复杂工程的实际需要。强力土工格室的开发技术在提高力学性能的同时，积极引入新技术，使土工格室的研究进入智能化和数字化。在试验研究过程中，为验证其合理性，对强力土工格室进行了数值模拟。国内对土工格室等新型复合材料的研究较少，可借鉴的数值模拟可用模型和方案缺乏，因此，该模型将土工格室抽象成纵横交错的立体网状结构；格室间仍用特殊超声波焊接工艺进行连接；拉伸过程中，只对中间层进行拉伸，假设拉力直接作用在格室上，忽略两端造成的误差；假定在室内常温下试验，不考虑温度对格室模拟结果的影响。对土工格室的力学性能进行数值模拟，在缺乏具体模型的情况下，模拟的数值效果和误差均符合设计标准，可为土工格室力学性能研究提供借鉴。
6 结论
（1）通过研究土工格室的传统制造工艺，结合现场格室施工出现的问题，利用特殊超声波焊结工艺、智能光纤工艺和止退固定锁片工艺等新技术，提出了强力土工格室的开发技术路线及创新技术工艺，开发新型高强土工格室。
（2）借助拉伸试验研究了强力土工格室的力学性能，并与传统土工格室进行对比，研究了格室伸长率与应力、荷载和时间的变化规律，确定了拉伸屈服强度、抗拉强度的实际应用值，为工程设计和现场施工提供试验理论依据。
（3）通过 FLAC3D数值模拟，对强力土工格室力学性能进行模拟研究，分析其应力与应变、时间与位移的关系，根据模拟的实际情况，指导强力土工格室的安全设计和管理施工。