土體相對(duì)密度對(duì)土工格室加筋砂土地基性能的影響

楊 暉，丁志輝，蔡源介

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌330000）

0 引 言

土工合成材料加固作為地基改良和基礎(chǔ)加固的技術(shù)已超過(guò)40 a，土工布和土工膜是其中的典型代表，可用于穩(wěn)定在貧瘠土壤上建造的結(jié)構(gòu)。作為一種非天然材料，土工合成材料由多孔防水材料組成，這些材料包括針織的、機(jī)織的和非機(jī)織的，還有聚合物網(wǎng)格和聯(lián)鎖裝置。由于土工合成材料可以用作加固、過(guò)濾、分離、保護(hù)、密封、流體傳輸和土壤限制，因此其應(yīng)用廣泛。土工格室是土壤加固領(lǐng)域最近發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，它具有三維蜂窩狀聚合物結(jié)構(gòu)，由在接縫處相互連接的土工格室組成，并填充土石從而抑制土的側(cè)向流動(dòng)，有效提高地基承載力，減少地基沉降。

Krishnaswamy 等人進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)，研究在軟粘土層上支撐的土工格室墊層上建造的土堤[1]；Dash 等人通過(guò)土工格柵加筋砂床支承的條形基礎(chǔ)的室內(nèi)模型，評(píng)價(jià)土工格室對(duì)性能改善，并確定發(fā)揮最大承載力作用的土工格室層的鋪設(shè)深度和尺寸[2-3]；Dash 等人還報(bào)告了一個(gè)圓形基腳模型的載荷試驗(yàn)結(jié)果，該模型支撐在覆蓋有軟粘土上的土工格室增強(qiáng)砂上[4-5]。周和文將一層或兩層土工合成材料放置在砂墊層中，以在軟土地基上創(chuàng)建具有更高承載力的復(fù)合層，從而較大幅度地減少軟土地基的沉降[6]。 孫州等人通過(guò)對(duì)純砂路堤邊坡和土工格室加筋路堤進(jìn)行多組模型試驗(yàn)，研究了土工格室焊距、埋深、加筋層數(shù)以及壓實(shí)度對(duì)路堤承載力特性和變形特性的影響[7-10]。Han J 等人進(jìn)行了足尺加速路面試驗(yàn)，以評(píng)估一層土工格室加筋對(duì)軟弱路基上再生瀝青路面基層的影響[11]。Sireesh 等人在一個(gè)圓形基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的模型試驗(yàn)，該基礎(chǔ)由土工格室加固的砂層支撐，覆蓋在具有連續(xù)圓形空隙的粘土層上。通過(guò)在粘土路基上提供足夠大的土工格室復(fù)合墊層，顯著地改善了土工格室性能，并且當(dāng)土工格室復(fù)合墊層延伸超過(guò)空隙至少等于空隙直徑的距離時(shí)，可以獲得較好的效果[12]。Wesseloo 等人研究了用單個(gè)和多個(gè)土工格室加固的土壤的應(yīng)力應(yīng)變特性，發(fā)現(xiàn)土工格室加固的三維結(jié)構(gòu)阻止了填充土的橫向擴(kuò)展，將基底壓力重新分布在更寬的區(qū)域，從而提高了土壤承載能力[13]。劉金龍等人采用非線性有限元方法對(duì)土工織物加固軟土路基的效果和機(jī)理進(jìn)行探討，表明土工織物能有效地加固軟土路基[14-15]。目前，土工格室復(fù)合墊層在許多情況下用于改善地基土的性能，如人行道和鐵路下的地基、土堤地基、儲(chǔ)液罐基礎(chǔ)和石油勘探平臺(tái)基礎(chǔ)等，并取得了良好的效果，但目前研究對(duì)其加筋機(jī)理并不十分深入，對(duì)不同土體相對(duì)密度加筋研究相對(duì)較少。

本文主要模擬矩形基礎(chǔ)在靜力加載條件下直接作用于土工格室加筋砂土地基的情況，通過(guò)對(duì)比不同相對(duì)密度砂土地基工況下地基的承載力—沉降曲線、地基的路基模量、承載力提高系數(shù)、路基邊形與基底沉降、筋材拉應(yīng)變的分布規(guī)律、以及地基荷載分散角，對(duì)土工格室加筋砂土地基的作用機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，表明土工格室能有效地改善地基的承載能力。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)所采用的鋼框架模型箱的尺寸為1 200 mm×332 mm×700 mm（長(zhǎng)×寬×高）。模型箱的中心放置330 mm×100 mm×25 mm（長(zhǎng)×寬×高）的鋼制底座，其底座的長(zhǎng)度等于模型箱的寬度。試驗(yàn)采用的土體物理指標(biāo)見(jiàn)表1[16-17]，不同土體相對(duì)密度的性能見(jiàn)表2。

表1 原材料物理指標(biāo)

表2 不同土體相對(duì)密度的性能

土工格室加筋采用定向聚合物制成的雙向土工格柵，開孔尺寸為35 mm×35 mm，極限抗拉強(qiáng)度為20 kN/m，5%應(yīng)變割線模量為160 kN/m[18]。如圖1（b）所示，土工格柵墊層是通過(guò)將土工格柵從滿卷切開到所需的長(zhǎng)度和高度，在橫向和對(duì)角方向放置，在連接處進(jìn)行接縫來(lái)制備的[19-20]。目前測(cè)試的土工格柵是由低密度聚丙烯制成的6 mm 寬、3 mm 厚的塑料條。其土工格室接頭的拉伸強(qiáng)度為4.75 kN/m。試驗(yàn)中儀器布置見(jiàn)圖1。

圖1 土工格室加筋地基系統(tǒng)和儀器的幾何細(xì)節(jié)

本次試驗(yàn)的地基土層深度為7B，寬度為13B。在條形荷載作用下，致密砂層中的破壞楔體沿底座中心線兩側(cè)延伸約3B，距底座約1.1B。因此，由于本次試驗(yàn)中使用的模型箱較大，不會(huì)干擾土體和土工格室的變形區(qū)，從而不會(huì)干擾試驗(yàn)結(jié)果。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

模型試驗(yàn)通過(guò)使用校準(zhǔn)的砂雨裝置進(jìn)行滴注[21]得到30%、40%、50%、60%和70%的不同相對(duì)密度砂土地基。在規(guī)定的深度，砂雨暫時(shí)停止，并在砂面上放置土工格室加筋，之后砂雨繼續(xù)。在降雨期間，通過(guò)將已知體積的小鋁罐放置在試驗(yàn)箱的不同位置，檢查砂子放置的準(zhǔn)確性和放置密度的一致性，在測(cè)試模型箱的不同位置測(cè)量的密度的差異小于1%。

在50 mm 的垂直間距水平鋪一薄層白色砂土，觀察土工格室下路基土體的變形規(guī)律。每次測(cè)試完成后，通過(guò)測(cè)試箱的透明有機(jī)玻璃壁記錄白色線條的變形形狀。通過(guò)觀測(cè)到的砂土路基破裂面、白砂層的不連續(xù)面圈定，計(jì)算出荷載分散角（α）。

通過(guò)改變土體的相對(duì)密度，從松散到致密，即ID= 30%，40%，50%，60%和70%，進(jìn)行了兩組不同的模型試驗(yàn)。第一組試驗(yàn)是在未加筋的土基上進(jìn)行的。第二組試驗(yàn)進(jìn)行土工格室加筋土基試驗(yàn)。為了解在第二組所有試驗(yàn)中土體相對(duì)密度對(duì)整體性能的影響，土工格室層的幾何形狀（高度h/B=1.6，寬度b/B=8，放置深度u/B=0.1）保持不變。在所有試驗(yàn)中，土工格室開口的等效圓形直徑的大?。╠）都保持為1.2B，這是提供最大性能改善的最佳幾何形狀[3]。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

未加筋地基的承載力與沉降關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

圖2 未加筋地基承載力與地基沉降的關(guān)系

從圖中可以看出，當(dāng)ID=30%和40%時(shí)，未加筋的地基發(fā)生了局部剪切破壞；而對(duì)于較高密度（ID=60 %和70%）時(shí)，未加筋的地基隨著應(yīng)力的增加有一個(gè)明顯的斷裂點(diǎn)，為土體的整體剪切破壞。土工格室加筋地基在沉降小于基礎(chǔ)寬度的50%均沒(méi)有發(fā)生剪切破壞。

土工格室加筋地基的承載力與沉降關(guān)系見(jiàn)圖3，其割線模量表示土工格室加筋地基剛度的路基模量（kr）。土工格室加筋地基的路基模量（kr）隨土體相對(duì)密度的變化（s/B）見(jiàn)圖4。

圖3 地基承載力與地基沉降的關(guān)系

圖4 路基模量與土體相對(duì)密度的關(guān)系

由圖4 可知，土工格室加筋地基的路基模量（kr）隨土體相對(duì)密度的增加而增大。3%沉降時(shí)的路基模量（kr3）值從ID=30%的約10 MN/m3增加到ID=70%的約40 MN/m3，表明土工格室加筋地基的剛度隨著土體相對(duì)密度從30%增加到70%增加了3 倍。當(dāng)土壤相對(duì)密度大于50%時(shí)，kr與ID曲線相對(duì)陡峭，表明致密土壤的kr增加速率較大。

土工格室加筋對(duì)承載力的改善用一個(gè)無(wú)量綱改善系數(shù)（If）來(lái)表示，該系數(shù)定義為土工格室在給定沉降時(shí)的地基壓力（q）與未加筋土在相同沉降下的壓力（q0）之比。如果基礎(chǔ)在某一沉降處已達(dá)到其極限承載力，則假定對(duì)于較高的沉降量，承壓q0保持在其終值不變。在不同的基礎(chǔ)沉降水平下（s/B），承載力改善系數(shù)隨土的相對(duì)密度（ID）的變化情況（If）見(jiàn)圖5。

圖5 承載力提高系數(shù)與土壤相對(duì)密度

由圖5 可知承載力改善系數(shù)的值隨相對(duì)密度的增加而增大。松散土體在變形作用下收縮，需要較大的應(yīng)變才能將應(yīng)力傳遞給土工格室，而相對(duì)密度較高的土體由于結(jié)構(gòu)致密，在基礎(chǔ)貫入作用下容易膨脹，從而增加土工格室加筋的強(qiáng)度，提高土工格室的性能。此外，致密土在膨脹時(shí)會(huì)在土工格室土界面處產(chǎn)生較高的摩擦力，從而增加砂土的抗向下貫入阻力，使承載能力得到較大的提高。在相對(duì)較低的沉降范圍內(nèi)（s/B≤10%)，If 值隨土的相對(duì)密度變化不大，說(shuō)明土工格室加筋對(duì)不同密度填土的承載力提高百分率幾乎相同。而在較高沉降范圍內(nèi)（s/B＞10%)，與松散土相比，密實(shí)土（ID＞50%）的承載力系數(shù)（If）隨相對(duì)密度增大的增長(zhǎng)速率要大得多。這表明在相對(duì)較高的地基沉降下，與未加筋的土相比，土工格室加筋對(duì)密實(shí)土體的承載力改善效果較好。

路基變形與基底沉降關(guān)系見(jiàn)圖6。左側(cè)和右側(cè)百分表的平均值讀數(shù)通過(guò)符號(hào)（-）表示隆起、符號(hào)（+）表示沉降來(lái)描述填筑表面的變形模式，未加筋土層的曲線關(guān)系用虛線表示，土工格室加筋土的曲線關(guān)系用實(shí)線表示。

由圖6 可知，未加筋的砂床經(jīng)歷了超過(guò)5%的基礎(chǔ)寬度的隆起，而有土工格室加筋的砂床的隆起不到2%。說(shuō)明采用土工格室加筋后，填充面發(fā)生沉降，表明土工格室墊層在基礎(chǔ)貫入作用下已經(jīng)下沉，因此被拉離試驗(yàn)箱壁，說(shuō)明試驗(yàn)箱壁不會(huì)影響其性能。

圖6 路基變形與基底沉降

此外，土體密度越高，地表沉降越小，這可能是由于土工格室的地基強(qiáng)度和端部錨固力的增加，抵抗土工格室墊層向下的撓度，從而改善性能。在松散填土試驗(yàn)中，土工格室墊層的兩個(gè)自由端在大基礎(chǔ)沉降的土層表面可見(jiàn)。因此可以得出，在松散土壤的情況下，土工格室層兩端沒(méi)有充分的錨固。

密實(shí)土（ID=70%）和松散土（ID=30%）的土工格室壁應(yīng)變變化規(guī)律見(jiàn)圖7。

圖7 相對(duì)密度為70%和30%的土工格室的應(yīng)變

從圖7 可以得到，密實(shí)土土工格室墊層的兩個(gè)自由端都會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)變。由于受荷區(qū)土體的膨脹，通過(guò)土工格柵壁的開孔，導(dǎo)致砂土的體積膨脹。由于在垂直方向上土體沒(méi)有束縛，因此土體的這種膨脹主要在橫向上，且這種局部化的橫向擴(kuò)張受到鄰近穩(wěn)定區(qū)砂土的抑制，土體產(chǎn)生壓縮，從而引起土工格室壁中的壓縮。由圖6（b)可知，在松散土壤的情況下，墊層中的任何地方都沒(méi)有產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，這是因?yàn)樵谒缮⒌耐寥乐袥](méi)有引起體積膨脹。這一試驗(yàn)結(jié)果再次證明了前文中關(guān)于填充土膨脹可引起土工格室墊層性能變化的結(jié)論。

觀測(cè)到的土工格室墊層下路基土體在基礎(chǔ)荷載作用下的變形規(guī)律見(jiàn)圖8。

圖8 土工格室墊層下土體的變形模式（ID=70%）

從圖8 可以看出，試驗(yàn)箱底座上部區(qū)域土壤變形（通過(guò)箱壁白色線條中的變形顯示）衰減可以忽略不計(jì)，因此可確定試驗(yàn)箱邊界對(duì)基礎(chǔ)的性能沒(méi)有影響。所以，本研究中使用的試驗(yàn)箱的幾何形狀可以克服土體邊界效應(yīng)。土工格室墊層作為一塊寬板，將地基壓力傳遞到下墊層，并在較寬的寬度（B+ΔB）上重新分布。ΔB是由于寬板效應(yīng)導(dǎo)致的土工格室墊層在u+h深基礎(chǔ)寬度的增加。

式中：α 為土工格室床墊內(nèi)的荷載擴(kuò)散角；ΔB為觀測(cè)到的砂基破裂面測(cè)量得到的。

該破裂面通過(guò)白色砂層的不連續(xù)部分來(lái)劃定。利用式（2）和ΔB的實(shí)測(cè)值，計(jì)算出土工格室床墊中的荷載擴(kuò)展角

圖9 描述了土工格室面層的計(jì)算值α 與相對(duì)密度（ID）之間的關(guān)系。

由圖9 可知，土工格室床面的荷載分布角隨地基土密度的增加而增大。當(dāng)ID＞40%時(shí)，隨著土壤相對(duì)密度的增加，α 迅速增大。這表明土工格室加筋可以提高基礎(chǔ)下半剛性墊層的剛度，當(dāng)?shù)鼗临|(zhì)致密時(shí)效果更好。

圖9 地基荷載分散角α 與相對(duì)密度的關(guān)系

當(dāng)沉降接近破壞時(shí)土體發(fā)生剝離時(shí)加筋強(qiáng)度基本保持不變。這表明，土工格室體系是一種全方位的圍護(hù)體系，它抑制了土體的流動(dòng)，從而使被包裹的土體不會(huì)被剪斷。隨著密度的增大，地基沉降越大，產(chǎn)生的膨脹越能提高土體的密實(shí)度。

填土經(jīng)過(guò)土工格室加固后表面發(fā)生沉降，表明土工格室墊層已經(jīng)發(fā)生下沉，因此被拉離試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖浔?，試?yàn)箱底座上部區(qū)域土壤變形衰減可以忽略不計(jì)，所以試驗(yàn)箱邊界對(duì)基礎(chǔ)的性能沒(méi)有影響。因此，本研究中使用的試驗(yàn)箱基幾何形狀足以克服邊界效應(yīng)。

3 規(guī)模效應(yīng)

土工格室加筋地基系統(tǒng)中的重要參數(shù)可假定為B、u、d、h、b、s、Sr、G、γ、?、q和qo，其中Sr為加筋的強(qiáng)度/ 剛度，G為土體的剪切模量，γ 為土體的容重，加筋地基系統(tǒng)的函數(shù)可以寫成

利用Langhaar 提出的模型律和Buckingham 的量綱分析，發(fā)現(xiàn)上述幾何參數(shù)呈線性變化，而強(qiáng)度和剛度參數(shù)呈二階變化。原型加筋土地基中加筋的強(qiáng)度/ 剛度應(yīng)為模型試驗(yàn)中加筋強(qiáng)度/ 剛度的N2倍，其中N為模型比例尺[9]。

在本模型試驗(yàn)中，土工格室強(qiáng)度/剛度為4.75 kN/m，遠(yuǎn)低于土工格室墻體材料（即土工格柵)的強(qiáng)度/ 剛度。因此，為了將本研究的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)踐，原型土工格室的最低強(qiáng)度/剛度應(yīng)為4.75N2kN/m。

4 結(jié) 論

（1）土工格室加筋在較大的相對(duì)密度范圍內(nèi)（ID=30%～70%）有較好地提高地基的剛度、承載力和荷載分散角的效果，當(dāng)?shù)鼗馏w致密時(shí)效果更好。

（2）3%沉降時(shí)的路基模量值（kr3）從ID=30%的約10 MN/m3增加到ID=70%的約40 MN/ m3，表明土工格室加筋地基的剛度隨著土體相對(duì)密度增加而增加。通過(guò)填土表面和砂土路基的變形規(guī)律，可以看出本文采用的模型箱和地基的相對(duì)尺寸足以克服邊界效應(yīng)。

（3）在基礎(chǔ)相對(duì)較低沉降時(shí)（s/B10%），If值隨土的相對(duì)密度變化不大，而在較高沉降范圍內(nèi)，隨ID的增加，密實(shí)土（ID＞50%）的承載力系數(shù)（If）相較于松散土的增長(zhǎng)速度較快。

（4）土工格室加筋提供的三維約束能有效的抑制地基土的膨脹，且抑制效果隨著地基土壓實(shí)密度的提高而增強(qiáng)。在室外，為實(shí)現(xiàn)土工格室內(nèi)的密實(shí)填土，建議采用輕壓實(shí)約150 mm 填土，再通過(guò)反復(fù)碾壓和充填獲得致密的土工格室結(jié)構(gòu)。