■麻 佳 謝紅飛 劉 杰＊

（1.新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，烏魯木齊 830000；2.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 823000）

土工格室作為一種具有三維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的土工合成材料[1-2]，自從20 世紀(jì)80 年代問(wèn)世以來(lái)，一直都被國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入研究和廣泛應(yīng)用于工程中[3-4]。這種新型材料采用高密度聚乙烯或聚丙烯聚合物條帶，經(jīng)過(guò)超聲波焊接和插焊等方式對(duì)條帶進(jìn)行焊接而成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有耐老化、抗腐蝕和整體強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。 目前對(duì)土工格室的研究手段主要是通過(guò)土工格室拉拔試驗(yàn)和模型試驗(yàn)研究土工格室加固地基、路基等加固機(jī)理研究[5-6]。

路基的結(jié)構(gòu)形式與地基具有一定差異，且前人對(duì)土工格室加固縮尺模型路基的研究較少，通過(guò)量綱分析法得到的設(shè)計(jì)路基模型可以準(zhǔn)確反映工程實(shí)際受力情況，減小試驗(yàn)成本投入。 以實(shí)際工程路基為模型試驗(yàn)的原型，分別改變土工格室鋪設(shè)層數(shù)，對(duì)不同工況下模型路基進(jìn)行靜載試驗(yàn)，研究荷載作用下土工格室對(duì)路基極限承載力的提升和沉降量的縮減，對(duì)研究土工格室加固路基性能提升效果具有實(shí)際意義和理論價(jià)值。

1 試驗(yàn)裝置與材料

1.1 土樣

模型試驗(yàn)所用礫類土為G216 民豐至黑石北湖建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際工程所用礫類土，級(jí)配良好，控制含水率為最優(yōu)含水率，根據(jù)相關(guān)資料可知填料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：粘聚力c 為15 kPa，內(nèi)摩擦角為30°，主要物理力學(xué)性質(zhì)和顆粒級(jí)配如表1 所示。

表1 礫類土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 土工格室

試驗(yàn)采用插焊式高強(qiáng)度聚乙烯（HDPE）土工格室，為了充分研究土工格室加固機(jī)理和作用，土工格室在鋪設(shè)時(shí)將進(jìn)行預(yù)張拉，使相鄰條帶之間夾角近似為90°。為了反映工程原型，本次模型試驗(yàn)所用土工格室最大抗拉強(qiáng)度為15 kN/m，高度為3 cm，焊距為10 cm，每層所鋪設(shè)的土工格室在模型路基位置不與箱體側(cè)壁接觸。 模型試驗(yàn)所用土工格室如圖1。

圖1 模型試驗(yàn)所用土工格室

1.3 試驗(yàn)儀器

模型試驗(yàn)采用液壓千斤頂加載裝置，如圖2 所示，將液壓油缸倒過(guò)來(lái)固定于滑輪小車上，滑輪小車固定在反力架的橫梁上，油缸施加荷載方向垂直于路堤頂向下作用。油缸最大軸向力可達(dá)1000 kN，最大位移量程可達(dá)250 mm，為勻速加載裝置，采用50 mm/min 勻速加載， 為了與實(shí)際行車荷載相一致取各類車型最大軸重400 kN。

圖2 加載系統(tǒng)

1.4 模型箱

試驗(yàn)箱內(nèi)部?jī)舫叽鐬?500 mm×2500 mm×1500 mm（長(zhǎng)×寬×高），采用8 mm 厚度帶肋條鋼板和槽鋼拼裝焊接而成。 為保證加載過(guò)程中模型箱不會(huì)產(chǎn)生變形影響試驗(yàn)精確性，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)用架子管將試驗(yàn)箱四周環(huán)箍住，可以保證在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中箱內(nèi)填土受到法向荷載作用下，試驗(yàn)箱體不產(chǎn)生外凸變形， 降低因試驗(yàn)箱剛度不足造成的試驗(yàn)誤差，土工模型中用鋼板加固四周，限值土體側(cè)向位移，與路堤實(shí)際的半無(wú)限體有一定的差異，但是為了研究局部的力學(xué)特征可忽略。

2 模型試驗(yàn)相似關(guān)系設(shè)計(jì)

2.1 量綱分析確定相似關(guān)系

若一個(gè)物理過(guò)程中共有n 個(gè)物理量，k 個(gè)基本量綱，則可組成n-k 個(gè)獨(dú)立的量綱組合，簡(jiǎn)稱π數(shù)。設(shè)一個(gè)物理過(guò)程如下（含有n 個(gè)參數(shù)X1，X2，…，Xn）：

任何一種用數(shù)學(xué)方程定義的物理現(xiàn)象都可以用π 數(shù)來(lái)定義， 相似的物理過(guò)程其相應(yīng)的π 數(shù)一定相同，這就Bockingham π 定理[7]。

土工格室加固路基模型在荷載作用下路堤的沉降、水平位移、土工格室變形和承載力變化等比較復(fù)雜，不能按尺寸的縮減來(lái)設(shè)計(jì)路基模型，需要根據(jù)相似理論研究模型的相似準(zhǔn)則[8]。 提高相似準(zhǔn)則因子的數(shù)量可以得到更多的相似準(zhǔn)則的物理量，表2 列出了模型試驗(yàn)的物理量及其因次。

表2 模型試驗(yàn)主要物理量量綱與相似常數(shù)

2.2 原型結(jié)構(gòu)介紹

試驗(yàn)?zāi)MG216 線民豐至黑石北湖公路K104+045-K104+065 段為工程案例。 擬建公路段為高填路基工程，路面寬度10 m，路基寬度60.15 m，為瀝青混凝土路面。 高填路基段路基高度為34 m，坡面斜率為1∶1.5，采用土工格室加固路基的措施，斷面尺寸如圖3 所示。 路堤為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故取半幅進(jìn)行試驗(yàn)研究，由于工程原型規(guī)模較大，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬，對(duì)模擬路基進(jìn)行1∶30 幾何尺寸縮減。

圖3 K104+055 路基斷面尺寸圖

2.3 模型試驗(yàn)工況

沿路堤頂、坡面到坡底的不同位置共設(shè)置6 個(gè)位移計(jì)， 坡面等間距布設(shè)， 記為P1、P2、P3、P4、P5和P6。每層土工格室通過(guò)貼應(yīng)變片來(lái)監(jiān)測(cè)土工格室在加載過(guò)程中的變形過(guò)程。 布設(shè)微型土壓力盒監(jiān)測(cè)路堤內(nèi)部土壓力， 加載軸心正下方依次計(jì)為TY1、TY2、TY3、TY4、TY5 和TY6， 模型試驗(yàn)所設(shè)置不同工況如圖4 所示，工況1、工況2、工況3 分別為沒有鋪設(shè)、鋪設(shè)3 層、鋪設(shè)6 層土工格室的路基。

圖4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 路基沉降變形分析

路基沉降變形包括路堤豎向沉降變形和垂直坡面沉降變形。 P1 為路堤頂沉降位移計(jì)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，記P1 為路堤豎向沉降量，P2、P3、P4 和P5 為垂直坡面沉降位移計(jì)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，P6 為坡底沉降位移計(jì)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)。 通過(guò)采集不同的P1～P6 的沉降數(shù)值，對(duì)比分析路基在受到豎向荷載作用下，不同部位發(fā)生沉降變形的差異性。 不同工況下路堤頂沉降量與荷載的關(guān)系曲線如圖5 所示，可知加載初期在荷載很小的時(shí)候路堤會(huì)發(fā)生明顯的沉降變形，這是因?yàn)楹粚?shí)強(qiáng)度低于加載系統(tǒng)作用在加載板上傳遞到路堤頂?shù)暮奢d強(qiáng)度，導(dǎo)致施加豎向荷載初期出現(xiàn)欠夯實(shí)的情況，路堤發(fā)生明顯沉降變形。

圖5 不同工況路堤豎向荷載-沉降關(guān)系曲線

不同工況下荷載與坡面沉降關(guān)系曲線如圖6所示，當(dāng)路堤達(dá)到最大的沉降量時(shí)，坡面沉降有明顯不同，不埋設(shè)土工格室的工況1 最大坡面沉降可達(dá)到60.26 mm，而工況2 和工況3 的最大沉降為48.51 mm、46.52 mm，說(shuō)明土工格室可以減小坡面沉降。

圖6 荷載與坡面沉降關(guān)系圖

3.2 坡面水平位移分析

荷載與坡面水平位移關(guān)系如圖7 所示，當(dāng)荷載值一定時(shí)，工況1 坡面位移最大，工況2 坡面水平位移大于工況3，說(shuō)明在路基中鋪設(shè)土工格室可以有效約束路堤的水平位移（即路堤受到垂直方向作用荷載時(shí)發(fā)生側(cè)滑）。 同時(shí)對(duì)比工況1、2 和3 的荷載-水平位移曲線線型可知，工況1 為近似直線，說(shuō)明在路基受到垂直方向荷載作用時(shí)，側(cè)向變形呈線性變化。

圖7 荷載與坡面水平位移關(guān)系圖

3.3 土工格室應(yīng)變分析

圖8 分別為工況2 和工況3 路基模型不同層土工格室在加載過(guò)程中應(yīng)變與荷載的變化曲線。 從圖中可以看出土工格室的應(yīng)變均為正值，說(shuō)明土工格室在路堤受荷載作用下受到拉力的作用，應(yīng)變隨著荷載的增大而逐漸增大。 在剛開始施加荷載時(shí)應(yīng)變未出現(xiàn)明顯變化，這一階段是土工格室因結(jié)構(gòu)特質(zhì)所決定的，在受到荷載作用時(shí)，由格室內(nèi)部填土對(duì)格室壁產(chǎn)生側(cè)壓力，導(dǎo)致土工格室各節(jié)點(diǎn)角度發(fā)生微調(diào)；而隨著荷載的增大，土工格室應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率均出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，直到荷載繼續(xù)增大出現(xiàn)增長(zhǎng)速率減小的現(xiàn)象，這與土工格室條帶拉伸試驗(yàn)結(jié)果是相符合的。

圖8 荷載-土工格室應(yīng)變關(guān)系曲線

4 結(jié)論

（1）通過(guò)工況1、工況2、工況3 可知，土工格室能顯著提高路基極限承載力并能明顯減小路堤頂沉降變形和坡面水平位移。

（2）距離加載點(diǎn)越近，路基內(nèi)部土壓力受土工格室影響越大，提高土工格室鋪設(shè)層數(shù)，可以有效減小路基內(nèi)部土壓力差異性，將荷載較均勻地?cái)U(kuò)散。

（3）土工格室應(yīng)變隨著荷載的增加而增大，且距離荷載作用點(diǎn)近的位置土工格室應(yīng)變大。