土工合成材料在樁承式加筋路堤中的應用現狀

陳 毅,鄭 乾,王軍軍,完紹金

(揚州大學 建筑科學與工程學院,江蘇 揚州 225127)

0 引 言

土工格柵作為一種新型的土工合成材料,在20世紀70年代傳入我國,現已廣泛應用于公路、路堤、邊坡和擋土墻等一系列重要的土建工程中[1-4]。隨著化工技術的發展,土工格柵已從開始的類別單一發展到現在的類別多樣化,能基本滿足各個領域的要求。由于土工格柵與土層之間能夠通過摩擦和咬合作用限制土體的側向變形,提高土體的抗彎剛度和抗剪強度,明顯增強地基承載力,并且能夠減小土體因應力集中問題而造成的滑塌變形[5],因此,土工格柵在處理軟土地基及防止邊坡滑移方面具有很重要的意義。樁承式路堤是近年來研究較熱門的一項軟土地基處理技術,它起步于20世紀70年代,與加筋技術的聯合作用下[6](此處的加筋體在土木工程中一般采用土工格柵),形成了樁承式加筋路堤(見圖1)[7],它具有施工方便、工期短、工后沉降小的特點,適用于需要快速施工或者對沉降要求較嚴格的工程[8]。樁承式加筋路堤組成從上到下依次為路堤填土、土工格柵、樁和地基土。未加土工格柵的傳統樁承式路堤(見圖2)[6],常在邊坡附近打設斜樁來承受路堤產生的側向變形,且為減小承臺間土體的變形及路堤表面處的變形,樁體布置需要緊密、承臺尺寸要大;加了土工格柵以后不需要打設斜樁,不需要增大托板和縮小樁間距,大大節省了費用,是比較經濟的。本文通過對土工格柵在樁承式加筋路堤中的作用機理和國內外學者對樁承式加筋路堤的研究現狀進行分析總結,以突出土工格柵的作用和意義及存在的問題,期望為以后樁承式加筋路堤的研究提供有益的參考。

1 土工格柵的加筋機理及工程特性

研究土工格柵在樁承式加筋路堤中的受力情況,必須先要明確土工格柵具備的一些性質以及加筋機理。

圖1 樁承式加筋路堤

圖2 未加土工格柵的樁承式路堤

1.1 土工格柵的加筋原理

土工格柵的加筋機理可歸納為摩擦加筋原理與準粘聚力原理。對于摩擦加筋原理,文獻[9]總結為三個內容:(1)格柵上下表面與土顆粒的摩擦作用。格柵和土粒存在相對位移時,就會產生摩擦。摩擦起決定作用時,格柵應沿著土中最大拉力方向鋪設。(2)格柵肋條對土顆粒的被動阻抗作用。(3)格柵上的孔眼對土的鑲嵌與咬合作用。但摩擦加筋原理存在的問題有:忽略了土粒在土工格柵中形成的嵌鎖作用,同時忽略了筋帶在力作用下的變形,未考慮土為非連續性介質,具有各向異性的特點。

對于準粘聚力,文獻[10]認為土體中加入了高彈性的筋材后引起的加筋土體的大主應力增大,內摩擦角基本不發生變化,可以用以下公式進行計算:

式中:Δ H為加筋的間距;KP為被動土壓力系數,按式KP=tan(45°+φ/2)計算;(σ1)fR為加筋土破壞時的大主應力;αF為加筋土破壞時加筋單位寬度的拉力;φ為填土的內摩擦角;σ3為周圍壓力。

1.2 土工格柵的工程特性

隨著土工格柵應用的越來越廣泛,關于土工格柵的理論與試驗也越來越深入。張孟喜等[11]研究了循環荷載作用下土工格柵的拉伸狀況,指出了循環荷載和動應變與軟化指數之間的關系;吳景海等[12]討論了土工格柵與土界面之間的相互作用,認為土工合成材料的直剪系數一般低于1.00,所以加筋土工程中需要驗算沿土工合成材料平面的抗滑穩定性;何海清等[13]研究了土工格柵加筋體的抗震性能,總結了土工格柵對減小邊坡位移,防止路堤滑塌,減小不均勻沉降及提高抗震性能具有重要意義;韓志型等[14]研究了不同加筋層數對加筋體變形及強度影響,指出不同的加筋層數會對土體的抗剪強度指標粘聚力c和內摩擦角φ值產生不同的影響,應合理布置筋材間距,加筋效果達到最佳;郭軍輝等[15]對土工格柵低溫下蠕變特性進行了研究,指出各種應力下土工格柵的初期蠕變較大,但一段時間后蠕變平緩或接近停止。土工格柵的性質是多方面的,在不同的應用領域發揮著不同的作用,因此,不同學者做出的不同性質的研究都可為土工格柵在樁承式加筋路堤中的應用提供有利依據。

2 土工格柵在樁承式加筋路堤中的具體應用分析

2.1 拉膜效應及計算

Han等[16]指出,在樁承式加筋路堤的荷載傳遞機理中存在拉膜效應(如圖3所示),即土工格柵因承受一定的路堤豎向荷載而拉伸變形,產生拉力,并通過拉力的法向分量傳遞到樁體上,從而進一步減小路基土的沉降。

圖3 土工格柵的拉膜效應

根據Jones的研究[17],土工格柵變形后的形狀近似于圓弧型或懸鏈線,格柵的下沉形態可以用二次拋物線來模擬。賈寧等[18]基于Jones的理論,給出了格柵的受力及變形分析方法,及推算格柵上下表面應力以及求格柵最大沉降的具體步驟。

BS8006[19]建議采用以下公式計算土工合成材料的拉應力:

式中:T為每單位寬度土工合成材料的拉力;ε為土工合成材料中的應變,為了保證路堤表面不出現過大的差異沉降,其一般控制為6%;WT是橫跨在樁間的土工合成材料每單位長度上所承受的豎向壓力,其按公式 WT=計算。

Giroud等[20]認為土工合成材料在樁邊固定,變形后土工合成材料在平面內呈圓弧狀,認為計算公式應為:

式中:Ω為無量綱系數,反映了土工合成材料中拉力與其最大豎向變形的關系,可按Giroud等給出的表格確定。

由于BS8006土工合成材料拉力分析方法的計算結果與實際情況較接近,所以一般采用BS8006的方法計算土工合成材料的拉力。

2.2 土工格柵對加筋路堤參數的影響

目前,學者一般用荷載分擔比或樁土應力比來衡量樁承式加筋路堤中各個組成部分的職能發揮程度。土工格柵的性質變化會給這兩個參數值帶來改變。

2.2.1 土工格柵對荷載分擔比的影響

文獻[21]定義荷載分擔比為樁托板所承擔的總荷載與單樁處理區域內路堤總荷載的比值。它是用來描述樁體對承擔路堤荷載比例大小的指標[22]。荷載分擔比的計算公式為:

式中:σr為樁托板上距樁軸線為r處的豎向應力;rp為等效樁托板半徑;re為單樁等效處理半徑;H為路堤高度;γ為路堤填料重度。

曹衛平等[23]通過對樁承式加筋路堤建立計算模型,用公式推導的方式計算,在其他條件一定的情況下通過改變土工格柵的拉伸強度,得出的結果顯示樁體荷載分擔比隨格柵剛度的變化很小,原因在于水平加筋體的存在減小了樁土沉降差,降低了土拱效應,但又通過自身的張拉應力將其承擔的荷載傳給了樁托板,相當于加強了土拱效應,兩者綜合起來,使其對土拱效應的影響不大,即水平加筋體對樁體荷載分擔比的影響較小,文獻[8]和[24]也得出了相同的結論。其中文獻[8]同時還指出了土工格柵對減小路堤不均勻沉降的效果也是很小的。

但文獻[25]指出,土工格柵不僅在一定程度上起到減小路堤沉降的作用,還能約束路堤邊緣填土的側向變形,由此可見,土工格柵雖然對荷載分擔比的影響較小,但卻發揮著不可替代的作用。

2.2.2 土工格柵對樁土應力比的影響

Hewlett[28]和Low[29]通過模型試驗分別研究了空間土拱效應和平面土拱效應,但均未考慮水平加筋體的拉伸強度變化對樁土應力比的影響;White[30]通過有限元分析得出的結論與Han關于水平加筋體對樁土應力比的影響的結論相反;趙明華等[31]總結出了水平加筋層上的樁土應力比遠小于其下的樁土應力比的結論。曹衛平等[32]通過自己建模試驗得出了以下結論:使用水平加筋體能提高樁土應力比,水平加筋體拉伸強度較小時,對樁土應力比的提高不明顯;使用水平加筋體拉伸強度越大,對樁土應力比的提高越大。

3 展 望

國內對樁承式加筋路堤的研究目前正處于熱門階段,這是一門全新的技術。隨著國內經濟飛速發展,道路等一系列公共設施亟待修建,樁承式加筋路堤具有廣闊的應用前景。但是,對于這項技術還缺乏全面性的研究,很多理論尚未成型。土工格柵作為新型有機材料的一個分支,在樁承式加筋路堤中發揮了巨大的作用,對它的研究也越來越深入。到現在為止,對于土工格柵這種材料在加筋路堤中的應用還有以下幾個方面是不太明確的,如果要進一步研究樁承式加筋路堤這幾個方面也是首要解決的問題。

(1)目前的研究中一般認為土工格柵的拉力主要是由豎向路堤荷載引起的,而路堤的側向變形會造成土工格柵在水平方向的拉力,所以在設計時除考慮拉膜效應外還需要考慮土工格柵的橫向變形。

(2)土工格柵的層數對樁承式加筋路堤的影響機理尚不明確,到底是幾層土工格柵較合適,是多層低強度的土工格柵好,還是一層高強度的土工格柵好還缺少相關研究支持。

(3)土工格柵在路堤中的放置位置還需要進一步討論,不同位置會對土拱效應產生不同影響。

[1]李志清,胡瑞林,付 偉,等.土工格柵在加固高速公路路堤中的應用研究[J].巖土力學,2008,29(3):795-799.

[2]SCHDOSSER F,LONG N T.Recent result in French research on reinforced earth[J].Journalof the Construction Division,ASCE,1974,100(3):223-237.

[3]LING H I,LIU H B,KALIAKIN N,et al.Analyzing dynamic behavior of geosynthetic-reinforced soil retaining walls[J].Journal of Engineering Mechanics,2004,130(8):911-920.

[4]LESHEHINSKY D,BEDOECKER R H.Geosynthetic reinforced soil structures[J].Journal of Geotechnical Engineering Division,ASCE,1989,115(10):1459-1478.

[5]李明生.土工格柵在軟土路基處理中的應用研究[J].科技資訊,2010,(29):48-50.

[6]徐正中,陸世昶.樁承式加筋路堤技術與復合地基[J].科技通報,2008,24(2):209-212.

[7]費 康,劉漢龍.樁承式加筋路堤設計理論研究進展[J].水利水電科技進展,2008,28(4):89-94.

[8]陳仁朋,徐正中,陳云敏.樁承式加筋路堤關鍵問題研究[J].中國公路學報,2007,20(2):7-12.

[9]楊廣慶.土工格柵加筋土結構理論及工程應用[M].北京:科學出版社,2010:61-63.

[10]趙學峰,崔春濤.土工格柵加筋路堤的機理分析[J].華東公路,2008,20(2):74-76.

[11]張孟喜,林青松,劉飛禹.循環荷載作用下土工格柵拉伸試驗研究[J].巖土力學,2010,31(7):2024-2029.

[12]吳景海,陳 環,王玲娟,等.土工合成材料與土界面作用特性的研究[J].巖土工程學報,2001,23(1):89-93.

[13]何海清,姚令侃,王 建.土工格柵加固高路堤的抗震性能分析[J].路基工程,2010,(3):78-79.

[14]韓志型,劉德貴,姜 兵.加筋層數對土工格柵加筋粘土土體變形及強度的影響[J].西南科技大學學報,2008,23(4):25-28.

[15]郭軍輝,程衛國,張 濱.土工格柵低溫下蠕變特性試驗研究[J].巖土力學,2009,30(10):3009-3012.

[16]HAN J,AKINS K.Use of geogrid-reinforced and pile-supported earth structures[C]//O'NEILL M W,TOWNSEND F L.Deep Foundations:An International Perspective on Theory,Design,Construction,and Performance.Orlando:ASCE,Geotechnical Special Publication,2002,116:668-679.

[17]JONES C J F P,LAWSON C R,AYRES D J.Geotextile reinforced piled embankment[C]//Proc.4th Int.Conf.on Geotextiles:Geomembranes and related products,Den Hoedt,Rotterdam:Balkema,1990:155-160.

[18]賈寧,高文龍.樁承式加筋路堤格柵分析[J].巖土工程技術,2006,20(2):103-106.

[19]BS8006,Code of Practice for Strengthened Reinforced Soils and Other Fills[S].

[20]GIROUD J P,BONAPARTE R,BEECH J F,et al.Design of soil layer-geosynthetic systems overlying voids[J].Geotextiles andGeomembranes,1990,9(1):11-50.

[21]陳仁朋,許 峰,陳云敏,等.軟土地基上剛性樁-路堤共同作用分析[J].中國公路學報,2005,18(3):7-13.

[22]陳仁朋,賈寧,陳云敏.樁承式加筋路堤受力機理及沉降分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(23):4358-4367.

[23]曹衛平,陳仁朋,陳云敏.樁承式加筋路堤荷載分擔比計算[J].中國公路學報,2006,19(6):1-6.

[24]PHAM H T V,SULEIMAN M T,WHITE D J.Numerical analysis of geosynthetic:rammed aggregate pier supported embankment[C]//YEGIAN M K,KAVAZANJIAN E.Proceedings of Geo-Trans 2004 Conference:Geotechnical Special Publication No.126.Los Angeles:ASCE,2004,126:657-664.

[25]Nordic Geosynthetic Group.Nordic Handbook Reinforced Soils and Fills[M].Stockholm:Geotechnical Societies in the Nordic Countries and Nordic Industrial Fund,2002.

[26]趙偉,楊果林.路堤下樁-網復合地基樁土應力現場試驗研究[J].水文地質工程地質,2009,(3):95-98.

[27]鄭俊杰,王熹,陳保國.加筋路堤下樁式復合地基的樁土應力比計算[J].華中科技大學學報(城市科學版),2007,24(2):5-8.

[28]HEWLETT W J,RANDOLPH M F.Analysis of Piled embankments[J].Ground Engineering,1988,21(3):12-18.

[29]LOW B K,TANG S K,CHOA V.Arching in piled embankments[J].Journal of Geotechnical Engineering,ASCE,1993,120(11):1917-1938.

[30]Suleiman M,Pham H,White D.Numerical Analysis of geosynthetic-reinforced rammed aggregate pier-supported embankments[R].Iowa State University,2003.

[31]趙明華,龍軍,張玲.樁承加筋層復合地基樁土應力比分析[J].公路交通科技,2010,27(10):29-34.

[32]曹衛平,陳仁朋,陳云敏.樁承式加筋路堤土拱效應試驗研究[J].巖土工程學報,2007,29(3):436-441.