探討土工格柵加筋砂土加固機(jī)理

金順浩 柳俊哲，2*

(1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040;2.寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211)

0 引言

在土工合成工程中，土工格柵補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)用愈來愈廣泛，但是對此類加筋土的加固機(jī)理以及變形破壞的理論研究還顯得比較薄弱，至今尚未能形成一套成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算理論。為了定量地分析土工格柵在加筋砂土地基中配置長度以及剛性效果，本研究利用7種不同素材及不同剛性的面狀和格子狀土工格柵加筋材，把它們水平配置在密實(shí)砂中，通過平面壓縮破壞試驗(yàn)和承載力試驗(yàn)，對土工格柵加筋材的素材及其剛性的加固效果進(jìn)行了考察和分析。

1 數(shù)字圖像變形量測技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字照相量測的圖像分析方法可簡單分為質(zhì)心法和相關(guān)分析法。而變形量測法，可根據(jù)是否在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜贾昧繙y物理標(biāo)志點(diǎn)，簡單分為標(biāo)點(diǎn)法和無標(biāo)點(diǎn)法。前者一般采用質(zhì)心法進(jìn)行圖像分析，而后者一般采用相關(guān)分析法。

2 試驗(yàn)方法

2.1 補(bǔ)強(qiáng)材料的種類及物理性能

7種不同素材及不同剛性的面狀和格子狀土工格柵補(bǔ)強(qiáng)材料的物理性能如表1所示。

2.2 土工格柵加筋砂土試體的平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)

把抗拉加筋土從受垂直壓縮到破壞為止的流程，用圖1水平布置土工格柵加筋亞溝砂土立方體試件的平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)結(jié)果來探討。這試驗(yàn)是在ε2水平方向上保持變形為零的平面應(yīng)變條件下，從外部施加一定拘束應(yīng)力σ3(不是一個(gè)定值)和軸方向壓縮條件上進(jìn)行。試件要從σ3水平方向上往外延伸，但因?yàn)橛欣煅a(bǔ)強(qiáng)材料受到阻礙。但是，試體內(nèi)部的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)不一樣，局部的σ1和σ3值是越靠近試體內(nèi)部越大。這例試驗(yàn)破壞的原因是局部開始發(fā)生剪切破壞連帶著在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)全體內(nèi)發(fā)生剪切破壞。

表1 補(bǔ)強(qiáng)材料的物理性能

圖1 土工格柵補(bǔ)強(qiáng)砂土平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)（單位：cm）

圖2表示的是高7.5 cm×σ3方向的寬度8.0 cm×σ2方向的厚度4.0 cm上下斷面里沒有摩擦的小型試件壓縮破壞試驗(yàn)結(jié)果。還表示了試件:在無補(bǔ)強(qiáng)時(shí)和在1/2高度布置一層各種平面狀補(bǔ)強(qiáng)材料來補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，試件的平均軸應(yīng)力與定值拘束應(yīng)力的比(σ1/σ30=49 kPa)與試件平均橫方向伸長變形ε3的關(guān)系，當(dāng)然，抗拉剛性和表面摩擦系數(shù)大的粗黃銅板土工格柵補(bǔ)強(qiáng)的試件強(qiáng)度最大。而剛性大表面容易出現(xiàn)滑動(dòng)的光滑黃銅板土工格柵補(bǔ)強(qiáng)的試件強(qiáng)度稍微低。補(bǔ)強(qiáng)材料雖然有非常大的剛性，但在補(bǔ)強(qiáng)材料表面砂出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，所以它的高剛性沒充分得到發(fā)揮。

圖2 小型試件平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)結(jié)果

圖3是圖1的試件在接近破壞載荷階段B和C之間時(shí)，從σ2面角度觀測照相描繪得到變位分布，求得局部主應(yīng)變?chǔ)?和ε3的分布。

圖3 試件破壞時(shí)的等剪斷應(yīng)變的等值線

1)粗黃銅板補(bǔ)強(qiáng)時(shí):試件的下半部出現(xiàn)了滑移層，雖然發(fā)生了破壞，滑移層沒穿透補(bǔ)強(qiáng)材料表面。

2)光滑黃銅板補(bǔ)強(qiáng)時(shí):補(bǔ)強(qiáng)材料表面的一部分出現(xiàn)滑移。

3)無紡布補(bǔ)強(qiáng)時(shí):滑移層沒完全穿透補(bǔ)強(qiáng)材料表面。

4)人造橡膠，合成橡膠，橡漿補(bǔ)強(qiáng)時(shí):滑移層穿透補(bǔ)強(qiáng)材料表面。

5)無補(bǔ)強(qiáng)時(shí)形成了明顯的滑移層。但是，有補(bǔ)強(qiáng)效果時(shí)滑移層的自由形成受到阻礙，加筋土的破壞常常伴隨著滑移層的形成。

2.3 土工格柵加筋土地基的條形基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)

圖4是密實(shí)干燥加筋砂水平模型地基，因土工格柵拉伸補(bǔ)強(qiáng)，使條形基礎(chǔ)(寬度B=10 cm)承載力增大的平面應(yīng)變模型試驗(yàn)結(jié)果。砂層的側(cè)面和砂箱側(cè)面的透明丙烯板之間，為了除掉摩擦布置薄橡膠板。薄橡膠板上與砂同步活動(dòng)的格子交點(diǎn)動(dòng)態(tài)用照相來描繪，格子交點(diǎn)動(dòng)態(tài)用照片讀取，求得砂地基內(nèi)部局部應(yīng)變。

無補(bǔ)強(qiáng)地基均布荷載達(dá)到最大時(shí)刻，地基內(nèi)應(yīng)變在均布荷載中心的正下方領(lǐng)域集中(見圖4b))。地基的破壞進(jìn)程不像(古典承載力理念設(shè)想中圖5顯示的滑移線)那樣一口氣生成。地基破壞進(jìn)程沿著潛在的滑動(dòng)面，變形有不一樣特點(diǎn)。

在補(bǔ)強(qiáng)地基中把補(bǔ)強(qiáng)材料布置在出現(xiàn)變形大又多的區(qū)域(最小主應(yīng)力σ3)方向，這是拉伸補(bǔ)強(qiáng)工法的基本。圖4b)中變形只在均布荷載中心的正下方集中，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的伸長變形ε3方向幾乎是水平。所以，在圖5中比均布荷載正下方點(diǎn)a還要遠(yuǎn)的部位即使布置補(bǔ)強(qiáng)材料，可以想象到很大的補(bǔ)強(qiáng)效果是期盼不來的。另外，在均布荷載寬度與長度相同(L/B=1)的正下方，在砂箱寬40 cm范圍內(nèi)只布置10根3層橫斷面寬度3 mm，厚度0.5 mm的帶狀黃銅板土工格柵補(bǔ)強(qiáng)材料，承載力就長了2倍(見圖4a))。均布荷載正下方地基內(nèi)變形分布就像圖4b)的那樣發(fā)生了很大變化，均布荷載正下方的補(bǔ)強(qiáng)部分就如同剛基礎(chǔ)注入了耐力，承載力增加了。并且，實(shí)際基礎(chǔ)的載荷問題因受荷載的偏心以及傾斜要素影響很大，所以補(bǔ)強(qiáng)材料比基礎(chǔ)寬度長2～4成是合理的。

圖4 土工格柵加筋土地基的條形基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)

圖5 古典承載力理念中滑動(dòng)面

受垂直中心載荷時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)材料做得長就像圖4a)顯示的那樣承載力得到增加。其實(shí)從圖4b)的表示中，地基內(nèi)均布荷載的兩肋正下方鉛垂地產(chǎn)生的變形集中區(qū)域，隨著補(bǔ)強(qiáng)材料長度增長變形集中區(qū)域逐漸消失。這是因?yàn)椋S著補(bǔ)強(qiáng)材料長度增長加強(qiáng)領(lǐng)域得到擴(kuò)展，顯示出均布荷載在基礎(chǔ)地基范圍內(nèi)已經(jīng)得到充分?jǐn)U散。但補(bǔ)強(qiáng)材料長度超過了某一種限度，則變形分布變化就少，與其對應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)效果的增加率也變小。補(bǔ)強(qiáng)材料長度再增長，補(bǔ)強(qiáng)效果的增加就變?yōu)?。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，利用數(shù)字照相標(biāo)點(diǎn)變形量測系統(tǒng)求地基內(nèi)剪切應(yīng)變分布和σ1/σ30－ε3，N—S曲線來研究分析加筋土的加筋機(jī)理和破壞模式及試驗(yàn)結(jié)果，得出如下結(jié)果:

1)加筋土的破壞常常伴隨著滑移層的形成。但是，有補(bǔ)強(qiáng)效果時(shí)滑移層的自由形成受到妨礙。

2)與無紡布、光滑黃銅板相比，有抗拉剛性和表面摩擦系數(shù)大的粗黃銅板土工格柵補(bǔ)強(qiáng)效果更好。

3)作為土工格柵補(bǔ)強(qiáng)材料來說剛性大的較好，但對補(bǔ)強(qiáng)土的強(qiáng)度來說是每單位體積的補(bǔ)強(qiáng)材料總剛性顯得更重要。

4)在地基的淺層布置補(bǔ)強(qiáng)材料，能起到很好的補(bǔ)強(qiáng)效果。補(bǔ)強(qiáng)材料長度L與荷載接觸底面寬度B相等時(shí)的加筋土地基承載力比無加筋土地基承載力明顯提高。

5)隨加筋寬度增加，加筋效果越好。但是加筋長度超過4倍基礎(chǔ)寬度時(shí)，承載力提高不大，即補(bǔ)強(qiáng)材料長度超過了某一種限度，則相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)效果增加率逐漸變小。

6)增加土工格柵加筋材與砂土之間的接觸面積，可以明顯提高加筋砂土的壓縮強(qiáng)度。其加筋加固效果優(yōu)于提高加筋材用量或增加剛性所帶來的加筋加固效果。

4 結(jié)語

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能地考慮加筋材的形狀效果，通過合理配置加筋材的方法來提高土工合成工程的加固效果，而不能單純靠提高加筋素材的剛性或增加加筋材用量來提高，只有這樣才能取得良好的工程經(jīng)濟(jì)效益。

[1]劉 霖，李桂英，李 馳.土工格柵與風(fēng)積砂土界面作用特性的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2003(1):4-6.

[2]李洋溢，周 健.條形基礎(chǔ)加筋砂土地基室內(nèi)模型試驗(yàn)的分析研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2006:1-81.

[3]劉華北.水平與豎向地震作用下土工格柵加筋土擋墻動(dòng)力分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(5):594-599.

[4]彭芳樂.加筋砂中土工格柵配置形狀與剛性效果試驗(yàn)[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2005:505-510.

[5]管振祥.土工格柵加筋土擋墻水平變形影響因素敏感性分析[J].鐵道建筑，2008(5):74-77.

[6]楊 慶.土工格柵加筋砂土地基性能模型試驗(yàn)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，46(3):390-394.