土工合成材料軟土地基加固特性研究

劉 毅，李麗華，楊 超，任增樂，萬 暢，崔飛龍

（湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068）

在巖土工程中，用軟土作為地基是一項挑戰性的工作。如果設計建造不當，地基會過早出現故障或發生較大的變形，或限制和損害其功能結構。土工合成材料已廣泛用于加固路堤和淺基礎，同時在松軟土層上也有應用。土工合成材料具有的優勢有：提高軟土地基的承載能力，創建施工平臺。作為垂直排水層的加固材料。土工合成材料在過去十幾年中得到廣泛應用，在堤壩下部可增強土體的穩定性。且加筋層縮短了施工的時間，可以節省填充材料。在陡峭堤防中應用可以減少不均勻沉降。預制垂直排水管加速軟土固結，比傳統的排水渠具有更好的流動性。軟土路堤穩定新技術的應用已經在世界范圍內大幅增加。在這些技術中，最常用的是用土工合成材料加固軟土堤防，以提高其短期穩定性。Bonapart和Christopher［1］概述了軟土土工合成材料加固堤防的設計方法，包括整個堤防的承載力設計，側滑堤岸部分設計，深層次的邊坡穩定性設計。從 Li，A.L.和Rowe，R.K［2］的建議來看，應該使用簡化設計圖來計算承載能力。由于橫向滑動導致路基填土的側向土壓力，還提出了在加固計算所需拉力情況下的簡化設計圖。極限平衡法，常用來評估深層次路基邊坡的穩定性。并已經成功用于許多不穩定堤防軟土。考慮到適用于加筋強度折減系數蠕變，機械損傷，重大和不明因素的影響，加筋軟土路基最常見的設計和實驗方法是用極限平衡法測定拉伸強度。Millgan和Busbridge［3］分析軟土的破壞采用極限平衡法—在有限元分析法的基礎上，采用了更加復雜的數值分析方法。加筋路堤范圍內的整體安全系數取決于項目的特點，通常為1.2～1.5。

1 穩定方案設計

1.1 基本利用情況

軟土地基的穩定建設或修筑河堤的方法目前已有較多應用（表1）。使用方案取決于項目的特點，例如遇到很深的沉降時要考慮該方法是否可以應用。如電滲或真空加速軟土方法，目前在一些國家應用還較少，其研究也有限。有些報道應用在軟土地基上面，但是只適用于低重度的填土。

表1 軟路堤建設類型解決方案

用樁承式路堤可以明顯減少沉降，土工合成材料在軟土上的應用主要集中在橋墩和鐵路堤防中。

1.2 軟土地基加筋基本規定

根據巖土儀器測試和公路路堤經驗將堤防分成三類。I級堤防是靠近重要結構的軟土，重要的結構如橋梁、管線等構造物，II級堤防是距離結構物稍遠處的軟土，但結構物高度大于3m，III級堤防是遠離結構物且建筑物高度低于3m的軟土。對于土工合成材料加固堤防設計抗拉強度

其中，Tref為拉伸強度加強值，Tenv為降解的環境所造成的加固折減系數。

規定fmdfenv≥2為I級；fmdfenv≥1.75為II級；fmdfenv≥1.5為III級。

fmd是減少機械損傷因素，fenv是由環境造成的加固退化縮減因子。考慮到受溫度的影響，測試結果具不確定性，根據不同填充材料和加固類型的特征，fmd值從1.1到1.7變化。

排水管道必須是通過排水層頂部，軟土地層厚度大于0.3m，還必須允許交通施工車輛可以排水。此外土壤的一些基本物理參數［4］如表2所示。這些物理參數可用作有限元模擬時參考。

表2 用于數值分析的土壤屬性

2 測試方法

2.1 有限元分析法

Forsman［5］在軟土地基中加入土工合成材料，并應用有限元進行了分析。分析表明，加筋可以使水平位移得到顯著的減少。在加筋層存在的情況下，會產生好的效果，使軟地基的水平位移減少。Brinkgreve and Vermeer［6］通過數值分析預測這種類型的軟土路堤加固所帶來的優勢（圖1）。

圖1 沿深度方向的水平測量傾角I測斜儀1

圖2 沿深度方向的水平測量傾角II測斜儀2

排水管放置在基底作為堤防。排水管間的垂直距離為1.3m。排水層厚度為0.4m。加固橋墩是由一個八層的單向土工格柵制成，沿軸向方向加筋。現場所用儀器包括振動線、測壓計、傾斜儀、結算板、水平測斜儀。

圖1及圖2表示［7］測量的測斜儀的水平位移的變化。測斜儀1安裝在面向河流的坡面上，測斜儀2是安裝在橫向坡度上，可以觀察到的是面向河流軟地基的水平位移小于所觀察到的沿法線方向的位移，加固沿著軸線方向剛度更大，加強層的影響不大。

2.2 極限平衡法

Hewlett和Randolph［8］的極限平衡法已經成功用于許多不穩定的堤防軟土，最初構建的土工合成材料加固堤防可以達到預期的效果，這表明目前的設計方法是合理的。最近的研究都集中在一些土工合成材料加固堤防方面。研究發現，利用排水板，土工合成材料加固堤防的穩定性顯著提高。

鄧安［9］及孫樹林［10］用輪胎碎片顆粒做過加筋的一些研究。發現此添加物可以有效地減少路基沉降，抗剪強度也有很大程度的提高。對河堤的穩定性有所增強。極限平衡法中常用的是土工合成材料加固堤防的常規設計，這種方法適合于一般河堤，可增強其穩定性。然而，極限平衡法不能被用來評價加筋路堤的變形。普遍認為，土工合成材料加固堤防可以減少不均勻沉降，尤其是當使用多層加固的時候。土工合成材料加固的有效性變得顯著，引起的剪切應力大于軟粘土的抗剪強度。

2.3 實驗和分析

在松軟和軟土條件下，淺基礎容易發生較大變形。上層基礎容易失效，在現有的基礎上實行土體改良，遇到軟土可采用開挖的方法。隨著引進土體加固的理論，土工合成材料可以代替被開挖的部分，開挖方案減少了成本。無加筋承載力和加筋承載力之比（BCR）是影響基礎性能的關鍵參數。關鍵參數包括 B／L，Z／B，h／B，b／B，1／b。B 為 基礎的 寬度；L為基礎的長度；u為底層到加固層的深度；z為加固層的間距；h為加固層的總厚度。由Binque和Lee［8］提出的承載力測試，使用加固的承載力可以帶來很多益處。研究發現BCR最佳u／B的比值為當u超過1.25B時，增加的BCR可忽略不計。

土的相對密度范圍為12.3%～42.5%，測試中發現三層土工格柵優于兩層和一層格柵，改善不均勻沉降點主要集中在加固層上。進行砂板負載測試，在相對高的地方表面應力偏低，加筋砂比純砂具有更高的應力承載力，三層格柵的BCR值變化范圍為1.92～2.61，兩層的BCR值為1.11～1.89。在一些情況下，存在u／B的一個最佳比值，這個比例大概為0.25～0.75，取決于強化層的數量、間距和剛度。此外三層以上的增補層作用不是很大。

Sompote［11］側重于評估基礎的承載力，這是很重要的一個研究方向，另外可以改變應力分布與深度。以前研究大多數是在砂板或是在較小尺寸上進行，但是，砂的承載力依賴于基礎的尺寸。這方面研究進展主要是依靠Hemanta［12］的分析方法。在運動學中，預估加筋層的條形基礎，對其極限承載力進行極限分析。其設計的方程考慮滑移和斷裂的失效模式，這種分析方法應用在設計中，加固區強度的應變不超過5%。

2.4 混合土加固

泡沫混合土的設計包括選擇固化劑，選用滿足設計要求的土體，表3總結了土體的性質。

表3 地基土壤性質

基于實驗結果，混合比采用如表4所示結果［13］。

表4 設計混合比

混合的好處除了減少地面的負載，還可以方便攜帶，靈活性方面更加突出，連續的處理系統代替常規方式，以降低成本。深度為4m，前2m的土壤由輕質材料填充。將水加入到未經處理過的土壤材料中，混合物轉移到泥漿調節池中。在泥漿調節池中，泥漿的比重根據加水的比例而定，然后轉移到攪拌罐中攪動水泥漿，在沿管道混合器中，一起抽出承壓。路基的構造：首先構建一個梯形形狀堆，高度為0.7m的外圍路堤，然后填充泡沫混合土。分為10個階段，總厚度為7m。鋪設土工格柵間隔為2.1 m。結果顯示路基的沉降只有29mm，同樣，橫向位移幾乎為零，觀察到的最大側向位移為40mm［14］。

用軟土加固法，對河流底部的淤泥處理是有效果的，嘗試使用輕質泡沫混合土，從整個軟路堤橫斷面顯示來看，可以使用粘土來提高其強度［15］。

3 結論

1）土工合成材料加筋，特別是結合垂直排水管的應用，能促進軟土地基的水平變形顯著減少。

2）對于土工合成材料加固軟土地基，有無筋材時其相應承載力之比是影響基礎性能的關鍵參數，且該承載力之比存在一個最佳值。

3）土工合成材料加筋可減少樁沉降，加筋層的存在提高了軟土性能，減少路基表面的沉降，并允許樁之間的距離增大。

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