軟土地基土工格柵加筋墊層效果影響因素分析

師 歌

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

由于加筋的存在，土體抗剪強度、穩定性得到提高，但強度的提高受各種因素的制約，為了分析加筋砂墊層處理軟土地基作用機理及加筋效果，合理有效的布置筋材，提高地基承載力，本文對條形基礎下加筋墊層各影響因素分別作了計算，以分析地基內的應力場、位移場的分布。

2 計算模型

在本文有限元分析中，將平面加筋材料土工格柵確定為線彈性的本構關系，每層土工格柵及上下接觸土體填料之間均設置了接觸對模擬其筋土接觸效用。地基計算寬度30 m，深度10.2 m，縱向取1 m。假設條形基礎無埋深，設置厚度1.4 m、寬12 m砂墊層，內部鋪設6 m長的筋材，以下為軟土地基。z0表示首層筋材鋪設深度(距地表)，B表示基礎寬度，本文中均保持不變為1 m。均布荷載為p，加筋層數為n，筋材間距為z。土層物理力學參數參考文獻資料取值，土工格柵力學參數采用彈性模量。邊界條件為沿基礎寬度方向兩側約束，地基底面豎直方向約束，沿條形基礎縱向為X軸方向約束，地基上表面自由，均布荷載。

3 土工合成材料加筋地基的三維有限元分析

3.1 加筋深度的影響

3.1.1 首層加筋深度影響

為了研究最靠近基底第一層筋材的鋪設深度，取地基承載力(本文采用相同的荷載步下各模型收斂時最后一級荷載)衡量其影響。表1為僅有一層土工格柵時鋪設在不同深度z0/B=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 時及無筋材模型，程序收斂時的前一級荷載，以及對應于該荷載的沉降值。

表1 不同深度處的承載力及對應的沉降值

由表1可以看出，z0/B=0.2時承載比最高，而當z0/B=1時，加筋地基與未加筋時極限荷載沒有增加，但沉降值減小了33.7%。當z0/B=1.2時，承載比反而降低，說明土工格柵埋設過深，就不會干擾地基破裂面的形成，從而導致墊層土體的剪切破壞發生在筋材上方，承載力反而低于未加筋地基［1，2］。如上分析得出的 BCR 的范圍為1.34～2.34。

3.1.2 不同荷載等級作用下土工格柵作用效果

為了研究各荷載等級作用下土工格柵發揮作用的程度，研究了25 kPa，50 kPa，75 kPa時墊層底面豎向位移。

表2 不同荷載等級時各模型的豎向位移

由圖1，表2可以看出，各級荷載下，各模型墊層底面豎向位移曲線均類似拋物線狀，不加土工格柵的曲線離基礎中線越近越陡峭，基礎中心下對應點豎向位移最大。而加筋的曲線平緩很多，有效的約束了散體材料的豎向變形。各參數不變，僅改變荷載大小以及筋材鋪設深度，均以z0/B=0.2時的加筋效果最佳，且隨著荷載增大，減少程度增強。

圖1 墊層底面豎向位移（p=25 kPa）

本文還分析了同樣荷載條件下(取75 kPa)，各加筋深度工況下，地基位移、應力變化。由計算可以得出，豎向位移均發生在基礎中心處，加一層土工格柵，位于z0/B=0.2處時，基底沉降值為8.62 mm，與未加筋地基相比基礎中心沉降14.92 mm相比，減少了42.2%。且沉降趨于均勻，地基內的側向位移較大的區域縮小，尤其是基礎下方附近的土體側向位移有顯著減少，σy分布與未加筋相比，更加均勻。在下臥軟土層范圍內σy，也較未加筋減少很多，附加應力減少了55.3%。

因篇幅所限，此處僅將未加筋地基與加筋位置為z0/B=0.4的地基中墊層底面水平面上的剪應力分布圖繪出，見圖2。由圖2可以看到，在加筋地基中，該水平面上的剪應力比未加筋平緩了許多，加筋后在基礎邊緣處剪應力未出現峰值，而是在距離基礎中線3.5 m處達到峰值，較為加筋減少69%，相當于增加了基礎寬度。

3.2 加筋層數的影響

為了研究筋材層數對加筋墊層加筋效果的影響規律，分別研究分析無加筋、1層筋材～6層筋材時，對應的加筋效果的變化規律。筋材間距均固定為0.2 m。

3.2.1 地基不同加筋層數的豎向位移比較

圖2 墊層底面水平面上的剪應力分布

以上七組模型其余參數不變，程序收斂時前一級荷載如表3所示。

表3 不同加筋層數程序收斂時荷載大小

當荷載等級為105 kPa時，進行各參數的比較:未加筋地基表面基礎兩側產生了隆起現象，最大隆起高度為1.39 m，而在加1層筋材時，即顯著減少了鼓起的程度，發生隆起的范圍減少很多，增加了地基抵抗變形的能力，改變了地基的位移場，同等深度處的變形量顯著小于未加筋地基。基礎中點下對應點的豎向位移及減小幅度如表4所示。

表4 墊層底面中心處的豎向位移比較表

可以看到，鋪設土工格柵之后，減少豎向位移的程度都有不同程度的增加，減少程度百分比隨加筋層數的增加呈上升趨勢，在n=3～4時達到較大值，然后，趨勢變緩，即在其他參數不變的情況下，僅靠增加筋材層數，對減少地基豎向位移和差異沉降的貢獻逐步增大，但超過某最佳值后，豎向位移減少程度并不可觀，會造成筋材的浪費，并且在軟土地基中，開挖困難，開挖換填砂墊層的厚度不宜過大［3］。

3.2.2 不同加筋層數的側向位移比較

取基礎邊緣以下各深度處的側向位移對加筋層數對加筋效果的影響做比較，各筋材層數側向位移如圖3所示。

分析計算表明，加鋪土工格柵對地基的位移場有調整作用，且對側向位移影響顯著，對下臥軟土層具有調整應力，均化應力的作用，且絕對數值較未加筋而言大約減半，即起到了減載作用。隨著筋材層數的增加，分布的范圍更廣，且基礎下方的σz越來越小，相當于寬板效應，加筋層數增至6層時，中心的應力減少有限，從此角度分析，筋材層數仍存在最佳值，本文建議為3層～4層。

同樣，計算模擬得出，加筋地基較未加筋地基的橫向應力與剪應力符合相同的變化規律，加筋土體剪應變較大區域顯著減小，并下移，即加筋墊層相當于給基礎增加了一個埋深，即深基礎效應。

圖3 各筋材層數側向位移

3.3 加筋間距的影響

為分析加筋間距，分析了不同加筋間距如0.2B，0.4B時加筋效果的影響。當其他影響因素不變時，加筋間距為z/B=0.4時的加筋地基的豎向位移、側向位移都小于間距為0.2 m的加筋地基、地基內的豎向應力分布更為均勻，加筋效果較好。

3.4 加筋模量的影響

隨著筋材模量增加，土體側向位移減小，然而當模量持續增加至3 GPa時，側向位移的減少量已經很小，模量為2 GPa與3 GPa時側向位移等值線圖完全相同，因此，選取土工格柵時，可選取模量較高的土工格柵來改善加筋效果，但不宜超過2 GPa，否則將造成浪費。

4 結論及展望

通過分析，可知在首層加筋深度為0.2B，多層加筋時4層土工格柵加筋地基效果最好。同樣首層加筋深度情況下，筋材間距為0.4B時加筋效果較好;隨著筋材模量的增加，效果越好，但增大到一定值時效果不再增加。提出展望如下:

1)可結合大比例尺的模型試驗，與有限元計算結果進行對比，為進一步的分析設計研究工作提供可信的計算參數。2)對于新型的布筋形式如豎向、斜向以及立體加筋，或隨著優質新型土工合成材料如土工格室的出現，預張拉等加筋形式的效果及機理還需各方面的深入研究。3)可分析模擬不同基礎形式墊層的工作性狀影響因素。

［1］Yeo Won Yoon，Sun Han Cheon，Dae Seong Kang.Bearing capacity and settlement of tire-reinforced sands［J］.Geotextiles and Geomembrances，2003，21(3)：1-15.

［2］Yetimugtu.T.，Wu.J.T.H.，Saglamar.A.Bearing capacity of rectangular footings on geogrid-reinforced sand［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1994，120(12)：2083-2099.

［3］喻澤紅，鄒銀生，工貽蓀.加筋地基豎向位移分析［J］.工程力學，2004，21(6)：72-76.