土體相對密度對土工格室加筋砂土地基性能的影響

楊 暉，丁志輝，蔡源介

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌330000）

0 引 言

土工合成材料加固作為地基改良和基礎加固的技術已超過40 a，土工布和土工膜是其中的典型代表，可用于穩定在貧瘠土壤上建造的結構。作為一種非天然材料，土工合成材料由多孔防水材料組成，這些材料包括針織的、機織的和非機織的，還有聚合物網格和聯鎖裝置。由于土工合成材料可以用作加固、過濾、分離、保護、密封、流體傳輸和土壤限制，因此其應用廣泛。土工格室是土壤加固領域最近發展起來的一種技術，它具有三維蜂窩狀聚合物結構，由在接縫處相互連接的土工格室組成，并填充土石從而抑制土的側向流動，有效提高地基承載力，減少地基沉降。

Krishnaswamy 等人進行了一系列實驗室模型試驗，研究在軟粘土層上支撐的土工格室墊層上建造的土堤[1]；Dash 等人通過土工格柵加筋砂床支承的條形基礎的室內模型，評價土工格室對性能改善，并確定發揮最大承載力作用的土工格室層的鋪設深度和尺寸[2-3]；Dash 等人還報告了一個圓形基腳模型的載荷試驗結果，該模型支撐在覆蓋有軟粘土上的土工格室增強砂上[4-5]。周和文將一層或兩層土工合成材料放置在砂墊層中，以在軟土地基上創建具有更高承載力的復合層，從而較大幅度地減少軟土地基的沉降[6]。 孫州等人通過對純砂路堤邊坡和土工格室加筋路堤進行多組模型試驗，研究了土工格室焊距、埋深、加筋層數以及壓實度對路堤承載力特性和變形特性的影響[7-10]。Han J 等人進行了足尺加速路面試驗，以評估一層土工格室加筋對軟弱路基上再生瀝青路面基層的影響[11]。Sireesh 等人在一個圓形基礎上進行了一系列實驗室規模的模型試驗，該基礎由土工格室加固的砂層支撐，覆蓋在具有連續圓形空隙的粘土層上。通過在粘土路基上提供足夠大的土工格室復合墊層，顯著地改善了土工格室性能，并且當土工格室復合墊層延伸超過空隙至少等于空隙直徑的距離時，可以獲得較好的效果[12]。Wesseloo 等人研究了用單個和多個土工格室加固的土壤的應力應變特性，發現土工格室加固的三維結構阻止了填充土的橫向擴展，將基底壓力重新分布在更寬的區域，從而提高了土壤承載能力[13]。劉金龍等人采用非線性有限元方法對土工織物加固軟土路基的效果和機理進行探討，表明土工織物能有效地加固軟土路基[14-15]。目前，土工格室復合墊層在許多情況下用于改善地基土的性能，如人行道和鐵路下的地基、土堤地基、儲液罐基礎和石油勘探平臺基礎等，并取得了良好的效果，但目前研究對其加筋機理并不十分深入，對不同土體相對密度加筋研究相對較少。

本文主要模擬矩形基礎在靜力加載條件下直接作用于土工格室加筋砂土地基的情況，通過對比不同相對密度砂土地基工況下地基的承載力—沉降曲線、地基的路基模量、承載力提高系數、路基邊形與基底沉降、筋材拉應變的分布規律、以及地基荷載分散角，對土工格室加筋砂土地基的作用機理進行系統研究，表明土工格室能有效地改善地基的承載能力。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本試驗所采用的鋼框架模型箱的尺寸為1 200 mm×332 mm×700 mm（長×寬×高）。模型箱的中心放置330 mm×100 mm×25 mm（長×寬×高）的鋼制底座，其底座的長度等于模型箱的寬度。試驗采用的土體物理指標見表1[16-17]，不同土體相對密度的性能見表2。

表1 原材料物理指標

表2 不同土體相對密度的性能

土工格室加筋采用定向聚合物制成的雙向土工格柵，開孔尺寸為35 mm×35 mm，極限抗拉強度為20 kN/m，5%應變割線模量為160 kN/m[18]。如圖1（b）所示，土工格柵墊層是通過將土工格柵從滿卷切開到所需的長度和高度，在橫向和對角方向放置，在連接處進行接縫來制備的[19-20]。目前測試的土工格柵是由低密度聚丙烯制成的6 mm 寬、3 mm 厚的塑料條。其土工格室接頭的拉伸強度為4.75 kN/m。試驗中儀器布置見圖1。

圖1 土工格室加筋地基系統和儀器的幾何細節

本次試驗的地基土層深度為7B，寬度為13B。在條形荷載作用下，致密砂層中的破壞楔體沿底座中心線兩側延伸約3B，距底座約1.1B。因此，由于本次試驗中使用的模型箱較大，不會干擾土體和土工格室的變形區，從而不會干擾試驗結果。

1.2 實驗方法

模型試驗通過使用校準的砂雨裝置進行滴注[21]得到30%、40%、50%、60%和70%的不同相對密度砂土地基。在規定的深度，砂雨暫時停止，并在砂面上放置土工格室加筋，之后砂雨繼續。在降雨期間，通過將已知體積的小鋁罐放置在試驗箱的不同位置，檢查砂子放置的準確性和放置密度的一致性，在測試模型箱的不同位置測量的密度的差異小于1%。

在50 mm 的垂直間距水平鋪一薄層白色砂土，觀察土工格室下路基土體的變形規律。每次測試完成后，通過測試箱的透明有機玻璃壁記錄白色線條的變形形狀。通過觀測到的砂土路基破裂面、白砂層的不連續面圈定，計算出荷載分散角（α）。

通過改變土體的相對密度，從松散到致密，即ID= 30%，40%，50%，60%和70%，進行了兩組不同的模型試驗。第一組試驗是在未加筋的土基上進行的。第二組試驗進行土工格室加筋土基試驗。為了解在第二組所有試驗中土體相對密度對整體性能的影響，土工格室層的幾何形狀（高度h/B=1.6，寬度b/B=8，放置深度u/B=0.1）保持不變。在所有試驗中，土工格室開口的等效圓形直徑的大?。╠）都保持為1.2B，這是提供最大性能改善的最佳幾何形狀[3]。

2 實驗數據分析

未加筋地基的承載力與沉降關系曲線見圖2。

圖2 未加筋地基承載力與地基沉降的關系

從圖中可以看出，當ID=30%和40%時，未加筋的地基發生了局部剪切破壞；而對于較高密度（ID=60 %和70%）時，未加筋的地基隨著應力的增加有一個明顯的斷裂點，為土體的整體剪切破壞。土工格室加筋地基在沉降小于基礎寬度的50%均沒有發生剪切破壞。

土工格室加筋地基的承載力與沉降關系見圖3，其割線模量表示土工格室加筋地基剛度的路基模量（kr）。土工格室加筋地基的路基模量（kr）隨土體相對密度的變化（s/B）見圖4。

圖3 地基承載力與地基沉降的關系

圖4 路基模量與土體相對密度的關系

由圖4 可知，土工格室加筋地基的路基模量（kr）隨土體相對密度的增加而增大。3%沉降時的路基模量（kr3）值從ID=30%的約10 MN/m3增加到ID=70%的約40 MN/m3，表明土工格室加筋地基的剛度隨著土體相對密度從30%增加到70%增加了3 倍。當土壤相對密度大于50%時，kr與ID曲線相對陡峭，表明致密土壤的kr增加速率較大。

土工格室加筋對承載力的改善用一個無量綱改善系數（If）來表示，該系數定義為土工格室在給定沉降時的地基壓力（q）與未加筋土在相同沉降下的壓力（q0）之比。如果基礎在某一沉降處已達到其極限承載力，則假定對于較高的沉降量，承壓q0保持在其終值不變。在不同的基礎沉降水平下（s/B），承載力改善系數隨土的相對密度（ID）的變化情況（If）見圖5。

圖5 承載力提高系數與土壤相對密度

由圖5 可知承載力改善系數的值隨相對密度的增加而增大。松散土體在變形作用下收縮，需要較大的應變才能將應力傳遞給土工格室，而相對密度較高的土體由于結構致密，在基礎貫入作用下容易膨脹，從而增加土工格室加筋的強度，提高土工格室的性能。此外，致密土在膨脹時會在土工格室土界面處產生較高的摩擦力，從而增加砂土的抗向下貫入阻力，使承載能力得到較大的提高。在相對較低的沉降范圍內（s/B≤10%)，If 值隨土的相對密度變化不大，說明土工格室加筋對不同密度填土的承載力提高百分率幾乎相同。而在較高沉降范圍內（s/B＞10%)，與松散土相比，密實土（ID＞50%）的承載力系數（If）隨相對密度增大的增長速率要大得多。這表明在相對較高的地基沉降下，與未加筋的土相比，土工格室加筋對密實土體的承載力改善效果較好。

路基變形與基底沉降關系見圖6。左側和右側百分表的平均值讀數通過符號（-）表示隆起、符號（+）表示沉降來描述填筑表面的變形模式，未加筋土層的曲線關系用虛線表示，土工格室加筋土的曲線關系用實線表示。

由圖6 可知，未加筋的砂床經歷了超過5%的基礎寬度的隆起，而有土工格室加筋的砂床的隆起不到2%。說明采用土工格室加筋后，填充面發生沉降，表明土工格室墊層在基礎貫入作用下已經下沉，因此被拉離試驗箱壁，說明試驗箱壁不會影響其性能。

圖6 路基變形與基底沉降

此外，土體密度越高，地表沉降越小，這可能是由于土工格室的地基強度和端部錨固力的增加，抵抗土工格室墊層向下的撓度，從而改善性能。在松散填土試驗中，土工格室墊層的兩個自由端在大基礎沉降的土層表面可見。因此可以得出，在松散土壤的情況下，土工格室層兩端沒有充分的錨固。

密實土（ID=70%）和松散土（ID=30%）的土工格室壁應變變化規律見圖7。

圖7 相對密度為70%和30%的土工格室的應變

從圖7 可以得到，密實土土工格室墊層的兩個自由端都會產生壓縮應變。由于受荷區土體的膨脹，通過土工格柵壁的開孔，導致砂土的體積膨脹。由于在垂直方向上土體沒有束縛，因此土體的這種膨脹主要在橫向上，且這種局部化的橫向擴張受到鄰近穩定區砂土的抑制，土體產生壓縮，從而引起土工格室壁中的壓縮。由圖6（b)可知，在松散土壤的情況下，墊層中的任何地方都沒有產生壓縮應變，這是因為在松散的土壤中沒有引起體積膨脹。這一試驗結果再次證明了前文中關于填充土膨脹可引起土工格室墊層性能變化的結論。

觀測到的土工格室墊層下路基土體在基礎荷載作用下的變形規律見圖8。

圖8 土工格室墊層下土體的變形模式（ID=70%）

從圖8 可以看出，試驗箱底座上部區域土壤變形（通過箱壁白色線條中的變形顯示）衰減可以忽略不計，因此可確定試驗箱邊界對基礎的性能沒有影響。所以，本研究中使用的試驗箱的幾何形狀可以克服土體邊界效應。土工格室墊層作為一塊寬板，將地基壓力傳遞到下墊層，并在較寬的寬度（B+ΔB）上重新分布。ΔB是由于寬板效應導致的土工格室墊層在u+h深基礎寬度的增加。

式中：α 為土工格室床墊內的荷載擴散角；ΔB為觀測到的砂基破裂面測量得到的。

該破裂面通過白色砂層的不連續部分來劃定。利用式（2）和ΔB的實測值，計算出土工格室床墊中的荷載擴展角

圖9 描述了土工格室面層的計算值α 與相對密度（ID）之間的關系。

由圖9 可知，土工格室床面的荷載分布角隨地基土密度的增加而增大。當ID＞40%時，隨著土壤相對密度的增加，α 迅速增大。這表明土工格室加筋可以提高基礎下半剛性墊層的剛度，當地基土質致密時效果更好。

圖9 地基荷載分散角α 與相對密度的關系

當沉降接近破壞時土體發生剝離時加筋強度基本保持不變。這表明，土工格室體系是一種全方位的圍護體系，它抑制了土體的流動，從而使被包裹的土體不會被剪斷。隨著密度的增大，地基沉降越大，產生的膨脹越能提高土體的密實度。

填土經過土工格室加固后表面發生沉降，表明土工格室墊層已經發生下沉，因此被拉離試驗模型箱壁，試驗箱底座上部區域土壤變形衰減可以忽略不計，所以試驗箱邊界對基礎的性能沒有影響。因此，本研究中使用的試驗箱基幾何形狀足以克服邊界效應。

3 規模效應

土工格室加筋地基系統中的重要參數可假定為B、u、d、h、b、s、Sr、G、γ、?、q和qo，其中Sr為加筋的強度/ 剛度，G為土體的剪切模量，γ 為土體的容重，加筋地基系統的函數可以寫成

利用Langhaar 提出的模型律和Buckingham 的量綱分析，發現上述幾何參數呈線性變化，而強度和剛度參數呈二階變化。原型加筋土地基中加筋的強度/ 剛度應為模型試驗中加筋強度/ 剛度的N2倍，其中N為模型比例尺[9]。

在本模型試驗中，土工格室強度/剛度為4.75 kN/m，遠低于土工格室墻體材料（即土工格柵)的強度/ 剛度。因此，為了將本研究的結果應用于實踐，原型土工格室的最低強度/剛度應為4.75N2kN/m。

4 結 論

（1）土工格室加筋在較大的相對密度范圍內（ID=30%～70%）有較好地提高地基的剛度、承載力和荷載分散角的效果，當地基土體致密時效果更好。

（2）3%沉降時的路基模量值（kr3）從ID=30%的約10 MN/m3增加到ID=70%的約40 MN/ m3，表明土工格室加筋地基的剛度隨著土體相對密度增加而增加。通過填土表面和砂土路基的變形規律，可以看出本文采用的模型箱和地基的相對尺寸足以克服邊界效應。

（3）在基礎相對較低沉降時（s/B10%），If值隨土的相對密度變化不大，而在較高沉降范圍內，隨ID的增加，密實土（ID＞50%）的承載力系數（If）相較于松散土的增長速度較快。

（4）土工格室加筋提供的三維約束能有效的抑制地基土的膨脹，且抑制效果隨著地基土壓實密度的提高而增強。在室外，為實現土工格室內的密實填土，建議采用輕壓實約150 mm 填土，再通過反復碾壓和充填獲得致密的土工格室結構。