基于室內試驗土工材料對地基力學性能增效分析

楊 錦

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710)

1 工程概況

本次研究的水利船閘工程位于曲江烏石至三水河口，分為新建二線船閘及重建一線船閘。新建二線船閘及重建一線船閘工程為白石窯樞紐的改、擴建工程，白石窯航電樞紐工程等別為二等。場地地層分布總體較穩定。主要土層有：表層填石、填卵石及黏性土，稍濕，松散-稍密，地基承載力差，中等-強滲透性；其下2-1層粉質黏土，可塑-硬塑，地基承載力一般，微滲透性；其下為2-3層卵石土層，中密-密實，地基承載力好，中等-強滲透性。下伏基巖主要為石炭系下統石磴子組灰巖，地基承載力好。基巖中一般發育溶洞，一般充填砂卵礫石土，滲透性中等-強，局部充填黏性土，滲透性微[1-5]。

2 試驗材料與設計

2.1 試驗材料

在本次研究中，采用厚度為0.56 mm的聚乙烯聚合物材料制成的雙向土工布作為地基土加固材料，同時使用工程區域河砂和粉質黏土作為室內試驗地基土組成部分。土工布、砂和粉質黏土的工程特性見表1。

表1 試驗材料性質

2.2 試驗設計

本研究中使用的模型水箱由鐵水泥制成，內部尺寸為900 mm，長寬均為900 mm，其設計方式是，長度和寬度至少是基腳尺寸的9倍，因此在進行板荷載試驗時，不會對邊界產生任何影響。本研究中使用了兩種不同形狀的地基基礎，即方形基礎和圓形基礎。方形基礎的尺寸為100 mm×100 mm，厚度為30 mm。圓形基礎的直徑為100 mm，厚度30 mm。

制樣時，使用重量為148 N的圓形鋼錘將軟粉土填充在儲層中，達到預定的密度。然后將沙子填充到鋼筋的底部并壓實，并將鋼筋放置在其中心正下方并鋪上土工布，鋪設尺寸為40 cm×40 cm 或80 cm×80 cm，然后填充沙子，最后開始試驗測量相應的沉降，直到試樣破壞。本次實驗中土工布鋪設層數分別為1層、2層、3層或4層，試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置

3 試驗結果分析

3.1 圓形基礎應力沉降曲線(40 cm×40 cm)

圖2給出了地基不同層土工織物應力與沉降曲線，加固y軸為地基沉降，x軸為應力。由圖可知，土工布提高了地基承載能力，顯著降低了土壤沉降，這是由于地基下沉，土工布內產生拉力分擔了荷載，將其分散傳遞于與土工布緊密相貼的周圍地基土層上，從而提高地基承載力。與未加固地基相比，具有4層土工織布的地基承載能力提高近2.14倍。此外，在未加固的地基土層中，土的破壞特征是局部剪切破壞，而加固土(1層、2層、3層或4層土工織物)則普遍表現出剪切破壞。本次實驗中，當地基應力達到850 kPa左右時，未加固地基沉降達到24 mm左右，而加固后第4層土工織物沉降僅為4.9 mm[6]。

圖2 地基不同層土工織物應力與沉降曲線

3.2 方形基礎應力沉降曲線(40 cm×40 cm)

圖3給出了方形基礎下，不同層土工織物應力與沉降曲線。由圖可知，基礎形狀對地基變形趨勢無較大影響，試驗結果同樣表明土工布對地基承載能力的明顯提高效果。與未加固地基相比，具有4層土工織布的方形地基承載能力提高近2.33倍，要大于圓形基礎的試驗結果，說明基礎形狀對地基變形存在一定影響。此外，在未加固的地基土層中，土的破壞特征是局部剪切破壞，而加固土(1層、2層、3層或4層土工織物)則同樣表現出剪切破壞[7-15]。本次實驗中，當未加固地基應力達到700 kPa左右時，地基出現破壞，此時沉降為23 mm，表明方形基礎會降低地基承載力，而加固后第4層土工織物沉降為5.0 mm。

3.3 圓形基礎應力沉降曲線(80 cm×80 cm)

圖4給出了土工布鋪設尺寸為80 cm×80 cm時，圓形基礎不同層土工織物應力與沉降曲線。由圖可知，土工布加固雖然明顯提高了地基承載能力，顯著降低了土壤沉降，但相比于鋪設尺寸為40 cm×40 cm圓形基礎沉降結果，鋪設尺寸越大反而降低了地基承載力。其中40 cm×40 cm圓形基礎承載力為850 kPa，而80 cm×80 cm圓形基礎承載力降低至700 kPa，相差150 kPa。這是由于土工布鋪設面積增大，土工布內產生拉力小，分擔的荷載小，從而將更多的荷載傳遞至地基中，增大了地基應力。本次實驗中，與未加固地基相比，具有4層土工織布的地基承載能力提高近2.1倍。

圖4 土工布鋪設尺寸為80 cm×80 cm時圓形基礎應力與沉降曲線

3.4 方形基礎應力沉降曲線(80 cm×80 cm)

圖5給出了土工布鋪設尺寸為80 cm×80 cm時，方形基礎不同層土工織物應力與沉降曲線。由圖可知，當土工布鋪設尺寸為80 cm×80 cm時，方形基礎土工布加固效果明顯優于圓形地基，達到800 kPa以上。另一方面，隨著土工布層數增加，地基承載力也隨之增加，與之前試驗規律保持一致。本次試驗中，當地基應力達到800 kPa時，地基沉降為24 mm，而具有4層土工織布的地基沉降僅為5 mm。

圖5 土工布鋪設尺寸為80 cm×80 cm時方形基礎應力與沉降曲線

為分析不同試驗因素對地基性能的影響，圖6給出了不同形狀地基基礎和不同土工織物鋪設尺寸下地基的應力與沉降曲線。由圖可知，圓形基礎下使用4層40 cm×40 cm的土工布對地基承載力提高的效果最佳。此外，40 cm×40 cm土工布在圓形基礎中的性能與鋪設尺寸為80 cm×80 cm土工織物的方形基礎相比，地基承載能力增大1.2倍左右。因此，在給定應力下，80 cm×80 cm的土工布加固尺寸具有更大的位移。值得注意的是，較大尺寸土工布加固的地基破壞是漸進的，而較小尺寸的土工布加固的地基表現出脆性破壞。

圖6 不同試驗因素下地基的應力與沉降曲線

4 結 論

本文以廣東某水利工程為例，采用現場地基土材料，基于室內地基承載力試驗研究了不同土工材料尺寸和布置層數對地基沉降的影響，同時分析了圓形基礎和方形基礎對加固地基承載力的影響。研究結果表明，土工布能夠明顯提高地基承載能力，顯著降低土壤沉降，且隨著土工布層數的增加，地基承載力也隨之增加。同時，不同地基基礎形狀和不同土工織物鋪設尺寸對地基承載力同樣有明顯影響。其中，圓形基礎下使用4層40 cm×40 cm的土工布對地基承載力提高的效果最佳。此外，40 cm×40 cm土工布在圓形基礎中的性能與鋪設尺寸為80 cm×80 cm土工織物的方形基礎相比，地基承載能力增大1.2倍左右。