路堤加筋工作原理的研究

袁東進

摘要： 詳細分析了路堤加筋的機理，并在此基礎上，結合工程實例驗證了機理，檢測結果表明，加筋能夠顯著的提高地基土的承載力，同時可以得知立體加筋的效果要好于平面加筋。

Abstract： In this paper， the mechanism of soft ground of road embankment reinforced with geosynthetics is analyzed， at the same time，based on the construction practice of two kinds of reinforced embankment， it is concluded that reinforcement can improve the embankment bearing capacity， ruduce the settlement as well as ensure more uniform settlement， and goecell is more effective than geogrid.

關鍵詞： 路堤；軟土地基；加筋；機理

Key words： embankment；soft ground；reinforcement；mechanism

中圖分類號：TU471.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）35-0111-02

0 引言

軟土地基上的土工合成材料加筋路堤在國外是一種應用較多的結構形式，實踐證明，它是一種行之有效的加固措施，可以提高路堤的穩定性和承載力。近年來，路堤加筋機理引起各國學者的廣泛關注，國內部分研究單位對此也作了一些研究和探討，但是由于加筋材料的特殊性以及它們與土之間相互作用的復雜性，加筋路堤的理論研究還不夠成熟，理論研究嚴重滯后于工程實踐，路堤加筋的設計往往還停留在概念設計上。因此深入研究土工合成材料的作用，對于改進路堤加筋的設計方法具有很大的現實指導意義。本文詳細分析了路堤軟基土工合成材料加筋的機理，并結合工程實例，將平面加筋和立體加筋相比較，從而透過現象看本質，探求路堤加筋的作用機理，為工程應用積累資料并提供參考。

1 路堤加筋機理

加筋作用的發揮主要依賴于筋材拉力的發揮，而拉力的產生與激活主要取決于三方面的因素，即：①加筋路堤填料所引起的水平推力；②地基土在填土豎向荷載作用下產生的側向變形；③地基土由于固結沉降，使路堤在橫截面上受彎，從而產生拱的效應。故加筋的作用相應體現在這三個方面。

1.1 降低水平荷載，提高地基承載力

對于軟土地基來說，最主要的荷載是填土的自重產生的豎向荷載，其次是路堤填土由軸線向兩側產生的水平向推力，由于這個水平向推力[1][2]，使得地基承受豎向荷載的能力下降，水平荷載對地基承載力的影響如圖1所示，地基上的不排水抗剪強度為Su，則承載力系數（Nc=？滓/Su）在外推剪力的影響下幾乎減小了一半左右。而采用加筋材料的主要作用就是承擔這個外推剪力。因此，在加筋路堤中采用一層或幾層土工合成材料加筋體來承擔水平荷載，能顯著提高地基承載力。

1.2 增強地基約束力，提高承載力

由于土體是松散顆粒的堆積物，因此在未加筋的時候，就無法承受拉應力，因此就不能約束表面地基土在路堤豎向荷載作用下產生的側向變形。約束地基表面土體的變形，能夠提高地基土的承載力[3][4]。而是否對表面地基土有約束作用，相當于基礎底部粗糙或光滑兩種極端情況。在以下兩種情況下，基底粗糙（即地基表面水平位移有約束作用）對提高地基土豎向承載力有特別顯著的作用：①地基土的強度隨深度增加較明顯；②軟土層較薄?；蚴且陨蟽煞N情況的組合。

如圖2所示為地基土不排水強度隨深度線性增加（Su=Su0+？籽z）時，將Nc表示成無量綱？籽B/Su0的函數。當地基的強度隨深度增加時，基底粗糙的情況使地基土能夠承擔更大的豎向荷載。

需要說明的是，只有當加筋的土工合成材料必須首先全部承擔了作用于地基的外推剪力時，才能對地基表面的土體具有側向限制作用。當筋體的拉力不能全部抵銷外推剪力時，剩下的部分就以外推力的形式作用于地基土體的表面。

1.3 增強路堤填土的土拱效應，調整不均勻沉降

地基在路堤填料豎向荷載的作用下會產生固結變形，形成固結沉降，在未加筋路堤上，地基表層將產生“鍋底狀”的沉降變形，于是路堤在橫斷面上將受彎矩的作用，但是填料不能承受拉力，堤底將產生長拉裂縫。而在加筋路堤中，由于加筋體能夠承受拉力，使得土拱能夠得到足夠的拱腳水平力，可以形成有效的土拱效應，路堤在橫截面上就像一根受彎矩作用的梁，而筋體的作用就類似于鋼筋混凝土中鋼筋一樣，承擔了拉力，調整了地基的沉降變形，將路堤橫截面上的“鍋底狀”沉降曲線調整為“平底鍋狀”，顯著減少了沉降和不均勻沉降。土拱效應使得地基所受豎向壓力重新分布，增強了路堤的穩定性。

2 現場試驗研究

2.1 試驗段基本情況介紹

某高速公路全長50km，設計行車速度120km/h。全線廣泛分布有軟土地基，為解決由于不均勻沉降造成的結構物沿橫向和縱向開裂問題，國內首次在全線結構物下部鋪設土工格室，使用面積達到35000m2。由于土工格室在處理軟基應用上是一種新嘗試，為此選擇作試驗，用來研究土工格室加筋結構的施工特性，以便檢驗設計，指導施工。在這試驗段中修筑兩種主要加筋路堤結構，試驗段共100m長，兩種結構分別為50m。1#、2#檢測坑為檢測土工格柵加筋試驗段，3#、4#監測坑為檢測土工格室加筋試驗段。

2.2 數據的分析

回彈模量：

為了檢測路基的承載力，在現場用直徑為30cm的承載板，在原土基以及采用土工格柵和土工格室墊層處理后的地基上進行承載力測試，其對應各個層頂面回彈模量見表1。

從中可以看出，經過加筋后的地基回彈模量得到明顯增加。與未經處理地基相比，格柵加筋以及格室加筋地基（取其均值）分別提高了105.8%、125.3%，這表明通過加筋作用可以有效地提高地基的承載力，地基的工程性質得到了明顯的改善，其中土工格室的加筋效果要優于土工格柵。

3 結語

①通過以上分析，可知加筋對于路堤有三方面的作用：降低水平荷載，提高地基承載力；增強地基約束力，提高承載力；增強路堤填土的土拱效應，調整不均勻沉降。

②實踐證明，立體加筋的處理效果比平面加筋更佳，更能有效地增加地基承載力，其原因主要是其具有一定的厚度，具有較強的抗彎能力，從而有效地擴散了路堤荷載，大大提高了地基土的承載力。

③立體加筋是一個新事物，對它的工程設計理論國內還是一片空白，現有的規范中沒有相應的設計標準，我們有必要深化對它的認識，從而形成合適的設計計算方法。

參考文獻：

[1]黃曉明，朱湘.公路土工合成材料應用原理[M].人民交通出版社，2001：214-215.

[2]楊曉軍.土工合成材料加筋地基的機理[D].浙江大學博士學位論文，1999.

[3]A.Jewell. The mechanics of reinforced embankments on soft soils[J]. Geotextiles and Geomembranes，1988（7）：237-273.

[4]K.Rowe. Stabilization of very soft soil using high strength geosynthetics：the role offinite elment analyses[J]. Geotextiles and Geomembranes， 1987（6）：53-80.