樁承式加筋路堤中土工格柵加筋效應的室內試驗研究

朱學敏, 崔曉艷

(1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

在我國經濟穩步發展的背景下，高速公路和鐵路等交通建設得到了空前的發展。新建的高速公路主要分布在中東部地區及經濟發展較快的沿海地區，一般處于軟弱土地基上，這會出現承載力不滿足要求、沉降量太大、發生失穩等問題，這就需要對地基進行加固處理。

樁承式加筋路堤是利用樁和加筋材料共同作用來解決軟弱土地基問題的一種常用地基處理方法[1-2]。樁承式加筋路堤的成功應用為實際工程項目提供了理論支撐，但另一方面工程實際的需要已經超前于樁承式加筋路堤的研究，對于加筋體的相關研究還需進一步深化。加上加筋路堤工作機理非常復雜，相關的研究很多[3-10]但缺少統一的認識，特別是關于加筋體的受力和變形研究方法比較保守，對軟土的材料選取也存在爭議。本實驗采用松散泡沫顆粒來模擬樁間軟土，材料簡易，試驗操作更加便捷，并且軟土表面的相對位移也能很好體現出來。本文主要分析土工格柵的抗拉強度和層數對土拱效應和拉膜效應的作用，通過三維室內模型試驗模擬了在不同填土高度下路堤中豎向應力分布、樁土應力比變化和軟土變形情況，以期更進一步了解土工格柵的工作原理。

1 試驗概況

1.1 室內模型試驗裝置簡介

試驗在長90 cm、寬90 cm、高130 cm的三面鋼制一面帶有鋼化玻璃的模型槽內進行，如圖1所示?；?∶10的縮尺比例，試驗中設置了9根樁，樁長為40 cm，樁的截面尺寸為5 cm×5 cm，樁間距為30 cm。其中，路堤填土為砂土，加筋體為土工格柵，樁間軟土采用壓縮性較高的泡沫顆粒，泡沫顆粒彈性性能好，變形可恢復，可以重復使用，并且具有良好的抗疲勞性能。試驗中為方便土工格柵的布置，在模型槽內部安放土工格柵的部位焊接鋼框架以方便綁接土工格柵；將樁置于模型槽底端，并在一端焊接20 cm×20 cm的鋼塊以起到穩固作用。

圖1 模型槽示意圖Fig.1 The Schematic diagram of model slot

本實驗中的加筋體采用雙向土工格柵，其抗拉強度有5、10、30 kN/m三種。在樁頂和樁頂上方5 cm高度處焊接鋼固定架，條形鋼框架固定噓固定架上，土工格柵四周邊界通過細鋼絲固定在鋼框架上。

1.2 試驗材料選擇及其物理力學特性試驗

顆粒分析試驗：試驗中路堤填土采用黃砂，通過顆粒分析試驗確定砂土顆粒級配，并在實驗室內利用篩分法進行顆粒分析試驗。取1 000 g土樣，按照土工試驗規范操作。通過每層篩上殘留的試樣質量，計算出小于某粒徑的顆粒含量百分數，并在坐標系中繪出粒徑級配曲線圖，如圖2。

圖2 砂土級配曲線Fig.2 The diagram of sand grading

根據圖2取得該試樣的有效粒徑d10，平均粒徑d30，限制粒徑d60，根據不均勻系數Cu和曲率系數Cc計算公式：

(1)

(2)

得到Cu=2.3，Cc=0.81。

最大干密度試驗：最大干密度的測定采用輕型擊實試驗，測得天然土樣的含水率，將土樣風干或加水制備至少5種含水率的試樣。首先稱量擊實桶重量，再取一定量試樣，試樣質量約為2 kg，分3層擊實，每層25擊,擊實過程嚴格按照最大干密度試驗的要求進行。最終計算得到最大干密度為1.7 g/cm3。

直剪試驗：由于試驗用的材料為砂土，因此試驗方法選擇砂類土的直剪試驗，嚴格按照《土工試驗方法標準》規定的方法進行操作，取過2 mm篩的風干土樣1 200 g，在1.7 g/cm3的干密度下制備砂樣；將插銷插入剪切容器盒，再在底部放置透水板和濾紙，然后把試樣放入容器內整平表面使其與容器盒平齊，最后在面上放上干濾紙、透水板和傳壓板；安裝豎向框架，施加豎向荷載，剪切速率0.8 mm/min；測得該砂樣的粘結力c約為8.0 kPa，內摩擦角約為30.6°。經過上面的一系列室內試驗測得的路堤填料基本材料參數見表1。

表1 填土基本物理指標

1.3 試驗元件介紹及布置

本試驗中，數據采集系統由數據采集儀、數據儲存計算機和測量元件構成。數據采集儀通過導線與測量元件連接，通過網線將測量元件測得的數據傳導到計算機上。數據采集儀為型號3816N的靜態應變測試分析系統。該系統一共有60個接口，在試驗過程中可以對試驗數據連續采集，并可在計算機顯示端實現對數據全程觀測，及時發現數據采集異常，以便進行調整。

該室內模型試驗路堤填土內部設置了土壓力盒和帶有刻度的輕質沉降桿，其空間布置情況如圖3所示，其中土壓力盒用來測量每層填土的水平與豎向應力大小，輕質沉降桿測量軟土的沉降。通過16個土壓力盒和若干輕質沉降桿實現填土內部應力位移的變化監控。

圖3 測量儀器空間布置圖Fig.3 Space layout of measuring instrument

土壓力盒光滑面朝上，其中水平設置的土壓力盒用來測量填土豎向應力值，側立放置的土壓力盒用來測量填土水平土壓力值。沉降板的構成為上部是一根PVC管，端部通過強力膠水與一塊方形輕質平板連接，PVC管表面刻有刻度用以監測沉降。

2 試驗軟土沉降分析

2.1 土工格柵抗拉強度對沉降的影響

圖4為不同抗拉強度土工格柵作用下，軟土表面四樁中心處與兩樁中心處的豎向位移隨路堤填土高度的變化規律。從兩幅圖中可以看出四樁中心處的沉降值要大于兩樁中心處的沉降值，這是由于兩樁之間軟土發生變形的范圍較四樁中心要更狹窄，并且鋼樁對兩樁之間沉降的限制作用要強于四樁之間，在有土工格柵時這種作用更加明顯，表明離鋼樁的距離越近軟土變形越小。

圖4 不同抗拉強度土工格柵的軟土沉降圖Fig.4 Settlement diagram of soft soil under different tensile strength geogrid

沒有土工格柵時，軟土沉降隨著路堤高度的增加而不斷增大，由圖4可知在路堤高度在0.4 m之前，隨著填土高度增加沉降近似線性增加，路堤高度大于0.4 m之后隨著填土高度增加沉降值增加幅度變小。這是由于隨著路堤的高度變大，路堤下部砂土被壓實，土體顆粒之間接觸更加緊密，對下部區域起到加固作用，這也就使得下部軟土產生更小變形。在設置土工格柵之后，沉降發展的總體規律并沒有變化，但是相比于無加筋時，軟土沉降隨路堤高度增加的速率有顯著的減小，并且填土高度越大、土工格柵抗拉強度越高時對沉降的減小作用越明顯。這是由于土工格柵對上部土體有一個兜提作用，土工格柵能起到分擔豎向荷載的作用，并將其傳遞到樁頂，從而減小了軟土沉降和沉降增加速率。當土工格柵的抗拉強度越大時，土工格柵抵抗變形的能力越強，即土工格柵的抗拉剛度增大，抗拉剛度越大，抵抗上部荷載的能力越強。因此土工格柵抗拉強度越大對減小軟土沉降的效果越好。

2.2 土工格柵層數對沉降的影響

圖5為不同層數土工格柵作用下，軟土表面四樁中心處與兩樁中心處的沉降隨路堤高度的變化規律?？梢钥闯霾煌瑢訑导咏钋闆r下四樁中心處與兩樁中心處沉降隨路堤高度的變化規律相似，并且沉降都是隨著路堤高度的增加而增大，但是兩層土工格柵對沉降的減小作用比一層時更顯著，無加筋時的沉降量約是兩層加筋時的三倍，并且相比于其他兩種情況兩層土工格柵時軟土沉降隨填土高度增加的速率最小。這是由于兩層土工格柵進一步提高了作用范圍內的整體剛度，形成一個剛度較大的平臺，使得軟土沉降值極大減小，沉降的分布也比較均勻。

圖5 不同層數土工格柵下的軟土沉降圖Fig.5 Settlement map of soft soil under different layers of geogrid

3 路堤填土中豎向應力分析

3.1 土工格柵抗拉強度對豎向應力的影響

圖6 不同抗拉強度土工格柵下填土內部豎向應力圖Fig.6 Vertical stress diagram of soil filling under different tensile strength geogrid

圖6表示的是一層層加筋情況下四樁中心上方填土豎向應力的分布規律。無加筋時，豎向應力分布曲線沿著填土表面向下與填土自重應力線基本重疊，然后達到一定深度時豎向應力減小，豎向應力曲線向內彎曲，在填土底部附近豎向應力有所增加，這是路堤內部土拱形成引起的；有加筋時，豎向應力曲線也存在與自重應力曲線近似重合段和向內彎曲段，但是相比無土工格柵時有土工格柵情況下豎向應力曲線存在三個反彎點，主要區別在于填土底部200 mm內，由于土工格柵的布置豎向應力先有較小增加然后再減小，這體現了土工格柵拉膜效應的作用。從圖6中還可以看出不同抗拉強度的土工格柵作用下豎向應力的曲線圖走勢相似，但是抗拉強度越大豎向應力的減小幅度越大,路堤填土四樁中心的豎向應力越小，也即說明四樁中心荷載向樁頂轉移程度越大。這是由于土工格柵抗拉強度越大產生的拉應力也越大，土工格柵承擔的上部荷載傳遞到樁頂的部分越大，路堤底部的豎向應力也就越小。以上分析可以得出，增加土工格柵的抗拉強度能夠促進路堤填土荷載向樁頂傳遞，使得土拱效應更加顯著。

3.2 土工格柵層數對豎向應力的影響

圖7表示的是不同層數土工格柵情況下四樁中心上方填土豎向應力的分布規律，圖中反映出來的整體趨勢是隨著土工格柵層數增加豎向應力持續減小。兩層土工格柵作用時，豎向應力的分布曲線與填土自重應力分布線有很大一段接近重合的區域，比起無加筋和單層加筋情況，兩層土工格柵作用時接近重合的部分更大，這表明兩層土工格柵時豎向應力和路堤填土自重應力在路堤很大高度范圍內的分布情況的差異很小，這也就體現了設置兩層土工格柵時土拱效應的作用效果沒有其他兩種情況顯著，也就是說設置土工格柵會對土拱效應有一定的促進作用，但是并不是層數越多越好，因為土拱效應的產生是由樁土間的差異沉降導致的，由上一節的分析可以知道土工格柵的層數越多樁土間的差異沉降會減小，差異沉降的減小對土拱效應的形成不利，設置兩層土工格柵會限制土拱效應的發揮。

圖7 不同層數土工格柵下填土內部豎向應力圖Fig.7 Vertical stress diagram of soil filling under different layers of geogrid

4 樁土應力比分析

4.1 土工格柵抗拉強度的影響

圖8描述的是不同抗拉強度的土工格柵作用下，樁土應力比隨路堤填土高度的變化規律。從圖中可以得出，隨著填土高度的增加樁土應力比也逐漸增加，無加筋時當填土高度增加到0.3 m以后樁土應力比的增加速率就有所減緩，最后樁土應力比近乎穩定。這表明樁頂和四樁軟土中心在填土高度大于0.3 m后承擔的土壓力等比例增加，此時高度再增加對樁土應力比的影響甚小，但是在設置了土工格柵時樁土應力比明顯比無加筋時有了明顯提高，并且土工格柵抗拉強度越大樁土應力比增大幅度越大。在土工格柵抗拉強度比較小并且填土高度不大時，有無土工格柵作用對樁土應力比的影響較小。這是由于填土高度不大時土工格柵產生的變形有限，再加上土工格柵抗拉強度很小，此時產生的拉應力很小，這也就導致土工格柵豎向分量很小，此時土工格柵的作用就不能很好發揮出來，因此樁土應力比的差異也不大。在土工格柵抗拉強度為30 kN/m時，樁土應力比的值達到最大，這是由于土工格柵的抗拉強度越大路堤底部形成的加固區域剛度越大，填土自重會更多向樁頂轉移，因此樁土應力比也相應較大。

圖8 不同抗拉強度土工格柵下的樁土應力比Fig.8 Pile soil stress ratio under different tensile strength geogrid

4.2 土工格柵層數的影響

圖9描述的是不同層數的土工格柵作用下，樁土應力比隨路堤填土高度的變化規律。從圖中可以看出，無加筋、單層土工格柵和兩層土工格柵作用時，樁土應力比隨路堤高度的變化趨勢相似。但是相比無加筋情況下，設置兩層土工格柵比只設置一層土工格柵樁土應力比的增加幅度更大，并且樁土應力比的增加速率也更快。

圖9 不同層數土工格柵下的樁土應力比Fig.9 Pile soil stress ratio under different layers of geogrid

從圖9中還可以得出，在無加筋、單層土工格柵和兩層土工格柵作用下對應的樁土應力比最終分別為9.4、21.1和27.7，單層土工格柵的作用使樁土應力比增大了約2倍，兩層土工格柵的作用使樁土應力比增大了約3倍。對于兩層土工格柵，樁土應力比在填土高度增加的過程中始終要大于其他兩種情況，這說明了土工格柵作用下荷載向樁頂的轉移程度要明顯大于另外兩種情況，這是因為兩層土工格柵共同作用時的剛度要大于單層土工格柵和無加筋情況，使得路堤底部形成一個剛度較大的平臺，也就導致荷載更多地向樁頂轉移。

5 結論

1)從軟土沉降方面來分析，增大土工格柵的抗拉強度和土工格柵的層數會有效地減小軟土沉降，增加土工格柵的層數對減小沉降的作用更明顯，但是這是由于多層土工格柵增加了作用范圍內的整體剛度，從而限制了軟土的沉降。

2)從路堤填土豎向應力的分布規律來分析，無土工格柵和有土工格柵情況下的豎向應力曲線都有一段與填土自重應力線保持一致，不同的是設置兩層土工格柵時保持一致的部分較長，其次無土工格柵時的豎向應力曲線在應力值減小一段后在路堤底部附近又稍微增加，而單層土工格柵時的豎向應力值會在稍微增加后又有減小，雙層土工格柵只會出現一個反彎點，這種不同是由三種情況下的整體剛度差異引起的。

3)從樁土應力比的分析來看，有無土工格柵情況下樁土應力比的差別非常大，抗拉強度大的土工格柵對應的樁土應力比也越大，這是由于土工格柵抗拉強度大產生的拉膜效應更明顯，兩層土工格柵與周圍砂土形成一個剛度較大的平臺，使得樁土應力比大于一層土工格柵作用時。