土工格室形式與填料類型對公路地基承載力的影響

田林，李寧，王宇，劉濤，李良英 編譯

(1.甘肅路橋建設集團有限公司 公路建設與養護技術、材料及裝備交通運輸行業研發中心，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

1 引言

路基自身的荷載和外部荷載通過基礎傳給地基，使天然土層原有的應力狀態發生變化，即為在上部壓力作用下，地基產生了附加應力和豎向、側向(或剪切)變形導致結構沉降；當地基受到較大應力作用時會導致其發生過度沉降或剪切破壞，從而結構損壞[1]。因此，合理的地基設計可使來自上部結構的應力均勻擴散，使地基承受更少的壓力。在進行設計前需先對地基承載力進行評估，并針對地基提出相應的承載力增強技術。用于加固軟土地基的不同處置方式中，土工布布設可限制土體橫向移動并通過安裝連續板增加土體之間的摩阻力從而提高地基承載力[2]；而土工格室是一種較為新型的土工材料，其獨特的三維立體結構大大提升了土工材料的抗剪強度，對加固地基承載能力具有更高的增強效率；格室提供的側限作用也可以顯著提高粗粒土的剪切強度，進而隨著土體強度的增長提高其承載力或阻止土壤侵蝕[3]。因此，近年來土工格室加固土體的應用研究越來越受到各國研究人員的重視。

國內外學者對土工格室加固機理及加固效果進行了大量研究。Bathurst通過大型直剪試驗評價了填料為砂土的土工格室加固結構層剪切強度，結果表明：砂土結構層加固前后的抗剪強度沒有顯著差異[4]；Wesseloo采用單軸壓縮試驗討論了單元直徑不同的土工格室的變形，試驗結果表明：土工格室與土構成的復合體強度與格室單元大小間存在間接的函數關系，且隨單元數量的增加而減小[5]；Zhou等研究表明：土工格室加固結構層具有更好的抗拉強度、抗剪強度，并可有效防止下部地基的剪切破壞[6]；Dash等研究了加固層位置、土工格室焊距、高度以及保護層厚度對加固結構層加固性能的影響，認為以不同荷載分布角為變量將土工格室布設于較高位置具有更好的加固效果[7]；Lee通過模擬淺基礎和鐵路行車動荷載作用下的疲勞狀態，對土工格室加固的實際應用進行了試驗研究，發現5層土工格室加固效果是1層土工格室加固效果的2.7倍[8]；Nair等通過研究土工格柵加筋土在靜力和循環荷載作用下的強度和剛度特性，結果發現平面加筋在達到3層后，再增加加筋層數不會再取得額外的加固效果[9]；王選倉等采用離心模型試驗得出格室加入能夠減少路基沉降，且格室布設2層與3層時較未加固路基沉降變形減少了32%[10]；肖化德在S313線察布查爾-都拉塔口岸項目中采用“礫石土換填+土工格室”的處理方案處治軟土路段，得出該段路堤在施工過程中和完工后，未發生地基滑動破壞；通過施工方的監測，工后剩余沉降量為1.5～3 cm[11]；劉煒等試驗研究發現：加固土剪切應力與剪切應變關系為非線性，采用格室加固可有效提高土的黏聚力，且對土的內摩擦角影響相對較小[12]?？傮w來看，土工格室與填土可以形成一層柔性結構層，提高地基剛度和強度的同時減小地基沉降量[13]，被廣泛應用于地基加固。

綜上所述，研究人員主要通過三軸試驗及大型直剪試驗對土工格室的加固機理及加固效果進行大量研究，其焦點大多集中于格室加固位置、加固層數對結構層承載能力的影響；在填料方面主要研究了粗粒土填筑對結構層加固性能的影響，對其他填料應用于土工格室時的效果評價，是否存在土工格室和填料之間的匹配性，以往研究關注較少[14]。因此，該文通過室內大型模型試驗(承載板試驗)研究土工格室不同形式與填料(粉質土、黏土、礫石、砂土)之間的匹配性，進而得出其對軟土地基加固效果的影響，得出合理的軟弱地基處治方法。

2 原材料及室內模型試驗

2.1 填料

采用粉質土(ML)、黏土(SW)、礫石(GP)、砂土(SP)分別作為填料進行下臥層及土工格室填筑。其中，粉質土作為下臥層和填料，黏土、礫石、砂土僅作為填料，土樣的物理性質如表1所示。

表1 填料物理性質

2.2 模擬試驗箱設計及元器件布置

為了分析土工格室加固土的應力分布機理，自行設計了一個大型模擬試驗箱，如圖1所示，整體由10 mm厚鋼板與槽鋼焊接而成，內高1 400 mm，內寬1 200 mm，在其上設有反力梁，模擬試驗箱內鋪筑軟弱地基與土工格室加固層。在大型模擬試驗箱內分別設置未加固的軟弱地基與土工格室加固結構層，利用承載板加載試驗探究加固層與未加固層之間的應力傳遞效應。下部軟弱地基由粉質土填充而成，在其上部設置土工格室加固結構層，加固結構層填料類型為砂土、黏土及礫石。具體步驟：首先在箱內填筑700 mm厚的粉質土，選擇不同的變量進行上部加固結構層的填筑。為確保軟弱地基盡可能達到最大干密度85%的壓實條件，以200、200、200、100 mm的厚度對下承層進行分層壓實處理。此外，為確保每次試驗的壓實條件相等，在鋪設土工格室加固層之前進行一次壓實度檢測試驗。

如圖1所示，在軟土地基中，6個土壓力盒直接布設在加固結構層下方以測量從中心點開始的土壓力變化，埋設深度分別為300、375、450和600 mm，以測量從中心點開始的土壓力變化。圖中，在深度為375 mm處共布設3個土壓力盒，位置為中心處及向右偏移200、400 mm。在加固結構層與未加固結構層之間鋪設一張聚丙烯土工膜(PP)，其拉伸強度≥100 kN/m，伸長率≤30%，并根據試驗內容進行上部加固結構層的鋪筑。

圖1 元器件布設示意圖(單位：mm)

加固地基鋪筑結構如表2所示，在進行加固路基鋪筑時，先對下承層壓實度進行檢測以確保其達到試驗要求，繼而按照試驗要求對加固地基進行鋪筑。首先在下部土基鋪設完成后繼續鋪設一層厚度為5 cm的填料保護層；然后在模型試驗箱內對格室進行張開處理，采用鋼釬進行固定；采用鐵鏟對格室內部進行填料填筑，并用鐵鏟進行初步鏟平處理。鋪設格室時應注意不使土工格室發生倒伏現象(格室填料應超出格室高度，進行初步整平處理后才能進行壓實處理)。采用振動壓實機對其進行壓實處理，因試驗條件限制，只能通過保證每次試驗采用相同的振動壓實次數(100次)，分3次壓實。

模型試驗加載方式選取承載板法進行加載，以現行JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》中規定為標準，車輛與路面接觸形狀采用單圓均布荷載，雙輪組單軸載100 kN，用當量圓直徑D進行計算。標準軸載計算參數如表3所示。

表2 模型試驗設計

表3 標準軸載計算參數

根據上述參數計算得出室內模型試驗承載板選取直徑為30 cm、厚度為2 cm的圓形鋼板。

3 模型試驗結果與討論

3.1 未加固地基承載力

土工格室布設位置根據下部軟弱地基的承載力確定，圖2為模型試驗中未加固地基的P-s曲線圖。對于軟土地基，以沉降量達到5 mm時加載荷載為結構層容許承載力；其沉降量達到25 mm(百分表最大量程)作為破壞點進行試驗，由圖2可看出：軟土地基的屈服應力為69.34 kPa，容許承載力為34.67 kPa，極限承載力為144.80 kPa。

圖2 未加固地基P-s曲線

表4為兩種填料作用下垂直土壓力下降率。由表4可知：當填料選取為砂土時，軟弱地基的垂直土壓力減少顯著，以加載荷載60 kPa為例，在測點1位置土壓力減少了69.5%，相比于粉質土加固結構層在60 kPa荷載作用下僅減少了30.4%；測點2位置下實測土壓力為4.8 kPa，此時土壓力減少了59.9%，填料變為粉質土時實測土壓力為4.9 kPa，土壓力減少率為58.9%，與砂土結構層相近；測點3位置時砂土結構層土壓力減少64%，粉質土結構層土壓力減少61.7%，測點4位置下砂土結構層土壓力減少率比粉質土結構層高12.5%，由此可看出填料類型對下部軟弱地基承載力的影響較大，砂土加固結構層具有更強的應力分散作用。

3.2 土工格室加固地基承載力

為研究土工格室加固地基承載力的加固效果，對加固結構層進行承載板試驗來驗證土工格室形式對軟弱地基承載力的影響。圖3為黏土、礫石分別作為填料加固土工格室結構層的P-s曲線。

在模型試驗箱內采用6種尺寸組合的土工格室與兩種類型填料進行匹配，并設置空白對照組(未布設土工格室，填料鋪設厚度300 mm)進行對比分析。由圖3(a)可看出：在格室尺寸為200 mm×240 mm與300 mm×240 mm時加固效果較好，豎向沉降較少。當格室高度為240 mm、焊距為200 mm時使用黏土作為填料的加固結構層承載能力最好；對于格室焊距為300 mm、高度為120 mm時加固結構層的極限承載力為458 kPa；改變土工格室的高度為180 mm，加固結構層的極限承載能力達到555 kPa；當格室高度變為240 mm后，其極限承載能力為601 kPa。由此可看出在同一種填料作用下，焊距相同，土工格室高度越高，其承載能力越強，這是由于格室高度越高，格室與格室之間的嵌擠作用更強，格室對填料的摩阻力及側向約束力更強，使得加固結構層具有更好的應力擴散效果。

表4 不同填料垂直土壓力降低率

由圖3(b)可以看出：相比于黏土加固結構層，采用礫石加固地基時，在土工格室尺寸同為200 mm×240 mm時其極限承載力較低。由此表明，不同的填料對加固結構層承載能力有一定影響。對于焊距為300 mm的土工格室，格室高度為120 mm時加固結構層極限承載力為1 019 kPa；格室高度為180 mm時其極限承載力為1 131 kPa；當格室高度達到240 mm時極限承載力達到1 223 kPa，較格室高度為120 mm與180 mm分別提升了20.0%與8.1%。由此可看出，當礫石作為加固填料時土工格室焊距與高度比值為1∶0.8(格室尺寸為300 mm×240 mm)時具有更強的加固效果。

圖3 承載板試驗結果

3.3 垂直方向土壓力分布

以垂直土壓力分析加固結構層在荷載作用下的受力特性。在承載板下部地基不同深度及不同位置安裝土壓力盒。測量土壓力隨荷載、深度和水平距離的變化規律。圖4為在填筑的粉質軟土地基上布設土工格室加固層的垂直土壓力變化曲線。

由圖4可以看出：荷載為30 MPa時垂直土壓力隨著埋深的增大曲線變化較為平緩，從1測點到4測點垂直土壓力較小且減小幅度較低；隨著恒定荷載的增大，1～4測點的垂直土壓力不斷增大，垂直土壓力變化曲線斜率變大；以荷載480 kPa為例，在1測點位置垂直土壓力實測值為84.9 kPa，測點2下實測土壓力為47.8 kPa，埋深深度增加75 mm，垂直土壓力值減少了43.6%。與未加固結構層相比，通過承載板法施加恒定荷載時粉質土加固結構層的垂直土壓力強度降低了30%～40%；隨著荷載的增大，垂直土壓力下降趨勢隨著深度的增加而逐漸變緩。

圖4 在荷載作用下填料為粉質土的垂直土壓力

3.4 水平方向土壓力分布

鑒于土工格室能有效地分散垂直荷載，故在水平方向上測量垂直土壓力分布以確定土工格室加固的影響范圍，土壓力的測量位置用加載板寬度的倍數(0B、1.3B和2.6B)表示，土壓力分布結果如圖5所示。

由圖5可以看出：在測點2、5位置下，隨著加載荷載的增大土壓力增大，在作用荷載為30、60、120 kPa時土壓力增幅較為穩定；當作用荷載為240、480 kPa時2、5測點土壓力增長迅速；分析2、5測點可知側向土壓力隨著水平位置的變化而減少，荷載越大降低幅度越快，說明格室在較大荷載作用下加固效果體現更明顯；在荷載30、60、120 kPa作用下2、5測點土壓力降低幅度平緩且三者保持近似相等斜率；當荷載超過120 kPa后，2、5測點土壓力降低幅度增大，由此可知120 kPa為結構層的拐點荷載；測點6處在不同荷載作用下其土壓力無變化。

圖5 在荷載作用下填料為砂土的側向土壓力(B=153.8 mm)

根據模型試驗箱土壓力盒的實測結果，利用土壓力理論的布辛尼斯克方程計算在砂土與礫石填筑下不同形式格室加固結構層與未加固結構層的側向土壓力變化趨勢及加固效率比，計算結果如表5所示。

表5 加固地基水平向土壓力折減比

由表5可以看出在施加均布荷載情況下，填料對5測點的土壓力減少率影響較大，在恒載60 kPa作用下，填料為砂土時5測點的土壓力減少率為66.7%，填料變為粉質土后該測點土壓力減少率降低了18.7%；荷載增大到240 kPa，砂土結構層5測點土壓力減少率64.0%，較粉質土結構層高2.7%；隨著所施加均布荷載的增大，填料對2、5測點土壓力有顯著影響，測點6處土壓力無明顯變化，在填料為砂土情況下垂直土壓力水平分布減少率較填料為粉質土的加固路基更高，說明砂土為填料能夠更為有效地減少垂直土壓力在水平方向的擴散，砂土作為填料具有更好的加固效果；6測點位置為模型試驗箱邊界條件；隨著荷載增大，格室對填料的作用越來越明顯。

4 土工格室加固效應分析

4.1 土工格室焊距對加固地基承載力的影響

為研究土工格室焊距對地基承載力的影響，將4種常見的土工格室(高度均為240 mm)應用于加固軟弱地基，其焊距分別為200、300、400和500 mm，選取黏土和礫石對土工格室進行填筑。在不同土工格室焊距和填料條件下，對軟土地基進行承載板試驗，對其承載力和沉降進行分析。表6為不同填料加固軟弱地基的極限承載力和容許承載力。

表6 不同焊距土工格室加固結構層承載力試驗結果

由表6可知：軟土地基的極限承載力和容許承載力分別為144.8 kPa和34.67 kPa；僅用填料對軟弱地基進行處理，用黏土填筑300 mm測得其極限承載力與容許承載力分別為305.91 kPa和101.97 kPa；用礫石填筑300 mm測得其極限承載力與容許承載力分別為640.38 kPa和182.53 kPa，用礫石作為填料較黏土填筑地基承載力分別提高了109.3%和79.0%，得出不同類型填料對結構層承載力大小有顯著的影響，究其原因礫石自身的剛性比黏土大，其抵抗變形能力更強，填筑后結構層的承載能力相對較高。

圖6為不同填料下結構層承載力圖。

由圖6可知：在格室形式一定的情況下，礫石填筑結構層具有更大的承載力。由圖6(b)可知：格室尺寸為300 mm×240 mm時，加固結構層的極限承載能力為1 223.66 kPa，其承載力強度約為軟弱地基的8倍；未用格室加固結構層極限承載能力為640.38 kPa，約為格室焊距300 mm加固結構層極限承載力的1/2；黏土填充格室時焊距為200 mm結構層極限承載力為624.0 kPa，約為軟土地基極限承載力的4倍，約為僅用黏土填充結構層的2倍[圖6(a)]；隨著土工格室焊距的增大，其加固效率逐漸降低；土工格室尺寸為200 mm×240 mm時極限承載能力最大，加固效果最好。

圖6 不同填料下格室焊距對加固地基承載力的影響

當使用礫石作為填料時，土工格室焊距為300 mm時極限承載力為1 223.66 kPa，加固效率最好，當焊距大于300 mm后加固效率迅速降低，焊距達到500 mm時加固結構層極限承載力僅為869.82 kPa，由此可看出礫石作為填料與黏土作為填料的土工格室加固地基的效果并不相同，說明土工格室焊距與填料粒徑之間存在相關性，焊距小的格室與粒徑較小填料匹配性好；粒徑較大填料與焊距大的格室具有較好匹配性。

綜上，在進行現場施工前應將填料堆積后進行壓平壓實處理繼而進行鋪筑，但現場填料具不均勻性，礫石粒徑較大會導致結構層壓實度不足。為了考慮與施工有關的問題，需控制礫石填料最大粒徑不超過25 mm。對于單元內部填充不均勻的現場條件，使用粒徑小于土工格室焊距1/10的礫石具有最佳的加固效果。

4.2 土工格室高度對加固地基承載力的影響

為了研究土工格室高度對加固地基承載力的影響，確定格室焊距為300 mm，以3種不同高度(120、180、240 mm)的土工格室進行試驗，觀察土工格室高度變化對加固地基承載力的影響。

表7為在軟土地基上進行承載板試驗獲取的地基安全系數為3.0的加固地基極限承載力和容許承載力的試驗結果。

表7 格室高度對加固地基承載力的影響

由表7可知：使用黏土填筑結構層時，未用格室加固下結構層極限承載能力為305.91 kPa，容許承載能力為101.97 kPa；當使用尺寸為300 mm×120 mm格室對結構層進行加固后其極限承載能力與容許承載能力為458.87 kPa與128.48 kPa，與未加固結構層相比分別提升了50.0%與26.0%，與未填充軟土結構層相比分別提升了216.9%與252.3%；格室高度增大到180 mm后結構層極限承載能力與容許承載能力增大到555.75 kPa與185.59 kPa，較未加固結構層相比分別提升了81.7%與82.0%；格室高度為240 mm時加固層極限承載力為611.83 kPa，較軟土地基承載力提高了322.5%，較僅用填料填筑情況下提高了100%；礫石結構層未用格室加固下極限承載能力與容許承載能力分別為640.38 kPa與182.53 kPa；使用焊距相同高度不同格室對礫石結構層進行加固后，在格室高度為120、180、240 mm下結構層的極限承載力分別為1 019.72、1 131.88、1 223.66 kPa，較未加固結構層分別提升了59.2%、76.8%與91.1%，由此可知格室高度是影響結構層承載能力的重要因素。

圖7為不同填料下結構層承載力隨格室高度變化的結果。

由圖7可以看出：兩種填料下加固結構層的極限荷載與允許荷載隨格室高度的增加而增大，土工格室高度的增加使得加固效果提升；當高度達到一定程度后(200 mm)，隨著高度的增加，加固效果逐漸減??；比較黏土結構層與礫石結構層可看出格室高度對小粒徑填料結構層的承載能力影響更明顯，其原因為格室高度越高填料與格室之間的摩阻力與相互作用越強，格室起到了較好的緊箍效果。綜上可知：格室高度對結構層整體的承載能力有顯著影響，從極限承載力和容許承載力隨土工格室高度的變化特征來看，雖然高度的增加會導致土工格室加固效率的提高，但當格室高度達到200 mm后，加固效果變化趨于平緩；高度繼續增大，預計加固效果會降低。

圖7 不同填料下格室高度對加固地基承載力的影響

4.3 填料類型與土工格室形式的加固效率

該文以提高地基承載力的加固效率為重點，比較未加固地基和土工格室加固地基的極限承載力，并以300 mm厚的礫石土工格室加固地基和換填加固地基的極限承載力提高為基礎，比較換填法加固地基的加固效率。土工格室加固效率采用式(1)進行計算：

(1)

式中：BCRU為土工格室加固地基與未加固地基和置換地基相比的承載力加固效率；qu(R)為土工格室加固地基的極限承載力；qu為未加固或僅含替換黏土和礫石的極限承載力。

計算結果如表8所示。

由表8可知：在填料為黏土時，在尺寸為300 mm×120 mm格室加固下結構層BCRU值為1.5，此時礫石結構層的BCRU為1.6，較黏土結構層高0.1；在尺寸為300 mm×180 mm格室作用下兩種類型填料有著相同的BCRU值，為1.8；當格室尺寸變為200 mm×240 mm與300 mm×240 mm時，黏土結構層的BCRU值都為2.0，而礫石結構層的BCRU值分別為1.4與1.9，較黏土結構層要??；當格室尺寸變為400 mm×240 mm與500 mm×240 mm時，黏土結構層BCRU值大幅減小，為1.3與1.2，而礫石結構層BCRU值降幅較低，為1.6與1.4，比黏土結構層高。

表8 土工格室形式與填料的加固比率

由此可知：高度相同情況下，焊距小的格室對黏土結構層加固效果更好，當焊距超過300 mm后格室對礫石結構層體現出較好的加筋效果。

圖8為土工格室尺寸和填料類型對地基加固效果的影響。

圖8 土工格室尺寸和填料對加固效果的影響

由表8可以看出：用黏土填充極限承載力為69.34 kPa的軟土地基，填充后的地基極限承載力是軟土地基的4.4倍。當采用大粒徑礫石進行填筑時，形式為300 mm×240 mm的格室加固結構層加固效果最好；格室形式為200 mm×240 mm下黏土加固效果更好。分析原因是采用較大粒徑填料填筑焊距較小土工格室時，填料在壓實過程中自身的嵌擠作用發揮不充分，顆?；旌喜怀浞謱е聠卧袷覂让芏炔灰恢?，從而降低了土工格室的加固效率。

5 結論

(1) 土工格室加固結構層的應力分布比未加固結構層增加約15%，土壓力減小50%～60%，即土工格室加固結構層能有效地將垂直荷載分散，起到應力擴散的作用從而防止地基發生剪切破壞或過度沉降。

(2) 格室焊距與高度是影響結構層承載能力的重要因素，相同填料下，格室焊距越大，結構層承載能力越低；格室高度越高結構層承載能力越強。格室高度對結構層整體性能的影響較格室焊距要高。

(3) 模型試驗中通過對加固結構層下部地基側向土壓力的分析可知格室作用的邊界條件為2.6倍承載板寬度。

(4) 在最優加固情況下，與未加固地基相比，土工格室可將地基極限承載力提高4～8倍；當土工格室填充礫石時，最大極限承載力所用土工格室焊距與高度最佳比值為1∶0.8(格室形式為300 mm×240 mm)；填充黏土時土工格室焊距與高度最佳比值為1∶1.2(格室形式為200 mm×240 mm)。

(5) 填料與格室的匹配性與格室焊距與填料粒徑有關，粒徑小的填料與焊距小的格室匹配性好；大粒徑填料與大焊距格室匹配性好。