土工合成材料在樁承式加筋路堤中的應(yīng)用現(xiàn)狀

陳 毅,鄭 乾,王軍軍,完紹金

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引 言

土工格柵作為一種新型的土工合成材料,在20世紀(jì)70年代傳入我國(guó),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于公路、路堤、邊坡和擋土墻等一系列重要的土建工程中[1-4]。隨著化工技術(shù)的發(fā)展,土工格柵已從開(kāi)始的類(lèi)別單一發(fā)展到現(xiàn)在的類(lèi)別多樣化,能基本滿足各個(gè)領(lǐng)域的要求。由于土工格柵與土層之間能夠通過(guò)摩擦和咬合作用限制土體的側(cè)向變形,提高土體的抗彎剛度和抗剪強(qiáng)度,明顯增強(qiáng)地基承載力,并且能夠減小土體因應(yīng)力集中問(wèn)題而造成的滑塌變形[5],因此,土工格柵在處理軟土地基及防止邊坡滑移方面具有很重要的意義。樁承式路堤是近年來(lái)研究較熱門(mén)的一項(xiàng)軟土地基處理技術(shù),它起步于20世紀(jì)70年代,與加筋技術(shù)的聯(lián)合作用下[6](此處的加筋體在土木工程中一般采用土工格柵),形成了樁承式加筋路堤(見(jiàn)圖1)[7],它具有施工方便、工期短、工后沉降小的特點(diǎn),適用于需要快速施工或者對(duì)沉降要求較嚴(yán)格的工程[8]。樁承式加筋路堤組成從上到下依次為路堤填土、土工格柵、樁和地基土。未加土工格柵的傳統(tǒng)樁承式路堤(見(jiàn)圖2)[6],常在邊坡附近打設(shè)斜樁來(lái)承受路堤產(chǎn)生的側(cè)向變形,且為減小承臺(tái)間土體的變形及路堤表面處的變形,樁體布置需要緊密、承臺(tái)尺寸要大;加了土工格柵以后不需要打設(shè)斜樁,不需要增大托板和縮小樁間距,大大節(jié)省了費(fèi)用,是比較經(jīng)濟(jì)的。本文通過(guò)對(duì)土工格柵在樁承式加筋路堤中的作用機(jī)理和國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)樁承式加筋路堤的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié),以突出土工格柵的作用和意義及存在的問(wèn)題,期望為以后樁承式加筋路堤的研究提供有益的參考。

1 土工格柵的加筋機(jī)理及工程特性

研究土工格柵在樁承式加筋路堤中的受力情況,必須先要明確土工格柵具備的一些性質(zhì)以及加筋機(jī)理。

圖1 樁承式加筋路堤

圖2 未加土工格柵的樁承式路堤

1.1 土工格柵的加筋原理

土工格柵的加筋機(jī)理可歸納為摩擦加筋原理與準(zhǔn)粘聚力原理。對(duì)于摩擦加筋原理,文獻(xiàn)[9]總結(jié)為三個(gè)內(nèi)容:(1)格柵上下表面與土顆粒的摩擦作用。格柵和土粒存在相對(duì)位移時(shí),就會(huì)產(chǎn)生摩擦。摩擦起決定作用時(shí),格柵應(yīng)沿著土中最大拉力方向鋪設(shè)。(2)格柵肋條對(duì)土顆粒的被動(dòng)阻抗作用。(3)格柵上的孔眼對(duì)土的鑲嵌與咬合作用。但摩擦加筋原理存在的問(wèn)題有:忽略了土粒在土工格柵中形成的嵌鎖作用,同時(shí)忽略了筋帶在力作用下的變形,未考慮土為非連續(xù)性介質(zhì),具有各向異性的特點(diǎn)。

對(duì)于準(zhǔn)粘聚力,文獻(xiàn)[10]認(rèn)為土體中加入了高彈性的筋材后引起的加筋土體的大主應(yīng)力增大,內(nèi)摩擦角基本不發(fā)生變化,可以用以下公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:Δ H為加筋的間距;KP為被動(dòng)土壓力系數(shù),按式KP=tan(45°+φ/2)計(jì)算;(σ1)fR為加筋土破壞時(shí)的大主應(yīng)力;αF為加筋土破壞時(shí)加筋單位寬度的拉力;φ為填土的內(nèi)摩擦角;σ3為周?chē)鷫毫Α?/p>

1.2 土工格柵的工程特性

隨著土工格柵應(yīng)用的越來(lái)越廣泛,關(guān)于土工格柵的理論與試驗(yàn)也越來(lái)越深入。張孟喜等[11]研究了循環(huán)荷載作用下土工格柵的拉伸狀況,指出了循環(huán)荷載和動(dòng)應(yīng)變與軟化指數(shù)之間的關(guān)系;吳景海等[12]討論了土工格柵與土界面之間的相互作用,認(rèn)為土工合成材料的直剪系數(shù)一般低于1.00,所以加筋土工程中需要驗(yàn)算沿土工合成材料平面的抗滑穩(wěn)定性;何海清等[13]研究了土工格柵加筋體的抗震性能,總結(jié)了土工格柵對(duì)減小邊坡位移,防止路堤滑塌,減小不均勻沉降及提高抗震性能具有重要意義;韓志型等[14]研究了不同加筋層數(shù)對(duì)加筋體變形及強(qiáng)度影響,指出不同的加筋層數(shù)會(huì)對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ值產(chǎn)生不同的影響,應(yīng)合理布置筋材間距,加筋效果達(dá)到最佳;郭軍輝等[15]對(duì)土工格柵低溫下蠕變特性進(jìn)行了研究,指出各種應(yīng)力下土工格柵的初期蠕變較大,但一段時(shí)間后蠕變平緩或接近停止。土工格柵的性質(zhì)是多方面的,在不同的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著不同的作用,因此,不同學(xué)者做出的不同性質(zhì)的研究都可為土工格柵在樁承式加筋路堤中的應(yīng)用提供有利依據(jù)。

2 土工格柵在樁承式加筋路堤中的具體應(yīng)用分析

2.1 拉膜效應(yīng)及計(jì)算

Han等[16]指出,在樁承式加筋路堤的荷載傳遞機(jī)理中存在拉膜效應(yīng)(如圖3所示),即土工格柵因承受一定的路堤豎向荷載而拉伸變形,產(chǎn)生拉力,并通過(guò)拉力的法向分量傳遞到樁體上,從而進(jìn)一步減小路基土的沉降。

圖3 土工格柵的拉膜效應(yīng)

根據(jù)Jones的研究[17],土工格柵變形后的形狀近似于圓弧型或懸鏈線,格柵的下沉形態(tài)可以用二次拋物線來(lái)模擬。賈寧等[18]基于Jones的理論,給出了格柵的受力及變形分析方法,及推算格柵上下表面應(yīng)力以及求格柵最大沉降的具體步驟。

BS8006[19]建議采用以下公式計(jì)算土工合成材料的拉應(yīng)力:

式中:T為每單位寬度土工合成材料的拉力;ε為土工合成材料中的應(yīng)變,為了保證路堤表面不出現(xiàn)過(guò)大的差異沉降,其一般控制為6%;WT是橫跨在樁間的土工合成材料每單位長(zhǎng)度上所承受的豎向壓力,其按公式 WT=計(jì)算。

Giroud等[20]認(rèn)為土工合成材料在樁邊固定,變形后土工合成材料在平面內(nèi)呈圓弧狀,認(rèn)為計(jì)算公式應(yīng)為:

式中:Ω為無(wú)量綱系數(shù),反映了土工合成材料中拉力與其最大豎向變形的關(guān)系,可按Giroud等給出的表格確定。

由于BS8006土工合成材料拉力分析方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較接近,所以一般采用BS8006的方法計(jì)算土工合成材料的拉力。

2.2 土工格柵對(duì)加筋路堤參數(shù)的影響

目前,學(xué)者一般用荷載分擔(dān)比或樁土應(yīng)力比來(lái)衡量樁承式加筋路堤中各個(gè)組成部分的職能發(fā)揮程度。土工格柵的性質(zhì)變化會(huì)給這兩個(gè)參數(shù)值帶來(lái)改變。

2.2.1 土工格柵對(duì)荷載分擔(dān)比的影響

文獻(xiàn)[21]定義荷載分擔(dān)比為樁托板所承擔(dān)的總荷載與單樁處理區(qū)域內(nèi)路堤總荷載的比值。它是用來(lái)描述樁體對(duì)承擔(dān)路堤荷載比例大小的指標(biāo)[22]。荷載分擔(dān)比的計(jì)算公式為:

式中:σr為樁托板上距樁軸線為r處的豎向應(yīng)力;rp為等效樁托板半徑;re為單樁等效處理半徑;H為路堤高度;γ為路堤填料重度。

曹衛(wèi)平等[23]通過(guò)對(duì)樁承式加筋路堤建立計(jì)算模型,用公式推導(dǎo)的方式計(jì)算,在其他條件一定的情況下通過(guò)改變土工格柵的拉伸強(qiáng)度,得出的結(jié)果顯示樁體荷載分擔(dān)比隨格柵剛度的變化很小,原因在于水平加筋體的存在減小了樁土沉降差,降低了土拱效應(yīng),但又通過(guò)自身的張拉應(yīng)力將其承擔(dān)的荷載傳給了樁托板,相當(dāng)于加強(qiáng)了土拱效應(yīng),兩者綜合起來(lái),使其對(duì)土拱效應(yīng)的影響不大,即水平加筋體對(duì)樁體荷載分擔(dān)比的影響較小,文獻(xiàn)[8]和[24]也得出了相同的結(jié)論。其中文獻(xiàn)[8]同時(shí)還指出了土工格柵對(duì)減小路堤不均勻沉降的效果也是很小的。

但文獻(xiàn)[25]指出,土工格柵不僅在一定程度上起到減小路堤沉降的作用,還能約束路堤邊緣填土的側(cè)向變形,由此可見(jiàn),土工格柵雖然對(duì)荷載分擔(dān)比的影響較小,但卻發(fā)揮著不可替代的作用。

2.2.2 土工格柵對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

Hewlett[28]和Low[29]通過(guò)模型試驗(yàn)分別研究了空間土拱效應(yīng)和平面土拱效應(yīng),但均未考慮水平加筋體的拉伸強(qiáng)度變化對(duì)樁土應(yīng)力比的影響;White[30]通過(guò)有限元分析得出的結(jié)論與Han關(guān)于水平加筋體對(duì)樁土應(yīng)力比的影響的結(jié)論相反;趙明華等[31]總結(jié)出了水平加筋層上的樁土應(yīng)力比遠(yuǎn)小于其下的樁土應(yīng)力比的結(jié)論。曹衛(wèi)平等[32]通過(guò)自己建模試驗(yàn)得出了以下結(jié)論:使用水平加筋體能提高樁土應(yīng)力比,水平加筋體拉伸強(qiáng)度較小時(shí),對(duì)樁土應(yīng)力比的提高不明顯;使用水平加筋體拉伸強(qiáng)度越大,對(duì)樁土應(yīng)力比的提高越大。

3 展 望

國(guó)內(nèi)對(duì)樁承式加筋路堤的研究目前正處于熱門(mén)階段,這是一門(mén)全新的技術(shù)。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,道路等一系列公共設(shè)施亟待修建,樁承式加筋路堤具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)還缺乏全面性的研究,很多理論尚未成型。土工格柵作為新型有機(jī)材料的一個(gè)分支,在樁承式加筋路堤中發(fā)揮了巨大的作用,對(duì)它的研究也越來(lái)越深入。到現(xiàn)在為止,對(duì)于土工格柵這種材料在加筋路堤中的應(yīng)用還有以下幾個(gè)方面是不太明確的,如果要進(jìn)一步研究樁承式加筋路堤這幾個(gè)方面也是首要解決的問(wèn)題。

(1)目前的研究中一般認(rèn)為土工格柵的拉力主要是由豎向路堤荷載引起的,而路堤的側(cè)向變形會(huì)造成土工格柵在水平方向的拉力,所以在設(shè)計(jì)時(shí)除考慮拉膜效應(yīng)外還需要考慮土工格柵的橫向變形。

(2)土工格柵的層數(shù)對(duì)樁承式加筋路堤的影響機(jī)理尚不明確,到底是幾層土工格柵較合適,是多層低強(qiáng)度的土工格柵好,還是一層高強(qiáng)度的土工格柵好還缺少相關(guān)研究支持。

(3)土工格柵在路堤中的放置位置還需要進(jìn)一步討論,不同位置會(huì)對(duì)土拱效應(yīng)產(chǎn)生不同影響。

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