軟土地基上加筋碎石墊層工作性狀試驗研究

何杰，孟森松，饒遷根，王亞濤，湯磊華

（湖南工業(yè)大學巖土工程研究所，湖南株洲412007）

軟土地基上加筋碎石墊層工作性狀試驗研究

何杰，孟森松，饒遷根，王亞濤，湯磊華

（湖南工業(yè)大學巖土工程研究所，湖南株洲412007）

通過模型試驗研究了加筋和不加筋碎石墊層在軟土地基上的承載特性，分析了墊層厚度、加筋材料、加筋層數(shù)、筋體布置位置等因素對墊層承載特性的影響。結果表明：墊層厚度對地基沉降影響明顯，合理的墊層厚度能有效地降低地基的沉降；加筋后的碎石墊層對降低地基沉降的效果更明顯，同等條件下，土工格室的加筋效果優(yōu)于土工格柵；加筋層數(shù)及筋體布置位置對加墊碎石墊層承載特性有一定影響，層數(shù)越多加筋效果越好，將筋體布置在墊層下部時效果最好；加墊層能在一定程度上提高地基基床系數(shù)，其中土工格室加筋碎石墊層對提高地基基床系數(shù)效果最好。

加筋碎石墊層；軟土地基；荷載沉降關系；基床系數(shù)；模型試驗

1 研究背景

加筋碎石墊層是一種在碎石墊層中加入加筋材料而形成的能抵抗一定彎矩作用的墊層。普通墊層材料為散體材料，如砂、碎石等。隨著地基處理技術的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)單一的砂、石墊層剛度較小，不能很好地適應工程需要。為克服散體材料墊層的不足，工程中出現(xiàn)了將土工布、土工格柵、土工格室等土工織物置入砂、石墊層中，從而形成了加筋墊層。加筋墊層技術在工程中取得了良好的經(jīng)濟效益，引起了廣大研究人員的高度重視。R. S. Sharma等[1]對土工格柵加固散體材料樁基礎的載荷試驗研究表明，土工格柵在改善軟土地基工作性狀的同時，還能有效地提高散體材料樁的承載力，減小地基沉降，并且通過增加格柵數(shù)量和減小格柵的間距能更好地發(fā)揮其工程性狀。A. F. Zidan[2]采用有限單元法，通過對靜荷載、動荷載作用下土工格柵加筋砂工作特性的對比，分析了格柵層數(shù)、第一層格柵深度、格柵間距等對土工格柵加筋砂承載特性的影響。張興強等[3]研究了在交通荷載反復作用下，土工格柵的加筋效果和機理。劉毓氚等[4-5]研究了加筋墊層的應力擴散特性，分析了加筋層數(shù)、筋材間距等對應力擴散角及擴散效應的影響。王偉等[6]通過室內(nèi)試驗分析了土工格柵加筋土的力學特性，研究了加土工格柵和不加土工格柵地基土的側(cè)向位移和豎向位移隨深度的變化規(guī)律。蘇謙等[7]進行了土工格柵及土工格室加筋砂墊層處理松軟地基室內(nèi)大模型試驗，結果表明，加筋墊層能夠有效分散荷載，顯著提高地基基床系數(shù)。曹新文等[8]通過模型試驗分析了土工格室和土工網(wǎng)加固路基基床的主要機理，結果表明，土工網(wǎng)墊層改善基床性能有限，而土工格室墊層較土工網(wǎng)墊層能夠更有效地提高基床剛度和強度。

褥墊層的工作性狀對復合地基的諸多工作特性均有較大影響，加筋墊層更是如此，如加筋墊層的厚度、土工合成材料的力學性能、加筋層數(shù)、布置位置等都會影響復合地基的承載力及沉降。本文采用模型試驗的方法，研究軟土地基上碎石墊層與加筋碎石墊層的工作性狀，探討不同墊層厚度、土工格柵層數(shù)、土工格柵布置位置等因素對墊層及加筋墊層的剛度和承載力的影響，為墊層的優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。

2 試驗

模型試驗在2.0m×2.0m×1.5m的鋼制模型箱中進行，模型箱內(nèi)分層均勻填筑軟粘土，靜置28d后測試土體的土工參數(shù)，結果如表1所示。碎石粒徑級配控制在10～20mm范圍內(nèi)，其物理力學參數(shù)如表2所示。土工格柵和土工格室參數(shù)分別見表3和表4。

本試驗共設置13種工況，工況布置見表5。靜載試驗嚴格按JGJ79—2012《建筑地基處理技術規(guī)范》進行，試驗布置如圖1所示。

表1 土的物理力學參數(shù)Table1Physical and mechanical properties of soil

表2 碎石的物理力學參數(shù)Table2Physical and mechanical properties of gravel

表3 土工格柵的物理力學參數(shù)Table3Physical and mechanical properties of geogrid

表4 土工格室的物理力學參數(shù)Table4Physical and mechanical properties of geocell

表5 模型試驗工況Table5Model test condition

圖1 模型試驗裝置示意圖Fig.1Schematic diagram of test device

3 試驗結果及分析

3.1 荷載-沉降曲線

3.1.1 墊層厚度對地基承載能力的影響

圖2為天然地基、加10cm厚碎石墊層及加20cm厚碎石墊層的荷載-累積沉降曲線。從圖中可看出：1）不設置墊層所對應的地基荷載—累積沉降曲線位于最下方；2）20cm碎石墊層的地基沉降比10cm碎石墊層的地基沉降大。

以上結果表明：1）褥墊層對荷載具有良好的調(diào)節(jié)能力，對減小基礎沉降具有明顯的效果；2）墊層厚度對地基沉降影響較大，合理的墊層厚度能有效降低地基的沉降，但墊層厚度過大時，對地基沉降的降低作用減小。

圖2 碎石墊層厚度不同時地基的P-S曲線Fig.2The P-S curves of foundation with different gravel cushion thickness

3.1.2 加筋及不同筋材對地基承載能力的影響

圖3為碎石墊層中有無加筋、筋材不同時地基的荷載-累積沉降曲線。從圖中可以看出：加筋后地基的沉降要遠小于不加筋時的沉降。對10cm厚墊層，加土工格柵后地基沉降能降低35.6%；對20cm厚墊層，加土工格柵后地基沉降能降低46.9%，而加格室后地基沉降能降低75.9%。

以上結果表明：1）墊層加筋后能顯著降低地基的沉降；2）在墊層中鋪設土工格室比鋪設格柵效果更好。

圖3 碎石墊層中有無加筋及不同筋材時地基的P-S曲線Fig.3P-S curves of foundation with gravel cushions of non-reinforced material and different reinforced materials

3.1.3 碎石墊層中筋體布置位置對地基沉降的影響

圖4為碎石墊層筋材不同布置位置時，地基的荷載-累積沉降曲線，其中圖a為在20cm碎石墊層中加1層格柵且格柵布置位置不同時各工況的荷載-累積沉降曲線；圖b為在20cm碎石墊層中加2層格柵，且格柵放置位置不同時各工況的荷載-累積沉降曲線；圖c為在20cm碎石墊層中加格室且格室放置位置不同時各工況的荷載-累積沉降曲線。

圖4 碎石墊層中筋材不同布置位置時地基的P-S曲線Fig.4P-S curves of foundation with gravel cushion of different reinforced material locations

從圖4中可以看出：1）當荷載小于4kPa時，不同布置位置的加筋碎石墊層在相同條件下，沉降量幾乎一致，隨著荷載的增大，不同工況的荷載-累積沉降曲線出現(xiàn)分化，且荷載越大，其差值越大；2）相同加荷條件下，筋材置于底層的沉降較小。

以上結果表明：1）當荷載較小時，格柵的布置位置對其作用效果影響不大；當荷載足夠大時，格柵的布置位置對其作用效果的影響才會體現(xiàn)，且荷載越大，其影響也越大。2）處于散粒狀態(tài)的碎石墊層在加筋后形成的加筋體具有一定的抗彎能力，筋材的布置位置對加筋墊層性能有較大影響，當筋材置于底層時，加筋體的抗彎能力得以充分發(fā)揮，因此具有較好的抵抗沉降的能力。

3.1.4 碎石墊層中格柵層數(shù)對地基沉降的影響

圖5為在20cm厚墊層中設置不同層數(shù)土工格柵時，地基的荷載-累積沉降曲線。

圖5 碎石墊層中格柵層數(shù)不同時地基的P-S曲線Fig.5P-S curves of foundation with gravel cushion of different geogrid layers numbers

從圖5中可以看出：1）在加荷初期，加土工格柵碎石墊層的沉降就比未加格柵碎石墊層的小，但相差較?。?）隨著荷載的增大，未加格柵碎石墊層的沉降急劇增大，而加了土工格柵墊層的沉降增加較緩慢，與加1層土工格柵時相比，加2層土工格柵的沉降量更小。

以上結果表明：土工格柵與處于散粒狀態(tài)的碎石墊層共同作用形成整體，從而具備了一定的抗彎能力，在應力擴散作用下能增大地基土的受力面積，從而減小地基的沉降。因此，在加荷初期格柵就開始發(fā)揮作用，但當荷載較小時，土工格柵強度和剛度未能得到充分發(fā)揮，其增強效果不明顯，對墊層沉降影響不大；隨著荷載不斷增大，與素墊層相比,加筋墊層與其下土層的性質(zhì)差異增大,應力擴散明顯增強，從而大大降低了墊層的總體沉降，且墊層層數(shù)越多，其增強效果越好。

3.2 基床系數(shù)

基床系數(shù)是地基土在外力作用下產(chǎn)生單位變形所需的應力，也稱彈性抗力系數(shù)或地基反力系數(shù)，用公式表示為

式中：K為基床系數(shù)，MPa/m；

P為地基土所受的應力，kPa；

S為地基的變形，mm。

GB50307—2012《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》[9]建議用K30方法，采用0.305m寬標準荷載板試驗值作為標準基床系數(shù)K1值。本試驗采用的荷載板尺寸為50cm×50cm，應按文獻[10]提出的公式根據(jù)荷載板寬度B進行換算。

對于砂土，采用的公式為

對于粘性土，采用的公式為

根據(jù)上述公式及相關試驗數(shù)據(jù)，計算各工況基床系數(shù)值，所得結果見表6。

表6 各工況K值Table6The value K of each working condition

從表6中可以看出：1）純碎石墊層K值較無墊層時K值有所提高，其中10cm厚純碎石墊層K值比無墊層時約高18.6%，20cm厚純碎石墊層K值較無墊層時約高7.9%，但比10cm厚純碎石墊層時低9%；2）1層土工格柵加筋墊層K值比無墊層時約高15%～38.2%，1層土工格柵加筋墊層厚度為20cm時K值比10cm厚時低3.7%～16.8%；3）2層土工格柵加筋墊層K值比無墊層時約高30.3%～56.7%；4）土工格室加筋墊層K值比無墊層時約高53.4%～75.8%；5）同樣加筋材料和加筋層數(shù)條件下，將加筋材料置于墊層底部時K值最大，置于中間時次之，置于頂部時最小。

以上結果表明：1）純碎石墊層對提高地基的強度與剛度的作用不明顯，土工格柵加筋墊層對提高地基的強度與剛度有一定的作用；2）在碎石墊層中加入土工格室后，由于格室限制了土體的側(cè)向變形，在提高地基的強度與剛度方面有顯著的效果；3）墊層厚度對地基的強度與剛度有一定影響，合理的墊層厚度能提高地基基床系數(shù)，但厚度過大時，對提高地基基床系數(shù)的效果明顯減小；4）加筋材料布置位置對地基的強度與剛度有一定影響，將加筋材料置于墊層底部時地基基床系數(shù)最大，對提高地基的強度與剛度效果最好。

4 結論

1）墊層對荷載具有良好的調(diào)節(jié)能力，對減小基礎沉降具有明顯的效果，墊層厚度對地基沉降影響較大，合理的墊層厚度能有效降低地基的沉降。

2）墊層加筋后能顯著降低地基的沉降，在墊層中鋪設土工格室比鋪設格柵效果更好。

3）加筋層數(shù)及筋材布置位置對碎石墊層承載特性影響較大，層數(shù)越多加筋效果越好，將筋體布置在墊層下部時效果最好。

4）加碎石墊層后地基基床系數(shù)較無墊層時相差不大，不加筋碎石墊層對提高地基的強度與剛度方面的作用不明顯；土工格柵加筋墊層對提高地基的強度與剛度有一定作用，但是效果不很明顯，而土工格室由于格室限制了土體的側(cè)向變形，對提高地基的強度與剛度具有顯著效果。

[1]Sharma R S，Kumar B R P，Nagendra G. Compressive Load Response of Granular Piles Reinforced with Geogrids [J]. Canadian Geotechnical Journal，2004，41 (1)：187-192.

[2]Zidan A F. Numerical Study of Behavior of Circular Footing on Geogrid-Reinforced Sand Under Static and Dynamic Loading[J]. Geotechnical and Geological Engineering，2012，30(2)：499-510.

[3]張興強，梁艷平，梁英慧. 交通荷載作用下軟土地基的土工格柵加筋效應分析[J]. 中國公路學報，2009，22(2)：1-5. Zhang Xingqiang，Liang Yanping，Liang Yinghui. Analysis of Geogrid Reinforced Effect of Soft Ground Under Traffic Loading[J]. China Journal of Highway and Transport，2009，22(2)：1-5.

[4]劉毓氚，左廣洲，陳福全. 加筋墊層應力擴散特性試驗研究[J]. 巖土力學，2007，28(5)：903-908. Liu Yuchuan，Zuo Guangzhou，Chen Fuquan. Numerical Research on Stress Distribution of Geosynthetic Reinforcement Layer[J]. Rock and Soil Mechanics，2007，28(5)：903-908.

[5]黃仙枝，豈連生，白曉紅. 軟土地基土工帶加筋碎石墊層的應力擴散研究[J]. 巖石力學與工程學報，2004，23 (17)：2992-2997. Huang Xianzhi，Qi Liansheng，Bai Xiaohong. Study of Stress Distribution in Belt Geosynthetic-Reinforced Gravel on Soft Soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(17)：2992-2997.

[6]王偉，王儉，薛劍豪，等. 土工格柵加筋墊層加固軟土地基模型試驗分析[J]. 巖土力學，2005，26(12)：1885-1891. Wang Wei，Wang Jian，Xue Jianhao，et al. Analysis of Model Tests on Soft Soil Subgrade Reinforced by Geogrid [J]. Rock and Soil Mechanics，2005，26(12)：1885-1891.

[7]蘇謙，蔡英. 土工格柵、格室加筋砂墊層大模型試驗及抗變形能力分析[J]. 西南交通大學學報，2001，36 (2)：176-180. Su Qian，Cai Ying. Geogrid- and Geocell-Reinforced Sand Blanket: Model Test and the Ability to Reduce Deformation [J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2001，36 (2)：176-180.

[8]曹新文，羅強，薜雙綱. 土工格室和土工網(wǎng)加固基床效果靜態(tài)模型試驗[J]. 西南交通大學學報，2001，36(3)：322-326. Cao Xinwen，Luo Qiang，Xue Shuanggang. Model Test of the Effects of Geocells and Geonets on Subgrade Strengthening Under Static Loads[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2001，36(3)：322-326.

[9]中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設部. GB 50307—2012城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2012：88. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. GB 50307—2012 Code for Geotechnical Engineering Investigations of Urban Rail Transportation[S]. Beijing：China Plans Press，2012：88.

[10]Terzaghi K. Evaluation of Coefficients of Subgrade Reaction [J]. Geotechnique，1955，5(4)：297-326.

（責任編輯：鄧光輝）

Experimental Research on the Working Properties of Reinforced Gravel Cushion on Soft Soil Foundation

He Jie，Meng Sensong，Rao Qian’gen，Wang Yatao，Tang Leihua
（Institute of Geotechnical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Studied the load-bearing characteristic of reinforced and non-reinforced gravel cushions on soft soil through model tests. Analyzed the effects of cushion thickness, reinforced materials, number of reinforcement layers and location of reinforced-materials on the bearing characteristic of the cushion. The results show that: The reasonable thickness of cushion can effectively reduce the settlement of the foundation and the effect of reinforced gravel cushion is more obvious, and under the same condition, the effect of geocells is better than that of geogrids. Number of reinforcement layers and location of reinforced materials have impact on the load-bearing characteristics of the reinforced gravel cushion. The reinforcement layer number is more and the reinforced effect is better. The effect is best as the reinforced materials is laid at the bottom of the cushion. Adding cushion can improve the coefficient of subgrade reaction and the effect of geocell reinforced gravel cushion is best to improve the coefficient.

reinforced gravel cushion；soft soil foundation；load settlement relationship；coefficient of subgrade reaction；model test

TU441

A

1673-9833(2014)05-0017-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.05.004

2014-06-30

國家自然科學基金資助項目（51108176），湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項目（CX2014B425）

何杰（1976-），男，湖南汨羅人，湖南工業(yè)大學副教授，博士，主要研究方向為地基處理技術，E-mail：hjhlhjy@yahoo.com.cn