土工格柵設(shè)置對(duì)墊層剛度影響的試驗(yàn)研究

黃禮勝，劉 杰，何 杰，楊慶光

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

土工格柵設(shè)置對(duì)墊層剛度影響的試驗(yàn)研究

黃禮勝，劉 杰，何 杰，楊慶光

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

為探討土工格柵對(duì)碎石墊層剛度的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了9種不同工況的墊層，分別進(jìn)行了模型靜載試驗(yàn)，分析了墊層厚度、有無(wú)土工格柵、土工格柵層數(shù)及鋪設(shè)位置等因素對(duì)碎石墊層及加筋碎石墊層變形的影響。結(jié)果表明：墊層厚度的減小能有效地降低地基沉降；在一定荷載范圍內(nèi)，有土工格柵碎石墊層的承載性能要優(yōu)于無(wú)土工格柵碎石墊層；在相同荷載作用下，當(dāng)墊層厚度相同時(shí)，土工格柵層數(shù)和鋪設(shè)位置不同，其碎石墊層的剛度也不同，且存在一個(gè)最佳的鋪設(shè)層數(shù)及鋪設(shè)位置，土工格柵的最佳層數(shù)及鋪設(shè)位置有待進(jìn)一步研究。

碎石墊層；土工格柵；墊層剛度；沉降

1 研究背景

加筋碎石墊層的優(yōu)越性能在路基工程中應(yīng)用較多，將土工格柵作為加固補(bǔ)強(qiáng)材料埋至碎石墊層內(nèi)，能夠較好地發(fā)揮墊層的承載作用，約束地基側(cè)向變形，減少不均勻沉降，提高路基的整體強(qiáng)度，抑制路堤的破壞。

相關(guān)學(xué)者對(duì)加筋墊層在地基中的作用機(jī)理展開(kāi)了研究，取得了一定的成果。李冰等人[1]對(duì)夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基進(jìn)行了靜載試驗(yàn)研究，探討了碎石墊層中有無(wú)土工格柵對(duì)復(fù)合地基荷載沉降的影響，結(jié)果表明，墊層中有土工格柵的復(fù)合地基比無(wú)土工格柵的復(fù)合地基的平均沉降要小。張良等[2]通過(guò)4種樁網(wǎng)復(fù)合地基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試并分析了加筋墊層對(duì)復(fù)合地基承載力和沉降量的影響。羅強(qiáng)等[3]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出了土工合成材料加筋砂墊層能有效減小軟土地基在上部路堤荷載作用下的沉降變形的結(jié)論。黃仙枝等人[4-5]研究了加筋墊層的應(yīng)力擴(kuò)散特性，分析了加筋層數(shù)、筋材間距等對(duì)應(yīng)力擴(kuò)散角及擴(kuò)散效應(yīng)的影響。張福海等人[6]基于Winkler假定，提出了考慮水平抗力的雙參數(shù)法，并對(duì)土工格室加筋墊層的變形進(jìn)行了分析。楊明輝等[7]基于平截面假定，引入疊梁計(jì)算理論，分析了疊量彈性模量與疊梁撓度及荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了土工格室加筋墊層剛度的解析算法。楊果林等人[8]在武廣高鐵某水泥粉煤灰碎石（cement fly-ash gravel，CFG）樁加固段進(jìn)行了樁網(wǎng)復(fù)合地基加筋墊層土工格柵的變形機(jī)理測(cè)試，探討了加筋墊層的變形及破壞特征。馬時(shí)冬[9]把加筋墊層應(yīng)用于泉州2個(gè)古建筑城門(mén)樓加固工程，并進(jìn)行了21組荷載試驗(yàn)，對(duì)加筋墊層提高地基承載力、均衡差異沉降和減少總沉降的作用及效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。

本文基于模型試驗(yàn)，對(duì)加筋墊層的工作性狀進(jìn)行測(cè)試，探討不同墊層厚度、土工格柵層數(shù)、土工格柵鋪設(shè)位置等因素對(duì)墊層及加筋墊層剛度的影響，為加筋墊層的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

2 模型試驗(yàn)

為探討剛性基礎(chǔ)下不同工況土工格柵加筋墊層的工作性狀，共進(jìn)行了9個(gè)模型靜載試驗(yàn)，模擬試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 模型試驗(yàn)工況Tabel1 Model testing conditions

該模型試驗(yàn)在尺寸為 1.5m×1.5m×0.4m的模型箱中進(jìn)行，模型箱內(nèi)分層鋪設(shè)碎石，其物理力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。模型試驗(yàn)的加載系統(tǒng)主要由千斤頂和反力架組成，在承載板四邊的中點(diǎn)對(duì)稱安裝百分表測(cè)量位移，總荷載采用壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。

表2 碎石的主要物理力學(xué)參數(shù)Table2 Physical-mechanical parameters of gravel

本試驗(yàn)中所用土工格柵為江蘇宜興市華東巖土工程材料有限公司生產(chǎn)的雙向聚丙烯土工格柵，尺寸為1.0 m×1.0 m，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 土工格柵性能參數(shù)Table3 Performance parameters of geogrid

試驗(yàn)裝置布置如圖1所示，其中，圖a為百分表在剛性荷載板上的布置平面圖及荷載板的尺寸，圖b為整套試驗(yàn)裝置布置圖。靜載試驗(yàn)按JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[10]進(jìn)行。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of test device

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 墊層厚度對(duì)墊層剛度的影響

圖2為碎石墊層厚度分別為10 cm和20 cm情況下的無(wú)土工格柵的荷載與平均沉降的關(guān)系。

圖2 不同墊層厚度的荷載-平均沉降曲線Fig.2 Curves of load-average settlement of different thickness of cushion layer

由圖2可以看出：

1）在相同荷載作用下，2種不同墊層厚度的無(wú)土工格柵的荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線，沉降都隨荷載的增大而逐漸增大，且二者的沉降差值也隨荷載的增大而增大。

2）在荷載大于120kPa的情況下，其沉降增加的速率有增大的趨勢(shì)。

以上現(xiàn)象表明：在相同條件下，隨著墊層厚度的減小，地基沉降也得以減??；但并不是墊層厚度越小越好，而是存在一個(gè)合理的墊層厚度，最佳墊層厚度范圍有待進(jìn)一步研究。

3.2 有無(wú)土工格柵對(duì)墊層剛度的影響

圖3為碎石墊層厚度分別為10cm和20cm情況下的有無(wú)土工格柵的荷載與平均沉降的關(guān)系。

圖3 有無(wú)土工格柵的荷載-平均沉降曲線Fig.3 Curves of load-average settlement with or without geogrid

由圖3可以看出：

1）有無(wú)土工格柵碎石墊層的荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線，無(wú)格柵的沉降值要大于有格柵的沉降值。

2）在圖3a中，當(dāng)荷載大于40kPa時(shí)，平均沉降隨著荷載的逐漸增大而增大，且二者的沉降差也隨荷載的增大而增大。隨著荷載的進(jìn)一步增大，平均沉降增加的速率有增大的趨勢(shì)。

3）在圖3b中，當(dāng)荷載小于120kPa時(shí)，沉降隨荷載的增大而增大的趨勢(shì)較一致；當(dāng)荷載大于120 kPa時(shí)，沉降隨荷載的增大而增大，且任意2種工況下的沉降差值隨荷載的不斷增大而增大，隨著荷載的進(jìn)一步增大，沉降差值增加的速率有增大的趨勢(shì)。

4）在相同荷載情況下，結(jié)合表1中格柵與墊層頂面距離的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，土工格柵在碎石墊層中鋪設(shè)位置與墊層頂面距離越大，其沉降值越小。

以上現(xiàn)象表明：1）在一定荷載范圍內(nèi)，碎石墊層中鋪設(shè)的土工格柵能有效發(fā)揮承載性能，其性能要優(yōu)于無(wú)土工格柵的碎石墊層。2）在相同地質(zhì)條件下，碎石墊層中鋪設(shè)土工格柵能有效增加墊層的剛度和減小地基沉降，但存在一個(gè)土工格柵鋪設(shè)的最佳位置，最佳的鋪設(shè)位置有待進(jìn)一步研究。

3.3 土工格柵位置對(duì)墊層剛度的影響

圖4為碎石墊層厚度為20cm時(shí)，不同的土工格柵層數(shù)情況下的荷載與平均沉降關(guān)系。

圖4 不同土工格柵層數(shù)的荷載-平均沉降曲線Fig.4 Curves of load-average settlement of different geogrid layers

由圖4可以看出：

1）在相同的碎石墊層厚度與土工格柵層數(shù)情況下，荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線。

2）在圖4a中，當(dāng)荷載大于120 kPa時(shí)，隨著荷載的逐漸增大，20CMG1-3與其他2種工況之間的沉降差值逐漸增大，沉降增加的速率也隨著荷載的不斷增大而呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)荷載小于100 kPa時(shí)，20CMG1-1和20CMG1-2的沉降差值變化較小；當(dāng)荷載大于100 kPa時(shí)，20CMG1-1和20CMG1-2的沉降都隨荷載的增大而逐漸增大，且隨著荷載的進(jìn)一步增大，二者之間的沉降差值呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。在相同荷載情況下，20CMG1-3比其余2種工況的沉降值要小。

3）在圖4b中，當(dāng)荷載為60～120 kPa且第一層土工格柵位置相同時(shí)，20CMG2-1和20CMG2-2之間的沉降差值隨荷載的逐漸增大而增大，當(dāng)荷載大于120 kPa時(shí)，二者之間的沉降差值逐漸減小。當(dāng)?shù)诙油凉じ駯盼恢孟嗤液奢d小于120 kPa時(shí)，20CMG2-2和20CMG2-3之間的沉降差值隨著荷載的逐漸增大而增大。碎石墊層中鋪設(shè)的第一層土工格柵靠近碎石墊層底部時(shí)的沉降值較小；在相同荷載作用下，2層土工格柵的位置分別接近于碎石墊層的頂部和底部時(shí)，此種工況比其他2種工況的沉降值要小。

以上現(xiàn)象表明：1）在一定荷載范圍內(nèi)，在碎石墊層中鋪設(shè)1層土工格柵時(shí)，隨著荷載的不斷增大，20CMG1-3的沉降比其他2種工況要小，這主要是在碎石墊層中合適的位置鋪設(shè)的1層土工格柵發(fā)揮作用所致；當(dāng)碎石墊層中鋪設(shè)2層土工格柵位置不同時(shí)，隨著荷載的逐漸增大，20CMG2-2的沉降比其他2種工況要小，這主要是在碎石墊層中鋪設(shè)的土工格柵發(fā)揮作用的時(shí)效性所致。2）隨著土工格柵位置的調(diào)整，碎石墊層剛度增強(qiáng)且承載能力得到發(fā)揮，但存在一個(gè)最佳鋪設(shè)層數(shù)，使得土工格柵在碎石墊層中能發(fā)揮較好的墊層剛度和承載性能。土工格柵的最佳鋪設(shè)層數(shù)有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1）在相同荷載作用下，降低墊層厚度能減小地基沉降，但并不是墊層厚度越小越好，而是存在一個(gè)合理的墊層厚度，最佳墊層厚度范圍有待進(jìn)一步研究。

2）在有無(wú)土工格柵情況下，荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線。在相同荷載條件下，從總體來(lái)看，有土工格柵比無(wú)土工格柵碎石墊層的平均沉降值要??；在相同條件下，碎石墊層中由于鋪設(shè)的土工格柵位置的不同，而引起碎石墊層的剛度也不同，且存在一個(gè)土工格柵最佳的鋪設(shè)位置，土工格柵最佳的鋪設(shè)位置有待進(jìn)一步研究。

3）在相同荷載作用下，當(dāng)墊層厚度相同時(shí)，土工格柵的層數(shù)和鋪設(shè)位置不同，會(huì)引起平均沉降出現(xiàn)較大差異。在相同條件下，并不是土工格柵鋪設(shè)的層數(shù)越多，其效果就越好，同樣存在一個(gè)最佳的土工格柵層數(shù)，土工格柵的最佳鋪設(shè)層數(shù)有待進(jìn)一步研究。

[1] 李 冰，劉 杰，何 杰，等.有無(wú)土工格柵-夯實(shí)水泥土楔形樁工作性狀試驗(yàn)研究[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26(2)：24-28. Li Bing，Liu Jie，He Jie，et al. Experimental Research on Bearing Behavior of Rammed Soil-Cement Tapered Pile with or Without Geogrid Cushion[J]. Journal of Hunan University of Technology，2012，26(2)：24-28.

[2] 張 良，羅 強(qiáng)，劉瀟瀟，等. 基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的樁網(wǎng)復(fù)合地基墊層效應(yīng)分析[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，45 (5)：787-793. Zhang Liang，Luo Qiang，Liu Xiaoxiao，et al. Cushion Effect Analysis of Pile-Net Composite Foundation Based on Field Tests[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2010，45(5)：787-793.

[3] 羅 強(qiáng)，劉俊彥，張 良.土工合成材料加筋砂墊層減小軟土地基沉降試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25 (6)：710-714. Luo Qiang，Liu Junyan，Zhang Liang. Application of Geosynthetic-Reinforced Sand Blanket to Settlement Reduction of Soft Ground[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(6)：710-714.

[4] 黃仙枝，豈連生，白曉紅.軟土地基土工帶加筋碎石墊層的應(yīng)力擴(kuò)散研究[J].巖石力學(xué)與工程報(bào)，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.

[5] 劉毓氚，左廣洲，陳福全.加筋墊層應(yīng)力擴(kuò)散特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，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.

[6] 張福海，俞仲泉.平面應(yīng)變條件下土工格室加筋墊層的變形分析[J].巖土力學(xué)，2005，26(增刊1)：241-243.

Zhang Fuhai，Yu Zhongquan. Analysis of Deformation of Geogrid Reinforced Mat Under Plane Strain Condition[J]. Rock and Soil Mechanics，2005，26(S1)：241-243.

[7] 楊明輝，鄧岳保，趙明華. 基于疊梁試驗(yàn)的土工格室墊層剛度確定方法研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2011， 44(11)：87-92. Yang Minghui，Deng Yuebao，Zhao Minghua. Study of Chin Stiffness Test Method of Geogrid Cushion Based on Superposed Beam Theory[J]. China Civil Engineering Journal，2011，44(11)：87-92.

[8] 楊果林，王亮亮. 樁網(wǎng)復(fù)合地基加筋墊層土工格柵變形機(jī)理研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2011，32(5)：8-12. Yang Guolin，Wang Liangliang. Research on the Deformation Mechanism of the Geogrid Reinforced Cushion for Pile-Net Composite Foundation[J]. China Railway Science，2011， 32(5)：8-12.

[9] 馬時(shí)冬. 土工格柵加筋墊層的效果檢驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(3)：490-495. Ma Shidong. Verification of Reinforced Effect on Geogrid Cushion for Foundation Strengthening[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(3)：490-495.

[10]中國(guó)建筑科學(xué)研究院. JGJ 79—2012 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：76-77. China Academy of Building Research. JGJ 79—2012 Technical Code for Building Foundation Treatment[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2012：76-77.

（責(zé)任編輯：徐海燕）

Experimental Study of the Effect of Geogrid Settings on Cushion Stiffness

Huang Lisheng，Liu Jie，He Jie，Yang Qingguang
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

To study the influence law of gravel Geogrid’s effects on the stiffness of grave cushion, cushions of nine different kinds are designed and are carried out static load tests of models respectively. The effects of different thickness of cushion layer, with or without geogrid, the different geogrid layers and different laying position on gravel cushion and reinforced grave cushion deformation are analyzed. The test results indicate that: the decrease of the thickness of cushion layer can effectively reduce foundation settlement; within a certain range of load, the bearing capacity of gravel cushion with geogrids is better than that without geogrid; under the same load, when the thickness of cushion is same, geogrid layers and laying position is different, the gravel cushion stiffness is also different, and there is a best laid layers and laying position. The best geogrid layers and the best laying position need further study.

gravel cushion；geogrid；cushion stiffness；settlement

TU472.3+4

：A

：1673-9833(2014)01-0018-04

2013-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51108176，51078140）

黃禮勝（1986-），男，安徽淮南人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榈鼗幚恚?/p>

E-mail：360509926@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.004