軟土地基土工合成材料加筋堤的理論研究與設(shè)計(jì)方法

汪益敏，徐 超

(1.華南理工大學(xué)a.土木與交通學(xué)院;b.亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640;2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

1 加筋墊層路堤的結(jié)構(gòu)形式

加筋墊層路堤是軟土地基上路堤工程常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，將土工格柵、土工織物或者土工格室等設(shè)置在路堤底部的軟土地基表面，形成加筋墊層，以提高路堤的穩(wěn)定性。其主要的加筋形式如圖1，加筋材料可以是一層或多層，各層筋材間通常鋪設(shè)一定厚度的砂礫材料構(gòu)成加筋墊層。對(duì)于深厚軟土地基，加筋墊層也常常與豎向排水體(袋裝砂井、塑料排水板等)，或豎向增強(qiáng)體(水泥攪拌樁、CFG樁、管樁等)構(gòu)成復(fù)合型加筋路堤。

普遍認(rèn)為加筋墊層可以有效提高軟土地基上路堤的填土高度和路堤穩(wěn)定性，能約束路堤側(cè)向位移和軟基側(cè)向擠出變形，可減小地基的不均勻沉降［1－6］。

加筋墊層路堤在軟土地區(qū)公路、鐵路、水利堤壩等工程建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土工合成材料加筋路堤從理論到實(shí)踐進(jìn)行了廣泛深入的研究，取得了重要的研究進(jìn)展。我國(guó)交通、水利和建設(shè)行業(yè)相關(guān)規(guī)范中，對(duì)軟土地基加筋墊層路堤設(shè)計(jì)方法也作了相應(yīng)的規(guī)定［7－10］。本文將重點(diǎn)對(duì)軟基上直接設(shè)置加筋墊層的路堤破壞機(jī)理、設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行總結(jié)和論述，歸納加筋墊層路堤的特點(diǎn)，總結(jié)已取得的相關(guān)成果和工程實(shí)踐，期望本文的工作能為加筋墊層路堤的理論研究和工程應(yīng)用提供參考。

圖1 加筋墊層路堤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of basal reinforced embankment

2 軟基上加筋墊層路堤的破壞模式和作用機(jī)理

根據(jù)軟土地基上加筋路堤的極限狀態(tài)，軟基上加筋墊層路堤的可能破壞模式如圖2所示［11］。

圖2 軟基上加筋路堤的破壞模式Fig.2 Failure modes of basal reinforced embankment on soft soil

局部破壞(圖2(a))主要發(fā)生在路堤填土內(nèi)部，是由于路堤填土材料強(qiáng)度不足所致;路堤連同加筋地基的圓弧滑動(dòng)破壞(圖2(b))是由于筋材受到的拉力超過(guò)了筋材與土接觸界面的抗剪強(qiáng)度，筋材發(fā)生拔出或拉斷，使得滑動(dòng)面上的抗滑力矩和下滑力矩之比小于臨界安全系數(shù)，導(dǎo)致圓弧破壞發(fā)生;路堤邊坡沿筋材表面?zhèn)认蚧瑒?dòng)(圖2(c))主要是由于路堤填土與筋材之間的摩擦力不足以抵抗所承受的剪應(yīng)力所致，另一方面，如果筋材下地基土的強(qiáng)度過(guò)低，軟土層厚度不大時(shí)，地基軟土也可能相對(duì)于筋材和路堤發(fā)生側(cè)向擠出破壞(圖2(d))，控制這2種破壞模式的關(guān)鍵因素在于筋土界面的剪切強(qiáng)度;對(duì)于深厚軟基，地基承載能力不足，可能導(dǎo)致加筋路堤和軟土地基產(chǎn)生整體承載破壞，發(fā)生深部圓弧滑動(dòng)(圖2(e))。

除了上述破壞模式外，還可能由于加筋路堤變形過(guò)大，以至于超出了其使用要求。這包括2種情況:①加筋材料應(yīng)變過(guò)大;②路堤沉降過(guò)大。如果出現(xiàn)這2種情況將影響道路的正常使用，控制這2種變形破壞的發(fā)生，要求選用剛度較大的加筋材料或結(jié)合其他軟基加固方法對(duì)軟基進(jìn)行加固處理。

周健等［12］利用自制的模型試驗(yàn)設(shè)備，做了一系列加筋地基的模型試驗(yàn)，應(yīng)用數(shù)字照相變形量測(cè)技術(shù)，結(jié)合地基土壓力和基礎(chǔ)的沉降的量測(cè)來(lái)研究加筋地基的加筋機(jī)理和變形破壞模式，試驗(yàn)得出幾種加筋地基的剪應(yīng)變場(chǎng)發(fā)展圖(圖3)。研究認(rèn)為:不同的加筋形式對(duì)地基的承載力具有決定性的影響，短加筋(和基礎(chǔ)寬度等長(zhǎng))也可以取得很好的加筋效果，其破壞模式和有埋深的基礎(chǔ)相似，就是通常所說(shuō)的“深基礎(chǔ)(deep-footing)”效應(yīng);隨加筋長(zhǎng)度增加，加筋效果越來(lái)越好，但是加筋長(zhǎng)度超過(guò)3倍基礎(chǔ)寬度時(shí)承載力提高不大;加筋地基的破壞模式會(huì)因?yàn)榧咏铙w的存在而發(fā)生一定程度的改變，在極限分析過(guò)程中，認(rèn)為加筋地基破壞面和普通地基的破壞面一致的假定明顯不夠合理。

加筋地基“擴(kuò)散層(wide-slab)”理論［13］和“深基礎(chǔ)(deep-footing)”理論［14］較早提出用于解釋加筋地基的作用機(jī)理，并被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛接受。但是，也有大量的研究成果報(bào)道軟基上加筋路堤的現(xiàn)場(chǎng)變形行為與理論分析預(yù)測(cè)結(jié)果存在較大的差別，一些軟土地基加筋路堤工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究成果匯總于表1［15－28］，不難看出，加筋層對(duì)軟土地基上的路堤加筋效應(yīng)受到軟土性質(zhì)、厚度、筋材類型等的影響而差別較大，加筋作用機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。

3 軟基上加筋墊層路堤的設(shè)計(jì)理論

3.1 地基承載力分析

常規(guī)的地基承載力計(jì)算方法通常假定地基強(qiáng)度沿地基深度方向是一個(gè)常量，但是對(duì)于軟土地基，實(shí)際上地基的不排水剪切強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨深度增加而增大，強(qiáng)度增長(zhǎng)特性被忽略容易導(dǎo)致路堤填筑高度設(shè)計(jì)偏于保守。Rowe和Soderman［29］提出了一種考慮地基強(qiáng)度隨深度增長(zhǎng)的加筋路堤地基承載力簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，針對(duì)寬度為b的剛性基礎(chǔ)，地基的極限承載力qu為

圖3 加筋地基的剪應(yīng)變場(chǎng)發(fā)展圖Fig.3 Development of shear strain field in reinforced foundation

對(duì)于加筋路堤(圖4)，b采用等效基礎(chǔ)寬度，大小為

式中:qs為作用在基礎(chǔ)寬度之外地基表面的均布荷載;Nc為承載力系數(shù);Su0為地基土的不排水抗剪強(qiáng)度;B為路堤頂面寬度;H為路堤填土高度;n為路堤邊坡坡比;h*為當(dāng)基礎(chǔ)邊沿處填土壓力γh*等于塑性理論解(2+π)·Su0對(duì)應(yīng)的填土高度，可以按照式(3)求得:

表1 軟土地基上加筋路堤部分工程實(shí)例Table 1 Summary of case histories of reinforced embankments on soft soil

其他符號(hào)見(jiàn)圖4和圖5。

填土高度為H的路堤施加在寬度為b的基礎(chǔ)范圍地基上的平均壓力為

定義承載力安全系數(shù)Fs為

在不排水條件下，給定路堤幾何形狀和地層分布的加筋路堤的安全系數(shù)則可以通過(guò)上述方法計(jì)算得出。同理，也可以計(jì)算得出對(duì)應(yīng)于某一個(gè)承載力安全系數(shù)條件下路堤的填土高度。滿足qu≤Fsqa的最小填土高度即為地基在不排水條件下，路堤充分加筋時(shí)路堤的破壞高度Hu。如果路堤的設(shè)計(jì)高度H超過(guò)了充分加筋路堤的破壞高度(即H≥Hu)，說(shuō)明即使采用充分的加筋措施，也不能為路堤填筑提供充分的穩(wěn)定性，則需要選擇其他的方法(如使用輕質(zhì)填料、塑料排水管或者分階段施工)來(lái)滿足要求。

圖4 剛性基礎(chǔ)下地基承載力的計(jì)算模式Fig.4 Calculation mode of bearing capacity for rigid foundation

關(guān)于軟土地基上加筋墊層路堤的極限填土高度設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題一直存在爭(zhēng)議，近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)該方面的研究也有較多的報(bào)道。

肖媛媛和徐超［30］基于Rowe提出的加筋地基承載力計(jì)算方法，對(duì)某軟土地區(qū)高速公路試驗(yàn)路堤極限填土高度開(kāi)展了研究和分析，軟土地基分布厚度為8 m，計(jì)算得出未加筋路堤的破壞高度約為5.0m，不能達(dá)到設(shè)計(jì)路堤高度要求。采用鋪設(shè)2層高強(qiáng)度土工合成材料進(jìn)行基底加筋處理，每層筋材的最小剛度要求不小于480 kN/m，筋材的應(yīng)變控制在0～8.5%應(yīng)變范圍內(nèi)，在充分加筋條件下路堤破壞高度可以提高到7.1m，提高幅度達(dá)到42%。

徐林榮和彭巨為［31］根據(jù)加筋墊層的應(yīng)力擴(kuò)散理論及筋材摩阻力的減載作用，研究加筋墊層作用下的路堤臨界高度確定方法。將加筋墊層本身視為無(wú)限均布荷載γ0Zn，與應(yīng)力擴(kuò)散后的路堤條形荷載p'一起作為外荷載加在軟土層上，軟土地基中的應(yīng)力簡(jiǎn)化模型如圖5，研究提出了軟基上加筋墊層路堤臨界填筑高度hcrit的計(jì)算表達(dá)式。結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算分析得出:厚7.8 m的軟土層塑料排水板處理后如果在頂部鋪設(shè)一層土工格柵加筋的砂墊層(厚度0.5m)，按變形控制的路堤臨界填筑高度和按穩(wěn)定控制的臨界填筑高度分別提高6.36%和8.74%，如果采用2層土工格柵加筋砂墊層，臨界高度分別提高10.89%和13.51%，認(rèn)為按變形控制的臨界填筑高度要遠(yuǎn)小于按穩(wěn)定控制的臨界填筑高度，建議在路堤填筑階段采用后者進(jìn)行控制。

圖5 軟土地基中點(diǎn)應(yīng)力求解Fig.5 Solving the stress of central point in the soft ground

周志軍和陳昌富［32］引入滑移線法來(lái)改進(jìn)極限分析上限法，推導(dǎo)出一種新的地基極限承載力計(jì)算公式，把路堤破壞寬度作為變量，求解出路堤極限高度，并通過(guò)連云港某軟土地基試驗(yàn)路堤驗(yàn)證，研究得出，采用一層土工織物加筋后，路堤破壞高度由4.04m提高到4.35m，提高幅值為7.67%。

總的看來(lái)，加筋墊層對(duì)于路堤極限填土高度的提高作用受到軟土分布厚度、軟土性質(zhì)、加筋材料的類型、力學(xué)性能、布置方法等諸多因素影響，相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法還值得進(jìn)一步研究。

3.2 極限平衡分析

極限平衡法是計(jì)算分析軟土地基上加筋路堤穩(wěn)定性常用的方法，可用于分析和評(píng)價(jià)軟土地基承載破壞、沿加筋材料接觸界面的側(cè)向滑移破壞、以及路堤與地基圓弧滑動(dòng)破壞［33－38］，被多數(shù)國(guó)家的加筋工程設(shè)計(jì)指南與規(guī)范所接納和采用。

Rowe和Li［39］提出的極限平衡法分析軟土地基上加筋路堤穩(wěn)定性的計(jì)算模型如圖6所示，假設(shè)地基破壞面為圓弧狀，填土路堤的作用力由豎向等代荷載和側(cè)向推力2個(gè)部分組成，加筋材料的作用力沿水平方向分布。

圖6 加筋路堤極限平衡分析模型Fig.6 Model of limit equilibrium analysis for reinforced embankment

如何確定筋材所提供的拉力T是路堤穩(wěn)定分析的關(guān)鍵，Rowe認(rèn)為加筋拉力T=min{T1，T2，T3，T4}，T1～T4定義如下:

(1)T1為填土路堤內(nèi)部推力與地基土－填土界面剪力之和，即

式中:δ為地基土與填土界面的黏結(jié)系數(shù);KA為主動(dòng)土壓力系數(shù)。

(2)T2為加筋的抗拔力，即

式中:σN為作用于加筋上的垂直力所產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力。

(3)T3為受加筋材料強(qiáng)度控制的加筋拉力(以加筋材料不被拉斷為前提)。

(4)T4為受允許應(yīng)變控制的加筋拉力(以不因加筋材料過(guò)大變形而導(dǎo)致路堤破壞為前提)，即

式中:J為加筋應(yīng)變?cè)?～εa之內(nèi)的加筋割線剛度;εa為允許加筋應(yīng)變。

對(duì)于厚層軟基，土工合成材料的作用力視作增加一個(gè)抵抗力，若筋材不被拉斷，則該拉力就是筋材與土的摩擦阻力相應(yīng)的那部分強(qiáng)度，計(jì)算可采用一般圓弧滑動(dòng)的簡(jiǎn)化Bishop條分法進(jìn)行。

當(dāng)?shù)鼗浲翆硬缓駮r(shí)，產(chǎn)生圓弧滑動(dòng)的可能性很小。淺層滑動(dòng)可能有2種形式，如圖7。①路堤土坡的一部分沿筋材的頂面滑動(dòng)，如圖7(a);②路堤土坡的一部分連同部分軟土沿下臥硬層的頂面滑動(dòng)，如圖7(b)。

圖7 淺薄層軟基上加筋堤的穩(wěn)定性驗(yàn)算Fig.7 Stability of reinforced embankment on shallow soft soil foundation

沿筋材頂面滑動(dòng)時(shí)，抗滑安全系數(shù)按式(9)計(jì)算:

式中:PA表示主動(dòng)土壓力;FB表示滑楔底面的抗滑力。該抗滑力根據(jù)土坡填料和筋材不同而不同，但不得大于筋材的容許抗拉力。

沿下臥硬層頂面滑動(dòng)時(shí)，抗滑安全系數(shù)按式(10)計(jì)算:

式中:Pp表示被動(dòng)土壓力;τB表示硬層頂面的抗滑力;Tγ表示筋材的抗拉力。其中，由于被動(dòng)土壓力充分發(fā)揮所需應(yīng)變量遠(yuǎn)大于主動(dòng)土壓力的發(fā)揮，為安全計(jì)，建議以靜止土壓力P0代替。

極限平衡分析加筋路堤的穩(wěn)定性存在一定的問(wèn)題:①所針對(duì)的是加筋路堤處于破壞狀態(tài)的情況，而不是工作狀態(tài)，分析時(shí)假定所有筋材都同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)，發(fā)揮相同的加筋功能，抗力是完全發(fā)揮的，容易引起設(shè)計(jì)保守問(wèn)題;②尋求潛在滑動(dòng)面的整體穩(wěn)定，加筋路堤破壞只在指定的破壞面上發(fā)生，然而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面與土和筋材之間的相互作用不可能用簡(jiǎn)單的楔體或滑動(dòng)面上力的平衡來(lái)描述;③無(wú)法給出加筋路堤中筋材的變形以及應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間的發(fā)展變化過(guò)程，故某些破壞機(jī)理不可能被認(rèn)識(shí)到。

3.3 有限元分析法

采用有限元法分析軟土地基上加筋路堤的穩(wěn)定性，則可以同時(shí)給出加筋路堤施工全過(guò)程中應(yīng)力和變形的發(fā)展，幫助設(shè)計(jì)者分析和判斷路堤施工各階段的工作性狀，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足和采取適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施。因此，有限元法成為了分析和研究軟土地基上加筋路堤變形和穩(wěn)定問(wèn)題熱門(mén)的方法，相關(guān)的科研成果頗為豐富［40－46］。

采用有限元法分析時(shí)，下列因素會(huì)對(duì)分析結(jié)果的正確性產(chǎn)生明顯影響:

(1)本構(gòu)模型:即在計(jì)算中要用到的地基土、路堤填土、加筋材料和筋材與土的接觸界面的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式。合理的本構(gòu)模型對(duì)有限元分析結(jié)果的精度和真實(shí)性至關(guān)重要，根據(jù)已有應(yīng)用有限元分析的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于地基和路堤填土一般采用非線性彈性模型(如鄧肯－張模型)和比較成熟的彈塑性模型(如劍橋模型和修正劍橋模型)，對(duì)于軟土的固結(jié)可以通過(guò)彈塑性模型耦合比奧固結(jié)理論進(jìn)行模擬分析，對(duì)于高靈敏度的軟土則可以采用黏塑性模型;對(duì)于加筋材料，如果蠕變不顯著，大都采用線彈性模型或非線性彈性模型，如果是蠕變敏感的加筋材料，則可以用黏彈性或黏塑性模型來(lái)描述其蠕變和松弛;筋材與土的接觸界面一般采用摩爾－庫(kù)倫模型來(lái)模擬。

(2)土性參數(shù):不同本構(gòu)模型具有不同的計(jì)算參數(shù)，這些參數(shù)應(yīng)盡可能由實(shí)驗(yàn)確定，以經(jīng)驗(yàn)值為參照量，并在實(shí)際中不斷修正和更新。

(3)邊界條件和加荷過(guò)程:邊界條件的簡(jiǎn)化應(yīng)盡可能接近工程實(shí)際施工是分層填筑還是連續(xù)進(jìn)行，是從外緣向里進(jìn)土，還是由里向外推進(jìn)，皆會(huì)有不同的結(jié)果。

4 施工期軟土地基部分固結(jié)對(duì)加筋路堤的影響

研究和實(shí)踐表明，路堤正常施工速度條件下軟土地基會(huì)發(fā)生部分排水固結(jié)，使得軟土地基強(qiáng)度得到改善，路堤極限填土高度得到提高。但是，在通常的加筋路堤設(shè)計(jì)中還是對(duì)此未作考慮。Rowe和Li［39］采用有限元法模擬分析了加筋路堤在不排水條件和部分排水條件下施工的行為特征，給出了2種情況下路堤極限高度與筋材拉伸剛度的關(guān)系曲線。不排水條件下路堤的極限填土高度為2.1m，當(dāng)加筋材料剛度由500 kN/m增加至8 000 kN/m時(shí)，路堤極限高度增加了0.68～1.44m，特別是筋材剛度由500 kN/m增至2 000 kN/m的階段，路堤極限高度的增加幅度最大。當(dāng)考慮路堤填筑速度為1m/月，施工過(guò)程中容許孔隙水壓力消散，進(jìn)行完全耦合分析時(shí)，未加筋路堤的極限填土高度為2.44m，筋材剛度由500 kN/m增加至8 000 kN/m時(shí)的路堤極限高度增幅變?yōu)榱?.71～2.36m。加筋層對(duì)部分排水地基有更好的加筋效果，并且同樣也是在筋材剛度由500 kN/m增至2 000 kN/m的階段，路堤極限高度的增加幅度最大。

當(dāng)路堤采用多階段法施工時(shí)，筋材拉伸剛度J=4 000 kN/m的一階段填筑所獲得的極限填土高度與筋材拉伸剛度J=2 000 kN/m的四階段填筑(每個(gè)階段之間的固結(jié)時(shí)間為9個(gè)月，并且除最終階段外各階段填筑高度的路堤安全系數(shù)保持在1.3)所獲得的極限填土高度相近。結(jié)果反映，用拉伸剛度較大的加筋材料來(lái)加筋軟基上的路堤，可以較有效地縮短施工工期。

此外，加筋層還可以使多階段施工獲得的軟土地基抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)得到進(jìn)一步提高，圖8是一階段填筑后地基達(dá)到95%固結(jié)度(路堤安全系數(shù)為1.3)之后，路堤的極限填土高度相比不排水條件的增加值與筋材剛度的關(guān)系曲線。不難看出，筋材剛度越大，極限填土高度的增量也越大，軟基上路堤填筑中的加筋起到了加速地基土固結(jié)的作用。

圖8 95%固結(jié)度下路堤極限高度增加效果Fig.8 Increment of embankment height under ultimate load in the presence of 95%consolidation

劉春虹等［47］采用有限元法開(kāi)展了軟弱地基上加筋路堤工作特性研究，試驗(yàn)路堤分2階段施工，填筑2m后施工間歇期150d，再往上填筑2m。研究結(jié)果顯示:在未加筋情況下，路堤填筑到4m時(shí)，在軟弱土地基中產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的滑動(dòng)面，路堤發(fā)生破壞。在加筋情況下，由于土工格柵以及砂墊層的加筋作用，約束了路堤的側(cè)向變形，均化了應(yīng)力分布，在土體中未能形成連續(xù)的塑性區(qū)域，路堤能保持穩(wěn)定，加筋路堤分階段施工對(duì)路堤的穩(wěn)定性有明顯的改善作用。

陳振華等［48］以浙江平湖白沙灣至水口治江圍涂一期工程為例，分析了土工格柵加筋聯(lián)合塑料排水板對(duì)提高軟黏土地基上海堤抗滑穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)以及筋材的工作性狀。地基軟土為淤泥質(zhì)黏土，層厚12.0～15.7 m，采用塑料排水板和土工格柵加筋，海堤的總填土高度為8.0m，分5級(jí)填筑。研究認(rèn)為加筋能顯著提高海堤抗滑穩(wěn)定性，加快堆載速度，當(dāng)采用100～200 kN/m拉伸強(qiáng)度的單向土工格柵時(shí)，海堤穩(wěn)定安全系數(shù)提高幅度達(dá)到6%～10%。在海堤正常運(yùn)行過(guò)程中，筋材應(yīng)變量一般不大于3%，極限穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)筋材應(yīng)變量值仍不超過(guò)5%。

5 特殊軟土地基上的加筋路堤

軟弱靈敏黏土是一種特殊軟土，具有黏滯行為特征，使得路堤填筑完成以后，軟基中的超靜孔隙水壓力會(huì)維持一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間不消散，甚至還有可能會(huì)增大，軟弱靈敏黏土地基上路堤填筑完成末期并不一定是土堤失穩(wěn)的最危險(xiǎn)階段。Rowe和Myllerille［20］對(duì)一個(gè)軟弱靈敏黏土地基上的加筋土試驗(yàn)路堤進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究，選用拉伸剛度為J=2 000 kN/m，應(yīng)變10%時(shí)的拉伸強(qiáng)度為200 kN/m的筋材對(duì)軟土地基加筋后，土堤的極限填土高度為6.75m。研究顯示:當(dāng)土堤填筑至6.75m高度時(shí)，筋材的應(yīng)變?yōu)?.8%，已超過(guò)極限平衡分析的設(shè)計(jì)應(yīng)變限度5%，并且填筑結(jié)束后應(yīng)變繼續(xù)增長(zhǎng)，在填筑完163 h后應(yīng)變達(dá)到10%而破裂。土堤填筑結(jié)束一段時(shí)間后，在筋材未破裂之前，土堤坡趾處的變形增長(zhǎng)速度減緩，一旦筋材斷裂，土堤坡趾處的變形突然加速，路堤滑塌。這個(gè)實(shí)例表明，對(duì)于軟弱靈敏黏土，測(cè)定不排水抗剪強(qiáng)度的剪切速率不能隨便選擇，土堤填筑結(jié)束時(shí)并非最危險(xiǎn)狀態(tài)，土堤很可能在填筑結(jié)束后的一段時(shí)間發(fā)生破壞。在填筑結(jié)束后，由于蠕變和應(yīng)力松弛，土體強(qiáng)度的發(fā)揮隨時(shí)間而降低，當(dāng)達(dá)到最低不排水強(qiáng)度時(shí)，即處于穩(wěn)定性最低的危險(xiǎn)階段。在此之后，由于地基的固結(jié)作用，有效應(yīng)力增加，并可抵消蠕變和松弛的影響，應(yīng)變速率隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低。

應(yīng)變速率對(duì)軟弱靈敏黏土地基上的加筋路堤穩(wěn)定性的影響非常重要，一些剪切試驗(yàn)在高應(yīng)變速率下開(kāi)展，可能高估了土的不排水抗剪強(qiáng)度，如何在設(shè)計(jì)中對(duì)軟弱靈敏黏土的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行合理修正還值得進(jìn)一步研究。

6 加筋材料的蠕變特性對(duì)加筋路堤的影響

眾所周知，土工合成材料具有黏滯特性，對(duì)于土工合成材料加筋路堤，由于受到加筋材料和軟黏土地基的時(shí)效性影響，它的工程性狀也具有時(shí)效性。Li和Rowe［39］通過(guò)2個(gè)試驗(yàn)路堤的對(duì)比研究，揭示了加筋材料的蠕變對(duì)軟基上填土路堤工程特性的影響作用。第1個(gè)路堤采用單向HDPE土工格柵加筋，筋材具有黏彈性變形行為特征，5%應(yīng)變時(shí)的寬帶拉伸剛度為J5%=1 940 kN/m，極限拉伸強(qiáng)度Tult=166 kN/m，在40%極限拉伸強(qiáng)度作用力下拉伸20個(gè)月發(fā)生的蠕變應(yīng)變?yōu)?%。第2個(gè)路堤采用彈性加筋材料，其剛度為J=1 940 kN/m，與第1個(gè)路堤的筋材拉伸剛度大小相等，但是為非黏滯性材料，2個(gè)路堤的填土速率均為10m/月。研究發(fā)現(xiàn)，第1個(gè)路堤的極限填土高度為4.88 m，路堤破壞時(shí)筋材的應(yīng)變?yōu)?.3%，此時(shí)筋材發(fā)揮的拉應(yīng)力為67 kN/m，遠(yuǎn)小于筋材的極限拉伸強(qiáng)度(Tult=166 kN/m)，這表明加筋路堤設(shè)計(jì)中不宜直接采用極限拉伸強(qiáng)度來(lái)計(jì)算安全系數(shù)。第2個(gè)路堤的極限填土高度為5.7 m，筋材的破壞應(yīng)變?yōu)?.4%，此時(shí)，筋材發(fā)揮的拉應(yīng)力為182 kN/m，可見(jiàn)，土工格柵筋材的黏滯行為對(duì)路堤的極限高度以及筋材發(fā)揮的最大應(yīng)變和抗拉力均有明顯的影響，由于筋材的黏滯性使得加筋路堤極限填土高度降低了14%。

胡利文［49］對(duì)深圳河反濾土工織物的長(zhǎng)期研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)4 a運(yùn)行，強(qiáng)度損失約50%，主要集中在施工期及開(kāi)始運(yùn)行期約半年時(shí)間，其后強(qiáng)度的長(zhǎng)期損失率為0.26%/月。由路基穩(wěn)定計(jì)算方法可以知道，加筋材料抗拉強(qiáng)度下降后，填土路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)將會(huì)降低。經(jīng)驗(yàn)算，按照土工布強(qiáng)度損失50%考慮，則試驗(yàn)路基的穩(wěn)定安全系數(shù)將降低了6.5%。

張功新等［50］結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，研究分析了在高速公路軟基處理中使用土工合成材料會(huì)對(duì)路堤長(zhǎng)期穩(wěn)定性及工后沉降產(chǎn)生負(fù)面影響。土工合成材料的長(zhǎng)期強(qiáng)度損失及模量的降低會(huì)降低路堤的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。土工合成材料的長(zhǎng)期變形和松弛對(duì)工后沉降也會(huì)產(chǎn)生一定的不利影響。某高速公路試驗(yàn)段實(shí)測(cè)資料表明，路堤中鋪設(shè)一層土工布時(shí)，其蠕變和松弛對(duì)路堤工后沉降造成的不利影響可忽略不計(jì);然而，當(dāng)路堤中鋪設(shè)2層土工布時(shí)，其長(zhǎng)期變形和模量降低導(dǎo)致路堤工后沉降增加了約40～50mm。

李冬雪等［51］基于有限差分?jǐn)?shù)值分析方法，對(duì)不同工況條件下由土工格柵蠕變所造成的路堤加筋結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明:在不同工況條件下，土工格柵蠕變對(duì)加筋路堤結(jié)構(gòu)物變形的影響顯著;路基頂面沉降量、路基側(cè)向位移和加筋材料蠕變應(yīng)變與路基高度呈正比例關(guān)系，與邊坡坡率、筋材彈性模量呈反比例關(guān)系。

土工合成材料加筋層的蠕變和松弛作用對(duì)路堤的極限高度和變形均會(huì)產(chǎn)生影響，也有可能使地基的剪切變形增大，因此，應(yīng)當(dāng)慎重采用蠕變敏感的加筋材料對(duì)軟基上的土堤進(jìn)行加筋。

7 結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)軟基上加筋墊層路堤技術(shù)研究的總結(jié)和回顧，對(duì)我國(guó)軟土地基上的墊層加筋路堤設(shè)計(jì)技術(shù)提出如下總結(jié)和建議:

(1)加筋墊層應(yīng)用于軟土地基路堤工程中可以明顯地提高路堤極限填土高度，增強(qiáng)路堤的穩(wěn)定性，縮短路堤施工時(shí)間，為軟土地基路堤工程設(shè)計(jì)提供了一種更為經(jīng)濟(jì)有效的方法。

(2)加筋墊層路堤的工程特性與所使用的筋材剛度、軟土地基的部分固結(jié)以及地基強(qiáng)度沿深度方向的增長(zhǎng)情況等密切相關(guān)。合理的筋材剛度與恰當(dāng)?shù)穆返烫钪俣认嘟Y(jié)合可以使筋材加筋效應(yīng)得到最大程度的發(fā)揮。在路堤施工過(guò)程以及工后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，隨著地基的固結(jié)，筋材的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)會(huì)不斷發(fā)生調(diào)整，如果不能正確認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)筋材受力和變形隨時(shí)間的演變規(guī)律，則很可能無(wú)法保證軟基上加筋路堤的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

(3)筋材的剛度和地基不排水抗剪強(qiáng)度隨深度增長(zhǎng)的特性對(duì)加筋路堤的穩(wěn)定性具有明顯的影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)予以重視和考慮。

(4)軟弱靈敏黏土的黏滯行為特征使得加筋路堤在填筑結(jié)束后地基土的蠕變變形和超靜孔隙水壓力均可能增加，維持穩(wěn)定所需的加筋力和筋材應(yīng)變可能會(huì)增大，此種情況下，加筋路堤最危險(xiǎn)的階段不是在路堤填筑施工期末，而是發(fā)生在填筑結(jié)束后的一段時(shí)間，甚至是交工驗(yàn)收后若干年，常規(guī)的不考慮時(shí)間因素的穩(wěn)定分析，并不能完全控制工程的臨界狀態(tài)。國(guó)外在工程設(shè)計(jì)中已開(kāi)始考慮這種情況，我國(guó)對(duì)此研究幾乎還是空白狀態(tài)，因此，有必要結(jié)合我國(guó)土工合成材料加筋路堤工程特點(diǎn)開(kāi)展系統(tǒng)的相關(guān)研究。

(5)我國(guó)軟土地基加筋墊層路堤設(shè)計(jì)方法在公路、鐵路、水利、房建等行業(yè)規(guī)范中有簡(jiǎn)單的規(guī)定，但內(nèi)容不夠全面，相互間缺乏統(tǒng)一與協(xié)調(diào)，有必要從軟土加筋工程的實(shí)際情況出發(fā)，集中各行業(yè)研究力量，對(duì)需要解決的問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究，并將各行業(yè)的規(guī)范之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，修訂和制定反映我國(guó)土工合成材料與加筋工程特點(diǎn)和研究水平的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范。

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