軟土地基土工格柵加筋墊層效果影響因素分析

師 歌

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

由于加筋的存在，土體抗剪強(qiáng)度、穩(wěn)定性得到提高，但強(qiáng)度的提高受各種因素的制約，為了分析加筋砂墊層處理軟土地基作用機(jī)理及加筋效果，合理有效的布置筋材，提高地基承載力，本文對(duì)條形基礎(chǔ)下加筋墊層各影響因素分別作了計(jì)算，以分析地基內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的分布。

2 計(jì)算模型

在本文有限元分析中，將平面加筋材料土工格柵確定為線彈性的本構(gòu)關(guān)系，每層土工格柵及上下接觸土體填料之間均設(shè)置了接觸對(duì)模擬其筋土接觸效用。地基計(jì)算寬度30 m，深度10.2 m，縱向取1 m。假設(shè)條形基礎(chǔ)無埋深，設(shè)置厚度1.4 m、寬12 m砂墊層，內(nèi)部鋪設(shè)6 m長(zhǎng)的筋材，以下為軟土地基。z0表示首層筋材鋪設(shè)深度(距地表)，B表示基礎(chǔ)寬度，本文中均保持不變?yōu)? m。均布荷載為p，加筋層數(shù)為n，筋材間距為z。土層物理力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)資料取值，土工格柵力學(xué)參數(shù)采用彈性模量。邊界條件為沿基礎(chǔ)寬度方向兩側(cè)約束，地基底面豎直方向約束，沿條形基礎(chǔ)縱向?yàn)閄軸方向約束，地基上表面自由，均布荷載。

3 土工合成材料加筋地基的三維有限元分析

3.1 加筋深度的影響

3.1.1 首層加筋深度影響

為了研究最靠近基底第一層筋材的鋪設(shè)深度，取地基承載力(本文采用相同的荷載步下各模型收斂時(shí)最后一級(jí)荷載)衡量其影響。表1為僅有一層土工格柵時(shí)鋪設(shè)在不同深度z0/B=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 時(shí)及無筋材模型，程序收斂時(shí)的前一級(jí)荷載，以及對(duì)應(yīng)于該荷載的沉降值。

表1 不同深度處的承載力及對(duì)應(yīng)的沉降值

由表1可以看出，z0/B=0.2時(shí)承載比最高，而當(dāng)z0/B=1時(shí)，加筋地基與未加筋時(shí)極限荷載沒有增加，但沉降值減小了33.7%。當(dāng)z0/B=1.2時(shí)，承載比反而降低，說明土工格柵埋設(shè)過深，就不會(huì)干擾地基破裂面的形成，從而導(dǎo)致墊層土體的剪切破壞發(fā)生在筋材上方，承載力反而低于未加筋地基［1，2］。如上分析得出的 BCR 的范圍為1.34～2.34。

3.1.2 不同荷載等級(jí)作用下土工格柵作用效果

為了研究各荷載等級(jí)作用下土工格柵發(fā)揮作用的程度，研究了25 kPa，50 kPa，75 kPa時(shí)墊層底面豎向位移。

表2 不同荷載等級(jí)時(shí)各模型的豎向位移

由圖1，表2可以看出，各級(jí)荷載下，各模型墊層底面豎向位移曲線均類似拋物線狀，不加土工格柵的曲線離基礎(chǔ)中線越近越陡峭，基礎(chǔ)中心下對(duì)應(yīng)點(diǎn)豎向位移最大。而加筋的曲線平緩很多，有效的約束了散體材料的豎向變形。各參數(shù)不變，僅改變荷載大小以及筋材鋪設(shè)深度，均以z0/B=0.2時(shí)的加筋效果最佳，且隨著荷載增大，減少程度增強(qiáng)。

圖1 墊層底面豎向位移（p=25 kPa）

本文還分析了同樣荷載條件下(取75 kPa)，各加筋深度工況下，地基位移、應(yīng)力變化。由計(jì)算可以得出，豎向位移均發(fā)生在基礎(chǔ)中心處，加一層土工格柵，位于z0/B=0.2處時(shí)，基底沉降值為8.62 mm，與未加筋地基相比基礎(chǔ)中心沉降14.92 mm相比，減少了42.2%。且沉降趨于均勻，地基內(nèi)的側(cè)向位移較大的區(qū)域縮小，尤其是基礎(chǔ)下方附近的土體側(cè)向位移有顯著減少，σy分布與未加筋相比，更加均勻。在下臥軟土層范圍內(nèi)σy，也較未加筋減少很多，附加應(yīng)力減少了55.3%。

因篇幅所限，此處僅將未加筋地基與加筋位置為z0/B=0.4的地基中墊層底面水平面上的剪應(yīng)力分布圖繪出，見圖2。由圖2可以看到，在加筋地基中，該水平面上的剪應(yīng)力比未加筋平緩了許多，加筋后在基礎(chǔ)邊緣處剪應(yīng)力未出現(xiàn)峰值，而是在距離基礎(chǔ)中線3.5 m處達(dá)到峰值，較為加筋減少69%，相當(dāng)于增加了基礎(chǔ)寬度。

3.2 加筋層數(shù)的影響

為了研究筋材層數(shù)對(duì)加筋墊層加筋效果的影響規(guī)律，分別研究分析無加筋、1層筋材～6層筋材時(shí)，對(duì)應(yīng)的加筋效果的變化規(guī)律。筋材間距均固定為0.2 m。

3.2.1 地基不同加筋層數(shù)的豎向位移比較

圖2 墊層底面水平面上的剪應(yīng)力分布

以上七組模型其余參數(shù)不變，程序收斂時(shí)前一級(jí)荷載如表3所示。

表3 不同加筋層數(shù)程序收斂時(shí)荷載大小

當(dāng)荷載等級(jí)為105 kPa時(shí)，進(jìn)行各參數(shù)的比較:未加筋地基表面基礎(chǔ)兩側(cè)產(chǎn)生了隆起現(xiàn)象，最大隆起高度為1.39 m，而在加1層筋材時(shí)，即顯著減少了鼓起的程度，發(fā)生隆起的范圍減少很多，增加了地基抵抗變形的能力，改變了地基的位移場(chǎng)，同等深度處的變形量顯著小于未加筋地基。基礎(chǔ)中點(diǎn)下對(duì)應(yīng)點(diǎn)的豎向位移及減小幅度如表4所示。

表4 墊層底面中心處的豎向位移比較表

可以看到，鋪設(shè)土工格柵之后，減少豎向位移的程度都有不同程度的增加，減少程度百分比隨加筋層數(shù)的增加呈上升趨勢(shì)，在n=3～4時(shí)達(dá)到較大值，然后，趨勢(shì)變緩，即在其他參數(shù)不變的情況下，僅靠增加筋材層數(shù)，對(duì)減少地基豎向位移和差異沉降的貢獻(xiàn)逐步增大，但超過某最佳值后，豎向位移減少程度并不可觀，會(huì)造成筋材的浪費(fèi)，并且在軟土地基中，開挖困難，開挖換填砂墊層的厚度不宜過大［3］。

3.2.2 不同加筋層數(shù)的側(cè)向位移比較

取基礎(chǔ)邊緣以下各深度處的側(cè)向位移對(duì)加筋層數(shù)對(duì)加筋效果的影響做比較，各筋材層數(shù)側(cè)向位移如圖3所示。

分析計(jì)算表明，加鋪土工格柵對(duì)地基的位移場(chǎng)有調(diào)整作用，且對(duì)側(cè)向位移影響顯著，對(duì)下臥軟土層具有調(diào)整應(yīng)力，均化應(yīng)力的作用，且絕對(duì)數(shù)值較未加筋而言大約減半，即起到了減載作用。隨著筋材層數(shù)的增加，分布的范圍更廣，且基礎(chǔ)下方的σz越來越小，相當(dāng)于寬板效應(yīng)，加筋層數(shù)增至6層時(shí)，中心的應(yīng)力減少有限，從此角度分析，筋材層數(shù)仍存在最佳值，本文建議為3層～4層。

同樣，計(jì)算模擬得出，加筋地基較未加筋地基的橫向應(yīng)力與剪應(yīng)力符合相同的變化規(guī)律，加筋土體剪應(yīng)變較大區(qū)域顯著減小，并下移，即加筋墊層相當(dāng)于給基礎(chǔ)增加了一個(gè)埋深，即深基礎(chǔ)效應(yīng)。

圖3 各筋材層數(shù)側(cè)向位移

3.3 加筋間距的影響

為分析加筋間距，分析了不同加筋間距如0.2B，0.4B時(shí)加筋效果的影響。當(dāng)其他影響因素不變時(shí)，加筋間距為z/B=0.4時(shí)的加筋地基的豎向位移、側(cè)向位移都小于間距為0.2 m的加筋地基、地基內(nèi)的豎向應(yīng)力分布更為均勻，加筋效果較好。

3.4 加筋模量的影響

隨著筋材模量增加，土體側(cè)向位移減小，然而當(dāng)模量持續(xù)增加至3 GPa時(shí)，側(cè)向位移的減少量已經(jīng)很小，模量為2 GPa與3 GPa時(shí)側(cè)向位移等值線圖完全相同，因此，選取土工格柵時(shí)，可選取模量較高的土工格柵來改善加筋效果，但不宜超過2 GPa，否則將造成浪費(fèi)。

4 結(jié)論及展望

通過分析，可知在首層加筋深度為0.2B，多層加筋時(shí)4層土工格柵加筋地基效果最好。同樣首層加筋深度情況下，筋材間距為0.4B時(shí)加筋效果較好;隨著筋材模量的增加，效果越好，但增大到一定值時(shí)效果不再增加。提出展望如下:

1)可結(jié)合大比例尺的模型試驗(yàn)，與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為進(jìn)一步的分析設(shè)計(jì)研究工作提供可信的計(jì)算參數(shù)。2)對(duì)于新型的布筋形式如豎向、斜向以及立體加筋，或隨著優(yōu)質(zhì)新型土工合成材料如土工格室的出現(xiàn)，預(yù)張拉等加筋形式的效果及機(jī)理還需各方面的深入研究。3)可分析模擬不同基礎(chǔ)形式墊層的工作性狀影響因素。

［1］Yeo Won Yoon，Sun Han Cheon，Dae Seong Kang.Bearing capacity and settlement of tire-reinforced sands［J］.Geotextiles and Geomembrances，2003，21(3)：1-15.

［2］Yetimugtu.T.，Wu.J.T.H.，Saglamar.A.Bearing capacity of rectangular footings on geogrid-reinforced sand［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1994，120(12)：2083-2099.

［3］喻澤紅，鄒銀生，工貽蓀.加筋地基豎向位移分析［J］.工程力學(xué)，2004，21(6)：72-76.