土工格室處理軟弱路基的沉降機(jī)理與應(yīng)用分析

王佳佳　胡　仲　李良吉*

(中建五局第三建設(shè)有限公司市政分公司，湖南 長沙　410000)

土工格室作為一種新型的三維土工合成材料，具有質(zhì)輕、耐磨、運(yùn)輸方便等特點(diǎn)[1-3]，當(dāng)在土工格室中加入填充砂、黏土、礫石等材料時，就會形成具有超強(qiáng)的側(cè)向與大剛度的柔性結(jié)構(gòu)層，其廣泛應(yīng)用于巖土工程、市政道路工程、水利工程等[4,5]。在路基工程中鋪設(shè)土工格室，可將荷載擴(kuò)散、動應(yīng)力水平降低、路基剛度提高。

新建瀟湘北路位于湘江河畔，道路規(guī)劃區(qū)多為農(nóng)田、沼澤等軟基地帶，為了改善與提高路基承載力，防止不均勻沉降，決定采用土工格室進(jìn)行處理。本文以長沙市望城區(qū)一路一園項目為依托，通過對土工格室工程相關(guān)試驗的總結(jié)，提出土工格室提高路基承載力的機(jī)理進(jìn)行研究，從力學(xué)角度分析土工格室加筋墊層與路基之間的加固作用，并在不同因素條件下對土工格室加筋路基進(jìn)行研究探討，為現(xiàn)場實際施工起到一定的指導(dǎo)性作用。

1　試驗概述

1.1　試驗內(nèi)容

本次模型試驗是以長沙市望城區(qū)瀟湘北路修建中用土工格室進(jìn)行路塹軟弱路基加固而開展的一項科學(xué)研究。研究內(nèi)容包括：不同壓實度、格室高度對土工格室加固層路基承載力及變形特征的影響。

1.2　試驗方案

本次試驗采用的模型槽規(guī)格為長2.0 m，寬1.25 m，高1.0 m，模型槽采用角鋼進(jìn)行焊接而成，為了便于觀察，在模型槽兩側(cè)安裝有機(jī)玻璃，而兩段分層安裝擋板，內(nèi)層并設(shè)有隔水層，防止含水率變化，并在模型槽上裝備加載裝置，加載設(shè)備為油壓千斤頂，模型簡圖如圖1所示。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1　不同壓實度填料對土工格室加固層路基承載力的分析

通過模型槽，采用承載板靜載試驗方法[6]，得到試驗結(jié)果，如圖2，圖3所示，結(jié)果表明：當(dāng)填土壓實度從84%增加至93%時，路基承載力從90 kPa～100 kPa增強(qiáng)至270 kPa～280 kPa。這是因為不同壓實度情況下的填料顆粒之間排列緊密程度有所不同，壓實度越大，其顆粒間排列越緊密，顆粒分子間作用力就越大，其抵抗變形的能力就越強(qiáng)，從圖2，圖3中還可看出，隨著沉降的繼續(xù)，承載力就越大。曲線斜率越來越平緩，路基承載力趨近于某一值，但隨著壓實度的增大，這種曲線斜率趨于某一值越不明顯，這表明，隨著壓實度的逐漸增大，路基承載力增大，而路基承載力趨于某一值越不明顯。這是由于在土工格室與填料形成的加筋復(fù)合結(jié)構(gòu)層當(dāng)中，填料壓實度越高，將提高結(jié)構(gòu)層的抗剪強(qiáng)度，從而加強(qiáng)了土工格室側(cè)向約束力、格室側(cè)壁與填料之間的摩擦力，增大了路基土與填料間摩擦力、黏聚力，防止加筋復(fù)合結(jié)構(gòu)層中滑動面的形成和發(fā)展，因此促進(jìn)了土工格室筏形基礎(chǔ)的作用，提高了其路基承載力。

2.2　不同格室高度對土工格室加固層路基承載力的分析

為了研究格室高度對土工格室加固層路基承載力的影響，試驗控制在同一壓實度93%，同一填土情況下，依據(jù)試驗?zāi)Ｐ统叽邕x擇了土工格室尺寸2 m(長)×1.25 m(寬)，同一焊距，格室高度H分別為50 mm,100 mm,150 mm，200 mm,250 mm的土工格室進(jìn)行試驗分析，試驗結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，同一條件下，土工格室的格室高度越大，同一荷載下其路基發(fā)生沉降越小，即土工格室加固層路基承載力隨格室高度的增大而增大。這是因為土工格室高度越高，同一格室內(nèi)土體與格室接觸面積就越大，格室對軟弱層土體的側(cè)向約束力就越大，因而加固層路基承載效果越好。

但從圖4中，還可發(fā)現(xiàn)格室高度從100 mm增加至150 mm時，其路基承載力增加較大，而超過150 mm之后隨著格室高度的繼續(xù)增加其路基承載力依然增大，但增大幅度減小，說明格室高度為150 mm加固層路基承載力的“性價比”最高。這是因為，當(dāng)格室高度增大到一定值時，雖然路基土體與接觸面積增大，承載效果也增強(qiáng)，但因壓實效果隨土層厚度的增加有所降低，所以導(dǎo)致其他格室高度的加固層路基承載力“性價比”反而不如格室高度150 mm的加固層路基。

2.3　不同格室焊距對土工格室加固層路基承載力的分析

本文2.2節(jié)得到的“高性價比”格室高度150 mm，而為了進(jìn)一步探討焊距對土工格室加固層路基承載力的影響，試驗同樣控制在同一壓實度93%，同一填土情況下，依據(jù)試驗?zāi)Ｐ统叽邕x擇了土工格室尺寸2 m(長)×1.25 m(寬)，格室高度150 mm，格室焊距L分別為300 mm,400 mm,450 mm,500 mm,550 mm,600 mm的土工格室進(jìn)行試驗分析，試驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，同一條件下，焊距在350 mm～600 mm之間時，土工格室加固層路基在同一荷載作用下，焊距越小，產(chǎn)生沉降變形越小，即焊距越大，土工格室加固層路基承載力越小。

圖5中隨著沉降的增大對應(yīng)的荷載值趨于平穩(wěn)，而為了更好的描述焊距影響土工格室路基承載力的情況，現(xiàn)取沉降S=35 mm所對應(yīng)的承載荷載值為分析對象，繪制出圖6，從圖6中可以看出，焊距與路基承載力呈非線性關(guān)系，即隨著焊距的增大，路基承載力先呈線性降低，而在焊距500 mm增大至550 mm時，路基承載力降低較快，說明焊距500 mm為曲線的臨界值，其“性價比”與其他焊距相比更高。

綜上試驗得到，同一壓實度、格室尺寸、填土材料條件下，格室高度150 mm，焊距500 mm加固后的路基承載力“性價比”最高，最能達(dá)到節(jié)約經(jīng)濟(jì)效果。

3　土工格室現(xiàn)場實際工程應(yīng)用分析

通過試驗?zāi)Ｐ偷玫阶罴选靶詢r比”的格室高度與焊距，而為了探討土工格室處理后的路基實際強(qiáng)度特性是否能達(dá)到設(shè)計要求，將通過現(xiàn)場壓實度、沉降檢測試驗進(jìn)行檢驗。

現(xiàn)以瀟湘北路K12+280處大面積軟弱路基為對象，根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》[7]及設(shè)計要求：壓實度需不小于93%、路基沉降不得超過30 cm。通過現(xiàn)場試驗對焊距×高度為500 mm×150 mm,550 mm×150 mm,500 mm×100 mm,450 mm×150 mm,500 mm×200 mm處理后的軟弱路基壓實度、沉降量進(jìn)行檢測對比，試驗檢測結(jié)果如表1，表2所示。

表1　不同焊距、高度處理后的路基壓實度檢測表

表2　不同焊距、高度處理后的路基沉降檢測表

通過表1，表2分析可知,不同焊距、高度處理后的軟弱路基壓實度、沉降值當(dāng)中焊距×高度為500 mm×150 mm檢測點(diǎn)數(shù)全部合格，且平均壓實度達(dá)到94.05%、平均沉降19.61 cm；而焊距×高度為550 mm×150 mm與500 mm×100 mm均存在壓實度不合格的點(diǎn)。焊距×高度為450 mm×150 mm與500 mm×200 mm壓實度、沉降值均合格，但與500 mm×150 mm相比，其壓實度與沉降值滿足要求的效果不明顯。

綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、規(guī)范及設(shè)計要求，綜上所述，得到本工程實際施工中最佳格室高度與焊距，并且對土工格室處理軟弱路基施工具有一定的推廣與指導(dǎo)意義，同時對相似工程起到借鑒作用。

4　結(jié)語

本文通過不同壓實度、格室高度、焊距對土工格室加固路基承載力進(jìn)行模型試驗研究，得出相關(guān)結(jié)論，并通過現(xiàn)場實際試驗檢測進(jìn)行驗證，得到主要結(jié)果如下：

1)同一條件下，土工格室加固層中填土壓實度從84%增加至93%時，路基承載力從90 kPa～100 kPa增強(qiáng)至270 kPa～280 kPa，得到在土工格室加固層中壓實度對路基承載力影響較大。

2)研究格室高度、焊距對土工格室加固層影響時，得到格室高度越大、焊距越小，土工格室處理后的軟弱路基承載力越大，但格室高度為150 mm時、焊距為500 mm時，其“性價比”最高。

3)通過現(xiàn)場不同格室高度、焊距處理后的路基實際壓實度、沉降值進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，焊距×高度為500 mm×150 mm時處理過的軟弱路基滿足壓實度不小于93%、沉降量小于30 cm的實際要求，且又能達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)約的效果。

參考文獻(xiàn):

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[7]JTG D30—2015，公路路基設(shè)計規(guī)范[S].