基于預(yù)應(yīng)變加筋土復(fù)合體力學(xué)特性試驗(yàn)研究

匡希龍，雷鳴，黃筑強(qiáng)

(長沙學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410022)

1 概述

土工合成材料為一種新型加筋材料，有著優(yōu)異的工程特性。將土工合成材料埋入填土中，通過其承受抵抗土體的水平土壓力約束土體側(cè)向變形來加強(qiáng)土體穩(wěn)定性，還可以控制沉降及不均勻沉降。土工加筋結(jié)構(gòu)以施工簡單快捷和造價(jià)低的特點(diǎn)，在公路工程中得到了廣泛應(yīng)用。

工程實(shí)踐證明：土工合成材料的加筋效果與設(shè)計(jì)及施工方法密切相關(guān)。Rowe & Soderman通過監(jiān)測施工過程中的筋材應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)在填土高1 m以前，筋材應(yīng)變接近于零，在填土高1～2 m間，筋材應(yīng)變逐漸增加，但也只達(dá)1%。可見，在工作狀態(tài)下筋材的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)未發(fā)揮，即在常規(guī)的施工過程中，要使其完全達(dá)到理想的受力狀態(tài)是較困難的。為此，在上覆土體填筑之前，對土工筋材施加外力使其拉伸，讓筋材的受力盡量往理想狀態(tài)靠攏，從而提高加筋效果是可能的。預(yù)應(yīng)變加筋法正是基于這種想法而提出。該文對非加筋路堤、常規(guī)加筋路堤、預(yù)應(yīng)變加筋路堤3種工況進(jìn)行室內(nèi)對比試驗(yàn)，以揭示預(yù)應(yīng)變加筋對約束路堤側(cè)向變形及控制路堤沉降效果，為大力推廣預(yù)應(yīng)變加筋技術(shù)提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)選用的土樣為粗粒組中的粗砂，原始土樣物理參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 原始土樣物理參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場情況，特選用抗拉強(qiáng)度和抗拉模量較大的土工網(wǎng)，試樣尺寸長500 mm、寬70 mm，標(biāo)定長度35 mm，室溫10 ℃，采用萬能試驗(yàn)機(jī)張拉，測試速度為1 mm/min，測得其主要物理力學(xué)性能如表2所示。

表2 土工網(wǎng)基本性能

2.2 試驗(yàn)過程及注意事項(xiàng)

2.2.1 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1) 保證非加筋路堤、常規(guī)加筋路堤、預(yù)應(yīng)變加筋路堤3種工況下的壓實(shí)度一致，為此，在分層壓實(shí)中，嚴(yán)格控制分層高度和填土的量，且先用混凝土震動(dòng)機(jī)壓平，再用電動(dòng)震動(dòng)機(jī)夯實(shí)，土工試驗(yàn)箱四周再人工錘實(shí)兩遍；同時(shí)，從試驗(yàn)正式開始到試驗(yàn)結(jié)束，持續(xù)的時(shí)間要相同。

(2) 在加筋過程中，必須注意筋材的反包效果，為此，在路堤坡腳、坡面及坡頂，用鋼釬進(jìn)行固定，使筋材緊緊包裹土體。

(3) 在預(yù)應(yīng)變加筋過程中，必須控制筋材的變形在其彈性范圍內(nèi)，避免筋材人為受到破壞，為此，筆者結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)土工合成材料蠕變特性的試驗(yàn)研究，對這一重要問題進(jìn)行了長達(dá)3年的室內(nèi)蠕變試驗(yàn)，文獻(xiàn)[11]合理提出了土工網(wǎng)在長期強(qiáng)度條件下預(yù)應(yīng)變值ε=6.29%～10.86%。此外，為防止預(yù)應(yīng)變加筋放張過程中的預(yù)應(yīng)變損失，放張之前，在路堤坡腳處打入兩排0.8 m長的鋼釬進(jìn)行錨固。

2.2.2 試驗(yàn)過程

此次試驗(yàn)土工加筋材料設(shè)置在土工箱的中部，離底面1 m的位置。土工試驗(yàn)箱的尺寸為長1.5 m、寬1.0 m、高1.7 m，造型如圖1所示。在土工試驗(yàn)箱中部(前后面)設(shè)置了一個(gè)縫隙，用于放置土工加筋材料，縫隙的尺寸為高1 cm、寬1.0 m。加筋材料一端用夾具固定，一端采用傳力軸承(摩阻力很小，可以忽略)，將下部砝碼框中的荷載傳遞給加筋材料，從而產(chǎn)生預(yù)拉應(yīng)力。

注：1.下層壓實(shí)土樣；2.中層壓實(shí)土樣；3.上層壓實(shí)土樣；4.模型箱；5.帶刻度的有機(jī)玻璃；6.預(yù)應(yīng)變筋材；7.后夾具；8.螺栓；9.前夾具；10.軸承；11.軸承支架；12.固定釬；13.有機(jī)玻璃橫向定位板；14.有機(jī)玻璃外定位板；15.有機(jī)玻璃下固定板；16.鋼絲繩；17.砝碼框；18.砝碼；19.百分表架連接板。

圖1 土工材料預(yù)應(yīng)變張拉室內(nèi)裝置圖

(1) 填土壓實(shí)。每次稱取約300 kg土，推平土表面，先用混凝土震動(dòng)機(jī)壓平，再用電動(dòng)震動(dòng)機(jī)夯實(shí)，土工試驗(yàn)箱四周再人工錘實(shí)兩遍，用環(huán)刀法測得密度為1.932 g/cm3。分層填筑，填筑至100 cm高處時(shí)，去除表面浮土，在東南西北4個(gè)方位埋設(shè)下層4個(gè)土壓力盒(圖2)，使土壓力盒處在80 cm深處，命名為東下、南下、西下、北下。

圖2 土壓力盒平面布置圖(單位：mm)

(2) 處理土工網(wǎng)。將土工網(wǎng)裁成長210 cm、寬98 cm的尺寸(寬度方向29格孔)。將裁剪好的土工網(wǎng)從土工試驗(yàn)箱中部縫隙穿過，一端用夾具固定，另一端將土工網(wǎng)繞過傳力軸承，將砝碼框固定在夾具上，再將夾具夾住土工網(wǎng)，使砝碼框上的荷載能通過土工網(wǎng)和傳力軸承傳遞給土工網(wǎng)。在砝碼框內(nèi)試加載，測試土工網(wǎng)被拉伸是否異常，如無異常，可進(jìn)行加載拉伸。

(3) 加載。按照文獻(xiàn)[11]提出的土工網(wǎng)在長期強(qiáng)度條件下預(yù)應(yīng)變值大小，得到此次試驗(yàn)可加載600 kg作為預(yù)張拉的力。為此，在砝碼框里緩慢地加砝碼，使砝碼框不產(chǎn)生大的震動(dòng)，每級(jí)加載為50 kg，加載完后，停頓5 min再加下一級(jí)荷載。加完12級(jí)荷載后，停止1 h。

(4) 固定土工網(wǎng)。在土工試驗(yàn)箱內(nèi)部用鋼釬固定土工網(wǎng)，使土工網(wǎng)不能回彈。

(5) 在土工網(wǎng)上繼續(xù)加土鋪平，中間震動(dòng)壓實(shí)，四周人工錘實(shí)，再鋪上一層。

(6) 埋設(shè)上層土壓力盒。鋪至130 cm處時(shí)進(jìn)行挖孔，將土壓力盒按前述方法埋至120 cm高度處，在東南西北4個(gè)方位埋設(shè)4個(gè)土壓力盒，命名為東上、南上、西上、北上，在長度方向上距兩端50 cm，在寬度方向上距兩邊25 cm，并將土壓力盒上部土擊實(shí)。

(7) 放張。如前所述，在路堤坡腳處打入兩排0.8 m長的鋼釬進(jìn)行錨固，避免應(yīng)力損失，并將砝碼框中的荷載在30 min內(nèi)全部卸載，將砝碼框部分的夾具去除。

(8) 反包。把下排鐵釘靠縫隙的土鏟去，把土工網(wǎng)從縫隙中拉回，反包至130 cm層處的土層上，再加鋼釬釘實(shí)，使土工網(wǎng)不產(chǎn)生移動(dòng)，如圖3所示。再繼續(xù)向上鋪筑，直至150 cm處。將頂部土層整平、壓實(shí)，除去浮土。

圖3 反包固定

(9) 加豎向百分表。將上下兩層土壓力盒的讀數(shù)全部清零。在頂部橫梁上安裝豎向百分表，監(jiān)測豎向位移。通過在頂部緩慢地增加砝碼的方法模擬車輛荷載，不要觸碰到橫梁及百分表，直至達(dá)到預(yù)期重量。

(10) 測量水平位移。在豎向加載前，測量土工試驗(yàn)箱四周的變形(水平向)，在加豎向荷載后再測量土工試驗(yàn)箱四周的變形。對比前后兩次試驗(yàn)的水平位移，用以分析各工況土體的側(cè)向位移。

(11) 讀數(shù)。把500 kg砝碼全部加載在路堤頂部完成后，立即讀取土壓力盒以及百分表讀數(shù)。之后按15 s、1 min、2 min、4 min、6 min、10 min、30 min、1 h、1 h、2 h、4 h、8 h的時(shí)間間隔，再讀取土壓力盒及百分表讀數(shù)。

2.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3種工況獲得的土壓力值、百分表讀數(shù)以及側(cè)位移，如表3～5所示。

表3 3種工況下各測點(diǎn)土壓力值 MPa

表4 3種工況下各測點(diǎn)土體豎向沉降量 mm

表5 3種工況下的側(cè)位移平均值

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 從表3可知：隨著埋深的增加，3種工況的土壓力值均呈現(xiàn)出遞減的趨勢，與土力學(xué)相關(guān)理論相符。

(2) 對比表3可得：與不進(jìn)行加筋的工況相比，常規(guī)加筋下的工況，位于同一觀測點(diǎn)的最終土壓力表現(xiàn)為上部略有增加而下部略有減少。上部土壓力變化情況表明，在加載過程中，常規(guī)加筋下的路堤側(cè)向位移得到了有效控制(表5)，減小了沉降量(表4)，土體得到了進(jìn)一步的壓實(shí)，導(dǎo)致內(nèi)部土壓力增大(表3)；相反，在加載過程中，不加筋的路堤隨著側(cè)向位移的明顯加大(表5)，內(nèi)部土壓力一部分進(jìn)行了釋放，導(dǎo)致內(nèi)部土壓力增加的量不如前者，且沉降量增加(表4)。下部土壓力變化情況表明，土工網(wǎng)能有效地分散上覆土層的作用荷載，減少路基的內(nèi)部土壓力(表3)，提高了路基的承載力，較好地抑制了整個(gè)路基的不均勻沉降(表4)。

(3) 綜合分析表3～5所揭示的規(guī)律，充分說明，同常規(guī)加筋相比，預(yù)應(yīng)變加筋技術(shù)在控制路基側(cè)向變形及路面不均勻沉降方面，效果更加明顯。由于預(yù)拉伸的土工網(wǎng)始終存在回彈的趨勢，通過反包，使土工網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)內(nèi)部附加的拉力，轉(zhuǎn)化為對土體的包裹力即反壓力，作用在路基坡面各個(gè)微小的水平面上，在外部荷載作用之前，土體就產(chǎn)生了自壓實(shí)的過程，形成了附加土壓力，進(jìn)一步阻止了土體側(cè)向位移，即控制側(cè)向變形的能力大大增強(qiáng)，從表5可知：在同樣荷載作用下，路堤側(cè)面的變形量幾乎為0。正因?yàn)橥馏w不能產(chǎn)生側(cè)向變形，在外部荷載的進(jìn)一步作用下，一方面，內(nèi)部土壓力不能釋放只能大大增加(表3)；另一方面，路堤表面的沉降量大大減少(表4)，同常規(guī)加筋相比，其效果至少提高3倍以上。

(4) 雖然常規(guī)加筋施工技術(shù)也有一定的“網(wǎng)兜”效應(yīng)，對邊坡側(cè)向變形及路面不均勻沉降有一定的控制作用，但只有當(dāng)土體側(cè)向變形較大，且大到足以迫使包裹在外面的土工筋材也發(fā)生變形，筋材才會(huì)對邊坡產(chǎn)生反壓力，其加筋效果才能得到充分發(fā)揮，此次試驗(yàn)在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上再一次證明了這一觀點(diǎn)。對比表3～5試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)加筋在控制土體側(cè)向變形及表面沉降方面，效果不是特別明顯，在工作狀態(tài)下筋材的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)未發(fā)揮。究其原因，此次試驗(yàn)選用的土工網(wǎng)之彈性模量(E=3 400 MPa)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土的彈性模量(E= 145 MPa)，常規(guī)加筋試驗(yàn)過程中，該土工網(wǎng)幾乎沒有發(fā)生變形；相反，預(yù)應(yīng)變加筋技術(shù)能人為地使土工網(wǎng)預(yù)先變形，很好地解決了這一問題，所以，加筋效果明顯。因此，該文建議，在預(yù)應(yīng)變加筋技術(shù)的施工條件不具備時(shí)，即便采用常規(guī)加筋，所選用的土工合成材料其彈性模量，應(yīng)盡量與土體的彈性模量相匹配。

4 結(jié)論

通過對比分析3種工況下土體內(nèi)部土壓力大小、側(cè)向位移及頂部沉降量變化特點(diǎn)，得到如下結(jié)論：

(1) 預(yù)應(yīng)變加筋技術(shù)在控制路堤側(cè)向變形、減小不均勻沉降等方面，同常規(guī)加筋相比，其效果至少提高3倍以上，能有效地提高路堤的穩(wěn)定性。

(2) 在預(yù)應(yīng)變加筋施工過程中，建議參照該文給出的預(yù)應(yīng)變值取值范圍(6.29%～10.86%)，嚴(yán)格控制筋材的張拉量，避免對筋材造成人為破壞，并采取有效措施減少放張帶來的應(yīng)力損失。

(3) 常規(guī)加筋技術(shù)對提高路堤的穩(wěn)定性有一定的效果，但在選材時(shí)，要力求使土工筋材與土體兩者的彈性模量相匹配。