預(yù)應(yīng)力加筋墊層差異沉降控制性能試驗(yàn)研究*

盧 諒 馬書(shū)文 李藍(lán)星 肖 亮 林浩鑫 何 兵

(①重慶大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400045， 中國(guó))

(②重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400045， 中國(guó))

(③庫(kù)區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害防治國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心， 重慶 400045， 中國(guó))

0 引 言

公路作為長(zhǎng)線性構(gòu)筑物，沿線跨越范圍極廣，地形地質(zhì)條件復(fù)雜多變(何國(guó)輝等， 2020)，在不同路基處理的過(guò)渡段及橋頭過(guò)渡段，路基剛度差異較大，路基施工完成后容易產(chǎn)生差異沉降(蒲川豪等， 2020)。在我國(guó)高速公路密度較大的沿海東部地區(qū)，由于路基土大多為軟土，通常具備含水量高、壓縮性大、滲透性差、靈敏度高、強(qiáng)度低和厚度不均等特點(diǎn)(陳曉平等， 2003； 廖公云等， 2007)，在軟土上修筑的高速公路差異沉降問(wèn)題尤為普遍。同時(shí)，在道路擴(kuò)建(于恒等， 2017； 李群等， 2018)和山路拓寬(劉忠等， 2008； 蘇德俊等， 2009)時(shí)，因新老路基修建歷史、填料和壓實(shí)度的差異，也會(huì)有明顯的差異沉降，如圖1所示。實(shí)踐表明，與路況有關(guān)的交通事故約占總交通事故的35%(宮曉飛等， 2004)，過(guò)大的工后差異沉降的影響尤為突出。道路差異沉降常常會(huì)造成一系列危害，這些危害輕則造成路面高低不平，影響行車(chē)舒適性(鐘麗， 2012)； 重則導(dǎo)致路面嚴(yán)重破壞，引發(fā)交通事故，威脅生命財(cái)產(chǎn)安全(沈水龍等， 2005； Paixao et al.，2015)。除此之外，道路差異沉降還會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失(宮曉飛等， 2004)：美國(guó)大約四分之一的橋梁受橋頭跳車(chē)影響，每年花費(fèi)高達(dá)1億美元以上維修費(fèi)用； 我國(guó)京珠高速公路廣珠段，由于工后軟基差異沉降引起的路面維修費(fèi)用高達(dá)2000萬(wàn)元/年，占總營(yíng)收入的8%。如果能有效地解決降低路基差異沉降的影響，解決橋頭跳車(chē)的問(wèn)題，將創(chuàng)造很大的經(jīng)濟(jì)效益(朱方平等， 2000)。因此，對(duì)道路差異沉降問(wèn)題的研究與防治具有重要的工程實(shí)際意義。

圖1 道路差異沉降

人們采用各種措施來(lái)減小差異沉降對(duì)公路交通的損毀和破壞(鄭剛等， 2012； 劉漢龍等， 2016)，如換土墊層法、強(qiáng)夯法以及復(fù)合地基法等。其中：加筋土技術(shù)憑借其可大幅提高道路整體穩(wěn)定性(張海太等， 2019)而被廣泛應(yīng)用(Koerner， 2000)，并成為治理道路差異沉降的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。墊層整體性對(duì)差異沉降的影響較大，故可以將加筋土技術(shù)運(yùn)用于墊層中以控制差異沉降。采用包裹加筋的方式可使墊層整體性更強(qiáng)，有利于控制差異沉降。由此，將包裹加筋技術(shù)應(yīng)用于墊層處理中以控制差異沉降是一種可行的方法。但現(xiàn)階段由于普通加筋土墊層有時(shí)無(wú)法達(dá)到足夠的強(qiáng)度和剛度要求而使其應(yīng)用受限。施加預(yù)應(yīng)力的加筋墊層可通過(guò)預(yù)先張拉筋材使其發(fā)生一定變形，繼而對(duì)墊層中的填料產(chǎn)生圍壓效應(yīng)，增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，進(jìn)一步控制沉降變形。因此，在加筋土墊層中引入預(yù)應(yīng)力是必要的嘗試。

傳統(tǒng)加筋土技術(shù)中筋材對(duì)土體的約束要在筋材發(fā)生一定變形后才開(kāi)始作用(陳建峰等， 2019； 李星等， 2019)，通過(guò)實(shí)際中的土工織物加筋工程進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，在工作狀態(tài)下土工織物應(yīng)變一般在6%以下，遠(yuǎn)低于土工織物本身的極限應(yīng)變，致使筋材強(qiáng)度無(wú)法得到充分發(fā)揮(徐少曼等， 1997)。當(dāng)對(duì)筋材施加預(yù)應(yīng)力后，筋材預(yù)先產(chǎn)生了初始變形，提前發(fā)揮了筋材的抗拉作用，最終加筋土的加筋效率得以明顯改善。Lackner et al. (2013)介紹了預(yù)應(yīng)力加筋土的概念，并得出了該結(jié)構(gòu)可顯著提高加筋土結(jié)構(gòu)的承載力和變形控制性能。在材料性能方面，Roh et al. (2001)進(jìn)行了一系列平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)，研究了預(yù)壓和預(yù)應(yīng)力對(duì)加筋飽和軟黏土應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)壓處理后，加筋土的峰值強(qiáng)度、屈服應(yīng)力和峰值剛度得到了提升。杜運(yùn)興(2003)， 杜運(yùn)興等(2005)利用室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究了預(yù)應(yīng)力應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRB)加筋土的工作原理，提出了“偽黏聚力”概念，解釋了預(yù)應(yīng)力加筋土的基本原理。

對(duì)于在公路工程中應(yīng)用加筋土結(jié)構(gòu)而言，筋材只有在較大的沉降發(fā)生后才顯示出其有益效果(Rowe et al.， 1987)。為充分發(fā)揮筋材的作用，很多學(xué)者開(kāi)始嘗試使用預(yù)應(yīng)力加筋技術(shù)減小路基沉降，提高路基承載力。Lovisa et al. (2010)通過(guò)在筋材中施加預(yù)應(yīng)力的方式，研究了預(yù)應(yīng)力加筋砂墊層在荷載作用下的受力特性，發(fā)現(xiàn)加筋墊層在預(yù)應(yīng)力處理后的沉降響應(yīng)和承載力有明顯的改善。Allahbakhshi et al.(2014)通過(guò)有限元軟件研究了在靜載作用下預(yù)應(yīng)力加筋路堤對(duì)差異沉降的調(diào)節(jié)控制作用，結(jié)果表明：與未加筋和加筋但未施加預(yù)應(yīng)力的路堤相比，預(yù)應(yīng)力加筋路堤顯著改善了地基的沉降響應(yīng)和承載能力。盧諒等(2020)通過(guò)3種不同加筋形式的路堤模型試驗(yàn)，對(duì)比研究了筋材及預(yù)應(yīng)力對(duì)路堤差異沉降的影響規(guī)律。目前，對(duì)預(yù)應(yīng)力加筋墊層調(diào)節(jié)路基差異沉降的研究尚處于探索階段。

基于以上分析，為了探究差異沉降條件下預(yù)應(yīng)力加筋土墊層的沉降控制性能，本文設(shè)計(jì)并開(kāi)展了普通加筋砂質(zhì)墊層和預(yù)應(yīng)力加筋砂質(zhì)墊層對(duì)比模型試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)中布設(shè)的各類(lèi)測(cè)量元件以及宏觀變形探究加筋墊層的變形規(guī)律，附加應(yīng)力分布規(guī)律和路基中土壓力分布規(guī)律探究預(yù)應(yīng)力加筋墊層在調(diào)整路基差異沉降中的有益效果。

1 對(duì)比模型試驗(yàn)

為了研究普通加筋墊層與預(yù)應(yīng)力加筋墊層在差異沉降條件下的變形規(guī)律和對(duì)差異沉降的控制效果，本節(jié)開(kāi)展了差異沉降條件下普通加筋砂質(zhì)墊層與預(yù)應(yīng)力加筋砂質(zhì)墊層對(duì)比模型試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本文試驗(yàn)?zāi)康闹饕幸韵?點(diǎn)： ①探究差異沉降條件下不同加筋墊層的變形規(guī)律； ②探究不同加筋墊層下路基附加應(yīng)力的變化規(guī)律； ③對(duì)比分析預(yù)應(yīng)力加筋墊層和普通加筋墊層對(duì)差異沉降的控制能力，探究加筋墊層在差異沉降條件下預(yù)應(yīng)力對(duì)沉降控制的作用機(jī)理。

1.2 試驗(yàn)裝置與方案

本試驗(yàn)在自制模型箱內(nèi)進(jìn)行，模型箱(圖2)的尺寸為1100mm×300mm×900mm(長(zhǎng)×寬×高)。共設(shè)置二組對(duì)照試驗(yàn)：普通加筋砂質(zhì)墊層和預(yù)應(yīng)力加筋砂質(zhì)墊層差異沉降條件下變形性能試驗(yàn)。根據(jù)模型試驗(yàn)相似設(shè)計(jì)原理(李文杰等， 2013； 陳紅娟等， 2016)，同時(shí)為了簡(jiǎn)化模型和降低不確定因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，根據(jù)模型箱尺寸和一般單車(chē)道公路尺寸3000mm(寬)確定幾何尺寸相似比為1︰10，并以此設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其他相似參?shù)取值如表1所示。通過(guò)在墊層下方設(shè)置剛度不同的兩種地基(硬質(zhì)磚砌地基和軟質(zhì)黏土地基)來(lái)模擬差異沉降的發(fā)生機(jī)制。其中：沉降發(fā)生裝置的尺寸設(shè)置為：硬質(zhì)路基300mm×300mm×700mm(長(zhǎng)×寬×高)； 軟質(zhì)路基800mm×300mm×700mm(長(zhǎng)×寬×高)。另外，地基模型的尺寸設(shè)置為1100mm×300mm×700mm(長(zhǎng)×寬×高)。加筋墊層采用包裹加筋方式進(jìn)行填筑，為避免加筋墊層末端與模型箱壁摩擦對(duì)試驗(yàn)造成不良影響，加筋墊層的長(zhǎng)度小于模型箱長(zhǎng)度，其尺寸設(shè)置為1050mm×300mm×150mm(長(zhǎng)×寬×高)。模型試驗(yàn)正式開(kāi)始前，為了盡可能降低填料與模型箱面板之間的摩擦對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成不良影響，模型箱面板內(nèi)側(cè)均勻涂抹凡士林。

圖2 自制模型箱

表1 物理量相似常數(shù)

1.3 試驗(yàn)材料

筋材：試驗(yàn)中采用尼龍紗網(wǎng)作為加筋材料，其材質(zhì)為玻璃絲，目數(shù)為18，絲徑(相鄰絲間距)為24mm，克重120g·m-2。試驗(yàn)前在拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)尼龍紗網(wǎng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程按照《土工合成材料-寬條拉伸試驗(yàn)方法》(2017)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，由圖可知筋材的抗拉強(qiáng)度為40kN·m-1。

圖3 筋材拉伸試驗(yàn)

圖4 筋材拉伸曲線

河砂：根據(jù)相似比關(guān)系填料選擇河砂，通過(guò)物性試驗(yàn)得到其物理力學(xué)參數(shù)如表2，級(jí)配曲線如圖5所示。

表2 河砂的力學(xué)參數(shù)表

圖5 河砂級(jí)配曲線

黏土：根據(jù)試驗(yàn)沉降條件的需要，本文選取黏土為軟質(zhì)路基填料。通過(guò)物性試驗(yàn)得到其物理力學(xué)參數(shù)如表3。

表3 黏土的力學(xué)參數(shù)表

1.4 測(cè)量元件布設(shè)

試驗(yàn)所用各種測(cè)量元件的布置方式如圖6所示。由于磚砌硬質(zhì)路基的可壓縮性很小，在試驗(yàn)中將硬質(zhì)地基區(qū)域視為剛性區(qū)，即不產(chǎn)生沉降，因此測(cè)量元件主要分布在軟質(zhì)地基區(qū)域。為消除尺寸與邊界效應(yīng)對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響，所有測(cè)量元件均布置在模型短邊中線截面上。

圖6 測(cè)量元件分布圖(單位：mm)

1.5 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)置

預(yù)應(yīng)力加筋墊層模型中的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件由兩支自鎖式尼龍?jiān)鷰c兩個(gè)墊片組合而成，如圖7所示，其作用機(jī)制為：尼龍?jiān)鷰ё韵露戏謩e穿過(guò)底層墊片、底層尼龍紗網(wǎng)、填料、面層尼龍紗網(wǎng)和面層墊片加筋墊層，其頂端由另一支尼龍?jiān)鷰фi住，并可通過(guò)向下鎖緊尼龍?jiān)鷰У姆绞绞鼓猃埣喚W(wǎng)包裹體發(fā)生一定變形，當(dāng)紗網(wǎng)變形且在填料錨固下保持靜止時(shí)，紗網(wǎng)上產(chǎn)生了預(yù)拉力。為了確定預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的有效作用范圍和合理的加載量，填筑一個(gè)尺寸為600mm×600mm×150mm(長(zhǎng)×寬×高)的預(yù)備試驗(yàn)?zāi)Ｐ停渌媒畈募胺蛋绞胶吞盍暇c正式試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪|層一致，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件布置在筋材返包位置正中間。

圖7 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件示意圖

使用應(yīng)變片對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的影響范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，考慮到對(duì)稱性，按圖8所示選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1距預(yù)應(yīng)力構(gòu)件100mm，測(cè)點(diǎn)2距預(yù)應(yīng)力構(gòu)件120mm，其余測(cè)點(diǎn)距相鄰測(cè)點(diǎn)距離40mm，位于每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的筋材上下兩面均對(duì)稱粘貼一個(gè)應(yīng)變片以消除拉伸彎矩對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖8 粘貼好應(yīng)變片的筋材(單位：mm)

試驗(yàn)步驟： ①對(duì)底部進(jìn)行清理，將地上的碎石等雜質(zhì)清除，在底部鋪設(shè)一層約20mm的粗砂。②將筋材鋪設(shè)在粗砂上面，在筋材上填充正式試驗(yàn)時(shí)所用的河砂，填至160mm高再夯實(shí)至150mm。③將筋材返包并縫合。④在筋材返包正中間位置組裝預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，并設(shè)置加載部件。⑤對(duì)加載部件逐級(jí)施加荷載，對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件逐級(jí)施加預(yù)應(yīng)力以判斷不同大小預(yù)應(yīng)力的影響范圍和合理的加載量。施加預(yù)應(yīng)力方式：在加載部位逐次疊加放置5～40kg質(zhì)量的砝碼，穩(wěn)定放置30s后，取下砝碼，此時(shí)尼龍?jiān)鷰Э囍辈⑼ㄟ^(guò)墊片將力傳遞給加筋墊層。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)砝碼施加到15～20kg時(shí)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的加載效果最優(yōu)，不及和超出該范圍后筋材變形均不明顯。另外， 5個(gè)測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變片的示數(shù)均隨預(yù)應(yīng)力數(shù)值的變化而變化，可以確定預(yù)應(yīng)力的影響范圍至少為半徑180mm的圓形區(qū)域。正式試驗(yàn)中預(yù)應(yīng)力構(gòu)件布置如圖9所示。

圖9 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件布置圖

1.6 試驗(yàn)步驟

(1)軟、硬地基施工。在硬質(zhì)地基區(qū)域使用紅磚砌筑，磚縫之間用粉質(zhì)黏土填充。軟質(zhì)地基使用黏土進(jìn)行填筑，填筑時(shí)采用分層填筑的方式。為了保證每層黏土填筑的均勻性和試驗(yàn)中的差異沉降現(xiàn)象更加顯著，以及便于對(duì)比研究改良后墊層的沉降控制性能，黏土的相對(duì)密實(shí)度設(shè)計(jì)為50%。在模型箱有機(jī)玻璃側(cè)壁上每150mm高度作一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，每次填筑高度150mm黏土后用夯錘進(jìn)行夯實(shí)至75mm，靜置一段時(shí)間后(最后一次填筑100mm)，待其幾乎不再沉降再填筑下一層黏土。

(2)埋設(shè)測(cè)量元件。在填筑軟質(zhì)地基的同時(shí)，在高度分別為175mm、325mm、475mm和625mm處按照測(cè)量元件分布圖布置土壓力盒。

(3)加筋墊層施工。加筋墊層的填筑分為兩層進(jìn)行，每層厚75mm，下半層填筑完成后，在墊層寬度中線上按照測(cè)量元件布置圖，每隔150mm布置土壓力盒。然后填筑上半層，并將筋材返包并縫合。

(4)施加預(yù)應(yīng)力。對(duì)需要施加預(yù)應(yīng)力的工況根據(jù)預(yù)備試驗(yàn)中得到的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件布置圖，在相應(yīng)位置施加預(yù)應(yīng)力，施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，在預(yù)留的加載部位放置總質(zhì)量為15kg的砝碼，待穩(wěn)定30s后取走砝碼并卸下加載部件，剪掉多余的尼龍?jiān)鷰А?/p>

(5)加載。為保證均勻加載，在軟質(zhì)地基上方設(shè)置了尺寸為750mm×300mm(長(zhǎng)×寬)的可變形薄鐵皮加載板以減小加載板對(duì)加筋墊層變形的影響。為模擬靜載作用下地基的不均勻沉降，本次試驗(yàn)采用混凝土塊進(jìn)行逐級(jí)加載，隨機(jī)取3個(gè)混凝土塊進(jìn)行稱重，得到其平均質(zhì)量約為9kg。根據(jù)相似比，通過(guò)在加載板上均勻平穩(wěn)地放置45kg、90kg、135kg、180kg、225kg的混凝土塊的方式，對(duì)加筋墊層施加2kPa、4kPa、6kPa、8kPa、10kPa的均布荷載。同時(shí)在硬質(zhì)路基上方也放置相應(yīng)質(zhì)量的混凝土塊以保證和軟質(zhì)路基相同的荷載。為防止加筋墊層發(fā)生水平方向的滑移，在加載前將硬質(zhì)地基對(duì)應(yīng)的加筋墊層部分進(jìn)行固定。

(6)數(shù)據(jù)采集。每次加載完成后放置一段時(shí)間，待結(jié)構(gòu)沉降完全后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容有：土壓力、應(yīng)變和加筋墊層沉降變形。

(7)試驗(yàn)流程如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)流程圖

1.7 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)施加前兩級(jí)荷載時(shí)，普通加筋墊層變形比較明顯，預(yù)應(yīng)力加筋墊層變形較緩。隨著荷載的逐級(jí)加大，普通加筋墊層變形進(jìn)一步增加，預(yù)應(yīng)力加筋墊層也出現(xiàn)明顯變形。其中：普通加筋砂質(zhì)墊層在距離軟硬路基交界面200mm內(nèi)的區(qū)域豎向位移較大，且變化較快； 在200～400mm區(qū)域豎向變形均勻變化； 在400～650mm區(qū)域豎向位移幾乎不發(fā)生變化。預(yù)應(yīng)力加筋砂質(zhì)墊層在距離交界處500mm內(nèi)的區(qū)域豎向位移較小，且變化均勻； 在500～650mm區(qū)域豎向位移幾乎不發(fā)生變化。普通加筋砂質(zhì)墊層的最大沉降量為72mm，預(yù)應(yīng)力加筋砂質(zhì)墊層的最大沉降量為37mm。由此可看出，普通加筋墊層變形隨距軟硬交界面距離的增加而逐漸變大，且其差異沉降變形曲率在路基交界面處最大，并隨遠(yuǎn)離交界面而逐漸減小。與普通加筋墊層相比，預(yù)應(yīng)力加筋墊層變形較為均勻，差異沉降變形曲率在交界面處較小，并隨遠(yuǎn)離交界面而逐漸平緩，最終沉降變形量較普通加筋墊層明顯變小。普通加筋墊層和預(yù)應(yīng)力加筋墊層的最終沉降變形如圖11所示。

圖11 加筋土墊層差異沉降變形

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 差異沉降變形分析

取加筋墊層與路基交界面為研究對(duì)象，繪制預(yù)應(yīng)力和普通加筋土墊層的第5次(即載重為225kg)加載后的沉降曲線。因?yàn)橛操|(zhì)路基部分的沉降忽略不計(jì)，所以本文只選取軟質(zhì)路基與加筋墊層交界面處的沉降變形進(jìn)行討論，具體如圖12所示。

圖12 差異沉降變形對(duì)比圖

由圖可見(jiàn)，普通加筋墊層變形曲線的曲率呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)； 預(yù)應(yīng)力加筋砂質(zhì)墊層變形曲線的曲率在較大范圍內(nèi)幾乎不變化，在沉降均勻的區(qū)域緩慢減小至0，形狀上近于直線。兩條沉降曲線的尾部均有“上揚(yáng)”趨勢(shì)，這可能是由于模型箱邊界的影響導(dǎo)致的，因此此部分在本節(jié)中不予討論。均布荷載下預(yù)應(yīng)力加筋墊層各測(cè)點(diǎn)的平均豎向變形比普通加筋墊層減小約55.4%，最大豎向變形減小約48.6%。在軟硬路基交界面附近(水平距離5mm處)，預(yù)應(yīng)力加筋墊層下方軟基的沉降量是普通加筋墊層的31.8%。結(jié)果表明：由于預(yù)應(yīng)力的施加使得筋材提前受到拉力作用，筋材與墊層內(nèi)土體發(fā)生相對(duì)變形，產(chǎn)生摩擦力，改變了土體的受力特征和墊層本身的應(yīng)力分布，繼而其整體剛度得以顯著提高。因此，預(yù)應(yīng)力加筋墊層調(diào)節(jié)差異沉降的能力相較于普通加筋墊層有所提高。預(yù)應(yīng)力加筋技術(shù)在控制差異沉降病害中具有較高的應(yīng)用前景。

2.2 筋材應(yīng)變分析

筋材應(yīng)變對(duì)比如圖13所示。由圖可看出，加筋墊層的最大應(yīng)變值均在測(cè)點(diǎn)3處(距軟硬路基交界面75mm)，說(shuō)明在此處墊層豎向位移變化較大，筋材受到的拉力較大，這與圖12吻合。在測(cè)點(diǎn)4、5處(距軟硬路基交界面225mm、375mm)，普通加筋砂質(zhì)墊層的應(yīng)變值突然減小，預(yù)應(yīng)力加筋砂質(zhì)墊層的應(yīng)變值相對(duì)于測(cè)點(diǎn)3變化不大。測(cè)點(diǎn)6、7處(距軟硬路基交界面525mm、675mm處)，兩者的應(yīng)變值較小，此處墊層的變形很小，軟基沉降量大致相同。在測(cè)點(diǎn)1、2處(硬質(zhì)路基上方)，兩工況下筋材應(yīng)變值均較小，普通加筋墊層的應(yīng)變值小于預(yù)應(yīng)力加筋墊層的應(yīng)變值。這是因?yàn)橛操|(zhì)路基幾乎不沉降，其上方加筋墊層的變形很??； 施加預(yù)應(yīng)力后，筋材已處于“緊繃”狀態(tài)，在荷載作用下更容易發(fā)生變形。

圖13 筋材應(yīng)變對(duì)比圖

2.3 加筋墊層附加應(yīng)力分析

施加10kPa均布荷載至沉降基本完全后，加筋墊層中的附加應(yīng)力分布情況如圖14所示。與普通加筋墊層相比，預(yù)應(yīng)力加筋墊層各處的附加應(yīng)力均偏小。預(yù)應(yīng)力加筋墊層5個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均附加應(yīng)力為普通加筋墊層的86.9%，這是因?yàn)槭┘宇A(yù)應(yīng)力后，筋材發(fā)生拉伸變形，加筋墊層整體剛度提高，抗彎性能提升。當(dāng)受到荷載作用時(shí)，預(yù)先施加給筋材的變形減小，此過(guò)程中，結(jié)構(gòu)抗彎性能的發(fā)揮會(huì)抵消一部分附加應(yīng)力，從而降低墊層中的附加土壓力。

圖14 加筋土墊層的附加應(yīng)力分布

2.4 路基附加應(yīng)力分析

普通加筋工況與預(yù)應(yīng)力加筋工況中的路基附加應(yīng)力整體分布如圖15所示。由于1、2測(cè)點(diǎn)位于不發(fā)生沉降的硬質(zhì)路基上方，故本節(jié)不予分析。由圖15 可知，普通加筋墊層測(cè)點(diǎn)4處附加應(yīng)力值最大，預(yù)應(yīng)力加筋墊層測(cè)點(diǎn)5處的附加應(yīng)力值最大。這是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力加筋墊層的影響范圍更大，附加應(yīng)力沿水平方向傳遞的距離更遠(yuǎn)所致，這與圖14基本吻合。

圖15 路基附加應(yīng)力整體分布

普通加筋與預(yù)應(yīng)力加筋墊層沉降試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)3、4、5處的附加應(yīng)力大小隨深度的變化如圖16所示。由圖16可知：測(cè)點(diǎn)3處附加應(yīng)力隨深度增大而減??； 測(cè)點(diǎn)4、5截面的附加應(yīng)力隨深度增大呈現(xiàn)“先增加后減小”趨勢(shì)。其原因主要是當(dāng)測(cè)點(diǎn)4、5截面的附加應(yīng)力從墊層底面?zhèn)鬟f到路基頂面時(shí)會(huì)有增大突變趨勢(shì)(汪益敏等， 2018)，這是因?yàn)楦郊討?yīng)力傳遞到路基頂部時(shí)發(fā)生應(yīng)力疊加，而后由于基頂沉降協(xié)調(diào)變形引起附加應(yīng)力重新分布。而對(duì)于測(cè)點(diǎn)3，其附加應(yīng)力值在墊層與路基交界面沒(méi)有明顯的突變，這是因?yàn)榧咏顗|層在此處發(fā)生了較大的變形，將更多的能量沿墊層縱向耗散或傳遞，致其下方軟質(zhì)路基中附加應(yīng)力值較小。路基中附加應(yīng)力的分布符合常規(guī)地基土中應(yīng)力隨深度由大變小的規(guī)律(吳曙光， 2016)。

圖16 路基附加應(yīng)力隨深度的變化

3 結(jié) 論

為了探究預(yù)應(yīng)力加筋墊層對(duì)路基差異沉降的控制效果和在差異沉降條件下的變形性能，本文開(kāi)展了預(yù)應(yīng)力加筋墊層和普通加筋墊層的差異沉降對(duì)比模型試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果探究了預(yù)應(yīng)力加筋墊層在調(diào)整路基差異沉降中的有益效果。本文主要結(jié)論如下：

(1)預(yù)應(yīng)力加筋砂質(zhì)墊層可以有效減小路基的差異沉降。預(yù)應(yīng)力加筋墊層下方軟質(zhì)路基的平均沉降比普通加筋墊層減小約55.4%，最大沉降減小約48.6%，預(yù)應(yīng)力加筋墊層在控制沉降方面的性能明顯優(yōu)于普通加筋墊層。

(2)預(yù)應(yīng)力加筋墊層有利于調(diào)節(jié)軟硬路基交界面的差異沉降。普通加筋墊層沉降曲線的曲率變化較大，在軟硬路基交界面附近有明顯的“凹陷”。反之，預(yù)應(yīng)力加筋墊層沉降曲線的曲率變化相對(duì)較小，在逐漸遠(yuǎn)離軟硬路基交界面時(shí)，其沉降曲線趨于平緩。

(3)預(yù)應(yīng)力加筋墊層對(duì)能量的耗散比普通加筋墊層更好。預(yù)應(yīng)力加筋墊層內(nèi)的附加應(yīng)力小于普通加筋墊層。預(yù)應(yīng)力加筋墊層5個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均附加應(yīng)力為普通加筋墊層的86.9%。預(yù)應(yīng)力加筋墊層下方路基的附加應(yīng)力較小，進(jìn)一步說(shuō)明預(yù)應(yīng)力處理后的墊層耗散和傳遞能力更好。

(4)在同一水平面上，預(yù)應(yīng)力加筋墊層較普通加筋墊層整體剛度更大，發(fā)生變形時(shí)不易發(fā)生彎曲變形，影響范圍更大，沿墊層縱向傳遞附加應(yīng)力的能力更強(qiáng)。在同一豎直面上，附加應(yīng)力從墊層傳遞到路基頂部時(shí)發(fā)生應(yīng)力疊加，在該處有增大突變； 而后沿深度方向逐漸減小，符合常規(guī)地基土中應(yīng)力隨深度增大而減小的規(guī)律。

本文圍繞差異沉降條件下預(yù)應(yīng)力加筋墊層的變形性能和沉降控制性能進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。由于受到試驗(yàn)條件限制，預(yù)應(yīng)力的施加方式有待進(jìn)一步改進(jìn)。試驗(yàn)中利用墊片與尼龍?jiān)鷰ЫM合的形式給墊層施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的施加效率較低，較大一部分力用來(lái)壓縮墊層填料使得施加在筋材上的預(yù)應(yīng)力較小。通過(guò)預(yù)備試驗(yàn)來(lái)確定預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的影響范圍和施加給筋材的預(yù)應(yīng)力大小的方式存在誤差。因此，在后續(xù)工作中應(yīng)重新優(yōu)化預(yù)應(yīng)力的施加方式，使其更加高效、精準(zhǔn)。