土工格室形式與填料類型對(duì)公路地基承載力的影響

田林，李寧，王宇，劉濤，李良英 編譯

(1.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070)

1 引言

路基自身的荷載和外部荷載通過基礎(chǔ)傳給地基，使天然土層原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，即為在上部壓力作用下，地基產(chǎn)生了附加應(yīng)力和豎向、側(cè)向(或剪切)變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沉降；當(dāng)?shù)鼗艿捷^大應(yīng)力作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生過度沉降或剪切破壞，從而結(jié)構(gòu)損壞[1]。因此，合理的地基設(shè)計(jì)可使來自上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均勻擴(kuò)散，使地基承受更少的壓力。在進(jìn)行設(shè)計(jì)前需先對(duì)地基承載力進(jìn)行評(píng)估，并針對(duì)地基提出相應(yīng)的承載力增強(qiáng)技術(shù)。用于加固軟土地基的不同處置方式中，土工布布設(shè)可限制土體橫向移動(dòng)并通過安裝連續(xù)板增加土體之間的摩阻力從而提高地基承載力[2]；而土工格室是一種較為新型的土工材料，其獨(dú)特的三維立體結(jié)構(gòu)大大提升了土工材料的抗剪強(qiáng)度，對(duì)加固地基承載能力具有更高的增強(qiáng)效率；格室提供的側(cè)限作用也可以顯著提高粗粒土的剪切強(qiáng)度，進(jìn)而隨著土體強(qiáng)度的增長(zhǎng)提高其承載力或阻止土壤侵蝕[3]。因此，近年來土工格室加固土體的應(yīng)用研究越來越受到各國(guó)研究人員的重視。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土工格室加固機(jī)理及加固效果進(jìn)行了大量研究。Bathurst通過大型直剪試驗(yàn)評(píng)價(jià)了填料為砂土的土工格室加固結(jié)構(gòu)層剪切強(qiáng)度，結(jié)果表明：砂土結(jié)構(gòu)層加固前后的抗剪強(qiáng)度沒有顯著差異[4]；Wesseloo采用單軸壓縮試驗(yàn)討論了單元直徑不同的土工格室的變形，試驗(yàn)結(jié)果表明：土工格室與土構(gòu)成的復(fù)合體強(qiáng)度與格室單元大小間存在間接的函數(shù)關(guān)系，且隨單元數(shù)量的增加而減小[5]；Zhou等研究表明：土工格室加固結(jié)構(gòu)層具有更好的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，并可有效防止下部地基的剪切破壞[6]；Dash等研究了加固層位置、土工格室焊距、高度以及保護(hù)層厚度對(duì)加固結(jié)構(gòu)層加固性能的影響，認(rèn)為以不同荷載分布角為變量將土工格室布設(shè)于較高位置具有更好的加固效果[7]；Lee通過模擬淺基礎(chǔ)和鐵路行車動(dòng)荷載作用下的疲勞狀態(tài)，對(duì)土工格室加固的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)5層土工格室加固效果是1層土工格室加固效果的2.7倍[8]；Nair等通過研究土工格柵加筋土在靜力和循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度和剛度特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平面加筋在達(dá)到3層后，再增加加筋層數(shù)不會(huì)再取得額外的加固效果[9]；王選倉(cāng)等采用離心模型試驗(yàn)得出格室加入能夠減少路基沉降，且格室布設(shè)2層與3層時(shí)較未加固路基沉降變形減少了32%[10]；肖化德在S313線察布查爾-都拉塔口岸項(xiàng)目中采用“礫石土換填+土工格室”的處理方案處治軟土路段，得出該段路堤在施工過程中和完工后，未發(fā)生地基滑動(dòng)破壞；通過施工方的監(jiān)測(cè)，工后剩余沉降量為1.5～3 cm[11]；劉煒等試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：加固土剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變關(guān)系為非線性，采用格室加固可有效提高土的黏聚力，且對(duì)土的內(nèi)摩擦角影響相對(duì)較小[12]?？傮w來看，土工格室與填土可以形成一層柔性結(jié)構(gòu)層，提高地基剛度和強(qiáng)度的同時(shí)減小地基沉降量[13]，被廣泛應(yīng)用于地基加固。

綜上所述，研究人員主要通過三軸試驗(yàn)及大型直剪試驗(yàn)對(duì)土工格室的加固機(jī)理及加固效果進(jìn)行大量研究，其焦點(diǎn)大多集中于格室加固位置、加固層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)層承載能力的影響；在填料方面主要研究了粗粒土填筑對(duì)結(jié)構(gòu)層加固性能的影響，對(duì)其他填料應(yīng)用于土工格室時(shí)的效果評(píng)價(jià)，是否存在土工格室和填料之間的匹配性，以往研究關(guān)注較少[14]。因此，該文通過室內(nèi)大型模型試驗(yàn)(承載板試驗(yàn))研究土工格室不同形式與填料(粉質(zhì)土、黏土、礫石、砂土)之間的匹配性，進(jìn)而得出其對(duì)軟土地基加固效果的影響，得出合理的軟弱地基處治方法。

2 原材料及室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 填料

采用粉質(zhì)土(ML)、黏土(SW)、礫石(GP)、砂土(SP)分別作為填料進(jìn)行下臥層及土工格室填筑。其中，粉質(zhì)土作為下臥層和填料，黏土、礫石、砂土僅作為填料，土樣的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 填料物理性質(zhì)

2.2 模擬試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)及元器件布置

為了分析土工格室加固土的應(yīng)力分布機(jī)理，自行設(shè)計(jì)了一個(gè)大型模擬試驗(yàn)箱，如圖1所示，整體由10 mm厚鋼板與槽鋼焊接而成，內(nèi)高1 400 mm，內(nèi)寬1 200 mm，在其上設(shè)有反力梁，模擬試驗(yàn)箱內(nèi)鋪筑軟弱地基與土工格室加固層。在大型模擬試驗(yàn)箱內(nèi)分別設(shè)置未加固的軟弱地基與土工格室加固結(jié)構(gòu)層，利用承載板加載試驗(yàn)探究加固層與未加固層之間的應(yīng)力傳遞效應(yīng)。下部軟弱地基由粉質(zhì)土填充而成，在其上部設(shè)置土工格室加固結(jié)構(gòu)層，加固結(jié)構(gòu)層填料類型為砂土、黏土及礫石。具體步驟：首先在箱內(nèi)填筑700 mm厚的粉質(zhì)土，選擇不同的變量進(jìn)行上部加固結(jié)構(gòu)層的填筑。為確保軟弱地基盡可能達(dá)到最大干密度85%的壓實(shí)條件，以200、200、200、100 mm的厚度對(duì)下承層進(jìn)行分層壓實(shí)處理。此外，為確保每次試驗(yàn)的壓實(shí)條件相等，在鋪設(shè)土工格室加固層之前進(jìn)行一次壓實(shí)度檢測(cè)試驗(yàn)。

如圖1所示，在軟土地基中，6個(gè)土壓力盒直接布設(shè)在加固結(jié)構(gòu)層下方以測(cè)量從中心點(diǎn)開始的土壓力變化，埋設(shè)深度分別為300、375、450和600 mm，以測(cè)量從中心點(diǎn)開始的土壓力變化。圖中，在深度為375 mm處共布設(shè)3個(gè)土壓力盒，位置為中心處及向右偏移200、400 mm。在加固結(jié)構(gòu)層與未加固結(jié)構(gòu)層之間鋪設(shè)一張聚丙烯土工膜(PP)，其拉伸強(qiáng)度≥100 kN/m，伸長(zhǎng)率≤30%，并根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行上部加固結(jié)構(gòu)層的鋪筑。

圖1 元器件布設(shè)示意圖(單位：mm)

加固地基鋪筑結(jié)構(gòu)如表2所示，在進(jìn)行加固路基鋪筑時(shí)，先對(duì)下承層壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)以確保其達(dá)到試驗(yàn)要求，繼而按照試驗(yàn)要求對(duì)加固地基進(jìn)行鋪筑。首先在下部土基鋪設(shè)完成后繼續(xù)鋪設(shè)一層厚度為5 cm的填料保護(hù)層；然后在模型試驗(yàn)箱內(nèi)對(duì)格室進(jìn)行張開處理，采用鋼釬進(jìn)行固定；采用鐵鏟對(duì)格室內(nèi)部進(jìn)行填料填筑，并用鐵鏟進(jìn)行初步鏟平處理。鋪設(shè)格室時(shí)應(yīng)注意不使土工格室發(fā)生倒伏現(xiàn)象(格室填料應(yīng)超出格室高度，進(jìn)行初步整平處理后才能進(jìn)行壓實(shí)處理)。采用振動(dòng)壓實(shí)機(jī)對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)處理，因試驗(yàn)條件限制，只能通過保證每次試驗(yàn)采用相同的振動(dòng)壓實(shí)次數(shù)(100次)，分3次壓實(shí)。

模型試驗(yàn)加載方式選取承載板法進(jìn)行加載，以現(xiàn)行JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)，車輛與路面接觸形狀采用單圓均布荷載，雙輪組單軸載100 kN，用當(dāng)量圓直徑D進(jìn)行計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表3 標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算得出室內(nèi)模型試驗(yàn)承載板選取直徑為30 cm、厚度為2 cm的圓形鋼板。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 未加固地基承載力

土工格室布設(shè)位置根據(jù)下部軟弱地基的承載力確定，圖2為模型試驗(yàn)中未加固地基的P-s曲線圖。對(duì)于軟土地基，以沉降量達(dá)到5 mm時(shí)加載荷載為結(jié)構(gòu)層容許承載力；其沉降量達(dá)到25 mm(百分表最大量程)作為破壞點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，由圖2可看出：軟土地基的屈服應(yīng)力為69.34 kPa，容許承載力為34.67 kPa，極限承載力為144.80 kPa。

圖2 未加固地基P-s曲線

表4為兩種填料作用下垂直土壓力下降率。由表4可知：當(dāng)填料選取為砂土?xí)r，軟弱地基的垂直土壓力減少顯著，以加載荷載60 kPa為例，在測(cè)點(diǎn)1位置土壓力減少了69.5%，相比于粉質(zhì)土加固結(jié)構(gòu)層在60 kPa荷載作用下僅減少了30.4%；測(cè)點(diǎn)2位置下實(shí)測(cè)土壓力為4.8 kPa，此時(shí)土壓力減少了59.9%，填料變?yōu)榉圪|(zhì)土?xí)r實(shí)測(cè)土壓力為4.9 kPa，土壓力減少率為58.9%，與砂土結(jié)構(gòu)層相近；測(cè)點(diǎn)3位置時(shí)砂土結(jié)構(gòu)層土壓力減少64%，粉質(zhì)土結(jié)構(gòu)層土壓力減少61.7%，測(cè)點(diǎn)4位置下砂土結(jié)構(gòu)層土壓力減少率比粉質(zhì)土結(jié)構(gòu)層高12.5%，由此可看出填料類型對(duì)下部軟弱地基承載力的影響較大，砂土加固結(jié)構(gòu)層具有更強(qiáng)的應(yīng)力分散作用。

3.2 土工格室加固地基承載力

為研究土工格室加固地基承載力的加固效果，對(duì)加固結(jié)構(gòu)層進(jìn)行承載板試驗(yàn)來驗(yàn)證土工格室形式對(duì)軟弱地基承載力的影響。圖3為黏土、礫石分別作為填料加固土工格室結(jié)構(gòu)層的P-s曲線。

在模型試驗(yàn)箱內(nèi)采用6種尺寸組合的土工格室與兩種類型填料進(jìn)行匹配，并設(shè)置空白對(duì)照組(未布設(shè)土工格室，填料鋪設(shè)厚度300 mm)進(jìn)行對(duì)比分析。由圖3(a)可看出：在格室尺寸為200 mm×240 mm與300 mm×240 mm時(shí)加固效果較好，豎向沉降較少。當(dāng)格室高度為240 mm、焊距為200 mm時(shí)使用黏土作為填料的加固結(jié)構(gòu)層承載能力最好；對(duì)于格室焊距為300 mm、高度為120 mm時(shí)加固結(jié)構(gòu)層的極限承載力為458 kPa；改變土工格室的高度為180 mm，加固結(jié)構(gòu)層的極限承載能力達(dá)到555 kPa；當(dāng)格室高度變?yōu)?40 mm后，其極限承載能力為601 kPa。由此可看出在同一種填料作用下，焊距相同，土工格室高度越高，其承載能力越強(qiáng)，這是由于格室高度越高，格室與格室之間的嵌擠作用更強(qiáng)，格室對(duì)填料的摩阻力及側(cè)向約束力更強(qiáng)，使得加固結(jié)構(gòu)層具有更好的應(yīng)力擴(kuò)散效果。

表4 不同填料垂直土壓力降低率

由圖3(b)可以看出：相比于黏土加固結(jié)構(gòu)層，采用礫石加固地基時(shí)，在土工格室尺寸同為200 mm×240 mm時(shí)其極限承載力較低。由此表明，不同的填料對(duì)加固結(jié)構(gòu)層承載能力有一定影響。對(duì)于焊距為300 mm的土工格室，格室高度為120 mm時(shí)加固結(jié)構(gòu)層極限承載力為1 019 kPa；格室高度為180 mm時(shí)其極限承載力為1 131 kPa；當(dāng)格室高度達(dá)到240 mm時(shí)極限承載力達(dá)到1 223 kPa，較格室高度為120 mm與180 mm分別提升了20.0%與8.1%。由此可看出，當(dāng)?shù)[石作為加固填料時(shí)土工格室焊距與高度比值為1∶0.8(格室尺寸為300 mm×240 mm)時(shí)具有更強(qiáng)的加固效果。

圖3 承載板試驗(yàn)結(jié)果

3.3 垂直方向土壓力分布

以垂直土壓力分析加固結(jié)構(gòu)層在荷載作用下的受力特性。在承載板下部地基不同深度及不同位置安裝土壓力盒。測(cè)量土壓力隨荷載、深度和水平距離的變化規(guī)律。圖4為在填筑的粉質(zhì)軟土地基上布設(shè)土工格室加固層的垂直土壓力變化曲線。

由圖4可以看出：荷載為30 MPa時(shí)垂直土壓力隨著埋深的增大曲線變化較為平緩，從1測(cè)點(diǎn)到4測(cè)點(diǎn)垂直土壓力較小且減小幅度較低；隨著恒定荷載的增大，1～4測(cè)點(diǎn)的垂直土壓力不斷增大，垂直土壓力變化曲線斜率變大；以荷載480 kPa為例，在1測(cè)點(diǎn)位置垂直土壓力實(shí)測(cè)值為84.9 kPa，測(cè)點(diǎn)2下實(shí)測(cè)土壓力為47.8 kPa，埋深深度增加75 mm，垂直土壓力值減少了43.6%。與未加固結(jié)構(gòu)層相比，通過承載板法施加恒定荷載時(shí)粉質(zhì)土加固結(jié)構(gòu)層的垂直土壓力強(qiáng)度降低了30%～40%；隨著荷載的增大，垂直土壓力下降趨勢(shì)隨著深度的增加而逐漸變緩。

圖4 在荷載作用下填料為粉質(zhì)土的垂直土壓力

3.4 水平方向土壓力分布

鑒于土工格室能有效地分散垂直荷載，故在水平方向上測(cè)量垂直土壓力分布以確定土工格室加固的影響范圍，土壓力的測(cè)量位置用加載板寬度的倍數(shù)(0B、1.3B和2.6B)表示，土壓力分布結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出：在測(cè)點(diǎn)2、5位置下，隨著加載荷載的增大土壓力增大，在作用荷載為30、60、120 kPa時(shí)土壓力增幅較為穩(wěn)定；當(dāng)作用荷載為240、480 kPa時(shí)2、5測(cè)點(diǎn)土壓力增長(zhǎng)迅速；分析2、5測(cè)點(diǎn)可知側(cè)向土壓力隨著水平位置的變化而減少，荷載越大降低幅度越快，說明格室在較大荷載作用下加固效果體現(xiàn)更明顯；在荷載30、60、120 kPa作用下2、5測(cè)點(diǎn)土壓力降低幅度平緩且三者保持近似相等斜率；當(dāng)荷載超過120 kPa后，2、5測(cè)點(diǎn)土壓力降低幅度增大，由此可知120 kPa為結(jié)構(gòu)層的拐點(diǎn)荷載；測(cè)點(diǎn)6處在不同荷載作用下其土壓力無變化。

圖5 在荷載作用下填料為砂土的側(cè)向土壓力(B=153.8 mm)

根據(jù)模型試驗(yàn)箱土壓力盒的實(shí)測(cè)結(jié)果，利用土壓力理論的布辛尼斯克方程計(jì)算在砂土與礫石填筑下不同形式格室加固結(jié)構(gòu)層與未加固結(jié)構(gòu)層的側(cè)向土壓力變化趨勢(shì)及加固效率比，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 加固地基水平向土壓力折減比

由表5可以看出在施加均布荷載情況下，填料對(duì)5測(cè)點(diǎn)的土壓力減少率影響較大，在恒載60 kPa作用下，填料為砂土?xí)r5測(cè)點(diǎn)的土壓力減少率為66.7%，填料變?yōu)榉圪|(zhì)土后該測(cè)點(diǎn)土壓力減少率降低了18.7%；荷載增大到240 kPa，砂土結(jié)構(gòu)層5測(cè)點(diǎn)土壓力減少率64.0%，較粉質(zhì)土結(jié)構(gòu)層高2.7%；隨著所施加均布荷載的增大，填料對(duì)2、5測(cè)點(diǎn)土壓力有顯著影響，測(cè)點(diǎn)6處土壓力無明顯變化，在填料為砂土情況下垂直土壓力水平分布減少率較填料為粉質(zhì)土的加固路基更高，說明砂土為填料能夠更為有效地減少垂直土壓力在水平方向的擴(kuò)散，砂土作為填料具有更好的加固效果；6測(cè)點(diǎn)位置為模型試驗(yàn)箱邊界條件；隨著荷載增大，格室對(duì)填料的作用越來越明顯。

4 土工格室加固效應(yīng)分析

4.1 土工格室焊距對(duì)加固地基承載力的影響

為研究土工格室焊距對(duì)地基承載力的影響，將4種常見的土工格室(高度均為240 mm)應(yīng)用于加固軟弱地基，其焊距分別為200、300、400和500 mm，選取黏土和礫石對(duì)土工格室進(jìn)行填筑。在不同土工格室焊距和填料條件下，對(duì)軟土地基進(jìn)行承載板試驗(yàn)，對(duì)其承載力和沉降進(jìn)行分析。表6為不同填料加固軟弱地基的極限承載力和容許承載力。

表6 不同焊距土工格室加固結(jié)構(gòu)層承載力試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：軟土地基的極限承載力和容許承載力分別為144.8 kPa和34.67 kPa；僅用填料對(duì)軟弱地基進(jìn)行處理，用黏土填筑300 mm測(cè)得其極限承載力與容許承載力分別為305.91 kPa和101.97 kPa；用礫石填筑300 mm測(cè)得其極限承載力與容許承載力分別為640.38 kPa和182.53 kPa，用礫石作為填料較黏土填筑地基承載力分別提高了109.3%和79.0%，得出不同類型填料對(duì)結(jié)構(gòu)層承載力大小有顯著的影響，究其原因礫石自身的剛性比黏土大，其抵抗變形能力更強(qiáng)，填筑后結(jié)構(gòu)層的承載能力相對(duì)較高。

圖6為不同填料下結(jié)構(gòu)層承載力圖。

由圖6可知：在格室形式一定的情況下，礫石填筑結(jié)構(gòu)層具有更大的承載力。由圖6(b)可知：格室尺寸為300 mm×240 mm時(shí)，加固結(jié)構(gòu)層的極限承載能力為1 223.66 kPa，其承載力強(qiáng)度約為軟弱地基的8倍；未用格室加固結(jié)構(gòu)層極限承載能力為640.38 kPa，約為格室焊距300 mm加固結(jié)構(gòu)層極限承載力的1/2；黏土填充格室時(shí)焊距為200 mm結(jié)構(gòu)層極限承載力為624.0 kPa，約為軟土地基極限承載力的4倍，約為僅用黏土填充結(jié)構(gòu)層的2倍[圖6(a)]；隨著土工格室焊距的增大，其加固效率逐漸降低；土工格室尺寸為200 mm×240 mm時(shí)極限承載能力最大，加固效果最好。

圖6 不同填料下格室焊距對(duì)加固地基承載力的影響

當(dāng)使用礫石作為填料時(shí)，土工格室焊距為300 mm時(shí)極限承載力為1 223.66 kPa，加固效率最好，當(dāng)焊距大于300 mm后加固效率迅速降低，焊距達(dá)到500 mm時(shí)加固結(jié)構(gòu)層極限承載力僅為869.82 kPa，由此可看出礫石作為填料與黏土作為填料的土工格室加固地基的效果并不相同，說明土工格室焊距與填料粒徑之間存在相關(guān)性，焊距小的格室與粒徑較小填料匹配性好；粒徑較大填料與焊距大的格室具有較好匹配性。

綜上，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工前應(yīng)將填料堆積后進(jìn)行壓平壓實(shí)處理繼而進(jìn)行鋪筑，但現(xiàn)場(chǎng)填料具不均勻性，礫石粒徑較大會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層壓實(shí)度不足。為了考慮與施工有關(guān)的問題，需控制礫石填料最大粒徑不超過25 mm。對(duì)于單元內(nèi)部填充不均勻的現(xiàn)場(chǎng)條件，使用粒徑小于土工格室焊距1/10的礫石具有最佳的加固效果。

4.2 土工格室高度對(duì)加固地基承載力的影響

為了研究土工格室高度對(duì)加固地基承載力的影響，確定格室焊距為300 mm，以3種不同高度(120、180、240 mm)的土工格室進(jìn)行試驗(yàn)，觀察土工格室高度變化對(duì)加固地基承載力的影響。

表7為在軟土地基上進(jìn)行承載板試驗(yàn)獲取的地基安全系數(shù)為3.0的加固地基極限承載力和容許承載力的試驗(yàn)結(jié)果。

表7 格室高度對(duì)加固地基承載力的影響

由表7可知：使用黏土填筑結(jié)構(gòu)層時(shí)，未用格室加固下結(jié)構(gòu)層極限承載能力為305.91 kPa，容許承載能力為101.97 kPa；當(dāng)使用尺寸為300 mm×120 mm格室對(duì)結(jié)構(gòu)層進(jìn)行加固后其極限承載能力與容許承載能力為458.87 kPa與128.48 kPa，與未加固結(jié)構(gòu)層相比分別提升了50.0%與26.0%，與未填充軟土結(jié)構(gòu)層相比分別提升了216.9%與252.3%；格室高度增大到180 mm后結(jié)構(gòu)層極限承載能力與容許承載能力增大到555.75 kPa與185.59 kPa，較未加固結(jié)構(gòu)層相比分別提升了81.7%與82.0%；格室高度為240 mm時(shí)加固層極限承載力為611.83 kPa，較軟土地基承載力提高了322.5%，較僅用填料填筑情況下提高了100%；礫石結(jié)構(gòu)層未用格室加固下極限承載能力與容許承載能力分別為640.38 kPa與182.53 kPa；使用焊距相同高度不同格室對(duì)礫石結(jié)構(gòu)層進(jìn)行加固后，在格室高度為120、180、240 mm下結(jié)構(gòu)層的極限承載力分別為1 019.72、1 131.88、1 223.66 kPa，較未加固結(jié)構(gòu)層分別提升了59.2%、76.8%與91.1%，由此可知格室高度是影響結(jié)構(gòu)層承載能力的重要因素。

圖7為不同填料下結(jié)構(gòu)層承載力隨格室高度變化的結(jié)果。

由圖7可以看出：兩種填料下加固結(jié)構(gòu)層的極限荷載與允許荷載隨格室高度的增加而增大，土工格室高度的增加使得加固效果提升；當(dāng)高度達(dá)到一定程度后(200 mm)，隨著高度的增加，加固效果逐漸減??；比較黏土結(jié)構(gòu)層與礫石結(jié)構(gòu)層可看出格室高度對(duì)小粒徑填料結(jié)構(gòu)層的承載能力影響更明顯，其原因?yàn)楦袷腋叨仍礁咛盍吓c格室之間的摩阻力與相互作用越強(qiáng)，格室起到了較好的緊箍效果。綜上可知：格室高度對(duì)結(jié)構(gòu)層整體的承載能力有顯著影響，從極限承載力和容許承載力隨土工格室高度的變化特征來看，雖然高度的增加會(huì)導(dǎo)致土工格室加固效率的提高，但當(dāng)格室高度達(dá)到200 mm后，加固效果變化趨于平緩；高度繼續(xù)增大，預(yù)計(jì)加固效果會(huì)降低。

圖7 不同填料下格室高度對(duì)加固地基承載力的影響

4.3 填料類型與土工格室形式的加固效率

該文以提高地基承載力的加固效率為重點(diǎn)，比較未加固地基和土工格室加固地基的極限承載力，并以300 mm厚的礫石土工格室加固地基和換填加固地基的極限承載力提高為基礎(chǔ)，比較換填法加固地基的加固效率。土工格室加固效率采用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：BCRU為土工格室加固地基與未加固地基和置換地基相比的承載力加固效率；qu(R)為土工格室加固地基的極限承載力；qu為未加固或僅含替換黏土和礫石的極限承載力。

計(jì)算結(jié)果如表8所示。

由表8可知：在填料為黏土?xí)r，在尺寸為300 mm×120 mm格室加固下結(jié)構(gòu)層BCRU值為1.5，此時(shí)礫石結(jié)構(gòu)層的BCRU為1.6，較黏土結(jié)構(gòu)層高0.1；在尺寸為300 mm×180 mm格室作用下兩種類型填料有著相同的BCRU值，為1.8；當(dāng)格室尺寸變?yōu)?00 mm×240 mm與300 mm×240 mm時(shí)，黏土結(jié)構(gòu)層的BCRU值都為2.0，而礫石結(jié)構(gòu)層的BCRU值分別為1.4與1.9，較黏土結(jié)構(gòu)層要小；當(dāng)格室尺寸變?yōu)?00 mm×240 mm與500 mm×240 mm時(shí)，黏土結(jié)構(gòu)層BCRU值大幅減小，為1.3與1.2，而礫石結(jié)構(gòu)層BCRU值降幅較低，為1.6與1.4，比黏土結(jié)構(gòu)層高。

表8 土工格室形式與填料的加固比率

由此可知：高度相同情況下，焊距小的格室對(duì)黏土結(jié)構(gòu)層加固效果更好，當(dāng)焊距超過300 mm后格室對(duì)礫石結(jié)構(gòu)層體現(xiàn)出較好的加筋效果。

圖8為土工格室尺寸和填料類型對(duì)地基加固效果的影響。

圖8 土工格室尺寸和填料對(duì)加固效果的影響

由表8可以看出：用黏土填充極限承載力為69.34 kPa的軟土地基，填充后的地基極限承載力是軟土地基的4.4倍。當(dāng)采用大粒徑礫石進(jìn)行填筑時(shí)，形式為300 mm×240 mm的格室加固結(jié)構(gòu)層加固效果最好；格室形式為200 mm×240 mm下黏土加固效果更好。分析原因是采用較大粒徑填料填筑焊距較小土工格室時(shí)，填料在壓實(shí)過程中自身的嵌擠作用發(fā)揮不充分，顆?；旌喜怀浞謱?dǎo)致單元格室內(nèi)密度不一致，從而降低了土工格室的加固效率。

5 結(jié)論

(1) 土工格室加固結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分布比未加固結(jié)構(gòu)層增加約15%，土壓力減小50%～60%，即土工格室加固結(jié)構(gòu)層能有效地將垂直荷載分散，起到應(yīng)力擴(kuò)散的作用從而防止地基發(fā)生剪切破壞或過度沉降。

(2) 格室焊距與高度是影響結(jié)構(gòu)層承載能力的重要因素，相同填料下，格室焊距越大，結(jié)構(gòu)層承載能力越低；格室高度越高結(jié)構(gòu)層承載能力越強(qiáng)。格室高度對(duì)結(jié)構(gòu)層整體性能的影響較格室焊距要高。

(3) 模型試驗(yàn)中通過對(duì)加固結(jié)構(gòu)層下部地基側(cè)向土壓力的分析可知格室作用的邊界條件為2.6倍承載板寬度。

(4) 在最優(yōu)加固情況下，與未加固地基相比，土工格室可將地基極限承載力提高4～8倍；當(dāng)土工格室填充礫石時(shí)，最大極限承載力所用土工格室焊距與高度最佳比值為1∶0.8(格室形式為300 mm×240 mm)；填充黏土?xí)r土工格室焊距與高度最佳比值為1∶1.2(格室形式為200 mm×240 mm)。

(5) 填料與格室的匹配性與格室焊距與填料粒徑有關(guān)，粒徑小的填料與焊距小的格室匹配性好；大粒徑填料與大焊距格室匹配性好。