軟土地基加固中竹網(wǎng)的受力與變形分析

王桂香嚴(yán)盛康樂紹林王浩晨于增輝

(1.河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院,河北 保定 071002;2.武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430072)

竹子為綠色環(huán)保的材料,竹網(wǎng)法形成的工作面的力學(xué)性質(zhì)和強度遠(yuǎn)高于土工布+填土和土工格柵+填土的處理方法.Khosrow[1]給出竹的抗拉強度達(dá)到370 MPa.毛筱霏等[2]對通過實驗得出楠竹的抗拉強度可以達(dá)到306.5 MPa,彈性模量為18.9 GPa.Aazokhi[3]通過現(xiàn)場表明竹網(wǎng)加固泥炭土與高強度土工格柵系統(tǒng)相比節(jié)省成本,減少固結(jié)沉降.Hegde等[4]室內(nèi)實驗表明土工格室加固粘土層的承載力增加了3～4倍,竹格室承載增加了4～5倍.Asaduzzaman等[5]通過室內(nèi)實驗得到,當(dāng)竹筋置于破壞包絡(luò)位置以上時,單層加筋土和多層加筋土體系的承載力分別比未加筋土提高了1.77倍和2.02倍.對于單層體系,當(dāng)加固層位于0.30的荷載板寬度時,承載能力最大沉降最小.Waruwu等[6]實驗發(fā)現(xiàn)竹格網(wǎng)加固能夠增加路基模量和土體剪切模量.鄧友生等[7]得出竹材抗拉強度、抗彎強度、彈性及韌性方面與鋼材相近,經(jīng)過一系列加工處理在某些方面明顯高于鋼材的性能.祝明橋等[8]認(rèn)為竹材的含水率對該材料抗拉強度影響顯著,其中實驗竹材的含水率為11.5%時材料性能最優(yōu).黃松濤[9]采用竹架垂直、水平方向布設(shè)、上鋪設(shè)編織布的方法處理了大鏟灣二期工程的軟土地基.鄒光漢[10]采用下鋪土工布、上鋪竹網(wǎng)和砂墊層的方法處理菲律賓高架橋箱涵工程中的箱涵,取得了良好的加固效果.孫亮富等[11]采用單向網(wǎng)格狀帶齒加筋砂墊層,能顯著提高軟基承載力,減少軟基沉降及不均勻沉降,并能減少路堤的側(cè)向位移.陳楚南等[12]在吹填造陸工程中,提出3種竹網(wǎng)+土工布墊層的施工方案.

綜上研究表明,竹網(wǎng)或土工格室可以大幅提高軟土地基的承載力,但是竹網(wǎng)加固軟基的承載力計算缺乏理論基礎(chǔ).本文設(shè)計室內(nèi)載荷實驗研究了竹網(wǎng)加固軟基的承載特性和竹網(wǎng)的變形特性.

1 實驗材料

1.1 毛竹

實驗中的竹網(wǎng)采用江蘇毛竹,直徑為1.0～1.2 cm,含水率為11.0%,竹節(jié)長度17.5～23.3 cm,平均值為22.43 cm.對實驗所用毛竹單桿和竹網(wǎng)進行抗彎實驗,簡支毛竹單桿的跨度為60 cm,竹網(wǎng)一對邊簡支,另一對邊自由,簡支對邊的跨度為60 cm.單桿的破壞形式如圖1所示,破壞形式有2種:一是縱向開裂,二是在集中力作用點處彎折.典型竹桿的力和撓度曲線如圖2所示,典型竹網(wǎng)的力和撓度曲線如圖3所示.由表1可以看出實驗所用單桿比例極限56.6～107.2 MPa,極限應(yīng)力為71.9～117.8 MPa,彈性模量11.59～19.57 GPa.對竹網(wǎng)進行彎曲實驗,荷載板正下方竹網(wǎng)的最大彎曲應(yīng)力分別為115 和82.1 MPa.15 cm×15 cm 竹網(wǎng)的承受的豎向荷載是單根竹竿的3.7～5.9倍,平均為4.7倍.

表1 竹材的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Mechanical property indexes of bamboo

圖1 竹材室內(nèi)抗彎實驗和竹網(wǎng)加固淺層軟土地基載荷實驗Fig.1 Indoor bending test of bamboo and load test of bamboo net shallow treatment

圖2 毛竹單桿荷載-撓度曲線Fig.2 Load-deflection curve of bamboo single pole

圖3 竹網(wǎng)荷載-撓度曲線Fig.3 Load-deflection curve of bamboo net

1.2 實驗用土

實驗用土取自溫州市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)軟土.場地土層存在27.20～33.60 m 厚的流塑、高壓縮、高靈敏度土,軟土層的重度在17.4～18.3 k N/m3,含水率為47.31%～61.43%,液性指數(shù)大于1.50,塑性指數(shù)大于18.將現(xiàn)場軟土加水飽和均勻,含水率為60%.重度為16.5 k N/m3,孔隙比為1.55.軟土層厚度550 mm,竹網(wǎng)上覆砂土的重度為16.45 k N/m3.

1.3 土工布

土工布采用河北順泰土工材料有限公司產(chǎn)品.土工布單位面積質(zhì)量150 g/m2,其縱向撕裂強度為5.1 k N/m,橫向撕裂強度為5.2 k N/m,縱向伸長率65%,橫向伸長率66%,頂破強力1 k N,縱向和橫向撕破強度均為0.15 k N.

2 實驗方法和結(jié)果分析

2.1 實驗方法

如圖1所示,實驗裝置主要由模型箱和液壓千斤頂組成.模型箱的長×寬×高為100 cm×100 cm×100 cm,圓形荷載板,直徑為29 cm.竹網(wǎng)為15 cm×15 cm,在竹網(wǎng)交接處用鍍鋅鐵絲加固.竹網(wǎng)受拉側(cè)布置應(yīng)變片,如圖4所示.

軟土上放置15 cm×15 cm 的竹網(wǎng),竹網(wǎng)上布置一層土工布,其上平攤不同厚度的砂土后進行載荷實驗.竹網(wǎng)上覆砂土厚度與荷載板的寬度比稱之為厚寬比(H/D=0～0.69).圖4b為載荷實驗結(jié)束后卸去砂土墊層的竹網(wǎng)和軟土地基.由圖4可以看出,在上覆砂土和荷載作用下竹網(wǎng)受彎,且竹網(wǎng)和地基是緊密接觸.實驗結(jié)束后竹網(wǎng)變形開始回彈,導(dǎo)致軟土和竹網(wǎng)之間部分開裂.載荷實驗結(jié)束后,將竹網(wǎng)從地基中取出,竹網(wǎng)的彎曲變形幾乎全部恢復(fù).

圖4 卸荷后的竹網(wǎng)及竹網(wǎng)中應(yīng)變片布置Fig.4 Layout of unloaded bamboo net and strain gauge in bamboo net

2.2 實驗結(jié)果分析

將荷載板置于竹網(wǎng)上,對荷載板進行加荷.竹網(wǎng)的相當(dāng)應(yīng)力等于施加的荷載與荷載板面積之比.圖5a為單向簡支竹網(wǎng)與地基上竹網(wǎng)的撓度與壓強的關(guān)系.由圖5a可以看出地基上的竹網(wǎng)由于地基的作用限制了竹網(wǎng)的變形,竹網(wǎng)的豎向變形與相當(dāng)應(yīng)力成線性關(guān)系,而對邊簡支竹網(wǎng)的豎向變形開始具有明顯的直線段,當(dāng)相當(dāng)應(yīng)力超過比例極限后,呈明顯的非線性.當(dāng)竹網(wǎng)豎向變形小于40 mm 時,豎向變形與相當(dāng)應(yīng)力成線性關(guān)系,地基上竹網(wǎng)的承受的荷載是對邊簡支的1.74倍.

圖5b為厚寬比不同情況下的荷載沉降曲線.該組實驗時在竹網(wǎng)上鋪設(shè)了一層土工布.由圖5b和表2可看出,當(dāng)竹網(wǎng)豎向變形等于40 mm 時,H/D小于0.52時,豎向變形與壓強呈線性關(guān)系,當(dāng)H/D=0.69時先直線后進入非線性.隨著厚寬比的增加,壓強增加,當(dāng)H/D=0～0.69時,與軟土的壓強相比,地基壓力比從2.66倍增加到6.96倍.

表2 竹網(wǎng)+覆土載荷實驗結(jié)果Tab.2 Load test results of the bamboo net and covered cushion

圖5 荷載-沉降曲線Fig.5 Load-Settlement curve

圖6分別為考慮土工布、竹網(wǎng)和上覆不同厚度砂土層時,竹網(wǎng)各測點的應(yīng)變與地基壓力的關(guān)系曲線.由圖6可以看出,應(yīng)變隨地基壓力基本呈線性關(guān)系,SN-2測點除外,其余4個測點在竹網(wǎng)下部竹竿底部,荷載板正下方竹桿下部的應(yīng)變遠(yuǎn)高于竹桿上部測點SN-2的應(yīng)變值.主要原因為竹桿下部在加載開始與地基表面緊密接觸,而竹桿上部開始與地基有一個竹桿直徑的距離.由表2可以看出竹網(wǎng)上應(yīng)力隨上覆砂土的厚度增加而降低.當(dāng)沉降一定時,竹網(wǎng)上土層具有擴散作用,因此應(yīng)變和應(yīng)力降低.

圖6 竹網(wǎng)上各測點應(yīng)變-地基壓力的關(guān)系(H/D=0.52)Fig.6 Relationship between strain and foundation pressure at one measuring point on bamboo net

3 結(jié)論

1) 簡支條件下的毛竹單桿的破壞形式為縱向開裂或彎折;單根受彎時比例極限為6.6～107.2 MPa,極限應(yīng)力為71.9～117.8 MPa,彈性模量11.59～19.57 GPa;間距為15 cm×15 cm 的對邊簡支竹網(wǎng)的承載能力是單桿的3.7～5.9倍.

2) 隨著上覆土層厚度的增加,地基壓力明顯增加,當(dāng)厚寬比為0～0.69時,對應(yīng)沉降40 mm 的地基壓力與軟土地基的壓力比為2.66～6.96,竹網(wǎng)上應(yīng)力由于砂土層的擴散作用而降低.載荷實驗結(jié)束后,將竹網(wǎng)取出,竹網(wǎng)的彎曲變形幾乎全部恢復(fù).

3) 砂土墊層下的竹網(wǎng)表現(xiàn)為彎曲變形,其應(yīng)變與地基壓力基本呈線性關(guān)系,在受荷作用時竹網(wǎng)和地基是緊密接觸的,其應(yīng)變和彎曲應(yīng)力隨H/D的增加而減少.