探討土工格柵加筋砂土加固機理

金順浩 柳俊哲，2*

(1.東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040;2.寧波大學，浙江 寧波 315211)

0 引言

在土工合成工程中，土工格柵補強材料的應用愈來愈廣泛，但是對此類加筋土的加固機理以及變形破壞的理論研究還顯得比較薄弱，至今尚未能形成一套成熟的設計計算理論。為了定量地分析土工格柵在加筋砂土地基中配置長度以及剛性效果，本研究利用7種不同素材及不同剛性的面狀和格子狀土工格柵加筋材，把它們水平配置在密實砂中，通過平面壓縮破壞試驗和承載力試驗，對土工格柵加筋材的素材及其剛性的加固效果進行了考察和分析。

1 數字圖像變形量測技術應用

數字照相量測的圖像分析方法可簡單分為質心法和相關分析法。而變形量測法，可根據是否在試驗模型上布置量測物理標志點，簡單分為標點法和無標點法。前者一般采用質心法進行圖像分析，而后者一般采用相關分析法。

2 試驗方法

2.1 補強材料的種類及物理性能

7種不同素材及不同剛性的面狀和格子狀土工格柵補強材料的物理性能如表1所示。

2.2 土工格柵加筋砂土試體的平面應變壓縮試驗

把抗拉加筋土從受垂直壓縮到破壞為止的流程，用圖1水平布置土工格柵加筋亞溝砂土立方體試件的平面應變壓縮試驗結果來探討。這試驗是在ε2水平方向上保持變形為零的平面應變條件下，從外部施加一定拘束應力σ3(不是一個定值)和軸方向壓縮條件上進行。試件要從σ3水平方向上往外延伸，但因為有拉伸補強材料受到阻礙。但是，試體內部的應力—應變狀態不一樣，局部的σ1和σ3值是越靠近試體內部越大。這例試驗破壞的原因是局部開始發生剪切破壞連帶著在補強區全體內發生剪切破壞。

表1 補強材料的物理性能

圖1 土工格柵補強砂土平面應變壓縮試驗（單位：cm）

圖2表示的是高7.5 cm×σ3方向的寬度8.0 cm×σ2方向的厚度4.0 cm上下斷面里沒有摩擦的小型試件壓縮破壞試驗結果。還表示了試件:在無補強時和在1/2高度布置一層各種平面狀補強材料來補強時，試件的平均軸應力與定值拘束應力的比(σ1/σ30=49 kPa)與試件平均橫方向伸長變形ε3的關系，當然，抗拉剛性和表面摩擦系數大的粗黃銅板土工格柵補強的試件強度最大。而剛性大表面容易出現滑動的光滑黃銅板土工格柵補強的試件強度稍微低。補強材料雖然有非常大的剛性，但在補強材料表面砂出現滑動現象，所以它的高剛性沒充分得到發揮。

圖2 小型試件平面應變壓縮試驗結果

圖3是圖1的試件在接近破壞載荷階段B和C之間時，從σ2面角度觀測照相描繪得到變位分布，求得局部主應變ε1和ε3的分布。

圖3 試件破壞時的等剪斷應變的等值線

1)粗黃銅板補強時:試件的下半部出現了滑移層，雖然發生了破壞，滑移層沒穿透補強材料表面。

2)光滑黃銅板補強時:補強材料表面的一部分出現滑移。

3)無紡布補強時:滑移層沒完全穿透補強材料表面。

4)人造橡膠，合成橡膠，橡漿補強時:滑移層穿透補強材料表面。

5)無補強時形成了明顯的滑移層。但是，有補強效果時滑移層的自由形成受到阻礙，加筋土的破壞常常伴隨著滑移層的形成。

2.3 土工格柵加筋土地基的條形基礎承載力試驗

圖4是密實干燥加筋砂水平模型地基，因土工格柵拉伸補強，使條形基礎(寬度B=10 cm)承載力增大的平面應變模型試驗結果。砂層的側面和砂箱側面的透明丙烯板之間，為了除掉摩擦布置薄橡膠板。薄橡膠板上與砂同步活動的格子交點動態用照相來描繪，格子交點動態用照片讀取，求得砂地基內部局部應變。

無補強地基均布荷載達到最大時刻，地基內應變在均布荷載中心的正下方領域集中(見圖4b))。地基的破壞進程不像(古典承載力理念設想中圖5顯示的滑移線)那樣一口氣生成。地基破壞進程沿著潛在的滑動面，變形有不一樣特點。

在補強地基中把補強材料布置在出現變形大又多的區域(最小主應力σ3)方向，這是拉伸補強工法的基本。圖4b)中變形只在均布荷載中心的正下方集中，這個區域內的伸長變形ε3方向幾乎是水平。所以，在圖5中比均布荷載正下方點a還要遠的部位即使布置補強材料，可以想象到很大的補強效果是期盼不來的。另外，在均布荷載寬度與長度相同(L/B=1)的正下方，在砂箱寬40 cm范圍內只布置10根3層橫斷面寬度3 mm，厚度0.5 mm的帶狀黃銅板土工格柵補強材料，承載力就長了2倍(見圖4a))。均布荷載正下方地基內變形分布就像圖4b)的那樣發生了很大變化，均布荷載正下方的補強部分就如同剛基礎注入了耐力，承載力增加了。并且，實際基礎的載荷問題因受荷載的偏心以及傾斜要素影響很大，所以補強材料比基礎寬度長2～4成是合理的。

圖4 土工格柵加筋土地基的條形基礎承載力試驗

圖5 古典承載力理念中滑動面

受垂直中心載荷時，補強材料做得長就像圖4a)顯示的那樣承載力得到增加。其實從圖4b)的表示中，地基內均布荷載的兩肋正下方鉛垂地產生的變形集中區域，隨著補強材料長度增長變形集中區域逐漸消失。這是因為，隨著補強材料長度增長加強領域得到擴展，顯示出均布荷載在基礎地基范圍內已經得到充分擴散。但補強材料長度超過了某一種限度，則變形分布變化就少，與其對應的補強效果的增加率也變小。補強材料長度再增長，補強效果的增加就變為0。

3 試驗結果及討論

通過室內模型試驗，利用數字照相標點變形量測系統求地基內剪切應變分布和σ1/σ30－ε3，N—S曲線來研究分析加筋土的加筋機理和破壞模式及試驗結果，得出如下結果:

1)加筋土的破壞常常伴隨著滑移層的形成。但是，有補強效果時滑移層的自由形成受到妨礙。

2)與無紡布、光滑黃銅板相比，有抗拉剛性和表面摩擦系數大的粗黃銅板土工格柵補強效果更好。

3)作為土工格柵補強材料來說剛性大的較好，但對補強土的強度來說是每單位體積的補強材料總剛性顯得更重要。

4)在地基的淺層布置補強材料，能起到很好的補強效果。補強材料長度L與荷載接觸底面寬度B相等時的加筋土地基承載力比無加筋土地基承載力明顯提高。

5)隨加筋寬度增加，加筋效果越好。但是加筋長度超過4倍基礎寬度時，承載力提高不大，即補強材料長度超過了某一種限度，則相應的補強效果增加率逐漸變小。

6)增加土工格柵加筋材與砂土之間的接觸面積，可以明顯提高加筋砂土的壓縮強度。其加筋加固效果優于提高加筋材用量或增加剛性所帶來的加筋加固效果。

4 結語

在實際工程設計中應盡可能地考慮加筋材的形狀效果，通過合理配置加筋材的方法來提高土工合成工程的加固效果，而不能單純靠提高加筋素材的剛性或增加加筋材用量來提高，只有這樣才能取得良好的工程經濟效益。

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