剛性基礎下土工格柵加筋碎石墊層變形特性試驗研究

李運成，彭振斌，何杰

(1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲，412007)

近年來，復合地基因能有效地利用土的承載力而受到我國城市民用建筑工程的青睞。在承臺下設置合適的褥墊層，能有地效調節樁-土荷載分擔比，充分發揮地基中樁、樁周土的承載性能，提高復合地基的承載力并減小地基沉降。許多學者對墊層在復合地基中的作用進行了研究，如：李寧等[1-2]研究了設置墊層后樁體復合地基的承載性狀，分析了墊層的加固機理與作用；劉杰等[3]推導了墊層厚度、壓縮模量對復合地基工作性狀影響的解析算式；亓樂等[4-5]分析了復合地基中墊層的作用機理，對樁體進入墊層的刺入量與墊層厚度的計算方法進行了探討；鄭剛等[6]進行了不同厚度褥墊層條件下剛性樁復合地基工作特性模型試驗；王兵等[7-8]通過復合地基靜載荷試驗探討了墊層厚度和材料類型對復合地基承載力的影響。隨著地基處理技術的發展，工程中出現了將土工布、土工格柵、土工格室等土工織物置入砂、石墊層中，形成加筋墊層。加筋墊層能克服單一材料墊層剛度較小的不足，得到了廣大研究者的重視。張良等[9]通過4 種樁網復合地基的現場試驗，測試并分析了加筋墊層對復合地基的承載力和沉降量的影響。羅強等[10]通過復合地基實測發現土工合成材料加筋砂墊層能有效減小軟土地基的沉降變形；黃仙枝等[11-12]研究了加筋層數、筋材間距等對應力擴散角及擴散效應的影響；張福海等[13]基于Winkler 假定，提出了考慮水平抗力的雙參數法，并對土工格室加筋墊層的變形進行了分析；楊明輝等[14]基于平截面假定提出了土工格室加筋墊層剛度的解析算法；楊果林等[15]進行了樁網復合地基加筋墊層土工格柵的變形機理測試，探討了加筋墊層的變形及破壞特征；馬時冬[16]將土工格柵應用于古建筑城門樓加固工程，并通過荷載試驗對土工格柵墊層提高地基承載力、均衡差異沉降和減少總沉降的作用效果進行了檢驗。褥墊層技術是豎向增強體復合地基的關鍵技術之一。盡管國內外針對砂、石墊層及加筋墊層均進行了一定研究，然而，均側重于墊層對復合地基承載力和沉降量的影響，對墊層本身的變形特征關注較少。為此，本文作者采用模型試驗的方法對剛性基礎下墊層與加筋墊層的變形特性進行測試，探討不同墊層厚度、土工格柵層數、土工格柵鋪設位置等因素對墊層及加筋墊層沉降量和變形模量的影響，以便為加筋墊層的優化設計提供參考。

1 試驗

為探討剛性基礎下不同工況土工格柵加筋墊層的工作性狀，共進行了9 個模型靜載試驗，模型試驗工況如表1 所示。

模型試驗在長×寬×高為1.5 m×1.5 m×0.5 m的鋼制模型箱中進行，模型箱內分層采用動力夯實(壓實度控制在90%左右)的方法分層鋪設碎石。碎石粒徑級配控制在10～20 mm 范圍內，其物理力學性能參數如表2 所示。

本次試驗中所用土工格柵為江蘇宜興市華東巖土工程材料有限公司生產的雙向聚丙烯土工格柵，長×寬為1.0 m×1.0 m，其相關技術指標如表3 所示。

表1 模型試驗工況Table 1 Working conditions of model tests

表2 碎石的物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of gravel

表3 土工格柵技術參數Table 3 Technical parameters of geogrid

試驗的加載系統如圖1 所示。載荷板采用20.0 mm厚的鋼板，其邊長為70.7 cm。載荷板的沉降采用千分表觀測。靜載試驗嚴格按JGJ 79—2002(《建筑地基處理技術規范》)進行。

圖1 墊層試驗裝置示意圖Fig.1 Installation of cushion experimental equipments

2 實驗結果分析

2.1 厚度變化和有無土工格柵對墊層變形模量的影響

圖2 所示為有無土工格柵情況下，當墊層厚度變化時，碎石墊層的荷載–變形關系曲線。

圖2 不同厚度、有無加筋碎石墊層的荷載–變形曲線Fig.2 Load-deformation curves at different thickness with or without reinforced gravel cushion

從圖2 可知：1) 在相同荷載作用下，無論是否設置土工格柵，隨墊層厚度增加，10 cm 厚墊層的沉降量較20 cm 厚墊層的沉降量小；2) 不設置土工格柵時，10 cm 厚墊層的沉降量小于20 cm 厚墊層的沉降量，但兩者的沉降差較大；3) 將土工格柵均設置于沿墊層深度方向的中部時，20 cm 厚墊層的沉降量要大于10 cm 厚墊層的沉降量，且兩者的沉降差較無筋時的小。

以上分析結果表明：1) 在剛性基礎下，較薄墊層的剛度比較厚墊層的剛度大；2) 在墊層中設置土工格柵，能提高墊層的剛度，減小墊層的壓縮變形。

由圖2 可得以上4 種工況下墊層的變形模量，如表4 所示。

表4 有無土工格柵置于墊層中部時碎石墊層的變形模量Table 4 Deformation modulus of gravel cushion with or without geogrids in its central

分析表4 可知：1) 增加墊層厚度，碎石墊層的變形模量明顯減小；當碎石墊層厚度由10 cm 增至20 cm時，無格柵碎石墊層變形模量降低58.5%，含1 層土工格柵的碎石墊層變形模量下降幅度稍大，為60.2%；2) 在碎石墊層中設置土工格柵能有效地提高墊層的變形模量，當墊層厚度分別為10 cm 和20 cm 時，在墊層中間設置1 層土工格柵后其變形模量較無格柵時分別增大26.3%和21.1%，增大幅度隨墊層厚度的增加而減少。

2.2 格柵層數、鋪設位置變化對墊層變形模量的影響

圖3 所示為20 cm 厚墊層內鋪設土工格柵層數與位置不同時加筋碎石墊層的荷載-變形曲線。

圖3 格柵層數與鋪設位置對20 cm 加筋碎石墊層的變形影響曲線Fig.3 Deformation curves of geogrids reinforced gravel cushion of 20 cm thickness affected by geogrids layers and their laying position

表5 加筋碎石墊層的變形模量Table 5 Deformation modulus of geogrids reinforced cushion

由圖3 可知：1) 在20 cm 墊層中鋪設2 層土工格柵時墊層的沉降量要比只鋪設1 層土工格柵的沉降量小；2) 在20 cm 厚碎石墊層中鋪置1 層土工格柵時，格柵位置離墊層頂面的位置越近，加筋墊層的沉降量越小，反之，墊層沉降量逐漸增加；3) 在20 cm 厚碎石墊層中鋪置2 層土工格柵時，隨著土工格柵距墊層頂面的距離越近，加筋墊層的沉降量越小，其中，首層格柵鋪設于距墊層頂面5 cm，且與第2 層格柵間隔5 cm 時(即工況20CMG2-3)，墊層的壓縮變形最小。

上述試驗現象表明：1) 在墊層厚度允許的情況下，增加土工格柵層數，能有效地減小墊層的壓縮變形，提高墊層剛度；2) 土工格柵鋪設位置距離墊層頂面越近，墊層的壓縮變形越小。由圖3 可得以上6 種工況下加筋墊層的變形模量，如表5 所示。

分析表5 可知：1) 增加土工格柵層數，能有效增大加筋墊層的變形模量；2) 隨著格柵鋪設位置的下移，加筋墊層的變形模量減小；3) 隨著格柵層數的增加，鋪設位置對墊層變形模量的影響變小，當鋪設格柵分別為1 層和2 層時，鋪設位置不同引起的變形模量變化量分別為平均值的20.0%和7.9%。

在復合地基工程中，墊層設計是一項關鍵工作：既要保證墊層具有一定的剛度，又要確保樁體在受荷時墊層材料能隨樁體的刺入而流動，且樁體的刺入應有一定幅度，以利于淺層土體承載性能的發揮。當墊層剛度較大時，能較好地發揮樁體的承載性能；當墊層厚度較小時，樁體向墊層刺入的幅度較小，墊層對樁-土荷載分擔比的調節能力有限。對于鋪設2 層及2層以上土工格柵的墊層，在設計過程中既要考慮能有效提高墊層剛度，又要保證墊層對樁-土荷載分擔比的有效調節，因此，墊層材料、格柵物理力學性能、格柵層數、首層格柵的鋪設位置、格柵的間距等參數的選擇十分重要。

3 結論

1) 在相同荷載作用下，碎石墊層的變形模量隨墊層厚度的增大而減小；在墊層中設置土工格柵，能提高墊層的剛度，減小墊層的壓縮變形量，變形模量的提升幅度隨墊層厚度的增加而減少。

2) 在墊層厚度允許的情況下，增加土工格柵層數，能有效地減小墊層的壓縮變形，提高墊層剛度。

3) 土工格柵鋪設位置距離墊層頂面越近，墊層的變形模量大；隨著墊層內土工格柵層數的增多，墊層內土工格柵鋪設的位置對墊層變形模量的影響 變小。

4) 試驗結果能為復合地基中加筋墊層的優化設計提供參考。但本次試驗僅對碎石墊層開展了測試分析，對不同材料、不同土工格柵層數及間距條件下的墊層變形特性有待進一步研究。

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