土工格柵設置對墊層剛度影響的試驗研究

黃禮勝，劉 杰，何 杰，楊慶光

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

土工格柵設置對墊層剛度影響的試驗研究

黃禮勝，劉 杰，何 杰，楊慶光

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

為探討土工格柵對碎石墊層剛度的影響規律，設計了9種不同工況的墊層，分別進行了模型靜載試驗，分析了墊層厚度、有無土工格柵、土工格柵層數及鋪設位置等因素對碎石墊層及加筋碎石墊層變形的影響。結果表明：墊層厚度的減小能有效地降低地基沉降；在一定荷載范圍內，有土工格柵碎石墊層的承載性能要優于無土工格柵碎石墊層；在相同荷載作用下，當墊層厚度相同時，土工格柵層數和鋪設位置不同，其碎石墊層的剛度也不同，且存在一個最佳的鋪設層數及鋪設位置，土工格柵的最佳層數及鋪設位置有待進一步研究。

碎石墊層；土工格柵；墊層剛度；沉降

1 研究背景

加筋碎石墊層的優越性能在路基工程中應用較多，將土工格柵作為加固補強材料埋至碎石墊層內，能夠較好地發揮墊層的承載作用，約束地基側向變形，減少不均勻沉降，提高路基的整體強度，抑制路堤的破壞。

相關學者對加筋墊層在地基中的作用機理展開了研究，取得了一定的成果。李冰等人[1]對夯實水泥土楔形樁復合地基進行了靜載試驗研究，探討了碎石墊層中有無土工格柵對復合地基荷載沉降的影響，結果表明，墊層中有土工格柵的復合地基比無土工格柵的復合地基的平均沉降要小。張良等[2]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承載力和沉降量的影響。羅強等[3]基于現場試驗，得出了土工合成材料加筋砂墊層能有效減小軟土地基在上部路堤荷載作用下的沉降變形的結論。黃仙枝等人[4-5]研究了加筋墊層的應力擴散特性，分析了加筋層數、筋材間距等對應力擴散角及擴散效應的影響。張福海等人[6]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[7]基于平截面假定，引入疊梁計算理論，分析了疊量彈性模量與疊梁撓度及荷載的對應關系，提出了土工格室加筋墊層剛度的解析算法。楊果林等人[8]在武廣高鐵某水泥粉煤灰碎石（cement fly-ash gravel，CFG）樁加固段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[9]把加筋墊層應用于泉州2個古建筑城門樓加固工程，并進行了21組荷載試驗，對加筋墊層提高地基承載力、均衡差異沉降和減少總沉降的作用及效果進行了檢驗。

本文基于模型試驗，對加筋墊層的工作性狀進行測試，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剛度的影響，為加筋墊層的優化設計提供數據參考。

2 模型試驗

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，模擬試驗工況如表1所示。

表1 模型試驗工況Tabel1 Model testing conditions

該模型試驗在尺寸為 1.5m×1.5m×0.4m的模型箱中進行，模型箱內分層鋪設碎石，其物理力學性能參數見表2。模型試驗的加載系統主要由千斤頂和反力架組成，在承載板四邊的中點對稱安裝百分表測量位移，總荷載采用壓力傳感器進行測量。

表2 碎石的主要物理力學參數Table2 Physical-mechanical parameters of gravel

本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，尺寸為1.0 m×1.0 m，其相關技術指標如表3所示。

表3 土工格柵性能參數Table3 Performance parameters of geogrid

試驗裝置布置如圖1所示，其中，圖a為百分表在剛性荷載板上的布置平面圖及荷載板的尺寸，圖b為整套試驗裝置布置圖。靜載試驗按JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》[10]進行。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of test device

3 試驗結果及分析

3.1 墊層厚度對墊層剛度的影響

圖2為碎石墊層厚度分別為10 cm和20 cm情況下的無土工格柵的荷載與平均沉降的關系。

圖2 不同墊層厚度的荷載-平均沉降曲線Fig.2 Curves of load-average settlement of different thickness of cushion layer

由圖2可以看出：

1）在相同荷載作用下，2種不同墊層厚度的無土工格柵的荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線，沉降都隨荷載的增大而逐漸增大，且二者的沉降差值也隨荷載的增大而增大。

2）在荷載大于120kPa的情況下，其沉降增加的速率有增大的趨勢。

以上現象表明：在相同條件下，隨著墊層厚度的減小，地基沉降也得以減小；但并不是墊層厚度越小越好，而是存在一個合理的墊層厚度，最佳墊層厚度范圍有待進一步研究。

3.2 有無土工格柵對墊層剛度的影響

圖3為碎石墊層厚度分別為10cm和20cm情況下的有無土工格柵的荷載與平均沉降的關系。

圖3 有無土工格柵的荷載-平均沉降曲線Fig.3 Curves of load-average settlement with or without geogrid

由圖3可以看出：

1）有無土工格柵碎石墊層的荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線，無格柵的沉降值要大于有格柵的沉降值。

2）在圖3a中，當荷載大于40kPa時，平均沉降隨著荷載的逐漸增大而增大，且二者的沉降差也隨荷載的增大而增大。隨著荷載的進一步增大，平均沉降增加的速率有增大的趨勢。

3）在圖3b中，當荷載小于120kPa時，沉降隨荷載的增大而增大的趨勢較一致；當荷載大于120 kPa時，沉降隨荷載的增大而增大，且任意2種工況下的沉降差值隨荷載的不斷增大而增大，隨著荷載的進一步增大，沉降差值增加的速率有增大的趨勢。

4）在相同荷載情況下，結合表1中格柵與墊層頂面距離的相關數據可知，土工格柵在碎石墊層中鋪設位置與墊層頂面距離越大，其沉降值越小。

以上現象表明：1）在一定荷載范圍內，碎石墊層中鋪設的土工格柵能有效發揮承載性能，其性能要優于無土工格柵的碎石墊層。2）在相同地質條件下，碎石墊層中鋪設土工格柵能有效增加墊層的剛度和減小地基沉降，但存在一個土工格柵鋪設的最佳位置，最佳的鋪設位置有待進一步研究。

3.3 土工格柵位置對墊層剛度的影響

圖4為碎石墊層厚度為20cm時，不同的土工格柵層數情況下的荷載與平均沉降關系。

圖4 不同土工格柵層數的荷載-平均沉降曲線Fig.4 Curves of load-average settlement of different geogrid layers

由圖4可以看出：

1）在相同的碎石墊層厚度與土工格柵層數情況下，荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線。

2）在圖4a中，當荷載大于120 kPa時，隨著荷載的逐漸增大，20CMG1-3與其他2種工況之間的沉降差值逐漸增大，沉降增加的速率也隨著荷載的不斷增大而呈現出增大的趨勢。當荷載小于100 kPa時，20CMG1-1和20CMG1-2的沉降差值變化較小；當荷載大于100 kPa時，20CMG1-1和20CMG1-2的沉降都隨荷載的增大而逐漸增大，且隨著荷載的進一步增大，二者之間的沉降差值呈現出增大的趨勢。在相同荷載情況下，20CMG1-3比其余2種工況的沉降值要小。

3）在圖4b中，當荷載為60～120 kPa且第一層土工格柵位置相同時，20CMG2-1和20CMG2-2之間的沉降差值隨荷載的逐漸增大而增大，當荷載大于120 kPa時，二者之間的沉降差值逐漸減小。當第二層土工格柵位置相同且荷載小于120 kPa時，20CMG2-2和20CMG2-3之間的沉降差值隨著荷載的逐漸增大而增大。碎石墊層中鋪設的第一層土工格柵靠近碎石墊層底部時的沉降值較小；在相同荷載作用下，2層土工格柵的位置分別接近于碎石墊層的頂部和底部時，此種工況比其他2種工況的沉降值要小。

以上現象表明：1）在一定荷載范圍內，在碎石墊層中鋪設1層土工格柵時，隨著荷載的不斷增大，20CMG1-3的沉降比其他2種工況要小，這主要是在碎石墊層中合適的位置鋪設的1層土工格柵發揮作用所致；當碎石墊層中鋪設2層土工格柵位置不同時，隨著荷載的逐漸增大，20CMG2-2的沉降比其他2種工況要小，這主要是在碎石墊層中鋪設的土工格柵發揮作用的時效性所致。2）隨著土工格柵位置的調整，碎石墊層剛度增強且承載能力得到發揮，但存在一個最佳鋪設層數，使得土工格柵在碎石墊層中能發揮較好的墊層剛度和承載性能。土工格柵的最佳鋪設層數有待進一步研究。

4 結論

1）在相同荷載作用下，降低墊層厚度能減小地基沉降，但并不是墊層厚度越小越好，而是存在一個合理的墊層厚度，最佳墊層厚度范圍有待進一步研究。

2）在有無土工格柵情況下，荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線。在相同荷載條件下，從總體來看，有土工格柵比無土工格柵碎石墊層的平均沉降值要小；在相同條件下，碎石墊層中由于鋪設的土工格柵位置的不同，而引起碎石墊層的剛度也不同，且存在一個土工格柵最佳的鋪設位置，土工格柵最佳的鋪設位置有待進一步研究。

3）在相同荷載作用下，當墊層厚度相同時，土工格柵的層數和鋪設位置不同，會引起平均沉降出現較大差異。在相同條件下，并不是土工格柵鋪設的層數越多，其效果就越好，同樣存在一個最佳的土工格柵層數，土工格柵的最佳鋪設層數有待進一步研究。

[1] 李 冰，劉 杰，何 杰，等.有無土工格柵-夯實水泥土楔形樁工作性狀試驗研究[J].湖南工業大學學報，2012，26(2)：24-28. Li Bing，Liu Jie，He Jie，et al. Experimental Research on Bearing Behavior of Rammed Soil-Cement Tapered Pile with or Without Geogrid Cushion[J]. Journal of Hunan University of Technology，2012，26(2)：24-28.

[2] 張 良，羅 強，劉瀟瀟，等. 基于現場試驗的樁網復合地基墊層效應分析[J]. 西南交通大學學報，2010，45 (5)：787-793. Zhang Liang，Luo Qiang，Liu Xiaoxiao，et al. Cushion Effect Analysis of Pile-Net Composite Foundation Based on Field Tests[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2010，45(5)：787-793.

[3] 羅 強，劉俊彥，張 良.土工合成材料加筋砂墊層減小軟土地基沉降試驗研究[J].巖土工程學報，2003，25 (6)：710-714. Luo Qiang，Liu Junyan，Zhang Liang. Application of Geosynthetic-Reinforced Sand Blanket to Settlement Reduction of Soft Ground[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(6)：710-714.

[4] 黃仙枝，豈連生，白曉紅.軟土地基土工帶加筋碎石墊層的應力擴散研究[J].巖石力學與工程報，2004, 23 (17)：2992-2997. Huang Xianzhi，Qi Liansheng，Bai Xiaohong. Study of Stress Distribution in Belt Geosynthetic-Reinforced Gravel on Soft Soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004， 23(17)：2992-2997.

[5] 劉毓氚，左廣洲，陳福全.加筋墊層應力擴散特性試驗研究[J].巖土力學，2007，28(5)：903-908. Liu Yuchuan，Zuo Guangzhou，Chen Fuquan. Numerical Research on Stress Distribution of Geosynthetic Reinforcement Layer[J]. Rock and Soil Mechanics， 2007，28(5)：903-908.

[6] 張福海，俞仲泉.平面應變條件下土工格室加筋墊層的變形分析[J].巖土力學，2005，26(增刊1)：241-243.

Zhang Fuhai，Yu Zhongquan. Analysis of Deformation of Geogrid Reinforced Mat Under Plane Strain Condition[J]. Rock and Soil Mechanics，2005，26(S1)：241-243.

[7] 楊明輝，鄧岳保，趙明華. 基于疊梁試驗的土工格室墊層剛度確定方法研究[J]. 土木工程學報，2011， 44(11)：87-92. Yang Minghui，Deng Yuebao，Zhao Minghua. Study of Chin Stiffness Test Method of Geogrid Cushion Based on Superposed Beam Theory[J]. China Civil Engineering Journal，2011，44(11)：87-92.

[8] 楊果林，王亮亮. 樁網復合地基加筋墊層土工格柵變形機理研究[J]. 中國鐵道科學，2011，32(5)：8-12. Yang Guolin，Wang Liangliang. Research on the Deformation Mechanism of the Geogrid Reinforced Cushion for Pile-Net Composite Foundation[J]. China Railway Science，2011， 32(5)：8-12.

[9] 馬時冬. 土工格柵加筋墊層的效果檢驗[J].巖石力學與工程學報，2005，24(3)：490-495. Ma Shidong. Verification of Reinforced Effect on Geogrid Cushion for Foundation Strengthening[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(3)：490-495.

[10]中國建筑科學研究院. JGJ 79—2012 建筑地基處理技術規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012：76-77. China Academy of Building Research. JGJ 79—2012 Technical Code for Building Foundation Treatment[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2012：76-77.

（責任編輯：徐海燕）

Experimental Study of the Effect of Geogrid Settings on Cushion Stiffness

Huang Lisheng，Liu Jie，He Jie，Yang Qingguang
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

To study the influence law of gravel Geogrid’s effects on the stiffness of grave cushion, cushions of nine different kinds are designed and are carried out static load tests of models respectively. The effects of different thickness of cushion layer, with or without geogrid, the different geogrid layers and different laying position on gravel cushion and reinforced grave cushion deformation are analyzed. The test results indicate that: the decrease of the thickness of cushion layer can effectively reduce foundation settlement; within a certain range of load, the bearing capacity of gravel cushion with geogrids is better than that without geogrid; under the same load, when the thickness of cushion is same, geogrid layers and laying position is different, the gravel cushion stiffness is also different, and there is a best laid layers and laying position. The best geogrid layers and the best laying position need further study.

gravel cushion；geogrid；cushion stiffness；settlement

TU472.3+4

：A

：1673-9833(2014)01-0018-04

2013-11-10

國家自然科學基金資助項目（51108176，51078140）

黃禮勝（1986-），男，安徽淮南人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為地基處理，

E-mail：360509926@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.004