土工合成材料在軟土路基加固中的應用

白亞東

(中鐵一局集團有限公司,北京 100161)

土工合成材料在軟土路基加固中的應用

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本文說明在軟土地基上鋪放土工合成材料,可起到減小最大沉降、調整不均勻沉降和提高地基承載力的目的。

土工合成材料 軟土 不均勻沉降

1 軟土的定義和特性

軟土是自然歷史的產物，是隨著古地理、氣候、沉積環境的變化而形成的。一般是指在濱海、湖泊、谷地、河灘沉積的天然含水率大于30%，其液限一般在34%--43%的范圍內，塑性指數大部分在15—20之間，天然空隙比大于1的土。如淤泥和淤泥質土，以及其他高壓縮性飽和粘性土、粉土。

由于軟土的生成環境及粒度、礦物組成和結構特征，結構性顯著且處于形成初期，故具有以下物理力學特性：

(1)顏色以深色為主，粒度成分以細顆粒為主，有機質含量高;

(2)天然含水量高，容重小，天然含水量大于液限;

表1 穩定安全系數

(3)天然孔隙比大，一般大于1.0;

(4)滲透系數小，一般小于10-6cm/s，沉降速度慢，固結完成所需時間長;

(5)粘粒含量高，塑性指數大;

(6)高壓縮性，壓縮系數大，基礎沉降大，般壓縮系數大于0.5MPa-1;

(7)強度指標小，快剪凝聚力小于l0kPa，內摩擦角小于50;固結快剪的強度指標略高，凝聚力小于15kPa，內摩擦角小于100度;

(8)靈敏度高，靈敏度一般在2—10之間，有時大于10，具有顯著的流變特性。

(9)在荷載作用下一般會產生較大的沉降變形或失穩。

2 土工合成材料的分類及性能指標

土工合成材料是以人工合成的聚化物為原料制成的各種類型產品。可置于巖土或其它工程結構內部、表面或各種結構層之間，具有過濾、防滲、隔離、排水、加筋和防護等多種功能，發揮加強、保護巖土或其它結構功能的一種新型巖土工程材料。

圖1 路堤穩定性計算圖(瑞典法)

圖2 沿下臥硬土層頂面滑動破壞計算圖

圖3 地基土側向擠出滑動破壞計算圖

一般將其分為土工織物、土工膜、土工復合材料和土工特種材料等。

表征土工合成材料的性能指標一般可分為物理性能指標、力學性能指標、水力性能指標、土工合成材料與土相互作用指標及耐久性指標等。

3 土工合成材料在軟土路基加固中的作用機理

3.1 約束地基側向位移,提高地基承載力

土有一定的抗壓強度，但抗剪強度很弱。土工合成材料在垂直荷載作用下，地基產生壓縮沉降和側向位移，此時土工合成材料受拉，故而能支承部分豎向荷載，土工合成材料與地基之間的摩阻力還可約束地基側向位移從而提高地基的承載力。

3.2 隔離、分散應力

鋪設在軟弱地基上的土工合成材料將上部填料與地基土隔離開來，具有的抗拉強度和良好的變形性能，使得填料與地基土的接觸部分具有相對剛度，從而將上覆荷載較均勻地分散到較大范圍的地基上，提高了地基承載力。工程實踐證明，控制加載速率的條件下，鋪設土工布后地基承載力比天然地基承載力提高約12.8%。同時，在不同性質的填料分層面上，鋪設土工合成材料使不同性質的填料互不摻雜，保持其結構性能。

3.3 防滲、排水

土工膜和復合型土工膜(兩布一膜等)具有防止水流滲透的良好性能，它們通常被當作土工結構物的防滲層。土工合成材料的排水作用表現在它能使土體中的水分匯集到它的表面并沿著這個表面排出。在沼澤、鹽漬土等軟弱地基處理中通常利用土工布來隔斷毛細水或地下水上升。

3.4 邊坡加固

邊坡加固作用表現為兩種形式，一是將土工合成材料鉚釘在邊坡的表面，結合邊坡綠化等措施實現邊坡防護功能，二是將特定的土工合成材料平鋪到邊坡內部一定的深度，借助材料的抗拉強度來加固邊坡。在膨脹土路基設計或既有路基加寬設計時，通過在邊坡一定深度內分層鋪設土工格柵等具有一定抗拉強度和變形性能的土工合成材料來加固邊坡。

3.5 減小不均勻沉降

通常土工合成材料與碎石層共同作為一層，這層具有與路堤本身和軟土地基不同的剛度，通過這一墊層將堤身荷載傳到軟土地基中去，它既是軟土固結的排水面，又是路堤的柔性筏基，因此可使地基變形均勻，且路堤中心沉降量比不鋪土工合成材料時要小。

4 設計檢算

4.1 穩定性驗算

土工合成材料加筋路基的穩定性包括地基與堤身的整體穩定性、堤身穩定性、平面滑動穩定性。各項穩定性的安全系數不得小于表l規定的值。

4.1.1 加筋路堤整體穩定性

加筋路堤穩定性分析的計算方法，常采用圓弧條分法進行。計算時應假設若干個穿越地基土的滑弧。以求得安全系數最小值和相應的臨界滑動面。計算常采用瑞典法和荷蘭法兩種計算模型。瑞典法計算模型是假定土工合成材料的拉力總是保持在原來鋪設方向。如圖1所示，則安全系數最小值和相應的臨界滑動面可按下式計算：

式中： wi-第i土條土重，KN/m

cqi-第i土條土體粘聚力，kPa

φqi-內摩擦角

TGCjyi-第j層土工合成材料設計抗拉強度，KN/m

Qi-第i層土條所受地震水平力，KN/m

其余符號含義如圖1所示。

4.1.2 加筋路堤的堤身穩定性

采用圓弧條分法按公式(1)計算，此時不考慮地震力。在計算時應在堤身范圍內假定不同的滑弧，求得安全系數的最小值和相應的臨界滑動面。

4.1.3 加筋路堤的平面滑動穩定性

當堤下地基是淺層軟弱土層或相對于路堤荷載淺層地基土強度較低時，應驗算加筋路堤的平面滑動穩定性。加筋路堤平面滑動表現圩堤與地基沿下臥硬土層頂面滑動和地基側向擠出滑動。

(1)下臥硬土層頂面滑動的穩定性計算采用式(2)，其相應的計算圖如圖2所示。在計算中應假定d、C點位于堤腳線，變換線位置形成不同的滑動面，求出安全系數 FPI的最小值。

式中： PA-ab面的主動土壓力，KN/m

Pp-cd面的被動土壓力，KN/m

TB-硬土層側面的抗滑力，KN/m

Q-作用于土體abcd上的地震水平力，KN/m

(2)地基土側向擠出滑動的穩定計算采用公式(3)，其相應的計算圖示如圖3所示。在計算中應假定abcd土體不同位置以及不同的b、C兩點距離，求出安全系數的最小值。

式中：Tab,TbC分別為地基軟土層與土工合成材料界面的粘聚力和摩擦角。

Q為作用于土體abcd上的地震水平力，KN/m

其余符號意義相同。

4.2 復合地基承載力計算

軟土地基在鋪設土工織物后地基極限承載力為以下三項之和，即為沒有鋪設土工織物時，原天然地基的極限承載力;在荷載作用下，地基的沉降使土工織物發生變形而承受拉力所產生的垂直分力;土工織物阻止隆起而產生的平衡鎮壓作用的效應.土工織物加筋復合地基的極限承載力計算公式：

式中： C-土的粘聚力

Nc-地繼承載力

T-土工織物的抗拉強度

θ-基礎邊緣與土工織物的傾斜角B-地基底寬

β-地基形狀系數Nq-復合地繼承載力R-地基變形當量半層

4.3 土工合成材料鋪設長度計算

加筋路堤中，土工合成材料深入到穩定土中的錨固長度，不得小于最小錨固長度，最小錨固長度采用公式(5)計算。

式中： Lm-最小錨固長度，m

TGc-土工合成材料設計抗拉強度，KN/mFm-錨固安全系數，對于無粘性土取1.5，粘性土取2.0

σ0-作用在某層筋材上的覆壓力，kPa

fGs-土與土工合成材料的界面摩擦系數，當計算的錨固長度小于2.0時，取為2.0。

土工合成材料的鋪設長度 L為滑動面內的長度 La與錨固長度Lm之和，即：

5 結語

土工合成材料具有以下的優點：經濟，資料表明通常情況下，采用土工合成材料比傳統方法節約30% 以上的投資;施工工藝簡單，進度快，輕便，勞動強度低，無須特殊機械;材料生產工廠化，材料來源基本上不受地域限制;質量控制標準化，易檢測，易儲存，易運輸;功能復合，效果突出，適用領域更加廣闊;環保，施工無噪音，對水源、大氣污染小。基于這些優點土工合成材料在軟土地基的加固中得到了廣泛的應用，但作為一種新型的合成材料對其性能以及施工工藝還有待于進一步的認識和探索。

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