軟土地基上循環荷載作用下加筋碎石墊層工作特性分析

何 杰，高建喜，孟森松，王 忍

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

軟土地基上循環荷載作用下加筋碎石墊層工作特性分析

何 杰，高建喜，孟森松，王 忍

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

通過模型試驗研究了循環荷載作用下土工格柵、土工格室及純碎石墊層在軟土地基上的承載特性；分析不同工況下沉降、樁身應變及樁土應力比隨循環次數、峰值荷載的變化規律。研究結果表明：在動載條件下，加筋碎石墊層能有效地限制墊層的位移，顯著減小復合地基的累計沉降；加筋后的碎石墊層強度和剛度均得到增強，能有效調節樁-土應力分布，改善碎石墊層的受力特性，大幅度提高樁-土應力比，有效減小樁身應變；同等條件下，土工格室碎石墊層對于減小樁頂沉降、提高樁-土應力比和降低樁身應變的性能略優于土工格柵碎石墊層，并隨著循環峰值荷載增加，兩者的作用效果更好。

軟土地基；土工格柵；土工格室；樁-土應力比；循環荷載

1 研究背景

單一的砂、石墊層，沉降較大，不能滿足工程發展需要。為克服散體墊層材料整體剛度低的缺點，工程中通常將土工布、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，從而提高了墊層整體剛度。加筋墊層技術應用于工程中，能產生良好的經濟效益，因此很多專家學者對該技術展開了研究。

R.S.Sharma等[1]通過對土工格柵加固散體材料樁基礎的載荷試驗研究，發現土工格柵能有效提高散體材料樁的承載力，減小地基沉降。張旭群等[2]通過現場單樁靜載試驗，分析了復合地基墊層的破壞模式，提出了墊層效應的概念，并指出了褥墊層合適厚度。趙川等[3-4]通過大型三軸排水剪切試驗，探討了加筋碎石土的強度及變形特性，并分析了塑料土工格柵的加筋機理。H.A.Alawaji等[5]通過試驗分析了土工格柵加筋砂中，土工格柵的蠕變特性及位移速率對土工格柵加筋砂土剛度和承載力的影響，結果表明土工格柵能有效地改善砂土的工作性狀。劉毓氚等[6]、黃仙枝等[7]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。何杰等[8]對有無加筋碎石墊層軟土地基上的承載性能進行室內模型試驗，結果表明加筋墊層在一定程度上能提高地基基床系數，并指出了合理的墊層厚度、加筋層數和筋體布置位置。A.F.Zidan[9]用有限單元法，分析了格柵層數、第一層格柵深度、格柵間距等對土工格柵加筋砂承載特性的影響。張興強等[10-11]研究了在交通荷載反復作用下土工格柵的加筋效果和機理，指出在路基中鋪設土工格柵，能提高路面的循環荷載承載能力。楊昆[12]對加筋墊層的工作特性進行研究，指出在交通荷載作用下，墊層厚度可影響其工作特性，且當交通量達到飽和時，加筋墊層的應力應變最大。劉飛禹等[13]對加筋軟基在循環荷載作用下的效果進行分析，指出循環次數越大，加筋效果越好。

盡管對土工格柵加筋技術的研究已經比較充分，然而對加筋（包括土工格柵、土工格室）碎石墊層在循環荷載作用下的工作性狀研究還不夠深入，沒有形成成熟系統的理論。為此，本文將采用室內模型試驗，對加筋墊層在動載下的工作特性進行研究，分析在循環荷載作用下，樁頂沉降、樁身應變和樁土應力比隨循環次數及循環應力比的變化規律及差異，總結不同加筋材料工作性狀的差異，以期能為墊層的優化設計、工程應用提供參考。

2 試驗概況

模型試驗在長×寬×高為2.0 m×2.0 m×2.5 m的鋼制模型箱中進行，模型箱內分層均勻填筑軟黏土，填筑完成后靜置28 d。本試驗共設置12種工況，工況詳情見表1。

2.1 試驗材料

試驗用土采用水的質量分數為30%的天然軟黏土，填筑完成后靜置28 d，測試土體的土工參數，測試結果如表2所示。碎石粒徑級配控制在10～20 mm范圍內，其物理力學參數如表3所示。試驗用土工格柵或土工格室參數見文獻[8]。

2.2 試驗方法

動載試驗嚴格按JGJ79—2002《建筑地基處理技術規范》進行，試驗布置如圖1所示。

加載系統采用微機控制電液伺服多點協調加載試驗系統。根據交通荷載的特點，本試驗中循環荷載加載所使用的是正弦波，加載的頻率選取2 Hz，分別在循環荷載的峰值為3, 4, 5, 6, 7 kN的情況下對模型施加5 000次循環荷載。利用計算機對樁底、樁頂、樁身、樁間土的應力進行采集，同時在固定循環次數時讀取千分表數據。

3 試驗結果分析

3.1 加筋碎石墊層對沉降的影響

在峰值荷載為7 kN的循環荷載作用下，不同工況時1～4號樁累計沉降與循環次數的關系曲線如圖2所示。由圖可知：1）對于等截面樁和不同楔角的楔形樁，地基的累計沉降隨荷載循環次數的增加而增加，但增加速率隨循環次數的增加而逐漸減小，前1 000次沉降增長速率較快，后隨循環次數的增加增長速率逐漸減小直至為0；2）對于1～4號樁，土工格室碎石墊層的累計沉降略小于土工格柵碎石墊層的累計沉降，而土工格柵碎石墊層的累計沉降明顯小于純碎石墊層的累計沉降，且隨荷載循環次數的增加，三者之間的差值逐漸加大。

以上結果表明：動載條件下，對于等截面樁和楔形樁，在碎石墊層中加土工格柵或土工格室，能夠有效減小復合地基的累計沉降，提高地基的穩定性。同等條件下，土工格室碎石墊層減小沉降的效果強于土工格柵碎石墊層，但兩者差別不明顯。工程實際條件允許時，為了節約資源降低造價，可優先考慮用土工格柵碎石墊層處理地基。

3.2 不同加筋碎石墊層下樁身應變對比分析

在峰值荷載分別為3, 4, 5, 6, 7 kN， 5 000次循環荷載作用下，3號樁樁身應變隨深度變化規律曲線如圖3所示。由圖可知：

1）在不同的峰值荷載下，樁身應變均先隨深度的增加而迅速增加，并在樁深0.2～0.4 m范圍內達到最大值，后隨深度的增加而逐漸減小，樁端處應變最小。

2）同種工況（3#P、3#GG、3#GC）條件下，峰值荷載越大，樁身應變越大。

3）不同的循環荷載作用下，相同埋深處，工況3#GC的樁身應變均小于工況3#GG的樁身應變，而工況3#GG的樁身應變又均小于工況3#P的樁身應變，且隨峰值荷載的增加，3種工況下樁身應變差值逐漸減小。當峰值荷載為7 kN時，其部分曲線接近重合。

以上結果表明：純碎石墊層、土工格柵加筋墊層、土工格室加筋墊層的強度和剛度依次增大，墊層的應力擴散作用逐漸增強。因此，加筋碎石墊層能夠有效減小樁身應變，減小樁頂應力集中。在較小峰值荷載作用下，土工格柵、土工格室的作用得不到充分發揮，對減小樁頂應力的影響不明顯，但在較大的荷載作用下，土工格柵、土工格室的減負作用能得到有效發揮。

3.3 循環荷載下樁-土應力比分析

在不同的峰值荷載作用下，3號樁樁-土應力比與循環次數的關系曲線如圖4所示。由圖可知：

1）樁-土應力比隨循環次數的增加而降低，并且在1 000次前降低速度較快，在循環1 000次后，降低幅度減小，樁-土應力比逐漸趨于穩定。

2）相同峰值荷載作用下，工況3#GC的樁-土應力比始終大于工況3#GG的樁-土應力比；而工況3#GG的樁-土應力比又遠高于工況3#P的樁-土應力比。隨峰值荷載的增加，3種工況下樁-土應力比均增大，但3種條件下樁-土應力比差值卻逐漸縮小。

以上結果表明：循環荷載下，在碎石墊層中加入加筋材料（包括土工格柵、土工格室），能夠有效提高樁-土應力比，減輕樁頂應力集中。在樁體刺入墊層后能提高樁體分擔荷載的大小，充分發揮樁的承載能力。土工格室碎石墊層提高樁-土應力比的性能略優于土工格柵碎石墊層。

4 結論

通過模型試驗研究了循環荷載下土工格柵及土工格室加筋墊層處理地基的加筋效果，可得以下結論：

1）在動載條件下，無論對于等截面樁還是楔形樁，碎石墊層中加入加筋材料后，都能有效地限制墊層的位移，顯著減小復合地基的累計沉降，提高地基的穩定性，使復合地基的承載力較未加筋時顯著提高。

2）循環荷載下，用加筋材料（包括土工格柵、土工格室）碎石墊層處理地基后，加筋墊層的強度和剛度均得到增強。加筋材料能有效地調節樁-土應力分布，減輕樁頂應力集中，改善碎石墊層的受力特性，從而能夠大幅度提高樁-土應力比，有效減小樁身應變，使復合地基的承載能力得到充分發揮。

3）在較小峰值荷載作用下，加筋材料的作用不能夠很好發揮，而在較大的循環荷載作用下，加筋材料作用效果明顯。在同等條件下，土工格室碎石墊層的減小樁頂沉降、提高樁-土應力比和降低樁身應變的性能略優于土工格柵碎石墊層，但當循環峰值荷載較大時兩者差別不明顯。因此，工程實際條件允許時，為了節約資源降低造價，可以優先考慮使用土工格柵碎石墊層處理地基。

[1]SHARMA R S，PHANI KUMAR B R，NAGENDRA G.Compressive Load Response of Granular Piles Reinforced with Geogrids[J].Canadian Geotechnical Journal，2004，41 (1)：187-192.

[2]張旭群，楊光華，陳 銳，等.CM樁復合地基樁土應力比及墊層效應現場試驗研究[J].巖土力學，2015，36(增刊1)：357-361.

ZHANG Xuqun，YANG Guanghua，CHEN Rui，et al.Field Test Study of Pile-Soil Stress Ratio and Cushion Effect of CM-Piles Composite Foundation[J].Rock and Soil Mechanics，2015，36(S1)：357-361.

[3]趙 川，周亦唐.土工格柵加筋碎石土大型三軸試驗研究[J].巖土力學，2001，22(4)：419-422.

ZHAO Chuan，ZHOU Yitang.Expermental Study on Polymer Gergrid Reinforced Crushed Gravel by Large-Scale Triaxial Test[J].Rock and Soil Mechanics，2001，22(4)：419-422.

[4]趙 川，周亦唐，余永強，等.土工格柵加筋碎石土本構模型試驗研究[J].武漢大學學報（工學版），2002，35(1)：33-38.

ZHAO Chuan，ZHOU Yitang，YU Yongqiang，et al.Experimental Study on Constitutive Model of Polymer Geogrid Reinforced Crushed Gravel[J].Engineering Journal of Wuhan University，2002，35(1)：33-38.

[5]ALAWAJI H A.Creep and Rate of Loading Effects on Geogrid-Reinforced Sand[J].Geotechnical and Geological Engineering，2005，23(5)，583-600.

[6]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.

[7]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].巖石力學與工程學報，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.

[8]何 杰，孟森松，饒遷根，等.軟土地基上加筋碎石墊層工作性狀試驗研究[J].湖南工業大學學報，2014，28(5)：17-21.

HE Jie，MENG Sensong，RAO Qiangen，et al.Experimental Research on the Working Properties of Reinforced Gravel Cushion on Soft Soil Foundation[J].Journal of Hunan University of Technology，2014，28(5)：17-21.

[9]ZIDAN A F.Numerical Study of Behavior of Circular Footing on Geogrid-Reinforced Sand Under Static andDynamic Loading[J].Geotechnical and Geological Engineering，2012，30(2)：499-510.

[10]張興強，梁艷平，梁英慧.交通荷載作用下軟土地基的土工格柵加筋效應分析[J].中國公路學報，2009，22(2)：1-5.

ZHANG Xingqiang，LIANG Yanping，LIANG Yinghui.Analysis of Geogrid Reinforced Effect of Soft Ground Under Traffic Loading[J].China Journal of Highway and Transport，2009，22 (2)：1-5.

[11]張興強，閆澍旺，鄧衛東.交通荷載作用下土工格柵加筋路基的彈塑性分析[J].振動工程學報，2001，14(3)： 278-283.

ZHANG Xingqiang，YAN Shuwang，DENG Weidong.Elasto-Plastic Analysis of Reinforced Subgrade Under Automobile Loadings[J].Journal of Vibration Engineering，2001，14 (3)：278-283.

[12]楊 昆.樁承式加筋路堤中加筋墊層的工作特性研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

YANG Kun.Study on Behaviors of Geogrid Reinforced Cushion in GRPS Embankment[D].Guangzhou：South China University of Technology，2013.

[13]劉飛禹，蔡袁強，徐長節，等.交通荷載作用下軟基加筋道路加筋效果分析[J].巖土工程學報，2007，29(11)：1659-1664.

LIU Feiyu，CAI Yuanqiang，XU Changjie，et al.Parametric Study of Reinforced Pavements on Soft Clay Under Traffic Loading[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29(11)：1659-1664.

（責任編輯：鄧光輝）

Analysis of the Operation Performance of Reinforced Grave Cushion Under Cyclic Loading on Soft Soil Foundations

HE Jie，GAO Jianxi，MENG Sensong，WANG Ren
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Based on a model testing, a research has been conducted on the load-bearing characteristics of geogrids, geocells and pure gravel cushion on the soft soil foundation under cyclic loading.An analysis has been made of the change regulation of the settlement, the strain of pile and the stress ratio of pile and soil along with cycle times and peak load under different working conditions.The research results show that under the condition of a dynamic loading, the reinforced gravel cushion can effectively limit the displacement of the cushion, and significantly reduce the cumulative settlement of the composite foundation.The strength and stiffness of the reinforced gravel cushion are enhanced, which helps to effectively regulate the distribution of pile-soil stress, improve the stress characteristics of the gravel cushion, and the stress ratio of pile and soil as well , and effectively reduce the strain of the pile.Under the same conditions, the performance of the geocell gravel cushion is slightly better than that of the geogrid gravel cushion in reducing the settlement of pile top, improving the stress ratio of pile and soil and reducing the strain of pile.Meanwhile, with the increase of the cyclic loading, both exhibits much better performance than before.

soft soil foundation；geogrids；geocells；stress ratio of pile and soil；cyclic loading

TU441

A

1673-9833(2017)01-0035-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.01.006

2016-10-11

湖南省自然科學基金資助項目（16JJ5007），湖南省研究生科研創新基金資助項目（CX2015B571）

何 杰（1976-），男，湖南汨羅人，湖南工業大學教授，博士，主要從事地基處理技術的研究，E-mail：hjhlhjy@yahoo.com.cn