土工格柵老化對雙向復合地基性狀影響的室內模型試驗

梁 晨，葛忻聲，王 凱，張 軍

(1.太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原 030024；2.山西省交通科學研究院，太原 030006)

雙向復合地基是由地基土、豎向增強體、橫向增強體組成用來處理地基的新型地基形式。它可以有效地控制地基側向變形和不均勻沉降。土工格柵是最常使用的橫向增強體材料之一，相較于其他建筑材料，土工格柵易降解、蠕變、發生老化，對雙向復合地基的耐久性影響較大。近年來，不少學者對土工格柵的耐久性進行了試驗研究和理論探索，取得不少成果[1-4]。但他們的研究重點在于土工格柵自身的性質，研究手段通常是將土工格柵老化前后的物理力學性質進行對比，進而對土工格柵的長期行為做出預測。現有研究表明，雙向復合地基中的橫向增強體(土工格柵)、豎向增強體(樁)、土體是一個有機的、不可分割的整體[5-8]。將土工格柵與復合地基分離的老化研究對實際工程幫助有限，故本文將復合地基看作一個整體，通過對土工格柵的老化，從復合地基變形、受力的角度研究其耐久性。

1 室內模型試驗

1.1 試驗設備及其模型制作

試驗所用模型箱為一長、寬、高均為150 cm的方箱，向上開口，正面為一10 mm厚鋼化玻璃板；左右兩側均為鋼板，厚16 mm.為方便試驗施工，在模型箱背面安裝活動擋板；為拉緊土工格柵，在模型箱的左側及背面開有孔洞并安裝定滑輪，正面及右側安裝配套套孔。

通過在模型箱底端、持力層和樁體加固區交界面、樁體加固區和褥墊層交界面三處埋設沉降標的方法獲取復合地基各組成部分(褥墊層、樁體加固區、持力層)沉降。沉降標由圓板和外套PVC管的光圓鋼筋焊接而成，長度分別為150 cm(1號)、90 cm(2號)、30 cm(3號)。外套PVC管的原因在于保證鋼筋棍不受來自于土體的摩擦力，確保試驗精度。沉降標埋于加載板四角，其上部直接穿出加載板預留孔洞，復合地基沉降值可以通過沉降標相對外露長度確定。

采用石膏樁作為豎向增強體，石膏樁徑60 mm，樁長60 cm，彈性模量為0.63 GPa.模型試驗前預先老化抗拉強度15 kN/m的聚丙烯雙向土工格柵作為復合地基的橫向增強體，其大小為55 cm×55 cm.試驗時，先用夾板夾住土工格柵四邊，再通過鋼絲繩穿過模型箱預留的孔洞將夾板與模型箱外側的套孔相連，套孔上懸掛重物以拉直土工格柵。

土工格柵的老化通過氙燈耐氣候試驗箱完成，老化方式為光氧老化加熱氧老化。老化參數為溫度60 ℃、濕度60%、輻照強度200 W/m2.在土工格柵中心位置粘貼帶應變片的橡膠布，通過橡膠布的應變模擬土工格柵應變；通過土壓力盒獲取土中應力；通過靜態電阻應變儀采集應力應變數據。

模型試驗持力層及樁體加固區用土為黃土，褥墊層用土為三七灰土，級配良好。主要物理力學性質見表1.

表1 試驗用土主要參數Table 1 Typical parameter of soil

1.2 試驗布置

試驗布置如圖1，2所示。下部持力層的厚度為60 cm，1號沉降標埋于此區域底部；中部樁體加固區的厚度為60 cm，2號沉降標和13根石膏樁埋于此區域，石膏樁布樁方式為“梅花式”；上部褥墊層厚20 cm，土工格柵、土壓力盒與3號沉降標埋于此區域。土工格柵布置于模型箱正中，高出樁頂5 cm.12個土壓力盒共分兩組，第一組6個，高出樁頂3 cm.其中三個土壓力盒呈正三角形布置，位于圖2中標號①②③的石膏樁頂部，用于測量土工格柵下部樁頂土壓力，另外三個位于正三角形的三邊中點(圖2中3個×處)，用于測量土工格柵下部樁間土土壓力；另一組高出樁頂10 cm，水平位置與上述6個土壓力盒對應，分別用于測量土工格柵上部樁頂與樁間土土壓力。

圖1 模型試驗正面示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment (main view)

圖2 模型試驗示意圖(俯視)Fig.2 Schematic diagram of experiment (top view)

1.3 試驗分組

試驗共分3組，分別記為A，B和C組。各組間的區別在于土工格柵老化時長的差異。它們的老化時長為100 h(A組)、200 h(B組)和400 h(C組)。

2 試驗結果討論

2.1 復合地基沉降

復合地基的承載能力與復合地基沉降值相關[9]，復合地基的p-s曲線是對地基承載能力最直觀的體現。兩個承受同等大小荷載的復合地基，沉降值越小的復合地基的承載能力越強；兩個沉降量相等的復合地基，承受荷載大的復合地基的承載能力強。圖3-5是三組試驗的p-s曲線。

圖3 p-s曲線圖(A組)Fig.3 p-s curves (group A)

圖4 p-s曲線圖(B組)Fig.4 p-s curves (group B)

圖5 p-s曲線圖(C組)Fig.5 p-s curves (group C)

相關規范[10]認為，若沉降量達到加載板短邊長度的6%，復合地基即被破壞，觀察圖3-5發現：

1) A，B，C三組的復合地基被破壞時的對應荷載分別為70 kPa，50 kPa和40 kPa，這說明土工格柵老化時長與復合地基承載能力相關。復合地基承載能力隨土工格柵的老化時長升高而衰減，衰減速度先快后慢。

2) 載荷試驗初期，沉降值不大，p-s曲線斜率較小；載荷試驗中期，當荷載達到某一值后，p-s曲線斜率急劇增大，土工格柵老化越嚴重，復合地基p-s曲線斜率也越大。

3) 對比三組的p-s曲線發現：A組p-s曲線存在由緩變陡的過程，而C組p-s曲線不存在由緩變陡的過程，B組p-s曲線形態介于二者之間，這說明土工格柵老化時間越長，p-s曲線隨荷載變化越劇烈。

4) 為方便研究，人們通常將地基總沉降分為三部分，即上部褥墊層沉降，中部樁體加固區沉降和底部持力層沉降。三組試驗呈現了共同的特點：上部荷載很小時，褥墊層的沉降占總沉降比例較大，這說明小荷載向下傳遞的深度有限；隨著荷載的增大，樁體加固區沉降速度非常快，在曲線的后半段，樁體加固區沉降曲線幾乎與總沉降曲線平行。

2.2 土工格柵應變

雙向復合地基正常工作時，樁體加固區內樁和土向下的位移不同，這主要是因為它們的模量存在差異[11-12]，沉降差異導致鋪設在墊層土上的土工格柵受拉并向下撓曲。與此同時，荷載作用的土體存在向四周擴散的趨勢，來自土工格柵和土粒之間的摩擦可以約束地基土向四周移動，土體密實程度增加，孔隙比減小，復合地基承載能力提高[13-14]。所以研究土工格柵的應變能夠分析復合地基的工作狀態。圖6是土工格柵應變曲線。

圖6 土工格柵應變圖Fig.6 Strain of geogrid

由上圖可知：

1) 在雙向復合地基中，土工格柵應變隨上部荷載的不斷增大而增大。

2) 在雙向復合地基中，當荷載不超過某個閾值時(A，B組20 kPa，C組10 kPa)，土工格柵應變增大速率極低；若荷載超過該閾值，土工格柵應變的增長速度也將變大至某恒定值，該值與土工格柵老化時長正相關。這說明老化土工格柵對四周土體的限制作用有限。

若土工格柵的應變過大，意味著土工格柵受到過大的應力，長時間大應力作用下的土工格柵極易發生蠕變甚至斷裂，被破壞的土工格柵不能正常發揮加筋作用，無法有效限制土粒位移和幫助荷載由土向樁轉移[13-14]。

由此得出：土工格柵老化情況越嚴重，荷載下大應變的土工格柵會導致復合地基更大的變形、更小的承載能力和樁土應力比。

2.3 樁土應力比

樁土應力比，即樁頂土的土壓力與樁間土的土壓力比值[15]，是反映樁土共同作用的指標之一，樁土應力比越大，意味著荷載分擔比越大，樁比土承擔更多荷載，在變形方面表現為復合地基沉降值減小，在承載力方面表現為承載能力更強[16]。圖7是A，B，C三組試驗的樁土應力比-荷載曲線，其中方塊線表示A組，三角線表示B組，圓圈線C組，實線表示土工格柵上部樁土應力比(n上)，虛線表示土工格柵下部樁土應力比(n下)。

由圖可知：

1) 雙向復合地基中，土工格柵上下的樁土應力比存在差異，上側更小，下側更大；它們均隨荷載增大而增大，但下側樁土應力比的增大幅度更大。

圖7 樁土應力比n(A，B，C組)隨荷載的變化Fig.7 Pile-soil stress ratio(group A, B and C)

2) 荷載由上而下傳遞，土工格柵上側應力場的分布沒有被土工格柵干擾，故土工格柵老化時長和土工格柵上側附加應力無關，試驗結果也證明了這一點。

3) 荷載由上而下傳遞，土工格柵下側應力場分布受到土工格柵的影響，模型試驗顯示土工格柵下側樁土應力比增長速率與其老化時長負相關。這說明老化土工格柵不利于樁土應力比的發揮，對雙向復合地基的正常工作有不利影響。

4) 載荷試驗后期，土工格柵下側的樁土應力比增速放緩，B，C兩組均觀察到土工格柵下側樁土應力比不再增大。筆者認為，土工格柵下側樁土應力比能夠達到的最大值是有限的，該值與土工格柵老化時長有關，老化時間越長，其值越小。

3 結語

本文建立室內模型，將經不同時長老化的土工格柵作為雙向復合地基的橫向增強體，對復合地基的變形性狀、力學性能進行了研究，揭示了土工格柵老化時長對雙向復合地基性能的影響。主要結論有如下幾點：

1) 復合地基及其各組成部分沉降量、土工格柵應變值隨土工格柵老化時長增大而增大；復合地基承載能力、土工格柵下側樁土應力比隨土工格柵老化時長增大而減小，土工格柵上側樁土應力比與土工格柵老化時長無關。

2) 載荷試驗中，復合地基不少參數隨荷載增大而增大，但它們的變化率有所不同。總體來說，復合地基沉降變化率隨荷載增大而急劇增大；土工格柵應變變化率基本恒定；土工格柵上下樁土應力比變化率慢慢減小。

3) 土工格柵經過老化后，相較于褥墊層和持力層，樁體加固區在復合地基各部分中占總沉降值比例最大。