不同工況下土工格室加筋路基模型試驗

■麻 佳 謝紅飛 劉 杰＊

（1.新疆交通規劃勘察設計研究院有限公司，烏魯木齊 830000；2.石河子大學水利建筑工程學院，石河子 823000）

土工格室作為一種具有三維蜂窩狀結構的土工合成材料[1-2]，自從20 世紀80 年代問世以來，一直都被國內外學者深入研究和廣泛應用于工程中[3-4]。這種新型材料采用高密度聚乙烯或聚丙烯聚合物條帶，經過超聲波焊接和插焊等方式對條帶進行焊接而成的空間網狀結構，具有耐老化、抗腐蝕和整體強度高等優點。 目前對土工格室的研究手段主要是通過土工格室拉拔試驗和模型試驗研究土工格室加固地基、路基等加固機理研究[5-6]。

路基的結構形式與地基具有一定差異，且前人對土工格室加固縮尺模型路基的研究較少，通過量綱分析法得到的設計路基模型可以準確反映工程實際受力情況，減小試驗成本投入。 以實際工程路基為模型試驗的原型，分別改變土工格室鋪設層數，對不同工況下模型路基進行靜載試驗，研究荷載作用下土工格室對路基極限承載力的提升和沉降量的縮減，對研究土工格室加固路基性能提升效果具有實際意義和理論價值。

1 試驗裝置與材料

1.1 土樣

模型試驗所用礫類土為G216 民豐至黑石北湖建設項目實際工程所用礫類土，級配良好，控制含水率為最優含水率，根據相關資料可知填料抗剪強度指標為：粘聚力c 為15 kPa，內摩擦角為30°，主要物理力學性質和顆粒級配如表1 所示。

表1 礫類土的物理性質指標

1.2 土工格室

試驗采用插焊式高強度聚乙烯（HDPE）土工格室，為了充分研究土工格室加固機理和作用，土工格室在鋪設時將進行預張拉，使相鄰條帶之間夾角近似為90°。為了反映工程原型，本次模型試驗所用土工格室最大抗拉強度為15 kN/m，高度為3 cm，焊距為10 cm，每層所鋪設的土工格室在模型路基位置不與箱體側壁接觸。 模型試驗所用土工格室如圖1。

圖1 模型試驗所用土工格室

1.3 試驗儀器

模型試驗采用液壓千斤頂加載裝置，如圖2 所示，將液壓油缸倒過來固定于滑輪小車上，滑輪小車固定在反力架的橫梁上，油缸施加荷載方向垂直于路堤頂向下作用。油缸最大軸向力可達1000 kN，最大位移量程可達250 mm，為勻速加載裝置，采用50 mm/min 勻速加載， 為了與實際行車荷載相一致取各類車型最大軸重400 kN。

圖2 加載系統

1.4 模型箱

試驗箱內部凈尺寸為1500 mm×2500 mm×1500 mm（長×寬×高），采用8 mm 厚度帶肋條鋼板和槽鋼拼裝焊接而成。 為保證加載過程中模型箱不會產生變形影響試驗精確性，在進行試驗時用架子管將試驗箱四周環箍住，可以保證在試驗進行過程中箱內填土受到法向荷載作用下，試驗箱體不產生外凸變形， 降低因試驗箱剛度不足造成的試驗誤差，土工模型中用鋼板加固四周，限值土體側向位移，與路堤實際的半無限體有一定的差異，但是為了研究局部的力學特征可忽略。

2 模型試驗相似關系設計

2.1 量綱分析確定相似關系

若一個物理過程中共有n 個物理量，k 個基本量綱，則可組成n-k 個獨立的量綱組合，簡稱π數。設一個物理過程如下（含有n 個參數X1，X2，…，Xn）：

任何一種用數學方程定義的物理現象都可以用π 數來定義， 相似的物理過程其相應的π 數一定相同，這就Bockingham π 定理[7]。

土工格室加固路基模型在荷載作用下路堤的沉降、水平位移、土工格室變形和承載力變化等比較復雜，不能按尺寸的縮減來設計路基模型，需要根據相似理論研究模型的相似準則[8]。 提高相似準則因子的數量可以得到更多的相似準則的物理量，表2 列出了模型試驗的物理量及其因次。

表2 模型試驗主要物理量量綱與相似常數

2.2 原型結構介紹

試驗模擬G216 線民豐至黑石北湖公路K104+045-K104+065 段為工程案例。 擬建公路段為高填路基工程，路面寬度10 m，路基寬度60.15 m，為瀝青混凝土路面。 高填路基段路基高度為34 m，坡面斜率為1∶1.5，采用土工格室加固路基的措施，斷面尺寸如圖3 所示。 路堤為軸對稱結構，故取半幅進行試驗研究，由于工程原型規模較大，采用室內模型試驗進行模擬，對模擬路基進行1∶30 幾何尺寸縮減。

圖3 K104+055 路基斷面尺寸圖

2.3 模型試驗工況

沿路堤頂、坡面到坡底的不同位置共設置6 個位移計， 坡面等間距布設， 記為P1、P2、P3、P4、P5和P6。每層土工格室通過貼應變片來監測土工格室在加載過程中的變形過程。 布設微型土壓力盒監測路堤內部土壓力， 加載軸心正下方依次計為TY1、TY2、TY3、TY4、TY5 和TY6， 模型試驗所設置不同工況如圖4 所示，工況1、工況2、工況3 分別為沒有鋪設、鋪設3 層、鋪設6 層土工格室的路基。

圖4 試驗方案設計圖

3 試驗結果及分析

3.1 路基沉降變形分析

路基沉降變形包括路堤豎向沉降變形和垂直坡面沉降變形。 P1 為路堤頂沉降位移計監測測點，記P1 為路堤豎向沉降量，P2、P3、P4 和P5 為垂直坡面沉降位移計監測測點，P6 為坡底沉降位移計監測測點。 通過采集不同的P1～P6 的沉降數值，對比分析路基在受到豎向荷載作用下，不同部位發生沉降變形的差異性。 不同工況下路堤頂沉降量與荷載的關系曲線如圖5 所示，可知加載初期在荷載很小的時候路堤會發生明顯的沉降變形，這是因為夯實強度低于加載系統作用在加載板上傳遞到路堤頂的荷載強度，導致施加豎向荷載初期出現欠夯實的情況，路堤發生明顯沉降變形。

圖5 不同工況路堤豎向荷載-沉降關系曲線

不同工況下荷載與坡面沉降關系曲線如圖6所示，當路堤達到最大的沉降量時，坡面沉降有明顯不同，不埋設土工格室的工況1 最大坡面沉降可達到60.26 mm，而工況2 和工況3 的最大沉降為48.51 mm、46.52 mm，說明土工格室可以減小坡面沉降。

圖6 荷載與坡面沉降關系圖

3.2 坡面水平位移分析

荷載與坡面水平位移關系如圖7 所示，當荷載值一定時，工況1 坡面位移最大，工況2 坡面水平位移大于工況3，說明在路基中鋪設土工格室可以有效約束路堤的水平位移（即路堤受到垂直方向作用荷載時發生側滑）。 同時對比工況1、2 和3 的荷載-水平位移曲線線型可知，工況1 為近似直線，說明在路基受到垂直方向荷載作用時，側向變形呈線性變化。

圖7 荷載與坡面水平位移關系圖

3.3 土工格室應變分析

圖8 分別為工況2 和工況3 路基模型不同層土工格室在加載過程中應變與荷載的變化曲線。 從圖中可以看出土工格室的應變均為正值，說明土工格室在路堤受荷載作用下受到拉力的作用，應變隨著荷載的增大而逐漸增大。 在剛開始施加荷載時應變未出現明顯變化，這一階段是土工格室因結構特質所決定的，在受到荷載作用時，由格室內部填土對格室壁產生側壓力，導致土工格室各節點角度發生微調；而隨著荷載的增大，土工格室應變增長速率均出現明顯增長趨勢，直到荷載繼續增大出現增長速率減小的現象，這與土工格室條帶拉伸試驗結果是相符合的。

圖8 荷載-土工格室應變關系曲線

4 結論

（1）通過工況1、工況2、工況3 可知，土工格室能顯著提高路基極限承載力并能明顯減小路堤頂沉降變形和坡面水平位移。

（2）距離加載點越近，路基內部土壓力受土工格室影響越大，提高土工格室鋪設層數，可以有效減小路基內部土壓力差異性，將荷載較均勻地擴散。

（3）土工格室應變隨著荷載的增加而增大，且距離荷載作用點近的位置土工格室應變大。