土工格室加固風積沙地基模型試驗研究

王艷坤，劉 杰，宋 玲，張興疆，高 斌

(1.石河子大學 水利建筑工程學院, 新疆 石河子 832003;2.新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院有限公司, 新疆 烏魯木齊 830006)

0 引言

風積沙作為承載力較低的地基土，如不加固使用，會直接影響建筑物整體性和穩(wěn)定性。采用土工合成材料對風積沙地基加固是改善地基性能的一種有效措施。土工合成材料被廣泛應用在公路、鐵路行業(yè)增強路基的穩(wěn)定性，但土工格室加固機理至今研究并不深入。為了探究土工合成材料對地基的加固效果，國內(nèi)外學者主要通過現(xiàn)場試驗、模型試驗、數(shù)值模擬并結(jié)合理論分析手段進行研究分析。在模型試驗方面，李馳[1]利用模型試驗對土工格柵在不同加筋方式下承載力的變化進行了分析。柏蕾[2]通過大型模型試驗分析了不同尺寸方形加載板下加固地基的承載力、地基土壓力的分布和土工格柵的應變。鄭超毅[3]針對砂地基進行模型試驗和Winkler彈性地基計算法共同分析，將試驗值與計算值作對比，研究土工格室對地基承載力的影響。韓曉[4]利用模型試驗，研究了不同地基壓實度、不同格室焊距及不同格室埋深情況下的p-s曲線，土壓力及格室應變的規(guī)律。侯娟[5]對不同類型的地基做了大量的模型試驗，通過對比水平加固與橫-豎加固的p-s曲線，分析了加固層數(shù)及布筋位置對地基承載力的影響。Mhaiskar[6]基于模型試驗對格室參數(shù)、材料強度及填料參數(shù)等進行了承載力分析，從而鑒定了加筋效果。樁基承載力特性模型試驗[7-8]主要通過研究荷載-位移曲線，不同樁長、坡度等方面，同樣還利用實際工程與模型試驗相互對比驗證?，F(xiàn)有的研究主要集中在地基加固方式、材料參數(shù)的研究，缺少對加固地基基礎形狀以及換填厚度的影響作用分析。

利用模型試驗對土工格室不同埋深、不同土工格室加固層數(shù)、不同加載板形狀及換填不同礫類土下的地基沉降量、應力分布、位移大小及格室應變進行研究，并對加固效果進行對比分析；探究土工格室加固風積沙地基的合理結(jié)構(gòu)形式，并為沙漠工程提供一定的理論價值。

1 室內(nèi)模型試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗模型箱選取尺寸為250 cm×150 cm×150 cm(長×寬×高)大模型箱，并在模型箱邊壁涂抹潤滑油，鋪設光滑薄膜，從而減小邊界效應，測試電線采用蛇形布置減小對地基土的影響。模型箱外側(cè)進行了加固，避免試驗過程中模型箱變形，影響試驗的準確性。

通過4塊加載板疊合的方式來模擬基礎，上面3塊是正方形加載板，主要負責荷載均勻傳遞，下面一塊分別采用3種相同面積不同形狀的加載板進行加載，如表1所示。

表1 加載板尺寸

試驗選用分離式油壓千斤頂(100 kN)，并在其下方接傳感器(1 000 kN)，利用超高壓電動油泵傳遞施壓。采用位移計(0～80 mm)測地基沉降，土壓力盒采集豎向土壓力，應變片采集土工格室的形變量。利用DH3816N應變采集箱連接所有設備，并通過計算機輸出所有測量數(shù)據(jù)，試驗裝置如圖1所示，格室及測量設備布置圖如圖2所示。

圖1 試驗裝置

圖2 格室及測量設備布置(單位:cm)

1.2 試驗材料

室內(nèi)試驗采用的土工格室由聚乙烯條帶按照一定焊距在焊縫處由超聲波焊接而成，格室高度為3 cm，焊距10 cm，抗拉強度≥15 MPa。試驗模擬的是格室滿鋪狀態(tài)，土工格室的展開長度為120 cm，為模型箱長度的0.5倍；寬度為100 cm，為模型箱寬度的0.66倍。

試驗所用的地基填料為風積沙和砂礫，取自s21阿克蘇-烏魯木齊高速公路103團服務區(qū)施工段，取樣深度為2 m。風積沙和砂礫分別做篩分試驗確定其顆粒級配參數(shù)如表2和表3所示。通過室內(nèi)土工試驗得到風積沙的重度為16 kN/m3，含水量為0.12%；砂礫的重度為18.2 kN/m3，含水量為6.3%。

表2 風積沙顆粒級配

表3 砂礫顆粒級配

1.3 試驗方案

模型試驗主要研究在豎向荷載作用下土工格室加固風積沙地基的受力及變形情況，并針對土工格室不同埋深、不同土工格室加固層數(shù)、不同加載板形狀及換填不同厚度礫類土，設計了15組不同工況，如表4所示。

表4 試驗工況

A-1為純風積沙地基，A-2～C-3為土工格室加固的地基，主要研究筋材不同埋設方式和加載板形狀對加固地基承載力的影響，D-1～D-3分別為采用相同埋深，5，10，15 cm這3種不同厚度的砂礫墊層加固地基，主要研究土工格室加固地基的等效當量砂礫換填厚度。

選取土工格室埋深為0.3B，0.5B，0.75B(B為正加載板寬度30 cm)，格室鋪設層數(shù)N為1～3層。

風積沙采用砂雨法填筑的方法，地基壓實度控制在95%。每30 cm取3個樣做環(huán)刀試驗，測量其壓實度是否符合要求。為保證應變片準確測量土工格室拉伸變形，在鋪設土工格室的過程中將每個網(wǎng)格完全撐開，如圖3所示。然后將每個格室單元內(nèi)填等量的土夯實，保證其壓實度與整體一致。將地基填至1.2 m厚，預壓之后，可以進行位移計、加載板的布置。將所有儀器布設好后，連接采集箱，進行調(diào)試，確認無誤后開始加載。

圖3 格室鋪設

模型試驗破壞標準為：當豎向荷載趨于穩(wěn)定時，地基沉降量不斷增大，即承載力出現(xiàn)了峰值。如果沒有明顯的峰值時，參考《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007—2011)[9]中規(guī)定的地基變形允許值，本試驗終止標準是沉降量超過60 mm即停止加載。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同工況下風積沙地基荷載-沉降(p-s)曲線

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制純風積沙與不同埋深(0.3B，0.5B，0.75B)時圓形、正方形與長方形加載板下風積沙地基的p-s曲線如圖4所示。

圖4 不同埋深時不同形狀加載板下的p-s曲線

由圖4可以看出，土工格室加固風積沙地基在豎向荷載的作用下，破壞可分為以下幾個過程。加壓初始，風積沙地基為壓密階段，所有p-s曲線都接近直線，這是由于土的壓密變形引起的地基沉降，豎直荷載較小，土工格室側(cè)向約束作用未完全發(fā)揮。這一階段土工格室埋深相同時，不同加載板形狀下的p-s曲線非常接近且產(chǎn)生交點，這說明在地基壓密階段，加載板形狀對地基承載力影響不大。加載中期，地基基礎處于剪切階段，p-s曲線不再呈直線，隨著豎向荷載增大，加固風積沙地基的加固效果明顯，不僅改變了地基破壞形式同時有效增大了地基承載力，減小了地基沉降量。加固后期，地基處于破壞階段，p-s曲線再次出現(xiàn)變化，隨著豎向荷載增大，加固風積沙地基沉降急劇增大，地基逐漸失穩(wěn)，加載板周圍出現(xiàn)較多裂縫，表面風積沙地基出現(xiàn)了整體剪切破壞。

由圖4還可以看出，在土工格室加固風積沙地基中，相同形狀的加載板加壓時，隨著格室埋深的增加，加固風積沙地基的承載力降低，埋深為0.3B時的加固效果最明顯，與Fakher等[10-11]研究的結(jié)論相符。當埋深相同時，相同面積不同形狀的加載板也有差別，正方形加載板的承載力最大，圓形和長方形較小[12]。當方形加載板加壓時，正方形加載板能使邊界應力均勻分布，地基周圍受壓均勻，而長方形短邊則承受較大的應力，更易發(fā)生破壞；圓形加載板更利于應力向地基周圍擴散，尺寸效應較大。因此，正方形基礎相比于其他形狀基礎能更有效提升地基承載力。

以正方形加載板為例，加固層數(shù)對地基承載力的影響如圖5所示的p-s曲線。加載初始，加固風積沙地基的曲線相差不大，這說明只有首層土工格室發(fā)揮作用，豎向荷載還未傳遞。加載中后期，多層格室?guī)ч_始發(fā)揮作用，隨著豎向荷載的增加，格室層數(shù)越多，其抵抗荷載的能力就越強。

圖5 不同加固層數(shù)的p-s曲線

由表5可以看出，在正方形加載板下，格室能夠明顯提高地基承載力。當格室層數(shù)為1層時，承載力提高為純風積沙的2.62倍，2層時2.93倍，3層可達3.22倍。這表明在一定范圍內(nèi)，隨著豎向荷載的增大，土工格室加固層數(shù)越多，地基承載力越高[13]，為沙漠工程中提高地基承載力提供了合理的加固布設需求。

表5 不同加固層數(shù)的承載力比較

2.2 地基土壓力分析

在距離地表30，60，90 cm處分別埋設土壓力盒，以正方形加載板為例，探究不同工況下的加固風積沙地基的同一位置豎直土壓力的變化規(guī)律。

圖6為在豎向荷載為455 kPa時，距離地表30 cm 處不同位置的豎向土壓力變化圖。由圖6可以看出，在相同荷載條件下，A-2～A-6相較于純風積沙地基附加土壓力分別減少了33.43%，38.23%，46.58%，77.62%，87.25%。單層加固的地基中心位置的土壓力值減小，而兩側(cè)土壓力值卻有增大趨勢。從整體來看，在破壞狀態(tài)時，格室埋深淺的承載力較強，格室受到的破壞越嚴重，變形也越大，土壓力也越大。這是由于土工格室限制了土體的側(cè)向約束，并將加載板上傳遞下來的豎向荷載分散到格室下層，使地基下部范圍共同承擔格室上層的豎向荷載，從而擴散地基中部土體所受的應力，減小了加載板下部應力集中現(xiàn)象。多層加固地基中心位置的土壓力降低更明顯，兩側(cè)分擔的土壓力也較小。這說明通過增加加固層數(shù)，可以更有效地減小豎向荷載的傳遞。當首層格室變形后，第2層格室可以在首層傳遞的豎向荷載上繼續(xù)發(fā)揮約束作用，使土壓力逐層遞減。因此，在工程中可以通過增加格室層數(shù)來減少地基形變，提高地基承載力。

圖6 距離地表30 cm處不同位置土壓力變化

以方形加載板下單層土工格室筋材埋深0.3B的工況為例，進一步研究地基應力場的變化，繪出距離地表30，60，90 cm處豎向荷載為455 kPa時的土壓力的變化圖，以及在豎向荷載10～60 kPa 的位移變化圖，如圖7所示。

圖7 埋深0.3B時不同位置的土壓力及位移變化

由圖7(a)可知，距地表30 cm處的土壓力盒中心位置的土壓力有188 kPa，60 cm時112 kPa，90 cm 時僅有7 kPa。可以看出，隨著土壓力盒埋深增加，土壓力顯著減小，且離基底越遠，應力擴散效果越明顯。這說明土工格室與土體形成了較大剛度的復合結(jié)構(gòu)，起到了減小豎向壓力、約束水平位移的作用，使豎向荷載傳遞范圍更廣，土壓力在應力場內(nèi)分布更均勻，從而改善地基承載力。

圖7(b)是土工格室埋深0.3B時，正方形加載板受到壓力傳感器均勻的豎向荷載對應的不同地表位移圖。隨著豎向荷載增大，加載板下出現(xiàn)一個正方形沉降，正方形加載板周圍土體則出現(xiàn)了裂縫和土體隆起。當加載板沉降由0～40 cm時，周圍土體表面不斷隆起，當超過40 cm時，周圍土體表面不再發(fā)生隆起。結(jié)合圖4，同樣可以驗證加載板沉降約在40 cm時出現(xiàn)極限地基承載力。這說明土工格室加固層造成的周圍土體表面隆起，有效地擴散了應力，減緩了加載板上的應力集中現(xiàn)象。土工格室破壞后，加載板所受應力更多地傳遞到正下方，土工格室的側(cè)向約束作用逐漸失效。

2.3 格室應變分析

為了研究土工格室應變的變化規(guī)律，以正方形加載板為例，選取如圖2(b)所示不同位置的應變片，單層格室埋深0.3B時，格室拉應變隨豎向荷載的變化如圖8所示。

圖8 埋深0.3B時格室拉應變隨豎向荷載的變化

由圖8可知，隨著豎向荷載的不斷增大，格室拉應變也增大，當豎向荷載達到80 kPa時，曲線的斜率發(fā)生變化，越靠近中心位置的格室斜率越大，中間格室的拉應變約為兩側(cè)的2倍，說明格室和土體之間發(fā)生了摩阻作用，且格室受力不均勻。

圖9是單層格室在不同埋深情況下格室拉應變隨位置的變化圖，在方形加載板豎向荷載455 kPa的作用下，格室變形不均勻，加載板下方的變形明顯大于兩側(cè)，且向兩側(cè)遞減。隨著格室的埋深增大，格室的拉應變減小，且變形相對均勻。其中埋深0.5B和0.75B加載板下格室拉應變較0.3B分別減少了0.92%,1.59%。這進一步說明格室的埋深不同對地基應力場的作用也不同，在一定情況下，格室埋深越淺受力越不均勻，越容易發(fā)生破壞。因此，在實際工程中，可選用較高強度的土工格室使用在埋深較淺的位置，能更有效地提高地基承載力。

圖9 不同埋深格室拉應變隨位置的變化

如圖10和圖11所示，不同加固層數(shù)的格室在不同位置的格室拉應變同樣由中心向兩側(cè)遞減。與單層加固格室相比，多層加固格室可以承受的豎向荷載更大，格室拉應變也就更大。在同一工況下，隨著豎向荷載的增大，埋深越深的土工格室拉應變越小，其中兩層格室埋深0.5B加載板下格室拉應變較0.3B減少了0.79%；3層格室埋深0.5B較0.3B減少了1.46%，埋深0.75B較0.5B減少了1.82%。這與土壓力的變化正好一致，說明地基下部的應力是逐漸遞減的過程。選用多層加固的方式加固地基，對埋深較深的格室可選用強度較低的格室加固，以減少工程造價，合理分配資源。

圖10 兩層格室拉應變隨位置的變化

圖11 三層格室拉應變隨位置的變化

2.4 換填厚度分析

由圖12可以看出，當換填砂礫厚度為5,10,15 cm時，相對于純風積沙而言地基承載力分別提高了42.65%，48.90%，55.29%。純風積沙地基本身能夠承受的豎向荷載較小，但通過換填砂礫，可以有效提高地基承載力，而換填厚度的增加對提高承載力的效果并不顯著。這是由于風積沙非常松散，黏聚力幾乎為0[14]，受到外部荷載時很容易發(fā)生剪切破壞。但風積沙本身是有一定強度，通過換填砂礫對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個約束作用，增加了土的整體性；砂礫的強度是有限的，增加砂礫的換填厚度并不能大幅度提高地基承載力，砂礫阻止了基礎快速刺入風積沙地基中，延緩了沖剪破壞的產(chǎn)生，地基承載力主要由砂礫下部的風積沙本身的承載力決定。

圖12 不同換填厚度的p-s曲線

從圖12中還可以看出，土工格室的加固效果比換填砂礫效果好，這是因為土工格室的側(cè)限作用，提高了風積沙的整體性。因此，對風積沙進行側(cè)限約束作用是處理風積沙地基的有效手段。

加固地基的地基承載力計算公式是在不加固地基承載力公式的基礎上，考慮加固效果，修正得來[15]。為了研究公式在加固風積沙地基中的適用性，更清晰地表達土工格室加固與砂礫換填的等效關(guān)系，選取太沙基公式、換填墊層計算公式進行理論分析，并與試驗進行對比。

對于方形基礎，太沙基公式為：

pu=0.4bγNγ+1.2cNc+γdNq,

(1)

式中,pu為風積沙地基承載力；b為基礎寬度；γ為風積沙土體重度；c為風積沙的黏聚力；d為加載板埋深；Nγ，Nc，Nq為承載力系數(shù)。

由式(1)計算出不加固地基的地基承載力為178.87 kPa(c=0，d=0，γ=16 kN/m3，Nγ=93.16)當用單層筋材加固時，在原有公式中加入其他作用的影響，因此增加的地基承載力值為：

(2)

修正的太沙基公式：

p′u=pu+Δp，

(3)

式中,T為土工格室的拉力之和;pu為極限承載力;s為最終的沉降量;r為地基兩側(cè)隆起圓的半徑;β為土工格室拉力與水平面夾角(°)，其他意義同前。

計算可得增加的地基承載力值為291.22 kPa，加固后的地基承載力值為470.09 kPa，計算值與試驗值誤差為3%。

根據(jù)規(guī)范[16]規(guī)定換填土的承載力應符合：

pz+pcz≤faz，

(4)

式中，pz為墊層底面處的附加壓力值；pcz為墊層底面處土的自重壓力值；faz為墊層底面處深度修正后的地基承載力特征值。

矩形基礎的墊層底面處附加壓力值為：

(5)

式中,pk為加載板底面處的平均壓力值；pc為加載板底面處土的自重壓力值；z為加載板底面下墊層的厚度；θ為風積沙地基墊層的壓力擴散角。

正方形加載板施壓時b=l，計算結(jié)果如圖13所示。由圖可知，換填土公式計算值相較于試驗實測值偏小，因此根據(jù)試驗實測值對公式進行修正，適用于風積沙地基土工格室當量換填礫類土的理論表達式：

圖13 計算值與實測值對比

(6)

(7)

式中,fu為風積沙地基承載力；k修正為換填土地基的修正系數(shù)；fai為試驗實測換填土地基承載力；fbi為換填土公式計算的地基承載力；其他意義同前。

通過修正公式可以計算出相同位置1層土工格室可以等效22.3 cm厚的換填砂礫，與試驗結(jié)果較為一致，說明提出的修正公式對該試驗有較好的適用性，能較準確地反映出風積沙地基承載力值[17-20]。可為今后風積沙加固地基工程提供可靠依據(jù)。

3 結(jié)論

(1)通過比較不同加載板形狀、不同格室埋深及不同加固層數(shù)工況下的地基承載力，發(fā)現(xiàn)利用正方形加載板施壓的承載力高于同面積的圓形和長方形；單層加固格室埋深為0.3倍基礎寬度時加固效果最好；增加格室層數(shù)能夠使地基承載力提高2～4倍。

(2)土工格室加固風積沙地基距離基底越遠，應力擴散效果越明顯，所有工況地基中間所受土壓力大于兩側(cè)，單層格室比多層格室加固應力集中現(xiàn)象更明顯，單層加固中間格室土壓力約降低1.5～1.8倍，多層加固降低約4.5～7.8倍；土工格室破壞后，格室的側(cè)向約束作用逐漸失效，加載板土體周圍的位移變化量減小。

(3)隨著荷載增大加載板下格室的拉應變遠大于兩側(cè)，單層格室加固時，格室埋深越淺受力越不均勻，越容易發(fā)生破壞，相同荷載下埋深大的較小的加載板下格室拉應變可減少約0.9%～1.6%；多層格室加固時，下層的土工格室受力更小，同一工況下層的較上層的加載板下格室拉應變可減少約0.7%～1.9%。

(4)對風積沙進行側(cè)限約束作用是處理風積沙地基的有效手段；采用太沙基公式對土工格室加固風積沙地基進行承載力計算，計算值相較于試驗實測值誤差較小，能較準確表示風積沙地基承載力值，在試驗基礎上對換填土公式進行修正，得出土工格室加固風積沙的礫類土當量換填厚度。