土工合成材料在桩承式加筋路堤中的应用现状

陈 毅,郑 乾,王军军,完绍金

(扬州大学 建筑科学与工程学院,江苏 扬州 225127)

0 引 言

土工格栅作为一种新型的土工合成材料,在20世纪70年代传入我国,现已广泛应用于公路、路堤、边坡和挡土墙等一系列重要的土建工程中[1-4]。随着化工技术的发展,土工格栅已从开始的类别单一发展到现在的类别多样化,能基本满足各个领域的要求。由于土工格栅与土层之间能够通过摩擦和咬合作用限制土体的侧向变形,提高土体的抗弯刚度和抗剪强度,明显增强地基承载力,并且能够减小土体因应力集中问题而造成的滑塌变形[5],因此,土工格栅在处理软土地基及防止边坡滑移方面具有很重要的意义。桩承式路堤是近年来研究较热门的一项软土地基处理技术,它起步于20世纪70年代,与加筋技术的联合作用下[6](此处的加筋体在土木工程中一般采用土工格栅),形成了桩承式加筋路堤(见图1)[7],它具有施工方便、工期短、工后沉降小的特点,适用于需要快速施工或者对沉降要求较严格的工程[8]。桩承式加筋路堤组成从上到下依次为路堤填土、土工格栅、桩和地基土。未加土工格栅的传统桩承式路堤(见图2)[6],常在边坡附近打设斜桩来承受路堤产生的侧向变形,且为减小承台间土体的变形及路堤表面处的变形,桩体布置需要紧密、承台尺寸要大;加了土工格栅以后不需要打设斜桩,不需要增大托板和缩小桩间距,大大节省了费用,是比较经济的。本文通过对土工格栅在桩承式加筋路堤中的作用机理和国内外学者对桩承式加筋路堤的研究现状进行分析总结,以突出土工格栅的作用和意义及存在的问题,期望为以后桩承式加筋路堤的研究提供有益的参考。

1 土工格栅的加筋机理及工程特性

研究土工格栅在桩承式加筋路堤中的受力情况,必须先要明确土工格栅具备的一些性质以及加筋机理。

图1 桩承式加筋路堤

图2 未加土工格栅的桩承式路堤

1.1 土工格栅的加筋原理

土工格栅的加筋机理可归纳为摩擦加筋原理与准粘聚力原理。对于摩擦加筋原理,文献[9]总结为三个内容:(1)格栅上下表面与土颗粒的摩擦作用。格栅和土粒存在相对位移时,就会产生摩擦。摩擦起决定作用时,格栅应沿着土中最大拉力方向铺设。(2)格栅肋条对土颗粒的被动阻抗作用。(3)格栅上的孔眼对土的镶嵌与咬合作用。但摩擦加筋原理存在的问题有:忽略了土粒在土工格栅中形成的嵌锁作用,同时忽略了筋带在力作用下的变形,未考虑土为非连续性介质,具有各向异性的特点。

对于准粘聚力,文献[10]认为土体中加入了高弹性的筋材后引起的加筋土体的大主应力增大,内摩擦角基本不发生变化,可以用以下公式进行计算:

式中:Δ H为加筋的间距;KP为被动土压力系数,按式KP=tan(45°+φ/2)计算;(σ1)fR为加筋土破坏时的大主应力;αF为加筋土破坏时加筋单位宽度的拉力;φ为填土的内摩擦角;σ3为周围压力。

1.2 土工格栅的工程特性

随着土工格栅应用的越来越广泛,关于土工格栅的理论与试验也越来越深入。张孟喜等[11]研究了循环荷载作用下土工格栅的拉伸状况,指出了循环荷载和动应变与软化指数之间的关系;吴景海等[12]讨论了土工格栅与土界面之间的相互作用,认为土工合成材料的直剪系数一般低于1.00,所以加筋土工程中需要验算沿土工合成材料平面的抗滑稳定性;何海清等[13]研究了土工格栅加筋体的抗震性能,总结了土工格栅对减小边坡位移,防止路堤滑塌,减小不均匀沉降及提高抗震性能具有重要意义;韩志型等[14]研究了不同加筋层数对加筋体变形及强度影响,指出不同的加筋层数会对土体的抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ值产生不同的影响,应合理布置筋材间距,加筋效果达到最佳;郭军辉等[15]对土工格栅低温下蠕变特性进行了研究,指出各种应力下土工格栅的初期蠕变较大,但一段时间后蠕变平缓或接近停止。土工格栅的性质是多方面的,在不同的应用领域发挥着不同的作用,因此,不同学者做出的不同性质的研究都可为土工格栅在桩承式加筋路堤中的应用提供有利依据。

2 土工格栅在桩承式加筋路堤中的具体应用分析

2.1 拉膜效应及计算

Han等[16]指出,在桩承式加筋路堤的荷载传递机理中存在拉膜效应(如图3所示),即土工格栅因承受一定的路堤竖向荷载而拉伸变形,产生拉力,并通过拉力的法向分量传递到桩体上,从而进一步减小路基土的沉降。

图3 土工格栅的拉膜效应

根据Jones的研究[17],土工格栅变形后的形状近似于圆弧型或悬链线,格栅的下沉形态可以用二次抛物线来模拟。贾宁等[18]基于Jones的理论,给出了格栅的受力及变形分析方法,及推算格栅上下表面应力以及求格栅最大沉降的具体步骤。

BS8006[19]建议采用以下公式计算土工合成材料的拉应力:

式中:T为每单位宽度土工合成材料的拉力;ε为土工合成材料中的应变,为了保证路堤表面不出现过大的差异沉降,其一般控制为6%;WT是横跨在桩间的土工合成材料每单位长度上所承受的竖向压力,其按公式 WT=计算。

Giroud等[20]认为土工合成材料在桩边固定,变形后土工合成材料在平面内呈圆弧状,认为计算公式应为:

式中:Ω为无量纲系数,反映了土工合成材料中拉力与其最大竖向变形的关系,可按Giroud等给出的表格确定。

由于BS8006土工合成材料拉力分析方法的计算结果与实际情况较接近,所以一般采用BS8006的方法计算土工合成材料的拉力。

2.2 土工格栅对加筋路堤参数的影响

目前,学者一般用荷载分担比或桩土应力比来衡量桩承式加筋路堤中各个组成部分的职能发挥程度。土工格栅的性质变化会给这两个参数值带来改变。

2.2.1 土工格栅对荷载分担比的影响

文献[21]定义荷载分担比为桩托板所承担的总荷载与单桩处理区域内路堤总荷载的比值。它是用来描述桩体对承担路堤荷载比例大小的指标[22]。荷载分担比的计算公式为:

式中:σr为桩托板上距桩轴线为r处的竖向应力;rp为等效桩托板半径;re为单桩等效处理半径;H为路堤高度;γ为路堤填料重度。

曹卫平等[23]通过对桩承式加筋路堤建立计算模型,用公式推导的方式计算,在其他条件一定的情况下通过改变土工格栅的拉伸强度,得出的结果显示桩体荷载分担比随格栅刚度的变化很小,原因在于水平加筋体的存在减小了桩土沉降差,降低了土拱效应,但又通过自身的张拉应力将其承担的荷载传给了桩托板,相当于加强了土拱效应,两者综合起来,使其对土拱效应的影响不大,即水平加筋体对桩体荷载分担比的影响较小,文献[8]和[24]也得出了相同的结论。其中文献[8]同时还指出了土工格栅对减小路堤不均匀沉降的效果也是很小的。

但文献[25]指出,土工格栅不仅在一定程度上起到减小路堤沉降的作用,还能约束路堤边缘填土的侧向变形,由此可见,土工格栅虽然对荷载分担比的影响较小,但却发挥着不可替代的作用。

2.2.2 土工格栅对桩土应力比的影响

Hewlett[28]和Low[29]通过模型试验分别研究了空间土拱效应和平面土拱效应,但均未考虑水平加筋体的拉伸强度变化对桩土应力比的影响;White[30]通过有限元分析得出的结论与Han关于水平加筋体对桩土应力比的影响的结论相反;赵明华等[31]总结出了水平加筋层上的桩土应力比远小于其下的桩土应力比的结论。曹卫平等[32]通过自己建模试验得出了以下结论:使用水平加筋体能提高桩土应力比,水平加筋体拉伸强度较小时,对桩土应力比的提高不明显;使用水平加筋体拉伸强度越大,对桩土应力比的提高越大。

3 展 望

国内对桩承式加筋路堤的研究目前正处于热门阶段,这是一门全新的技术。随着国内经济飞速发展,道路等一系列公共设施亟待修建,桩承式加筋路堤具有广阔的应用前景。但是,对于这项技术还缺乏全面性的研究,很多理论尚未成型。土工格栅作为新型有机材料的一个分支,在桩承式加筋路堤中发挥了巨大的作用,对它的研究也越来越深入。到现在为止,对于土工格栅这种材料在加筋路堤中的应用还有以下几个方面是不太明确的,如果要进一步研究桩承式加筋路堤这几个方面也是首要解决的问题。

(1)目前的研究中一般认为土工格栅的拉力主要是由竖向路堤荷载引起的,而路堤的侧向变形会造成土工格栅在水平方向的拉力,所以在设计时除考虑拉膜效应外还需要考虑土工格栅的横向变形。

(2)土工格栅的层数对桩承式加筋路堤的影响机理尚不明确,到底是几层土工格栅较合适,是多层低强度的土工格栅好,还是一层高强度的土工格栅好还缺少相关研究支持。

(3)土工格栅在路堤中的放置位置还需要进一步讨论,不同位置会对土拱效应产生不同影响。

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