土工格栅加筋碎石垫层工作性状研究

刘磊

摘要：褥垫层技术是竖向增强体复合地基的关键技术之一。为揭示碎石垫层与加筋碎石垫层的工作特性，本文采用大比例模型试验，研究了土工格栅对碎石垫层刚度的影响，并采用FLAC3D对模型试验进行了数值模拟，分析了碎石垫层和加筋碎石垫层的竖向应力场、竖向位移场随荷载增加的变化规律。研究表明：在相同荷载作用下，加筋碎石垫层的沉降明显小于碎石垫层的沉降；加筋碎石垫层的竖向应力增量及其影响范围、沉降影响范围及沉降量均比碎石垫层的小，并且加筋碎石垫层的应力核心区和零位移区的范围也有所减小。

关键词：碎石垫层；土工格棚；刚度；应力场；位移场

中图分类号：U416.214

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）05-0118-03

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引言

复合地基技术的一个基本假定就是使桩体与桩周土共同作用。为了有效发挥复合地基中桩与桩周土的协调变形，有效改善复合地基中桩体的应力分布，黄熙龄先生提出：在承台下设置合适的褥垫层，能有效地调节地基土中的桩一土荷载分担比，也能充分发挥地基中桩、桩周土的承载性能，从而达到提高复合地基的承载和减小地基沉降的目的。

通常情况下，褥垫层材料为散体材料，如砂、碎石等。但随着地基处理技术的发展，人们发现单一的砂、石垫层刚度较小，不能很好地适应工程需要。为克服单一材料垫层的这种不足，工程出现了将土工布、土工格栅、土工格室等土工织物置入砂、石垫层中，从而形成了加筋垫层。加筋垫层技术在工程中取得了良好的经济效益，引起了广大研究人员的高度重视。Sharma等进行了土工格栅加固散体材料桩基础的载荷试验，结果显示：土工格栅能较好地改善软土地基工作性状，能有效地提高散体材料桩的承载力，减小地基沉降，并且通过增加格栅数量和减小格栅的间距能更好地发挥其工程性状；Alawajil基于试验结果，研究了土工格栅加筋砂中土工格栅的蠕变特性，探讨了位移速率对土工格栅加筋砂土刚度和承载力的影响；Zidan采用有限单元法，对比分析了静荷载、动荷载作用下土工格栅加筋砂的工作特性，探讨了格栅层数、第一层格栅深度、格栅间距等对土工格栅加筋砂承载特性的影响；Chen等通过改进的土工格栅模型，运用ABAQUS分析了加筋土中土工格栅与土的相互作用；刘春等基于土工格栅处理高速公路软基沉降问题的分析，采用有限单元法对土工格栅加筋路堤进行了计算；罗强等基于现场试验，研究了土工格栅、土工格室加筋垫层对路基沉降变形的影响，并指出：土工合成材料加筋砂垫层能有效减小软土地基在上部路堤荷载作用下的沉降变形。黄仙枝等、刘毓氚等研究了加筋垫层的应力扩散特性，分析了加筋层数、筋材间距等对应力扩散角及扩散效应的影响。张福海和俞仲泉基于Winkler假定，提出了考虑水平抗力的双参数法，并对土工格室加筋垫层的变形进行了分析。杨明辉等基于平截面假定，引入叠梁计算理论，分析了叠梁弹性模量与叠梁挠度及荷载的对应关系，提出了土工格室加筋垫层刚度的解析算法。

褥垫层的工作性状对复合地基的诸多工作特性均有较大影响，加筋垫层更是如此，如加筋垫层的厚度、土工合成材料的刚度、加筋层数、加筋位置等都对复合地基的承载力及沉降具有影响。尽管国内外针对砂、石垫层及加筋垫层均有过一定研究，然而由于垫层工作的复杂性和工作条件的多变性，本文将采用模型试验和数值模拟相结合的方法，研究刚性基础下垫层与加筋垫层的工作性状，探讨不同垫层厚度、土工格栅层数、土工格栅布置位置等因素对垫层及加筋垫层应力场与位移场的影响，为加筋垫层的优化设计提供参考依据。

2 模型试验

为探讨刚性基础下碎石垫层与土工格栅加筋垫层的工作性状方面的差异，共进行了2个模型静载试验（如表1所示）。

模型试验在长×宽×高为1.5×1.5×0.5m的钢制模型箱中进行，模型箱内分层采用动力夯实（压实度控制在90%左右）的方法分层铺设碎石。碎石粒径级配控制在10～20mm范围内，其物理力学性能参数如表2所示。

土工格栅采用江苏宜兴市华东岩土工程材料有限公司生产的双向聚丙烯土工格栅，试验用土工格栅的尺寸为1.0×1.0m，其相关技术指标如表3所示。

试验的加载系统如图1所示。载荷板采用20mm厚的钢板，其边长为70.7cm。载荷板的沉降观测采用千分表。静载试验严格按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）进行。

3 实验结果分析

图2为碎石垫层与加筋碎石垫层的荷载一沉降关系曲线。

由图2可以看出：1）随着荷载的增大，2种工况下垫层的沉降呈线性增加；2）在相同荷载作用下，纯碎石垫层的沉降大于加筋碎石垫层的沉降。

以上现象表明：在垫层中设置土工格栅，能提高垫层的刚度，减小垫层的压缩变形。

此时，由图2可得以上4种工况下加筋垫层的变形模量（如表4所示）。

4 数值模拟与分析

为能更好地分析碎石垫层的工作性状，深入研究垫层参数变化对垫层应力场和位移场的影响，本文采用FLAC3D通过编写命令流对刚性基础下的碎石垫层进行三维数值模拟，分析各参数变化对碎石垫层、加筋碎石垫层的应力场和位移场的影响。

4.1计算模型的建立

为使问题简化，本节在选择计算模型时假设：同种材料为均匀、各向同性体。

4.1.1土体、碎石、载荷板计算模型选取：粘土地基和碎石垫层采用FLAC内嵌的Mohr—Coulomb弹塑性模型来模拟，采用弹性各向同性模型模拟载荷板。

4.1.2土工格栅计算单元选取：格栅单元在实际工作中只能承受拉应力，不具有抗压性能和抗弯刚度。许多研究表明：土工格栅可看成是只有轴向变形的一维单元，在一定荷载作用下的应力-应变关系还处在线弹性范围内。根据已有研究基础与成果，本节土工格栅单元被视为薄膜单元，故其本构关系选取线弹性计算模型。

4.2基本模型与计算参数

4.2.1碎石、土工格栅、载荷板的物理力学计算参数均按照模型试验参数取值。

4.2.2加载过程：根据前述模型静载试验的加载过程，即载荷板顶施加的荷载分别为20kPa、40kPa、60kPa、80kPa、100kPa、120kPa、140kPa、160kPa，每级荷载计算时步均取100步。

4.3加筋垫层的应力场

图3为两种工况下垫层的荷载-沉降关系的数值模拟曲线与实测曲线。从图3可看出数值模拟结果与实测结果十分接近，从而证实了本节所建立数值计算模型的可靠性。

图4、图5分别为不同荷载作用下，碎石垫层与加筋碎石垫层的竖向（z方向）应力云图。

由图4和图5可看出：1）随着荷载的增加，载荷板下方垫层的应力持续增大，而载荷板垂直作用范围外的垫层应力有所增加，但增加的幅度很小；2）若将垫层中竖向应力大于或等于上部荷载值的区域定义为应力核心区（以下称“核心区”），则核心区的范围随着荷载的增加而减小；在较小荷载下（20kPa），加筋碎石垫层核心区与碎石垫层的核心区差别不大（约为垫层面积的27%），但随着荷载的增加，加筋碎石垫层的核心区就有较大幅度（约为10%～20%）的减小，而碎石垫层核心区的减小幅度（约为3%～8%）的减小，且应力值均小于相同厚度碎石垫层的应力值。以上情况说明：土工格栅能有效地调整碎石垫层的应力分布。

4.4加筋垫层的位移场

图6、图7分别为不同荷载作用下，碎石垫层与加筋碎石垫层的竖向（z方向）位移云图。

由图6和图7可看出：1）荷载作用下，垫层沉降深度方向的逐渐减小，垫层顶部的沉降最大（等于载荷板的沉降量），垫层底部一定范围内的没有产生沉降（以下称“零位移区”）；2）随着荷载的增加，垫层的沉降范围不断增加，而零位移区的范围几乎没有增加；3）以载荷板为中心，沿水平方向垫层深部的沉降变化呈“W”型，且随荷载的增加，沿深度方向垫层这种沉降变化的幅度越大；4）随着土工格栅的置入，10cm厚加筋垫层的沉降范围及深层沉降量均较同厚度碎石垫层的小，且零位移区的范围几乎没发生变化。以上情况说明：土工格栅能有效地调整碎石垫层的沉降影响范围及沉降量。

5 结语

本文分别采用大比例模型试验、数值模拟的方法，研究了刚性基础下碎石垫层和土工格栅加筋碎石垫层的工作性状，分析了碎石垫层和加筋碎石垫层的变形模量、竖向应力场和竖向位移场：

5.1土工格栅能有效地提高垫层刚度，在相同荷载作用下，加筋碎石垫层的沉降明显小于碎石垫层的沉降；

5.2加筋碎石垫层的竖向应力增量及其影响范围、沉降影响范围及沉降量均比碎石垫层的小，应力核心区和零位移区的范围也有所减小，但幅度较小。