土工合成材料软土地基加固特性研究

刘 毅，李丽华，杨 超，任增乐，万 畅，崔飞龙

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

在岩土工程中，用软土作为地基是一项挑战性的工作。如果设计建造不当，地基会过早出现故障或发生较大的变形，或限制和损害其功能结构。土工合成材料已广泛用于加固路堤和浅基础，同时在松软土层上也有应用。土工合成材料具有的优势有：提高软土地基的承载能力，创建施工平台。作为垂直排水层的加固材料。土工合成材料在过去十几年中得到广泛应用，在堤坝下部可增强土体的稳定性。且加筋层缩短了施工的时间，可以节省填充材料。在陡峭堤防中应用可以减少不均匀沉降。预制垂直排水管加速软土固结，比传统的排水渠具有更好的流动性。软土路堤稳定新技术的应用已经在世界范围内大幅增加。在这些技术中，最常用的是用土工合成材料加固软土堤防，以提高其短期稳定性。Bonapart和Christopher［1］概述了软土土工合成材料加固堤防的设计方法，包括整个堤防的承载力设计，侧滑堤岸部分设计，深层次的边坡稳定性设计。从 Li，A.L.和Rowe，R.K［2］的建议来看，应该使用简化设计图来计算承载能力。由于横向滑动导致路基填土的侧向土压力，还提出了在加固计算所需拉力情况下的简化设计图。极限平衡法，常用来评估深层次路基边坡的稳定性。并已经成功用于许多不稳定堤防软土。考虑到适用于加筋强度折减系数蠕变，机械损伤，重大和不明因素的影响，加筋软土路基最常见的设计和实验方法是用极限平衡法测定拉伸强度。Millgan和Busbridge［3］分析软土的破坏采用极限平衡法—在有限元分析法的基础上，采用了更加复杂的数值分析方法。加筋路堤范围内的整体安全系数取决于项目的特点，通常为1.2～1.5。

1 稳定方案设计

1.1 基本利用情况

软土地基的稳定建设或修筑河堤的方法目前已有较多应用（表1）。使用方案取决于项目的特点，例如遇到很深的沉降时要考虑该方法是否可以应用。如电渗或真空加速软土方法，目前在一些国家应用还较少，其研究也有限。有些报道应用在软土地基上面，但是只适用于低重度的填土。

表1 软路堤建设类型解决方案

用桩承式路堤可以明显减少沉降，土工合成材料在软土上的应用主要集中在桥墩和铁路堤防中。

1.2 软土地基加筋基本规定

根据岩土仪器测试和公路路堤经验将堤防分成三类。I级堤防是靠近重要结构的软土，重要的结构如桥梁、管线等构造物，II级堤防是距离结构物稍远处的软土，但结构物高度大于3m，III级堤防是远离结构物且建筑物高度低于3m的软土。对于土工合成材料加固堤防设计抗拉强度

其中，Tref为拉伸强度加强值，Tenv为降解的环境所造成的加固折减系数。

规定fmdfenv≥2为I级；fmdfenv≥1.75为II级；fmdfenv≥1.5为III级。

fmd是减少机械损伤因素，fenv是由环境造成的加固退化缩减因子。考虑到受温度的影响，测试结果具不确定性，根据不同填充材料和加固类型的特征，fmd值从1.1到1.7变化。

排水管道必须是通过排水层顶部，软土地层厚度大于0.3m，还必须允许交通施工车辆可以排水。此外土壤的一些基本物理参数［4］如表2所示。这些物理参数可用作有限元模拟时参考。

表2 用于数值分析的土壤属性

2 测试方法

2.1 有限元分析法

Forsman［5］在软土地基中加入土工合成材料，并应用有限元进行了分析。分析表明，加筋可以使水平位移得到显著的减少。在加筋层存在的情况下，会产生好的效果，使软地基的水平位移减少。Brinkgreve and Vermeer［6］通过数值分析预测这种类型的软土路堤加固所带来的优势（图1）。

图1 沿深度方向的水平测量倾角I测斜仪1

图2 沿深度方向的水平测量倾角II测斜仪2

排水管放置在基底作为堤防。排水管间的垂直距离为1.3m。排水层厚度为0.4m。加固桥墩是由一个八层的单向土工格栅制成，沿轴向方向加筋。现场所用仪器包括振动线、测压计、倾斜仪、结算板、水平测斜仪。

图1及图2表示［7］测量的测斜仪的水平位移的变化。测斜仪1安装在面向河流的坡面上，测斜仪2是安装在横向坡度上，可以观察到的是面向河流软地基的水平位移小于所观察到的沿法线方向的位移，加固沿着轴线方向刚度更大，加强层的影响不大。

2.2 极限平衡法

Hewlett和Randolph［8］的极限平衡法已经成功用于许多不稳定的堤防软土，最初构建的土工合成材料加固堤防可以达到预期的效果，这表明目前的设计方法是合理的。最近的研究都集中在一些土工合成材料加固堤防方面。研究发现，利用排水板，土工合成材料加固堤防的稳定性显著提高。

邓安［9］及孙树林［10］用轮胎碎片颗粒做过加筋的一些研究。发现此添加物可以有效地减少路基沉降，抗剪强度也有很大程度的提高。对河堤的稳定性有所增强。极限平衡法中常用的是土工合成材料加固堤防的常规设计，这种方法适合于一般河堤，可增强其稳定性。然而，极限平衡法不能被用来评价加筋路堤的变形。普遍认为，土工合成材料加固堤防可以减少不均匀沉降，尤其是当使用多层加固的时候。土工合成材料加固的有效性变得显著，引起的剪切应力大于软粘土的抗剪强度。

2.3 实验和分析

在松软和软土条件下，浅基础容易发生较大变形。上层基础容易失效，在现有的基础上实行土体改良，遇到软土可采用开挖的方法。随着引进土体加固的理论，土工合成材料可以代替被开挖的部分，开挖方案减少了成本。无加筋承载力和加筋承载力之比（BCR）是影响基础性能的关键参数。关键参数包括 B／L，Z／B，h／B，b／B，1／b。B 为 基础的 宽度；L为基础的长度；u为底层到加固层的深度；z为加固层的间距；h为加固层的总厚度。由Binque和Lee［8］提出的承载力测试，使用加固的承载力可以带来很多益处。研究发现BCR最佳u／B的比值为当u超过1.25B时，增加的BCR可忽略不计。

土的相对密度范围为12.3%～42.5%，测试中发现三层土工格栅优于两层和一层格栅，改善不均匀沉降点主要集中在加固层上。进行砂板负载测试，在相对高的地方表面应力偏低，加筋砂比纯砂具有更高的应力承载力，三层格栅的BCR值变化范围为1.92～2.61，两层的BCR值为1.11～1.89。在一些情况下，存在u／B的一个最佳比值，这个比例大概为0.25～0.75，取决于强化层的数量、间距和刚度。此外三层以上的增补层作用不是很大。

Sompote［11］侧重于评估基础的承载力，这是很重要的一个研究方向，另外可以改变应力分布与深度。以前研究大多数是在砂板或是在较小尺寸上进行，但是，砂的承载力依赖于基础的尺寸。这方面研究进展主要是依靠Hemanta［12］的分析方法。在运动学中，预估加筋层的条形基础，对其极限承载力进行极限分析。其设计的方程考虑滑移和断裂的失效模式，这种分析方法应用在设计中，加固区强度的应变不超过5%。

2.4 混合土加固

泡沫混合土的设计包括选择固化剂，选用满足设计要求的土体，表3总结了土体的性质。

表3 地基土壤性质

基于实验结果，混合比采用如表4所示结果［13］。

表4 设计混合比

混合的好处除了减少地面的负载，还可以方便携带，灵活性方面更加突出，连续的处理系统代替常规方式，以降低成本。深度为4m，前2m的土壤由轻质材料填充。将水加入到未经处理过的土壤材料中，混合物转移到泥浆调节池中。在泥浆调节池中，泥浆的比重根据加水的比例而定，然后转移到搅拌罐中搅动水泥浆，在沿管道混合器中，一起抽出承压。路基的构造：首先构建一个梯形形状堆，高度为0.7m的外围路堤，然后填充泡沫混合土。分为10个阶段，总厚度为7m。铺设土工格栅间隔为2.1 m。结果显示路基的沉降只有29mm，同样，横向位移几乎为零，观察到的最大侧向位移为40mm［14］。

用软土加固法，对河流底部的淤泥处理是有效果的，尝试使用轻质泡沫混合土，从整个软路堤横断面显示来看，可以使用粘土来提高其强度［15］。

3 结论

1）土工合成材料加筋，特别是结合垂直排水管的应用，能促进软土地基的水平变形显著减少。

2）对于土工合成材料加固软土地基，有无筋材时其相应承载力之比是影响基础性能的关键参数，且该承载力之比存在一个最佳值。

3）土工合成材料加筋可减少桩沉降，加筋层的存在提高了软土性能，减少路基表面的沉降，并允许桩之间的距离增大。

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