刚性基础下土工格栅加筋碎石垫层变形特性试验研究

李运成，彭振斌，何杰

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；2. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲，412007)

近年来，复合地基因能有效地利用土的承载力而受到我国城市民用建筑工程的青睐。在承台下设置合适的褥垫层，能有地效调节桩-土荷载分担比，充分发挥地基中桩、桩周土的承载性能，提高复合地基的承载力并减小地基沉降。许多学者对垫层在复合地基中的作用进行了研究，如：李宁等[1-2]研究了设置垫层后桩体复合地基的承载性状，分析了垫层的加固机理与作用；刘杰等[3]推导了垫层厚度、压缩模量对复合地基工作性状影响的解析算式；亓乐等[4-5]分析了复合地基中垫层的作用机理，对桩体进入垫层的刺入量与垫层厚度的计算方法进行了探讨；郑刚等[6]进行了不同厚度褥垫层条件下刚性桩复合地基工作特性模型试验；王兵等[7-8]通过复合地基静载荷试验探讨了垫层厚度和材料类型对复合地基承载力的影响。随着地基处理技术的发展，工程中出现了将土工布、土工格栅、土工格室等土工织物置入砂、石垫层中，形成加筋垫层。加筋垫层能克服单一材料垫层刚度较小的不足，得到了广大研究者的重视。张良等[9]通过4 种桩网复合地基的现场试验，测试并分析了加筋垫层对复合地基的承载力和沉降量的影响。罗强等[10]通过复合地基实测发现土工合成材料加筋砂垫层能有效减小软土地基的沉降变形；黄仙枝等[11-12]研究了加筋层数、筋材间距等对应力扩散角及扩散效应的影响；张福海等[13]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[14]基于平截面假定提出了土工格室加筋垫层刚度的解析算法；杨果林等[15]进行了桩网复合地基加筋垫层土工格栅的变形机理测试，探讨了加筋垫层的变形及破坏特征；马时冬[16]将土工格栅应用于古建筑城门楼加固工程，并通过荷载试验对土工格栅垫层提高地基承载力、均衡差异沉降和减少总沉降的作用效果进行了检验。褥垫层技术是竖向增强体复合地基的关键技术之一。尽管国内外针对砂、石垫层及加筋垫层均进行了一定研究，然而，均侧重于垫层对复合地基承载力和沉降量的影响，对垫层本身的变形特征关注较少。为此，本文作者采用模型试验的方法对刚性基础下垫层与加筋垫层的变形特性进行测试，探讨不同垫层厚度、土工格栅层数、土工格栅铺设位置等因素对垫层及加筋垫层沉降量和变形模量的影响，以便为加筋垫层的优化设计提供参考。

1 试验

为探讨刚性基础下不同工况土工格栅加筋垫层的工作性状，共进行了9 个模型静载试验，模型试验工况如表1 所示。

模型试验在长×宽×高为1.5 m×1.5 m×0.5 m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10～20 mm 范围内，其物理力学性能参数如表2 所示。

本次试验中所用土工格栅为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，长×宽为1.0 m×1.0 m，其相关技术指标如表3 所示。

表1 模型试验工况Table 1 Working conditions of model tests

表2 碎石的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of gravel

表3 土工格栅技术参数Table 3 Technical parameters of geogrid

试验的加载系统如图1 所示。载荷板采用20.0 mm厚的钢板，其边长为70.7 cm。载荷板的沉降采用千分表观测。静载试验严格按JGJ 79—2002(《建筑地基处理技术规范》)进行。

图1 垫层试验装置示意图Fig.1 Installation of cushion experimental equipments

2 实验结果分析

2.1 厚度变化和有无土工格栅对垫层变形模量的影响

图2 所示为有无土工格栅情况下，当垫层厚度变化时，碎石垫层的荷载–变形关系曲线。

图2 不同厚度、有无加筋碎石垫层的荷载–变形曲线Fig.2 Load-deformation curves at different thickness with or without reinforced gravel cushion

从图2 可知：1) 在相同荷载作用下，无论是否设置土工格栅，随垫层厚度增加，10 cm 厚垫层的沉降量较20 cm 厚垫层的沉降量小；2) 不设置土工格栅时，10 cm 厚垫层的沉降量小于20 cm 厚垫层的沉降量，但两者的沉降差较大；3) 将土工格栅均设置于沿垫层深度方向的中部时，20 cm 厚垫层的沉降量要大于10 cm 厚垫层的沉降量，且两者的沉降差较无筋时的小。

以上分析结果表明：1) 在刚性基础下，较薄垫层的刚度比较厚垫层的刚度大；2) 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。

由图2 可得以上4 种工况下垫层的变形模量，如表4 所示。

表4 有无土工格栅置于垫层中部时碎石垫层的变形模量Table 4 Deformation modulus of gravel cushion with or without geogrids in its central

分析表4 可知：1) 增加垫层厚度，碎石垫层的变形模量明显减小；当碎石垫层厚度由10 cm 增至20 cm时，无格栅碎石垫层变形模量降低58.5%，含1 层土工格栅的碎石垫层变形模量下降幅度稍大，为60.2%；2) 在碎石垫层中设置土工格栅能有效地提高垫层的变形模量，当垫层厚度分别为10 cm 和20 cm 时，在垫层中间设置1 层土工格栅后其变形模量较无格栅时分别增大26.3%和21.1%，增大幅度随垫层厚度的增加而减少。

2.2 格栅层数、铺设位置变化对垫层变形模量的影响

图3 所示为20 cm 厚垫层内铺设土工格栅层数与位置不同时加筋碎石垫层的荷载-变形曲线。

图3 格栅层数与铺设位置对20 cm 加筋碎石垫层的变形影响曲线Fig.3 Deformation curves of geogrids reinforced gravel cushion of 20 cm thickness affected by geogrids layers and their laying position

表5 加筋碎石垫层的变形模量Table 5 Deformation modulus of geogrids reinforced cushion

由图3 可知：1) 在20 cm 垫层中铺设2 层土工格栅时垫层的沉降量要比只铺设1 层土工格栅的沉降量小；2) 在20 cm 厚碎石垫层中铺置1 层土工格栅时，格栅位置离垫层顶面的位置越近，加筋垫层的沉降量越小，反之，垫层沉降量逐渐增加；3) 在20 cm 厚碎石垫层中铺置2 层土工格栅时，随着土工格栅距垫层顶面的距离越近，加筋垫层的沉降量越小，其中，首层格栅铺设于距垫层顶面5 cm，且与第2 层格栅间隔5 cm 时(即工况20CMG2-3)，垫层的压缩变形最小。

上述试验现象表明：1) 在垫层厚度允许的情况下，增加土工格栅层数，能有效地减小垫层的压缩变形，提高垫层刚度；2) 土工格栅铺设位置距离垫层顶面越近，垫层的压缩变形越小。由图3 可得以上6 种工况下加筋垫层的变形模量，如表5 所示。

分析表5 可知：1) 增加土工格栅层数，能有效增大加筋垫层的变形模量；2) 随着格栅铺设位置的下移，加筋垫层的变形模量减小；3) 随着格栅层数的增加，铺设位置对垫层变形模量的影响变小，当铺设格栅分别为1 层和2 层时，铺设位置不同引起的变形模量变化量分别为平均值的20.0%和7.9%。

在复合地基工程中，垫层设计是一项关键工作：既要保证垫层具有一定的刚度，又要确保桩体在受荷时垫层材料能随桩体的刺入而流动，且桩体的刺入应有一定幅度，以利于浅层土体承载性能的发挥。当垫层刚度较大时，能较好地发挥桩体的承载性能；当垫层厚度较小时，桩体向垫层刺入的幅度较小，垫层对桩-土荷载分担比的调节能力有限。对于铺设2 层及2层以上土工格栅的垫层，在设计过程中既要考虑能有效提高垫层刚度，又要保证垫层对桩-土荷载分担比的有效调节，因此，垫层材料、格栅物理力学性能、格栅层数、首层格栅的铺设位置、格栅的间距等参数的选择十分重要。

3 结论

1) 在相同荷载作用下，碎石垫层的变形模量随垫层厚度的增大而减小；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量，变形模量的提升幅度随垫层厚度的增加而减少。

2) 在垫层厚度允许的情况下，增加土工格栅层数，能有效地减小垫层的压缩变形，提高垫层刚度。

3) 土工格栅铺设位置距离垫层顶面越近，垫层的变形模量大；随着垫层内土工格栅层数的增多，垫层内土工格栅铺设的位置对垫层变形模量的影响 变小。

4) 试验结果能为复合地基中加筋垫层的优化设计提供参考。但本次试验仅对碎石垫层开展了测试分析，对不同材料、不同土工格栅层数及间距条件下的垫层变形特性有待进一步研究。

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