土工合成材料在软土路基加固中的应用

白亚东

(中铁一局集团有限公司,北京 100161)

土工合成材料在软土路基加固中的应用

白亚东

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本文说明在软土地基上铺放土工合成材料,可起到减小最大沉降、调整不均匀沉降和提高地基承载力的目的。

土工合成材料 软土 不均匀沉降

1 软土的定义和特性

软土是自然历史的产物，是随着古地理、气候、沉积环境的变化而形成的。一般是指在滨海、湖泊、谷地、河滩沉积的天然含水率大于30%，其液限一般在34%--43%的范围内，塑性指数大部分在15—20之间，天然空隙比大于1的土。如淤泥和淤泥质土，以及其他高压缩性饱和粘性土、粉土。

由于软土的生成环境及粒度、矿物组成和结构特征，结构性显著且处于形成初期，故具有以下物理力学特性：

(1)颜色以深色为主，粒度成分以细颗粒为主，有机质含量高;

(2)天然含水量高，容重小，天然含水量大于液限;

表1 稳定安全系数

(3)天然孔隙比大，一般大于1.0;

(4)渗透系数小，一般小于10-6cm/s，沉降速度慢，固结完成所需时间长;

(5)粘粒含量高，塑性指数大;

(6)高压缩性，压缩系数大，基础沉降大，般压缩系数大于0.5MPa-1;

(7)强度指标小，快剪凝聚力小于l0kPa，内摩擦角小于50;固结快剪的强度指标略高，凝聚力小于15kPa，内摩擦角小于100度;

(8)灵敏度高，灵敏度一般在2—10之间，有时大于10，具有显著的流变特性。

(9)在荷载作用下一般会产生较大的沉降变形或失稳。

2 土工合成材料的分类及性能指标

土工合成材料是以人工合成的聚化物为原料制成的各种类型产品。可置于岩土或其它工程结构内部、表面或各种结构层之间，具有过滤、防渗、隔离、排水、加筋和防护等多种功能，发挥加强、保护岩土或其它结构功能的一种新型岩土工程材料。

图1 路堤稳定性计算图(瑞典法)

图2 沿下卧硬土层顶面滑动破坏计算图

图3 地基土侧向挤出滑动破坏计算图

一般将其分为土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料等。

表征土工合成材料的性能指标一般可分为物理性能指标、力学性能指标、水力性能指标、土工合成材料与土相互作用指标及耐久性指标等。

3 土工合成材料在软土路基加固中的作用机理

3.1 约束地基侧向位移,提高地基承载力

土有一定的抗压强度，但抗剪强度很弱。土工合成材料在垂直荷载作用下，地基产生压缩沉降和侧向位移，此时土工合成材料受拉，故而能支承部分竖向荷载，土工合成材料与地基之间的摩阻力还可约束地基侧向位移从而提高地基的承载力。

3.2 隔离、分散应力

铺设在软弱地基上的土工合成材料将上部填料与地基土隔离开来，具有的抗拉强度和良好的变形性能，使得填料与地基土的接触部分具有相对刚度，从而将上覆荷载较均匀地分散到较大范围的地基上，提高了地基承载力。工程实践证明，控制加载速率的条件下，铺设土工布后地基承载力比天然地基承载力提高约12.8%。同时，在不同性质的填料分层面上，铺设土工合成材料使不同性质的填料互不掺杂，保持其结构性能。

3.3 防渗、排水

土工膜和复合型土工膜(两布一膜等)具有防止水流渗透的良好性能，它们通常被当作土工结构物的防渗层。土工合成材料的排水作用表现在它能使土体中的水分汇集到它的表面并沿着这个表面排出。在沼泽、盐渍土等软弱地基处理中通常利用土工布来隔断毛细水或地下水上升。

3.4 边坡加固

边坡加固作用表现为两种形式，一是将土工合成材料铆钉在边坡的表面，结合边坡绿化等措施实现边坡防护功能，二是将特定的土工合成材料平铺到边坡内部一定的深度，借助材料的抗拉强度来加固边坡。在膨胀土路基设计或既有路基加宽设计时，通过在边坡一定深度内分层铺设土工格栅等具有一定抗拉强度和变形性能的土工合成材料来加固边坡。

3.5 减小不均匀沉降

通常土工合成材料与碎石层共同作为一层，这层具有与路堤本身和软土地基不同的刚度，通过这一垫层将堤身荷载传到软土地基中去，它既是软土固结的排水面，又是路堤的柔性筏基，因此可使地基变形均匀，且路堤中心沉降量比不铺土工合成材料时要小。

4 设计检算

4.1 稳定性验算

土工合成材料加筋路基的稳定性包括地基与堤身的整体稳定性、堤身稳定性、平面滑动稳定性。各项稳定性的安全系数不得小于表l规定的值。

4.1.1 加筋路堤整体稳定性

加筋路堤稳定性分析的计算方法，常采用圆弧条分法进行。计算时应假设若干个穿越地基土的滑弧。以求得安全系数最小值和相应的临界滑动面。计算常采用瑞典法和荷兰法两种计算模型。瑞典法计算模型是假定土工合成材料的拉力总是保持在原来铺设方向。如图1所示，则安全系数最小值和相应的临界滑动面可按下式计算：

式中： wi-第i土条土重，KN/m

cqi-第i土条土体粘聚力，kPa

φqi-内摩擦角

TGCjyi-第j层土工合成材料设计抗拉强度，KN/m

Qi-第i层土条所受地震水平力，KN/m

其余符号含义如图1所示。

4.1.2 加筋路堤的堤身稳定性

采用圆弧条分法按公式(1)计算，此时不考虑地震力。在计算时应在堤身范围内假定不同的滑弧，求得安全系数的最小值和相应的临界滑动面。

4.1.3 加筋路堤的平面滑动稳定性

当堤下地基是浅层软弱土层或相对于路堤荷载浅层地基土强度较低时，应验算加筋路堤的平面滑动稳定性。加筋路堤平面滑动表现圩堤与地基沿下卧硬土层顶面滑动和地基侧向挤出滑动。

(1)下卧硬土层顶面滑动的稳定性计算采用式(2)，其相应的计算图如图2所示。在计算中应假定d、C点位于堤脚线，变换线位置形成不同的滑动面，求出安全系数 FPI的最小值。

式中： PA-ab面的主动土压力，KN/m

Pp-cd面的被动土压力，KN/m

TB-硬土层侧面的抗滑力，KN/m

Q-作用于土体abcd上的地震水平力，KN/m

(2)地基土侧向挤出滑动的稳定计算采用公式(3)，其相应的计算图示如图3所示。在计算中应假定abcd土体不同位置以及不同的b、C两点距离，求出安全系数的最小值。

式中：Tab,TbC分别为地基软土层与土工合成材料界面的粘聚力和摩擦角。

Q为作用于土体abcd上的地震水平力，KN/m

其余符号意义相同。

4.2 复合地基承载力计算

软土地基在铺设土工织物后地基极限承载力为以下三项之和，即为没有铺设土工织物时，原天然地基的极限承载力;在荷载作用下，地基的沉降使土工织物发生变形而承受拉力所产生的垂直分力;土工织物阻止隆起而产生的平衡镇压作用的效应.土工织物加筋复合地基的极限承载力计算公式：

式中： C-土的粘聚力

Nc-地继承载力

T-土工织物的抗拉强度

θ-基础边缘与土工织物的倾斜角B-地基底宽

β-地基形状系数Nq-复合地继承载力R-地基变形当量半层

4.3 土工合成材料铺设长度计算

加筋路堤中，土工合成材料深入到稳定土中的锚固长度，不得小于最小锚固长度，最小锚固长度采用公式(5)计算。

式中： Lm-最小锚固长度，m

TGc-土工合成材料设计抗拉强度，KN/mFm-锚固安全系数，对于无粘性土取1.5，粘性土取2.0

σ0-作用在某层筋材上的覆压力，kPa

fGs-土与土工合成材料的界面摩擦系数，当计算的锚固长度小于2.0时，取为2.0。

土工合成材料的铺设长度 L为滑动面内的长度 La与锚固长度Lm之和，即：

5 结语

土工合成材料具有以下的优点：经济，资料表明通常情况下，采用土工合成材料比传统方法节约30% 以上的投资;施工工艺简单，进度快，轻便，劳动强度低，无须特殊机械;材料生产工厂化，材料来源基本上不受地域限制;质量控制标准化，易检测，易储存，易运输;功能复合，效果突出，适用领域更加广阔;环保，施工无噪音，对水源、大气污染小。基于这些优点土工合成材料在软土地基的加固中得到了广泛的应用，但作为一种新型的合成材料对其性能以及施工工艺还有待于进一步的认识和探索。

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