土工格栅处理填挖交界地基的现场检测研究

李金奎，吴 凯

(大连大学 辽宁省复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室， 辽宁 大连 116622)

土工格栅处理填挖交界地基的现场检测研究

李金奎，吴 凯

(大连大学 辽宁省复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室， 辽宁 大连 116622)

以延安新区综合管廊项目中土工格栅处理地基为背景，为了研究土工格栅对地基非均匀沉降的效果，现场试验段进行了沉降观测、FWD弯沉检测、铺设与未铺设土工格栅的弯沉盆对比等试验,探讨了回填土高度对弯沉盆的影响以及地基回填模量的影响因素。证明分层铺土工格栅不仅可以有效地提高填土抵抗变形能力，而且具有使土体连成整体水平传递张力的能力。因此，分层铺设土工格栅可以有效的解决填挖交界地基非均匀沉降的问题，它可以为以后工程提供参考和借鉴。

填挖交界；非均匀沉降；土工格栅；FWD

随着国家大力发展西部，西部的基础建设也得到了快速的发展，但在建设中会遇到许多高填深挖的复杂地形，这种地形的非均匀沉降是我们需要解决的一个难题[1-3]。在国内外处理地基非均匀沉降问题有许多种方法，包括台阶法、强夯法、铺设土工格栅法等，但实践证明，在许多方法中铺设土工格栅起到的效果最为突出[4-10]。随着城市化进程的加快，出现了越来越多的综合管廊工程[11]。延安新区北区的综合管廊建设处于削山填沟的区域，综合管廊位于高填方和挖方相互掺杂的段落[12]，这种复杂地段，若处置不当，会使填挖交界处出现断裂，在高填方段落综合管廊出现下沉，因此对填挖交界处的地基处理至关重要。现场试验段通过现场的沉降观测、FWD弯沉检测、弯沉盆对照等对土工格栅处理黄土填挖交界处地基非均匀沉降机理进行了探讨。

1 土工格栅的作用机理

土工格栅的作用机理主要表现在土工格栅与土的相互作用，总体上作用机理可以分为以下两类。

1.1 土工格栅可以分散土体应力

土工格栅所具备的高强度韧性，能够使土工格栅与土基形成一个整体。与此同时，土工格栅可以有效控制土基的侧向变形，并进行荷载的分散，具备产生板体效应的能力，能够大大减少路基填料的不均匀沉降[13]。

1.2 土工格栅可以使土体加筋达到补强

土工格栅所具备的较大抗拉强度的性质，以及土工格栅的网眼对土横向移动的制约作用相结合，产生很好的嵌锁效应，再加之土工格栅表面和土体之间的摩擦和对土工格栅以及相关节点的被动抗阻作用，从而促使土工格栅和土体能够形成结实的复合基地，促使土体抗剪能力的大大增强，起到防止疲劳破坏以及过大永久变形的作用[14]。

2 填挖交界地基加固实验

土工格栅加固填挖交界地基试验工程选在延安新区综合管廊K2+272—K2+598段，填挖交界处的填方地段高度约为7 m，场地为湿陷性黄土。取1 m～7 m深度的地基土，各地层参数见表1。

试验段采用顶部与底部密、中间疏分层满铺的铺设方案。顶部第一层土工格网延伸入挖方路基4.5 m、挖方区7.5 m。施工时，两层土工格栅间接缝交错错开，错开长度不小于50 cm，土工格栅采用搭接时，搭接长度大于30 cm。选用TGDG50单向土工格栅土工格网作为加筋材料,每层土工格网均用φ8U型钉固定。

表1 各地层性能参数

3 试验段的沉降观测

为了更好的观测结果，在试验段的左右两侧布置了观测点，左侧观测点桩号为奇数，右侧观测点桩号为偶数，每隔5 m布置一个观测点。

3.1 试验段的沉降观测布置

填挖交界段地基处理完毕后,为测试钢塑土工格网处治地基的效果,在试验段埋设沉降观测点。共布设5个断面，每个断面两边各设1个点,测点布置如图1所示。

图1 填挖交界试验工程沉降观测点布置图

3.2 沉降观测结果

对观测结果进行了分析整理，分别对奇偶侧桩号随时间变化的沉降进行了比较，见图2所示，由于在第58 d时奇偶侧沉降趋于稳定，因此选第58 d奇偶侧桩进行了沉降随里程的变化的比较，见图3所示。

(1) 从图2可以看出，奇偶侧桩号沉降大致相同，前50 d沉降较快，50 d以后曲线变化较慢，80 d后大致呈现水平趋势；奇偶侧桩号最大沉降均不超过7 cm；从奇数侧S-T曲线可知，接近交接处的5号桩沉降最大，接近6.2 mm，偶数侧S-T曲线也有类似规律，接近交接处的6号桩沉降最大，接近6.4 mm，根据《建筑地基基础设计规范》[15](GB50007—2012)，累计沉降不超过10 cm，因此可以满足规范要求。

(2) 由图2可知，58 d下降叫平缓，因此观测第58 d的奇偶侧累计沉降量。从图3可以看出，在5个断面中，奇偶侧均表现为接近填挖交界处的K2+282处断面的累计沉降最大，奇数侧累计沉降达到5.8 cm，偶数侧累计沉降达到5.9 cm。

3.3 非均匀沉降的原因分析

由图3可知，奇偶侧都随着里程产生非均匀沉降，产生的原因主要有以下两点：一是在交接处由于填方侧和挖方侧土之间的约束不足而导致一侧由于重力作用产生滑动，从而使得交界处累计沉降较大；二是由于在填挖交接处有斜坡，在填土高度上有差异，原土与回填土的约束不同，导致沉降上的差异。

图2 交界处随时间的纵向沉降变化曲线

图3 填挖交界处纵向沉降随里程变化的曲线

4 落锤式弯沉仪(FWD)弯沉检测

地基上面建筑综合管廊，综合管廊为地埋式全现浇钢筋混凝土结构、筏板基础，在管廊回填后有车辆等动态荷载，综合管廊对地基变形十分敏感，因此对土工格栅填挖交界处处理效果要求比较严格，对于土工格栅的效果监测也就至关重要。近年来我国引进了一种动态检测设备——落锤式弯沉仪(FWD),并成功地用于旧路评估检测,但在地基处理应用很少。由于FWD检测具有快速、准确的特点,适用于大范围的检测[16],为了通过对比研究铺设土工格网对地基土体的加筋效果,更进一步地拓宽FWD的应用领域,试验段运用FWD监测技术对填挖交界处的试验段进行了弯沉测试试验。

4.1 FWD沉降监测

4.1.1 监测方法

为了进一步对比土工格栅的处理效果，进行了铺设和未铺设的对比试验，因此落锤式弯沉仪检测点布置范围为K2+272—K2+292，此段为布网区，如图1所示，K2+578—K2+589，此段为未布网区，如图4所示。检测点布置时应考虑:覆盖挖方区、填方区及其交界;铺设土工格网与未铺设土工格网区;中线及右侧。纵向检测点间距为5.0 m。在K2+272—K2+292段中线和右线各布置5个检测点，同样在K2+578—K2+589段中线和右线也各布置5个检测点，一共20个检测点，每个检测点施加两级荷载：30 kN和40 kN。

图4 未铺土工格栅区检测点布置

4.1.2 监测结果

对布置点分别进行了30 kN和40 kN荷载下沉降观测，得出如图5、图6所示的结果。

由图5可以看出，曲线整体沉降成先增大后减小的趋势，在交接处沉降最大。右侧曲线在40 kN荷载下在K2+282处呈现最大沉降为1.8 cm，在30 kN荷载下在K2+282处呈现最大沉降为1.7 cm；中侧曲线在40 kN荷载下在K2+277处呈现最大沉降为1.5 cm，在30 kN荷载下在K2+282最大沉降为1.4 cm。图6曲线表现出与图5有类似的情况，总体也表现为沉降先增大后减小的趋势，右侧曲线在40 kN荷载下在K2+588处呈现最大沉降为6.3 cm，在30 kN荷载下在K2+588处呈现最大沉降为5.8 cm；中侧曲线在40 kN荷载下在K2+588处呈现最大沉降为6.2 cm，在30 kN荷载下在K2+588最大沉降为5.7 cm。

图5 K2+272—K2+292中心弯沉分布

图6 K2+578—K2+598中心弯沉分布

4.1.3 监测结果分析

从图5和图6的中心弯沉的分布明显反映出，铺设土工格网的区域,其弯沉明显低于未铺设土工格网区域。且随着地基由填方路段进入挖方路段,中心弯沉呈现出减小的趋势,变化段集中在填挖交界部位。在地基中分层铺设土工格栅，可以降低地基沉降量，通过铺设土工格栅与未铺设土工格栅对照，铺设土工格栅可以使沉降量降低7.1%～21.3%，而且沉降量的减少程度与所加荷载大小有关。结果表明在地基中分层铺设土工格网的确可以改善地基的支承刚度,提高地基支撑效果。

4.2 铺设区与未铺设区弯沉盆的对照

选取K2+272—K2+292段的铺设区与K2+578—K2+598段未铺设区段高度基本相同的地段，分别检测各自的弯沉盆进行对比，如图7所示。

图7 地基铺设土工格网与未铺设土工格网的弯盆对比

4.2.1 对照结果

从图7中可知，右侧和中侧的趋势相同，图7(a)和图7(b)都表明未铺设区从检测点到加载中心普遍比铺设区弯沉值大。

4.2.2 对照结果分析

铺设土工格栅比未铺土工格栅弯沉盆趋势较小，主要是由于地基未铺设土工格网时，地基土比较散，整体性较差，横向传递荷载的能力比较差，下沉量主要集中在荷载板下部。当铺设土工格网后，地基在一定范围内连成一个整体，当给地基一定的外力时，土工格网与土体形成一个整体承担外力，并且格栅可以横向传递外荷载，通过土工格栅的张拉能力，使地基的扩散能力大幅度提高，使得荷载板下的沉降量降低，整体上比未铺设土工格网区的弯盆值平缓。

4.3 回填土高度对弯沉盆检测结果的影响

管廊地基处于填挖交界处，在弯沉盆的检测过程中，检测地段的填土高度相差很大，为了观测填土高度对弯沉盆的检测是否有填土效应，选取在试验段布置土工格网区域K2+272—K2+292的右侧，其中在K2+276、K2+281、K2+286、K2+291四点进行检测，它们的填土高度分别为1.1 m,6.2 m,8.3 m,11.9 m，其弯沉盆检测结果如图8所示。由图8可知，铺设土工格栅的区域，弯盆值随着回填土的高度的减少而逐渐变得平缓，但这种变化并不是线性的。这种回填土效应回填土高度越小，表现的越明显，平滑的趋势越强，而且还与外加荷载有一定的关系，荷载小的表现的比较平缓。因此，土工格栅对地基土体的改善作用与回填土的高度有一定的联系。

图8 回填土高度对弯盆值的影响

4.4 地基弹性模量的影响因素

(1) 土工格栅对弹性模量的影响。用弯沉盆的检测结果进行反算可知，铺设土工格栅的地基比未铺设土工格栅地基弹性模量明显偏大，大约偏大11%～32%。

(2) 填土高度和荷载对弹性模量的影响。为了研究方便，选取与回填高度对弯盆值影响时的点位，比较填土高度和荷载对地基弹性模量关系，如图9所示，填土高度在7.0 m左右时，地基弹性模量急剧下降，在7.0 m以后弹性模量曲线变得比较平缓。因此，我们可以知道7.0 m以上的回填土对地基影响比较小。除此以外，我们也可以从图9中看出，不同的荷载对弹性模量也有影响，大致曲线走势基本相同，但荷载大时弹性模量也比较大。

图9 回填土高度对铺设土工格栅的地基弹性模量的影响

4.5 铺设区与未铺设区垂直应力的对比

同样选取K2+272—K2+292段的铺设区与K2+578—K2+598段未铺设区段高度基本相同的地段，在回填土时贴应力片来测定不同高度处的应力，分别选取离地面8 m，4 m，0 m处进行测量，测量结果如图10所示。结果显示，铺设土工格网的比未铺设土工格网的垂直应力整体较小。因此可以得知，土工格网具有应力扩散的能力，降低土体垂直应力，提高地基土抵抗变形的能力[17]。

图10 铺网前后垂直应力与回填土高度的关系

5 结 论

通过现场试验段试验，我们可以得出如下结论：

(1) 由于在纵向上不同断面约束不同，使得产生非均匀沉降，在填挖交界处沉降最大，但土工格栅可以整体上提高地基承载力。

(2) 土工格栅可以使土体具有整体性，并且它可以在横向传递荷载，使得地基整体弯沉比较平缓。

(3) 通过弯沉盆的影响因素以及地基弹性模量的影响因素分析，证明填土高度的不同使得他们变化也有所不同。回填高度越低弯沉盆的收敛也越强并且沉降也越低；回填高度在7 m以后填土高度对地基弹性模量的影响也变得减小。

由现场开展的试验数据分析，在填挖交界段地基中分层铺设钢塑土工格格栅，可以改善填土地基的承载能力，降低地基内的垂直应力，有效缓解填挖交界地基沉降的非均匀程度，因此分层铺设土工格栅是一种有效的解决地基填挖交界处非均匀沉降问题的办法。

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Field Test of the Geogrid in the Foundation of Filling and Excavating

LI Jinkui, WU Kai

(KeyLaboratoryforPrediction&ControlonComplicatedStructureSystemofLiaoningProvince,DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622,China)

In order to analyze the effect of geogrids on the nonuniform settlement of the foundation, FWD deflection test, laying and laying of geogrids without laying the geogrids experiments was carried out in the Yan'an New Area integrated corridor project. The influence of backfill height on the bending basin and the influencing factors of the backfilling modulus of the foundation are discussed. It is proved that the stratified geogrid can not only improve the ability of resisting deformation, but also bring the soil into the whole horizontal transmission tension. Therefore, the laying of geogrid can effectively solve the problem of non-uniform settlement of the foundation of the filling and excavation, which can provide reference for future engineering.

boundary of the filling and excavation; Non-uniform settlement; geogrid; FWD

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.034

2017-03-17

2017-04-20

李金奎(1972—)，男，辽宁大连人，博士，教授，主要从事岩土、矿业等方面的教学及研究工作。E-mail:120803591@qq.com

TU472

A

1672—1144(2017)04—0172—06