土工格栅老化对双向复合地基性状影响的室内模型试验

2019-08-05葛忻声

太原理工大学学报 2019年4期

梁晨，葛忻声，王凯，张军

(1.太原理工大学建筑与土木工程学院，太原 030024；2.山西省交通科学研究院，太原 030006)

双向复合地基是由地基土、竖向增强体、横向增强体组成用来处理地基的新型地基形式。它可以有效地控制地基侧向变形和不均匀沉降。土工格栅是最常使用的横向增强体材料之一，相较于其他建筑材料，土工格栅易降解、蠕变、发生老化，对双向复合地基的耐久性影响较大。近年来，不少学者对土工格栅的耐久性进行了试验研究和理论探索，取得不少成果[1-4]。但他们的研究重点在于土工格栅自身的性质，研究手段通常是将土工格栅老化前后的物理力学性质进行对比，进而对土工格栅的长期行为做出预测。现有研究表明，双向复合地基中的横向增强体(土工格栅)、竖向增强体(桩)、土体是一个有机的、不可分割的整体[5-8]。将土工格栅与复合地基分离的老化研究对实际工程帮助有限，故本文将复合地基看作一个整体，通过对土工格栅的老化，从复合地基变形、受力的角度研究其耐久性。

1 室内模型试验

1.1 试验设备及其模型制作

试验所用模型箱为一长、宽、高均为150 cm的方箱，向上开口，正面为一10 mm厚钢化玻璃板；左右两侧均为钢板，厚16 mm.为方便试验施工，在模型箱背面安装活动挡板；为拉紧土工格栅，在模型箱的左侧及背面开有孔洞并安装定滑轮，正面及右侧安装配套套孔。

通过在模型箱底端、持力层和桩体加固区交界面、桩体加固区和褥垫层交界面三处埋设沉降标的方法获取复合地基各组成部分(褥垫层、桩体加固区、持力层)沉降。沉降标由圆板和外套PVC管的光圆钢筋焊接而成，长度分别为150 cm(1号)、90 cm(2号)、30 cm(3号)。外套PVC管的原因在于保证钢筋棍不受来自于土体的摩擦力，确保试验精度。沉降标埋于加载板四角，其上部直接穿出加载板预留孔洞，复合地基沉降值可以通过沉降标相对外露长度确定。

采用石膏桩作为竖向增强体，石膏桩径60 mm，桩长60 cm，弹性模量为0.63 GPa.模型试验前预先老化抗拉强度15 kN/m的聚丙烯双向土工格栅作为复合地基的横向增强体，其大小为55 cm×55 cm.试验时，先用夹板夹住土工格栅四边，再通过钢丝绳穿过模型箱预留的孔洞将夹板与模型箱外侧的套孔相连，套孔上悬挂重物以拉直土工格栅。

土工格栅的老化通过氙灯耐气候试验箱完成，老化方式为光氧老化加热氧老化。老化参数为温度60 ℃、湿度60%、辐照强度200 W/m2.在土工格栅中心位置粘贴带应变片的橡胶布，通过橡胶布的应变模拟土工格栅应变；通过土压力盒获取土中应力；通过静态电阻应变仪采集应力应变数据。

模型试验持力层及桩体加固区用土为黄土，褥垫层用土为三七灰土，级配良好。主要物理力学性质见表1.

表1 试验用土主要参数Table 1 Typical parameter of soil

1.2 试验布置

试验布置如图1，2所示。下部持力层的厚度为60 cm，1号沉降标埋于此区域底部；中部桩体加固区的厚度为60 cm，2号沉降标和13根石膏桩埋于此区域，石膏桩布桩方式为“梅花式”；上部褥垫层厚20 cm，土工格栅、土压力盒与3号沉降标埋于此区域。土工格栅布置于模型箱正中，高出桩顶5 cm.12个土压力盒共分两组，第一组6个，高出桩顶3 cm.其中三个土压力盒呈正三角形布置，位于图2中标号①②③的石膏桩顶部，用于测量土工格栅下部桩顶土压力，另外三个位于正三角形的三边中点(图2中3个×处)，用于测量土工格栅下部桩间土土压力；另一组高出桩顶10 cm，水平位置与上述6个土压力盒对应，分别用于测量土工格栅上部桩顶与桩间土土压力。

图1 模型试验正面示意图Fig.1 Schematic diagram of experiment (main view)

图2 模型试验示意图(俯视)Fig.2 Schematic diagram of experiment (top view)

1.3 试验分组

试验共分3组，分别记为A，B和C组。各组间的区别在于土工格栅老化时长的差异。它们的老化时长为100 h(A组)、200 h(B组)和400 h(C组)。

2 试验结果讨论

2.1 复合地基沉降

复合地基的承载能力与复合地基沉降值相关[9]，复合地基的p-s曲线是对地基承载能力最直观的体现。两个承受同等大小荷载的复合地基，沉降值越小的复合地基的承载能力越强；两个沉降量相等的复合地基，承受荷载大的复合地基的承载能力强。图3-5是三组试验的p-s曲线。

图3 p-s曲线图(A组)Fig.3 p-s curves (group A)

图4 p-s曲线图(B组)Fig.4 p-s curves (group B)

图5 p-s曲线图(C组)Fig.5 p-s curves (group C)

相关规范[10]认为，若沉降量达到加载板短边长度的6%，复合地基即被破坏，观察图3-5发现：

1) A，B，C三组的复合地基被破坏时的对应荷载分别为70 kPa，50 kPa和40 kPa，这说明土工格栅老化时长与复合地基承载能力相关。复合地基承载能力随土工格栅的老化时长升高而衰减，衰减速度先快后慢。

2) 载荷试验初期，沉降值不大，p-s曲线斜率较小；载荷试验中期，当荷载达到某一值后，p-s曲线斜率急剧增大，土工格栅老化越严重，复合地基p-s曲线斜率也越大。

3) 对比三组的p-s曲线发现：A组p-s曲线存在由缓变陡的过程，而C组p-s曲线不存在由缓变陡的过程，B组p-s曲线形态介于二者之间，这说明土工格栅老化时间越长，p-s曲线随荷载变化越剧烈。

4) 为方便研究，人们通常将地基总沉降分为三部分，即上部褥垫层沉降，中部桩体加固区沉降和底部持力层沉降。三组试验呈现了共同的特点：上部荷载很小时，褥垫层的沉降占总沉降比例较大，这说明小荷载向下传递的深度有限；随着荷载的增大，桩体加固区沉降速度非常快，在曲线的后半段，桩体加固区沉降曲线几乎与总沉降曲线平行。

2.2 土工格栅应变

双向复合地基正常工作时，桩体加固区内桩和土向下的位移不同，这主要是因为它们的模量存在差异[11-12]，沉降差异导致铺设在垫层土上的土工格栅受拉并向下挠曲。与此同时，荷载作用的土体存在向四周扩散的趋势，来自土工格栅和土粒之间的摩擦可以约束地基土向四周移动，土体密实程度增加，孔隙比减小，复合地基承载能力提高[13-14]。所以研究土工格栅的应变能够分析复合地基的工作状态。图6是土工格栅应变曲线。

图6 土工格栅应变图Fig.6 Strain of geogrid

由上图可知：

1) 在双向复合地基中，土工格栅应变随上部荷载的不断增大而增大。

2) 在双向复合地基中，当荷载不超过某个阈值时(A，B组20 kPa，C组10 kPa)，土工格栅应变增大速率极低；若荷载超过该阈值，土工格栅应变的增长速度也将变大至某恒定值，该值与土工格栅老化时长正相关。这说明老化土工格栅对四周土体的限制作用有限。

若土工格栅的应变过大，意味着土工格栅受到过大的应力，长时间大应力作用下的土工格栅极易发生蠕变甚至断裂，被破坏的土工格栅不能正常发挥加筋作用，无法有效限制土粒位移和帮助荷载由土向桩转移[13-14]。

由此得出：土工格栅老化情况越严重，荷载下大应变的土工格栅会导致复合地基更大的变形、更小的承载能力和桩土应力比。

2.3 桩土应力比

桩土应力比，即桩顶土的土压力与桩间土的土压力比值[15]，是反映桩土共同作用的指标之一，桩土应力比越大，意味着荷载分担比越大，桩比土承担更多荷载，在变形方面表现为复合地基沉降值减小，在承载力方面表现为承载能力更强[16]。图7是A，B，C三组试验的桩土应力比-荷载曲线，其中方块线表示A组，三角线表示B组，圆圈线C组，实线表示土工格栅上部桩土应力比(n上)，虚线表示土工格栅下部桩土应力比(n下)。

由图可知：

1) 双向复合地基中，土工格栅上下的桩土应力比存在差异，上侧更小，下侧更大；它们均随荷载增大而增大，但下侧桩土应力比的增大幅度更大。