预应力加筋垫层差异沉降控制性能试验研究*

卢 谅 马书文 李蓝星 肖 亮 林浩鑫 何 兵

(①重庆大学土木工程学院， 重庆 400045， 中国)

(②重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室， 重庆 400045， 中国)

(③库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心， 重庆 400045， 中国)

0 引 言

公路作为长线性构筑物，沿线跨越范围极广，地形地质条件复杂多变(何国辉等， 2020)，在不同路基处理的过渡段及桥头过渡段，路基刚度差异较大，路基施工完成后容易产生差异沉降(蒲川豪等， 2020)。在我国高速公路密度较大的沿海东部地区，由于路基土大多为软土，通常具备含水量高、压缩性大、渗透性差、灵敏度高、强度低和厚度不均等特点(陈晓平等， 2003； 廖公云等， 2007)，在软土上修筑的高速公路差异沉降问题尤为普遍。同时，在道路扩建(于恒等， 2017； 李群等， 2018)和山路拓宽(刘忠等， 2008； 苏德俊等， 2009)时，因新老路基修建历史、填料和压实度的差异，也会有明显的差异沉降，如图1所示。实践表明，与路况有关的交通事故约占总交通事故的35%(宫晓飞等， 2004)，过大的工后差异沉降的影响尤为突出。道路差异沉降常常会造成一系列危害，这些危害轻则造成路面高低不平，影响行车舒适性(钟丽， 2012)； 重则导致路面严重破坏，引发交通事故，威胁生命财产安全(沈水龙等， 2005； Paixao et al.，2015)。除此之外，道路差异沉降还会带来巨大的经济损失(宫晓飞等， 2004)：美国大约四分之一的桥梁受桥头跳车影响，每年花费高达1亿美元以上维修费用； 我国京珠高速公路广珠段，由于工后软基差异沉降引起的路面维修费用高达2000万元/年，占总营收入的8%。如果能有效地解决降低路基差异沉降的影响，解决桥头跳车的问题，将创造很大的经济效益(朱方平等， 2000)。因此，对道路差异沉降问题的研究与防治具有重要的工程实际意义。

图1 道路差异沉降

人们采用各种措施来减小差异沉降对公路交通的损毁和破坏(郑刚等， 2012； 刘汉龙等， 2016)，如换土垫层法、强夯法以及复合地基法等。其中：加筋土技术凭借其可大幅提高道路整体稳定性(张海太等， 2019)而被广泛应用(Koerner， 2000)，并成为治理道路差异沉降的一项重要技术手段。垫层整体性对差异沉降的影响较大，故可以将加筋土技术运用于垫层中以控制差异沉降。采用包裹加筋的方式可使垫层整体性更强，有利于控制差异沉降。由此，将包裹加筋技术应用于垫层处理中以控制差异沉降是一种可行的方法。但现阶段由于普通加筋土垫层有时无法达到足够的强度和刚度要求而使其应用受限。施加预应力的加筋垫层可通过预先张拉筋材使其发生一定变形，继而对垫层中的填料产生围压效应，增加结构的整体刚度，进一步控制沉降变形。因此，在加筋土垫层中引入预应力是必要的尝试。

传统加筋土技术中筋材对土体的约束要在筋材发生一定变形后才开始作用(陈建峰等， 2019； 李星等， 2019)，通过实际中的土工织物加筋工程进行研究后发现，在工作状态下土工织物应变一般在6%以下，远低于土工织物本身的极限应变，致使筋材强度无法得到充分发挥(徐少曼等， 1997)。当对筋材施加预应力后，筋材预先产生了初始变形，提前发挥了筋材的抗拉作用，最终加筋土的加筋效率得以明显改善。Lackner et al. (2013)介绍了预应力加筋土的概念，并得出了该结构可显著提高加筋土结构的承载力和变形控制性能。在材料性能方面，Roh et al. (2001)进行了一系列平面应变压缩试验，研究了预压和预应力对加筋饱和软黏土应力-应变特性的影响，发现预压处理后，加筋土的峰值强度、屈服应力和峰值刚度得到了提升。杜运兴(2003)， 杜运兴等(2005)利用室内三轴试验研究了预应力应用碳纤维增强塑料(CFRB)加筋土的工作原理，提出了“伪黏聚力”概念，解释了预应力加筋土的基本原理。

对于在公路工程中应用加筋土结构而言，筋材只有在较大的沉降发生后才显示出其有益效果(Rowe et al.， 1987)。为充分发挥筋材的作用，很多学者开始尝试使用预应力加筋技术减小路基沉降，提高路基承载力。Lovisa et al. (2010)通过在筋材中施加预应力的方式，研究了预应力加筋砂垫层在荷载作用下的受力特性，发现加筋垫层在预应力处理后的沉降响应和承载力有明显的改善。Allahbakhshi et al.(2014)通过有限元软件研究了在静载作用下预应力加筋路堤对差异沉降的调节控制作用，结果表明：与未加筋和加筋但未施加预应力的路堤相比，预应力加筋路堤显著改善了地基的沉降响应和承载能力。卢谅等(2020)通过3种不同加筋形式的路堤模型试验，对比研究了筋材及预应力对路堤差异沉降的影响规律。目前，对预应力加筋垫层调节路基差异沉降的研究尚处于探索阶段。

基于以上分析，为了探究差异沉降条件下预应力加筋土垫层的沉降控制性能，本文设计并开展了普通加筋砂质垫层和预应力加筋砂质垫层对比模型试验。通过试验中布设的各类测量元件以及宏观变形探究加筋垫层的变形规律，附加应力分布规律和路基中土压力分布规律探究预应力加筋垫层在调整路基差异沉降中的有益效果。

1 对比模型试验

为了研究普通加筋垫层与预应力加筋垫层在差异沉降条件下的变形规律和对差异沉降的控制效果，本节开展了差异沉降条件下普通加筋砂质垫层与预应力加筋砂质垫层对比模型试验。

1.1 试验目的

本文试验目的主要有以下3点： ①探究差异沉降条件下不同加筋垫层的变形规律； ②探究不同加筋垫层下路基附加应力的变化规律； ③对比分析预应力加筋垫层和普通加筋垫层对差异沉降的控制能力，探究加筋垫层在差异沉降条件下预应力对沉降控制的作用机理。

1.2 试验装置与方案

本试验在自制模型箱内进行，模型箱(图2)的尺寸为1100mm×300mm×900mm(长×宽×高)。共设置二组对照试验：普通加筋砂质垫层和预应力加筋砂质垫层差异沉降条件下变形性能试验。根据模型试验相似设计原理(李文杰等， 2013； 陈红娟等， 2016)，同时为了简化模型和降低不确定因素对试验结果的影响，根据模型箱尺寸和一般单车道公路尺寸3000mm(宽)确定几何尺寸相似比为1︰10，并以此设计试验模型，其他相似参数取值如表1所示。通过在垫层下方设置刚度不同的两种地基(硬质砖砌地基和软质黏土地基)来模拟差异沉降的发生机制。其中：沉降发生装置的尺寸设置为：硬质路基300mm×300mm×700mm(长×宽×高)； 软质路基800mm×300mm×700mm(长×宽×高)。另外，地基模型的尺寸设置为1100mm×300mm×700mm(长×宽×高)。加筋垫层采用包裹加筋方式进行填筑，为避免加筋垫层末端与模型箱壁摩擦对试验造成不良影响，加筋垫层的长度小于模型箱长度，其尺寸设置为1050mm×300mm×150mm(长×宽×高)。模型试验正式开始前，为了尽可能降低填料与模型箱面板之间的摩擦对试验结果造成不良影响，模型箱面板内侧均匀涂抹凡士林。

图2 自制模型箱

表1 物理量相似常数

1.3 试验材料

筋材：试验中采用尼龙纱网作为加筋材料，其材质为玻璃丝，目数为18，丝径(相邻丝间距)为24mm，克重120g·m-2。试验前在拉伸试验机上对尼龙纱网进行拉伸试验，试验过程按照《土工合成材料-宽条拉伸试验方法》(2017)进行拉伸试验，如图3所示。试验结果如图4所示，由图可知筋材的抗拉强度为40kN·m-1。

图3 筋材拉伸试验

图4 筋材拉伸曲线

河砂：根据相似比关系填料选择河砂，通过物性试验得到其物理力学参数如表2，级配曲线如图5所示。

表2 河砂的力学参数表

图5 河砂级配曲线

黏土：根据试验沉降条件的需要，本文选取黏土为软质路基填料。通过物性试验得到其物理力学参数如表3。

表3 黏土的力学参数表

1.4 测量元件布设

试验所用各种测量元件的布置方式如图6所示。由于砖砌硬质路基的可压缩性很小，在试验中将硬质地基区域视为刚性区，即不产生沉降，因此测量元件主要分布在软质地基区域。为消除尺寸与边界效应对测点的影响，所有测量元件均布置在模型短边中线截面上。

图6 测量元件分布图(单位：mm)

1.5 预应力构件设置

预应力加筋垫层模型中的预应力构件由两支自锁式尼龙扎带与两个垫片组合而成，如图7所示，其作用机制为：尼龙扎带自下而上分别穿过底层垫片、底层尼龙纱网、填料、面层尼龙纱网和面层垫片加筋垫层，其顶端由另一支尼龙扎带锁住，并可通过向下锁紧尼龙扎带的方式使尼龙纱网包裹体发生一定变形，当纱网变形且在填料锚固下保持静止时，纱网上产生了预拉力。为了确定预应力构件的有效作用范围和合理的加载量，填筑一个尺寸为600mm×600mm×150mm(长×宽×高)的预备试验模型，其所用筋材及返包方式和填料均与正式试验模型垫层一致，预应力构件布置在筋材返包位置正中间。

图7 预应力构件示意图

使用应变片对预应力构件的影响范围进行监测，考虑到对称性，按图8所示选取5个测点，测点1距预应力构件100mm，测点2距预应力构件120mm，其余测点距相邻测点距离40mm，位于每个测点处的筋材上下两面均对称粘贴一个应变片以消除拉伸弯矩对试验结果的影响。

图8 粘贴好应变片的筋材(单位：mm)

试验步骤： ①对底部进行清理，将地上的碎石等杂质清除，在底部铺设一层约20mm的粗砂。②将筋材铺设在粗砂上面，在筋材上填充正式试验时所用的河砂，填至160mm高再夯实至150mm。③将筋材返包并缝合。④在筋材返包正中间位置组装预应力构件，并设置加载部件。⑤对加载部件逐级施加荷载，对预应力构件逐级施加预应力以判断不同大小预应力的影响范围和合理的加载量。施加预应力方式：在加载部位逐次叠加放置5～40kg质量的砝码，稳定放置30s后，取下砝码，此时尼龙扎带绷直并通过垫片将力传递给加筋垫层。

试验发现：当砝码施加到15～20kg时预应力构件的加载效果最优，不及和超出该范围后筋材变形均不明显。另外， 5个测点处应变片的示数均随预应力数值的变化而变化，可以确定预应力的影响范围至少为半径180mm的圆形区域。正式试验中预应力构件布置如图9所示。

图9 预应力构件布置图

1.6 试验步骤

(1)软、硬地基施工。在硬质地基区域使用红砖砌筑，砖缝之间用粉质黏土填充。软质地基使用黏土进行填筑，填筑时采用分层填筑的方式。为了保证每层黏土填筑的均匀性和试验中的差异沉降现象更加显著，以及便于对比研究改良后垫层的沉降控制性能，黏土的相对密实度设计为50%。在模型箱有机玻璃侧壁上每150mm高度作一个标记点，每次填筑高度150mm黏土后用夯锤进行夯实至75mm，静置一段时间后(最后一次填筑100mm)，待其几乎不再沉降再填筑下一层黏土。

(2)埋设测量元件。在填筑软质地基的同时，在高度分别为175mm、325mm、475mm和625mm处按照测量元件分布图布置土压力盒。

(3)加筋垫层施工。加筋垫层的填筑分为两层进行，每层厚75mm，下半层填筑完成后，在垫层宽度中线上按照测量元件布置图，每隔150mm布置土压力盒。然后填筑上半层，并将筋材返包并缝合。

(4)施加预应力。对需要施加预应力的工况根据预备试验中得到的预应力构件布置图，在相应位置施加预应力，施加预应力时，在预留的加载部位放置总质量为15kg的砝码，待稳定30s后取走砝码并卸下加载部件，剪掉多余的尼龙扎带。

(5)加载。为保证均匀加载，在软质地基上方设置了尺寸为750mm×300mm(长×宽)的可变形薄铁皮加载板以减小加载板对加筋垫层变形的影响。为模拟静载作用下地基的不均匀沉降，本次试验采用混凝土块进行逐级加载，随机取3个混凝土块进行称重，得到其平均质量约为9kg。根据相似比，通过在加载板上均匀平稳地放置45kg、90kg、135kg、180kg、225kg的混凝土块的方式，对加筋垫层施加2kPa、4kPa、6kPa、8kPa、10kPa的均布荷载。同时在硬质路基上方也放置相应质量的混凝土块以保证和软质路基相同的荷载。为防止加筋垫层发生水平方向的滑移，在加载前将硬质地基对应的加筋垫层部分进行固定。

(6)数据采集。每次加载完成后放置一段时间，待结构沉降完全后进行数据测量，测量内容有：土压力、应变和加筋垫层沉降变形。

(7)试验流程如图10所示。

图10 试验流程图

1.7 试验现象与分析

试验发现：当施加前两级荷载时，普通加筋垫层变形比较明显，预应力加筋垫层变形较缓。随着荷载的逐级加大，普通加筋垫层变形进一步增加，预应力加筋垫层也出现明显变形。其中：普通加筋砂质垫层在距离软硬路基交界面200mm内的区域竖向位移较大，且变化较快； 在200～400mm区域竖向变形均匀变化； 在400～650mm区域竖向位移几乎不发生变化。预应力加筋砂质垫层在距离交界处500mm内的区域竖向位移较小，且变化均匀； 在500～650mm区域竖向位移几乎不发生变化。普通加筋砂质垫层的最大沉降量为72mm，预应力加筋砂质垫层的最大沉降量为37mm。由此可看出，普通加筋垫层变形随距软硬交界面距离的增加而逐渐变大，且其差异沉降变形曲率在路基交界面处最大，并随远离交界面而逐渐减小。与普通加筋垫层相比，预应力加筋垫层变形较为均匀，差异沉降变形曲率在交界面处较小，并随远离交界面而逐渐平缓，最终沉降变形量较普通加筋垫层明显变小。普通加筋垫层和预应力加筋垫层的最终沉降变形如图11所示。

图11 加筋土垫层差异沉降变形

2 试验结果与分析

2.1 差异沉降变形分析

取加筋垫层与路基交界面为研究对象，绘制预应力和普通加筋土垫层的第5次(即载重为225kg)加载后的沉降曲线。因为硬质路基部分的沉降忽略不计，所以本文只选取软质路基与加筋垫层交界面处的沉降变形进行讨论，具体如图12所示。

图12 差异沉降变形对比图

由图可见，普通加筋垫层变形曲线的曲率呈现先增大后减小趋势； 预应力加筋砂质垫层变形曲线的曲率在较大范围内几乎不变化，在沉降均匀的区域缓慢减小至0，形状上近于直线。两条沉降曲线的尾部均有“上扬”趋势，这可能是由于模型箱边界的影响导致的，因此此部分在本节中不予讨论。均布荷载下预应力加筋垫层各测点的平均竖向变形比普通加筋垫层减小约55.4%，最大竖向变形减小约48.6%。在软硬路基交界面附近(水平距离5mm处)，预应力加筋垫层下方软基的沉降量是普通加筋垫层的31.8%。结果表明：由于预应力的施加使得筋材提前受到拉力作用，筋材与垫层内土体发生相对变形，产生摩擦力，改变了土体的受力特征和垫层本身的应力分布，继而其整体刚度得以显著提高。因此，预应力加筋垫层调节差异沉降的能力相较于普通加筋垫层有所提高。预应力加筋技术在控制差异沉降病害中具有较高的应用前景。

2.2 筋材应变分析

筋材应变对比如图13所示。由图可看出，加筋垫层的最大应变值均在测点3处(距软硬路基交界面75mm)，说明在此处垫层竖向位移变化较大，筋材受到的拉力较大，这与图12吻合。在测点4、5处(距软硬路基交界面225mm、375mm)，普通加筋砂质垫层的应变值突然减小，预应力加筋砂质垫层的应变值相对于测点3变化不大。测点6、7处(距软硬路基交界面525mm、675mm处)，两者的应变值较小，此处垫层的变形很小，软基沉降量大致相同。在测点1、2处(硬质路基上方)，两工况下筋材应变值均较小，普通加筋垫层的应变值小于预应力加筋垫层的应变值。这是因为硬质路基几乎不沉降，其上方加筋垫层的变形很小； 施加预应力后，筋材已处于“紧绷”状态，在荷载作用下更容易发生变形。

图13 筋材应变对比图

2.3 加筋垫层附加应力分析

施加10kPa均布荷载至沉降基本完全后，加筋垫层中的附加应力分布情况如图14所示。与普通加筋垫层相比，预应力加筋垫层各处的附加应力均偏小。预应力加筋垫层5个测点的平均附加应力为普通加筋垫层的86.9%，这是因为施加预应力后，筋材发生拉伸变形，加筋垫层整体刚度提高，抗弯性能提升。当受到荷载作用时，预先施加给筋材的变形减小，此过程中，结构抗弯性能的发挥会抵消一部分附加应力，从而降低垫层中的附加土压力。

图14 加筋土垫层的附加应力分布

2.4 路基附加应力分析

普通加筋工况与预应力加筋工况中的路基附加应力整体分布如图15所示。由于1、2测点位于不发生沉降的硬质路基上方，故本节不予分析。由图15 可知，普通加筋垫层测点4处附加应力值最大，预应力加筋垫层测点5处的附加应力值最大。这是因为预应力加筋垫层的影响范围更大，附加应力沿水平方向传递的距离更远所致，这与图14基本吻合。

图15 路基附加应力整体分布

普通加筋与预应力加筋垫层沉降试验中测点3、4、5处的附加应力大小随深度的变化如图16所示。由图16可知：测点3处附加应力随深度增大而减小； 测点4、5截面的附加应力随深度增大呈现“先增加后减小”趋势。其原因主要是当测点4、5截面的附加应力从垫层底面传递到路基顶面时会有增大突变趋势(汪益敏等， 2018)，这是因为附加应力传递到路基顶部时发生应力叠加，而后由于基顶沉降协调变形引起附加应力重新分布。而对于测点3，其附加应力值在垫层与路基交界面没有明显的突变，这是因为加筋垫层在此处发生了较大的变形，将更多的能量沿垫层纵向耗散或传递，致其下方软质路基中附加应力值较小。路基中附加应力的分布符合常规地基土中应力随深度由大变小的规律(吴曙光， 2016)。

图16 路基附加应力随深度的变化

3 结 论

为了探究预应力加筋垫层对路基差异沉降的控制效果和在差异沉降条件下的变形性能，本文开展了预应力加筋垫层和普通加筋垫层的差异沉降对比模型试验，结合试验结果探究了预应力加筋垫层在调整路基差异沉降中的有益效果。本文主要结论如下：

(1)预应力加筋砂质垫层可以有效减小路基的差异沉降。预应力加筋垫层下方软质路基的平均沉降比普通加筋垫层减小约55.4%，最大沉降减小约48.6%，预应力加筋垫层在控制沉降方面的性能明显优于普通加筋垫层。

(2)预应力加筋垫层有利于调节软硬路基交界面的差异沉降。普通加筋垫层沉降曲线的曲率变化较大，在软硬路基交界面附近有明显的“凹陷”。反之，预应力加筋垫层沉降曲线的曲率变化相对较小，在逐渐远离软硬路基交界面时，其沉降曲线趋于平缓。

(3)预应力加筋垫层对能量的耗散比普通加筋垫层更好。预应力加筋垫层内的附加应力小于普通加筋垫层。预应力加筋垫层5个测点的平均附加应力为普通加筋垫层的86.9%。预应力加筋垫层下方路基的附加应力较小，进一步说明预应力处理后的垫层耗散和传递能力更好。

(4)在同一水平面上，预应力加筋垫层较普通加筋垫层整体刚度更大，发生变形时不易发生弯曲变形，影响范围更大，沿垫层纵向传递附加应力的能力更强。在同一竖直面上，附加应力从垫层传递到路基顶部时发生应力叠加，在该处有增大突变； 而后沿深度方向逐渐减小，符合常规地基土中应力随深度增大而减小的规律。

本文围绕差异沉降条件下预应力加筋垫层的变形性能和沉降控制性能进行了模型试验研究。由于受到试验条件限制，预应力的施加方式有待进一步改进。试验中利用垫片与尼龙扎带组合的形式给垫层施加预应力，预应力的施加效率较低，较大一部分力用来压缩垫层填料使得施加在筋材上的预应力较小。通过预备试验来确定预应力构件的影响范围和施加给筋材的预应力大小的方式存在误差。因此，在后续工作中应重新优化预应力的施加方式，使其更加高效、精准。