土工格室形式与填料类型对公路地基承载力的影响

2022-05-13田林李宁王宇刘涛李良英编译

中外公路 2022年2期

田林，李宁，王宇，刘涛，李良英编译

(1.甘肃路桥建设集团有限公司公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心，甘肃兰州 730070；2. 兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃兰州 730070)

1 引言

路基自身的荷载和外部荷载通过基础传给地基，使天然土层原有的应力状态发生变化，即为在上部压力作用下，地基产生了附加应力和竖向、侧向(或剪切)变形导致结构沉降；当地基受到较大应力作用时会导致其发生过度沉降或剪切破坏，从而结构损坏[1]。因此，合理的地基设计可使来自上部结构的应力均匀扩散，使地基承受更少的压力。在进行设计前需先对地基承载力进行评估，并针对地基提出相应的承载力增强技术。用于加固软土地基的不同处置方式中，土工布布设可限制土体横向移动并通过安装连续板增加土体之间的摩阻力从而提高地基承载力[2]；而土工格室是一种较为新型的土工材料，其独特的三维立体结构大大提升了土工材料的抗剪强度，对加固地基承载能力具有更高的增强效率；格室提供的侧限作用也可以显著提高粗粒土的剪切强度，进而随着土体强度的增长提高其承载力或阻止土壤侵蚀[3]。因此，近年来土工格室加固土体的应用研究越来越受到各国研究人员的重视。

国内外学者对土工格室加固机理及加固效果进行了大量研究。Bathurst通过大型直剪试验评价了填料为砂土的土工格室加固结构层剪切强度，结果表明：砂土结构层加固前后的抗剪强度没有显著差异[4]；Wesseloo采用单轴压缩试验讨论了单元直径不同的土工格室的变形，试验结果表明：土工格室与土构成的复合体强度与格室单元大小间存在间接的函数关系，且随单元数量的增加而减小[5]；Zhou等研究表明：土工格室加固结构层具有更好的抗拉强度、抗剪强度，并可有效防止下部地基的剪切破坏[6]；Dash等研究了加固层位置、土工格室焊距、高度以及保护层厚度对加固结构层加固性能的影响，认为以不同荷载分布角为变量将土工格室布设于较高位置具有更好的加固效果[7]；Lee通过模拟浅基础和铁路行车动荷载作用下的疲劳状态，对土工格室加固的实际应用进行了试验研究，发现5层土工格室加固效果是1层土工格室加固效果的2.7倍[8]；Nair等通过研究土工格栅加筋土在静力和循环荷载作用下的强度和刚度特性，结果发现平面加筋在达到3层后，再增加加筋层数不会再取得额外的加固效果[9]；王选仓等采用离心模型试验得出格室加入能够减少路基沉降，且格室布设2层与3层时较未加固路基沉降变形减少了32%[10]；肖化德在S313线察布查尔-都拉塔口岸项目中采用“砾石土换填+土工格室”的处理方案处治软土路段，得出该段路堤在施工过程中和完工后，未发生地基滑动破坏；通过施工方的监测，工后剩余沉降量为1.5～3 cm[11]；刘炜等试验研究发现：加固土剪切应力与剪切应变关系为非线性，采用格室加固可有效提高土的黏聚力，且对土的内摩擦角影响相对较小[12]。总体来看，土工格室与填土可以形成一层柔性结构层，提高地基刚度和强度的同时减小地基沉降量[13]，被广泛应用于地基加固。

综上所述，研究人员主要通过三轴试验及大型直剪试验对土工格室的加固机理及加固效果进行大量研究，其焦点大多集中于格室加固位置、加固层数对结构层承载能力的影响；在填料方面主要研究了粗粒土填筑对结构层加固性能的影响，对其他填料应用于土工格室时的效果评价，是否存在土工格室和填料之间的匹配性，以往研究关注较少[14]。因此，该文通过室内大型模型试验(承载板试验)研究土工格室不同形式与填料(粉质土、黏土、砾石、砂土)之间的匹配性，进而得出其对软土地基加固效果的影响，得出合理的软弱地基处治方法。

2 原材料及室内模型试验

2.1 填料

采用粉质土(ML)、黏土(SW)、砾石(GP)、砂土(SP)分别作为填料进行下卧层及土工格室填筑。其中，粉质土作为下卧层和填料，黏土、砾石、砂土仅作为填料，土样的物理性质如表1所示。

表1 填料物理性质

2.2 模拟试验箱设计及元器件布置

为了分析土工格室加固土的应力分布机理，自行设计了一个大型模拟试验箱，如图1所示，整体由10 mm厚钢板与槽钢焊接而成，内高1 400 mm，内宽1 200 mm，在其上设有反力梁，模拟试验箱内铺筑软弱地基与土工格室加固层。在大型模拟试验箱内分别设置未加固的软弱地基与土工格室加固结构层，利用承载板加载试验探究加固层与未加固层之间的应力传递效应。下部软弱地基由粉质土填充而成，在其上部设置土工格室加固结构层，加固结构层填料类型为砂土、黏土及砾石。具体步骤：首先在箱内填筑700 mm厚的粉质土，选择不同的变量进行上部加固结构层的填筑。为确保软弱地基尽可能达到最大干密度85%的压实条件，以200、200、200、100 mm的厚度对下承层进行分层压实处理。此外，为确保每次试验的压实条件相等，在铺设土工格室加固层之前进行一次压实度检测试验。

如图1所示，在软土地基中，6个土压力盒直接布设在加固结构层下方以测量从中心点开始的土压力变化，埋设深度分别为300、375、450和600 mm，以测量从中心点开始的土压力变化。图中，在深度为375 mm处共布设3个土压力盒，位置为中心处及向右偏移200、400 mm。在加固结构层与未加固结构层之间铺设一张聚丙烯土工膜(PP)，其拉伸强度≥100 kN/m，伸长率≤30%，并根据试验内容进行上部加固结构层的铺筑。

图1 元器件布设示意图(单位：mm)

加固地基铺筑结构如表2所示，在进行加固路基铺筑时，先对下承层压实度进行检测以确保其达到试验要求，继而按照试验要求对加固地基进行铺筑。首先在下部土基铺设完成后继续铺设一层厚度为5 cm的填料保护层；然后在模型试验箱内对格室进行张开处理，采用钢钎进行固定；采用铁铲对格室内部进行填料填筑，并用铁铲进行初步铲平处理。铺设格室时应注意不使土工格室发生倒伏现象(格室填料应超出格室高度，进行初步整平处理后才能进行压实处理)。采用振动压实机对其进行压实处理，因试验条件限制，只能通过保证每次试验采用相同的振动压实次数(100次)，分3次压实。

模型试验加载方式选取承载板法进行加载，以现行JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》中规定为标准，车辆与路面接触形状采用单圆均布荷载，双轮组单轴载100 kN，用当量圆直径D进行计算。标准轴载计算参数如表3所示。

表2 模型试验设计

表3 标准轴载计算参数

根据上述参数计算得出室内模型试验承载板选取直径为30 cm、厚度为2 cm的圆形钢板。

3 模型试验结果与讨论

3.1 未加固地基承载力

土工格室布设位置根据下部软弱地基的承载力确定，图2为模型试验中未加固地基的P-s曲线图。对于软土地基，以沉降量达到5 mm时加载荷载为结构层容许承载力；其沉降量达到25 mm(百分表最大量程)作为破坏点进行试验，由图2可看出：软土地基的屈服应力为69.34 kPa，容许承载力为34.67 kPa，极限承载力为144.80 kPa。

图2 未加固地基P-s曲线

表4为两种填料作用下垂直土压力下降率。由表4可知：当填料选取为砂土时，软弱地基的垂直土压力减少显著，以加载荷载60 kPa为例，在测点1位置土压力减少了69.5%，相比于粉质土加固结构层在60 kPa荷载作用下仅减少了30.4%；测点2位置下实测土压力为4.8 kPa，此时土压力减少了59.9%，填料变为粉质土时实测土压力为4.9 kPa，土压力减少率为58.9%，与砂土结构层相近；测点3位置时砂土结构层土压力减少64%，粉质土结构层土压力减少61.7%，测点4位置下砂土结构层土压力减少率比粉质土结构层高12.5%，由此可看出填料类型对下部软弱地基承载力的影响较大，砂土加固结构层具有更强的应力分散作用。

3.2 土工格室加固地基承载力

为研究土工格室加固地基承载力的加固效果，对加固结构层进行承载板试验来验证土工格室形式对软弱地基承载力的影响。图3为黏土、砾石分别作为填料加固土工格室结构层的P-s曲线。

在模型试验箱内采用6种尺寸组合的土工格室与两种类型填料进行匹配，并设置空白对照组(未布设土工格室，填料铺设厚度300 mm)进行对比分析。由图3(a)可看出：在格室尺寸为200 mm×240 mm与300 mm×240 mm时加固效果较好，竖向沉降较少。当格室高度为240 mm、焊距为200 mm时使用黏土作为填料的加固结构层承载能力最好；对于格室焊距为300 mm、高度为120 mm时加固结构层的极限承载力为458 kPa；改变土工格室的高度为180 mm，加固结构层的极限承载能力达到555 kPa；当格室高度变为240 mm后，其极限承载能力为601 kPa。由此可看出在同一种填料作用下，焊距相同，土工格室高度越高，其承载能力越强，这是由于格室高度越高，格室与格室之间的嵌挤作用更强，格室对填料的摩阻力及侧向约束力更强，使得加固结构层具有更好的应力扩散效果。

表4 不同填料垂直土压力降低率

由图3(b)可以看出：相比于黏土加固结构层，采用砾石加固地基时，在土工格室尺寸同为200 mm×240 mm时其极限承载力较低。由此表明，不同的填料对加固结构层承载能力有一定影响。对于焊距为300 mm的土工格室，格室高度为120 mm时加固结构层极限承载力为1 019 kPa；格室高度为180 mm时其极限承载力为1 131 kPa；当格室高度达到240 mm时极限承载力达到1 223 kPa，较格室高度为120 mm与180 mm分别提升了20.0%与8.1%。由此可看出，当砾石作为加固填料时土工格室焊距与高度比值为1∶0.8(格室尺寸为300 mm×240 mm)时具有更强的加固效果。

图3 承载板试验结果

3.3 垂直方向土压力分布

以垂直土压力分析加固结构层在荷载作用下的受力特性。在承载板下部地基不同深度及不同位置安装土压力盒。测量土压力随荷载、深度和水平距离的变化规律。图4为在填筑的粉质软土地基上布设土工格室加固层的垂直土压力变化曲线。

由图4可以看出：荷载为30 MPa时垂直土压力随着埋深的增大曲线变化较为平缓，从1测点到4测点垂直土压力较小且减小幅度较低；随着恒定荷载的增大，1～4测点的垂直土压力不断增大，垂直土压力变化曲线斜率变大；以荷载480 kPa为例，在1测点位置垂直土压力实测值为84.9 kPa，测点2下实测土压力为47.8 kPa，埋深深度增加75 mm，垂直土压力值减少了43.6%。与未加固结构层相比，通过承载板法施加恒定荷载时粉质土加固结构层的垂直土压力强度降低了30%～40%；随着荷载的增大，垂直土压力下降趋势随着深度的增加而逐渐变缓。

图4 在荷载作用下填料为粉质土的垂直土压力

3.4 水平方向土压力分布

鉴于土工格室能有效地分散垂直荷载，故在水平方向上测量垂直土压力分布以确定土工格室加固的影响范围，土压力的测量位置用加载板宽度的倍数(0B、1.3B和2.6B)表示，土压力分布结果如图5所示。

由图5可以看出：在测点2、5位置下，随着加载荷载的增大土压力增大，在作用荷载为30、60、120 kPa时土压力增幅较为稳定；当作用荷载为240、480 kPa时2、5测点土压力增长迅速；分析2、5测点可知侧向土压力随着水平位置的变化而减少，荷载越大降低幅度越快，说明格室在较大荷载作用下加固效果体现更明显；在荷载30、60、120 kPa作用下2、5测点土压力降低幅度平缓且三者保持近似相等斜率；当荷载超过120 kPa后，2、5测点土压力降低幅度增大，由此可知120 kPa为结构层的拐点荷载；测点6处在不同荷载作用下其土压力无变化。

图5 在荷载作用下填料为砂土的侧向土压力(B=153.8 mm)

根据模型试验箱土压力盒的实测结果，利用土压力理论的布辛尼斯克方程计算在砂土与砾石填筑下不同形式格室加固结构层与未加固结构层的侧向土压力变化趋势及加固效率比，计算结果如表5所示。

表5 加固地基水平向土压力折减比

由表5可以看出在施加均布荷载情况下，填料对5测点的土压力减少率影响较大，在恒载60 kPa作用下，填料为砂土时5测点的土压力减少率为66.7%，填料变为粉质土后该测点土压力减少率降低了18.7%；荷载增大到240 kPa，砂土结构层5测点土压力减少率64.0%，较粉质土结构层高2.7%；随着所施加均布荷载的增大，填料对2、5测点土压力有显著影响，测点6处土压力无明显变化，在填料为砂土情况下垂直土压力水平分布减少率较填料为粉质土的加固路基更高，说明砂土为填料能够更为有效地减少垂直土压力在水平方向的扩散，砂土作为填料具有更好的加固效果；6测点位置为模型试验箱边界条件；随着荷载增大，格室对填料的作用越来越明显。

4 土工格室加固效应分析

4.1 土工格室焊距对加固地基承载力的影响

为研究土工格室焊距对地基承载力的影响，将4种常见的土工格室(高度均为240 mm)应用于加固软弱地基，其焊距分别为200、300、400和500 mm，选取黏土和砾石对土工格室进行填筑。在不同土工格室焊距和填料条件下，对软土地基进行承载板试验，对其承载力和沉降进行分析。表6为不同填料加固软弱地基的极限承载力和容许承载力。

表6 不同焊距土工格室加固结构层承载力试验结果

由表6可知：软土地基的极限承载力和容许承载力分别为144.8 kPa和34.67 kPa；仅用填料对软弱地基进行处理，用黏土填筑300 mm测得其极限承载力与容许承载力分别为305.91 kPa和101.97 kPa；用砾石填筑300 mm测得其极限承载力与容许承载力分别为640.38 kPa和182.53 kPa，用砾石作为填料较黏土填筑地基承载力分别提高了109.3%和79.0%，得出不同类型填料对结构层承载力大小有显著的影响，究其原因砾石自身的刚性比黏土大，其抵抗变形能力更强，填筑后结构层的承载能力相对较高。

图6为不同填料下结构层承载力图。

由图6可知：在格室形式一定的情况下，砾石填筑结构层具有更大的承载力。由图6(b)可知：格室尺寸为300 mm×240 mm时，加固结构层的极限承载能力为1 223.66 kPa，其承载力强度约为软弱地基的8倍；未用格室加固结构层极限承载能力为640.38 kPa，约为格室焊距300 mm加固结构层极限承载力的1/2；黏土填充格室时焊距为200 mm结构层极限承载力为624.0 kPa，约为软土地基极限承载力的4倍，约为仅用黏土填充结构层的2倍[图6(a)]；随着土工格室焊距的增大，其加固效率逐渐降低；土工格室尺寸为200 mm×240 mm时极限承载能力最大，加固效果最好。

图6 不同填料下格室焊距对加固地基承载力的影响

当使用砾石作为填料时，土工格室焊距为300 mm时极限承载力为1 223.66 kPa，加固效率最好，当焊距大于300 mm后加固效率迅速降低，焊距达到500 mm时加固结构层极限承载力仅为869.82 kPa，由此可看出砾石作为填料与黏土作为填料的土工格室加固地基的效果并不相同，说明土工格室焊距与填料粒径之间存在相关性，焊距小的格室与粒径较小填料匹配性好；粒径较大填料与焊距大的格室具有较好匹配性。

综上，在进行现场施工前应将填料堆积后进行压平压实处理继而进行铺筑，但现场填料具不均匀性，砾石粒径较大会导致结构层压实度不足。为了考虑与施工有关的问题，需控制砾石填料最大粒径不超过25 mm。对于单元内部填充不均匀的现场条件，使用粒径小于土工格室焊距1/10的砾石具有最佳的加固效果。

4.2 土工格室高度对加固地基承载力的影响

为了研究土工格室高度对加固地基承载力的影响，确定格室焊距为300 mm，以3种不同高度(120、180、240 mm)的土工格室进行试验，观察土工格室高度变化对加固地基承载力的影响。

表7为在软土地基上进行承载板试验获取的地基安全系数为3.0的加固地基极限承载力和容许承载力的试验结果。

表7 格室高度对加固地基承载力的影响

由表7可知：使用黏土填筑结构层时，未用格室加固下结构层极限承载能力为305.91 kPa，容许承载能力为101.97 kPa；当使用尺寸为300 mm×120 mm格室对结构层进行加固后其极限承载能力与容许承载能力为458.87 kPa与128.48 kPa，与未加固结构层相比分别提升了50.0%与26.0%，与未填充软土结构层相比分别提升了216.9%与252.3%；格室高度增大到180 mm后结构层极限承载能力与容许承载能力增大到555.75 kPa与185.59 kPa，较未加固结构层相比分别提升了81.7%与82.0%；格室高度为240 mm时加固层极限承载力为611.83 kPa，较软土地基承载力提高了322.5%，较仅用填料填筑情况下提高了100%；砾石结构层未用格室加固下极限承载能力与容许承载能力分别为640.38 kPa与182.53 kPa；使用焊距相同高度不同格室对砾石结构层进行加固后，在格室高度为120、180、240 mm下结构层的极限承载力分别为1 019.72、1 131.88、1 223.66 kPa，较未加固结构层分别提升了59.2%、76.8%与91.1%，由此可知格室高度是影响结构层承载能力的重要因素。

图7为不同填料下结构层承载力随格室高度变化的结果。

由图7可以看出：两种填料下加固结构层的极限荷载与允许荷载随格室高度的增加而增大，土工格室高度的增加使得加固效果提升；当高度达到一定程度后(200 mm)，随着高度的增加，加固效果逐渐减小；比较黏土结构层与砾石结构层可看出格室高度对小粒径填料结构层的承载能力影响更明显，其原因为格室高度越高填料与格室之间的摩阻力与相互作用越强，格室起到了较好的紧箍效果。综上可知：格室高度对结构层整体的承载能力有显著影响，从极限承载力和容许承载力随土工格室高度的变化特征来看，虽然高度的增加会导致土工格室加固效率的提高，但当格室高度达到200 mm后，加固效果变化趋于平缓；高度继续增大，预计加固效果会降低。

图7 不同填料下格室高度对加固地基承载力的影响

4.3 填料类型与土工格室形式的加固效率

该文以提高地基承载力的加固效率为重点，比较未加固地基和土工格室加固地基的极限承载力，并以300 mm厚的砾石土工格室加固地基和换填加固地基的极限承载力提高为基础，比较换填法加固地基的加固效率。土工格室加固效率采用式(1)进行计算：

(1)

式中：BCRU为土工格室加固地基与未加固地基和置换地基相比的承载力加固效率；qu(R)为土工格室加固地基的极限承载力；qu为未加固或仅含替换黏土和砾石的极限承载力。

计算结果如表8所示。

由表8可知：在填料为黏土时，在尺寸为300 mm×120 mm格室加固下结构层BCRU值为1.5，此时砾石结构层的BCRU为1.6，较黏土结构层高0.1；在尺寸为300 mm×180 mm格室作用下两种类型填料有着相同的BCRU值，为1.8；当格室尺寸变为200 mm×240 mm与300 mm×240 mm时，黏土结构层的BCRU值都为2.0，而砾石结构层的BCRU值分别为1.4与1.9，较黏土结构层要小；当格室尺寸变为400 mm×240 mm与500 mm×240 mm时，黏土结构层BCRU值大幅减小，为1.3与1.2，而砾石结构层BCRU值降幅较低，为1.6与1.4，比黏土结构层高。

表8 土工格室形式与填料的加固比率

由此可知：高度相同情况下，焊距小的格室对黏土结构层加固效果更好，当焊距超过300 mm后格室对砾石结构层体现出较好的加筋效果。

图8为土工格室尺寸和填料类型对地基加固效果的影响。

图8 土工格室尺寸和填料对加固效果的影响

由表8可以看出：用黏土填充极限承载力为69.34 kPa的软土地基，填充后的地基极限承载力是软土地基的4.4倍。当采用大粒径砾石进行填筑时，形式为300 mm×240 mm的格室加固结构层加固效果最好；格室形式为200 mm×240 mm下黏土加固效果更好。分析原因是采用较大粒径填料填筑焊距较小土工格室时，填料在压实过程中自身的嵌挤作用发挥不充分，颗粒混合不充分导致单元格室内密度不一致，从而降低了土工格室的加固效率。