软土地基加固中竹网的受力与变形分析

2022-08-31王桂香严盛康乐绍林王浩晨于增辉

河北大学学报（自然科学版） 2022年4期

王桂香严盛康乐绍林王浩晨于增辉

(1.河北大学建筑工程学院,河北保定 071002;2.武汉二航路桥特种工程有限责任公司,湖北武汉 430072)

竹子为绿色环保的材料,竹网法形成的工作面的力学性质和强度远高于土工布+填土和土工格栅+填土的处理方法.Khosrow[1]给出竹的抗拉强度达到370 MPa.毛筱霏等[2]对通过实验得出楠竹的抗拉强度可以达到306.5 MPa,弹性模量为18.9 GPa.Aazokhi[3]通过现场表明竹网加固泥炭土与高强度土工格栅系统相比节省成本,减少固结沉降.Hegde等[4]室内实验表明土工格室加固粘土层的承载力增加了3～4倍,竹格室承载增加了4～5倍.Asaduzzaman等[5]通过室内实验得到,当竹筋置于破坏包络位置以上时,单层加筋土和多层加筋土体系的承载力分别比未加筋土提高了1.77倍和2.02倍.对于单层体系,当加固层位于0.30的荷载板宽度时,承载能力最大沉降最小.Waruwu等[6]实验发现竹格网加固能够增加路基模量和土体剪切模量.邓友生等[7]得出竹材抗拉强度、抗弯强度、弹性及韧性方面与钢材相近,经过一系列加工处理在某些方面明显高于钢材的性能.祝明桥等[8]认为竹材的含水率对该材料抗拉强度影响显著,其中实验竹材的含水率为11.5%时材料性能最优.黄松涛[9]采用竹架垂直、水平方向布设、上铺设编织布的方法处理了大铲湾二期工程的软土地基.邹光汉[10]采用下铺土工布、上铺竹网和砂垫层的方法处理菲律宾高架桥箱涵工程中的箱涵,取得了良好的加固效果.孙亮富等[11]采用单向网格状带齿加筋砂垫层,能显著提高软基承载力,减少软基沉降及不均匀沉降,并能减少路堤的侧向位移.陈楚南等[12]在吹填造陆工程中,提出3种竹网+土工布垫层的施工方案.

综上研究表明,竹网或土工格室可以大幅提高软土地基的承载力,但是竹网加固软基的承载力计算缺乏理论基础.本文设计室内载荷实验研究了竹网加固软基的承载特性和竹网的变形特性.

1 实验材料

1.1 毛竹

实验中的竹网采用江苏毛竹,直径为1.0～1.2 cm,含水率为11.0%,竹节长度17.5～23.3 cm,平均值为22.43 cm.对实验所用毛竹单杆和竹网进行抗弯实验,简支毛竹单杆的跨度为60 cm,竹网一对边简支,另一对边自由,简支对边的跨度为60 cm.单杆的破坏形式如图1所示,破坏形式有2种:一是纵向开裂,二是在集中力作用点处弯折.典型竹杆的力和挠度曲线如图2所示,典型竹网的力和挠度曲线如图3所示.由表1可以看出实验所用单杆比例极限56.6～107.2 MPa,极限应力为71.9～117.8 MPa,弹性模量11.59～19.57 GPa.对竹网进行弯曲实验,荷载板正下方竹网的最大弯曲应力分别为115 和82.1 MPa.15 cm×15 cm 竹网的承受的竖向荷载是单根竹竿的3.7～5.9倍,平均为4.7倍.

表1 竹材的力学性质指标Tab.1 Mechanical property indexes of bamboo

图1 竹材室内抗弯实验和竹网加固浅层软土地基载荷实验Fig.1 Indoor bending test of bamboo and load test of bamboo net shallow treatment

图2 毛竹单杆荷载-挠度曲线Fig.2 Load-deflection curve of bamboo single pole

图3 竹网荷载-挠度曲线Fig.3 Load-deflection curve of bamboo net

1.2 实验用土

实验用土取自温州市经济技术开发区软土.场地土层存在27.20～33.60 m 厚的流塑、高压缩、高灵敏度土,软土层的重度在17.4～18.3 k N/m3,含水率为47.31%～61.43%,液性指数大于1.50,塑性指数大于18.将现场软土加水饱和均匀,含水率为60%.重度为16.5 k N/m3,孔隙比为1.55.软土层厚度550 mm,竹网上覆砂土的重度为16.45 k N/m3.

1.3 土工布

土工布采用河北顺泰土工材料有限公司产品.土工布单位面积质量150 g/m2,其纵向撕裂强度为5.1 k N/m,横向撕裂强度为5.2 k N/m,纵向伸长率65%,横向伸长率66%,顶破强力1 k N,纵向和横向撕破强度均为0.15 k N.

2 实验方法和结果分析

2.1 实验方法

如图1所示,实验装置主要由模型箱和液压千斤顶组成.模型箱的长×宽×高为100 cm×100 cm×100 cm,圆形荷载板,直径为29 cm.竹网为15 cm×15 cm,在竹网交接处用镀锌铁丝加固.竹网受拉侧布置应变片,如图4所示.

软土上放置15 cm×15 cm 的竹网,竹网上布置一层土工布,其上平摊不同厚度的砂土后进行载荷实验.竹网上覆砂土厚度与荷载板的宽度比称之为厚宽比(H/D=0～0.69).图4b为载荷实验结束后卸去砂土垫层的竹网和软土地基.由图4可以看出,在上覆砂土和荷载作用下竹网受弯,且竹网和地基是紧密接触.实验结束后竹网变形开始回弹,导致软土和竹网之间部分开裂.载荷实验结束后,将竹网从地基中取出,竹网的弯曲变形几乎全部恢复.

图4 卸荷后的竹网及竹网中应变片布置Fig.4 Layout of unloaded bamboo net and strain gauge in bamboo net

2.2 实验结果分析

将荷载板置于竹网上,对荷载板进行加荷.竹网的相当应力等于施加的荷载与荷载板面积之比.图5a为单向简支竹网与地基上竹网的挠度与压强的关系.由图5a可以看出地基上的竹网由于地基的作用限制了竹网的变形,竹网的竖向变形与相当应力成线性关系,而对边简支竹网的竖向变形开始具有明显的直线段,当相当应力超过比例极限后,呈明显的非线性.当竹网竖向变形小于40 mm 时,竖向变形与相当应力成线性关系,地基上竹网的承受的荷载是对边简支的1.74倍.

图5b为厚宽比不同情况下的荷载沉降曲线.该组实验时在竹网上铺设了一层土工布.由图5b和表2可看出,当竹网竖向变形等于40 mm 时,H/D小于0.52时,竖向变形与压强呈线性关系,当H/D=0.69时先直线后进入非线性.随着厚宽比的增加,压强增加,当H/D=0～0.69时,与软土的压强相比,地基压力比从2.66倍增加到6.96倍.

表2 竹网+覆土载荷实验结果Tab.2 Load test results of the bamboo net and covered cushion

图5 荷载-沉降曲线Fig.5 Load-Settlement curve

图6分别为考虑土工布、竹网和上覆不同厚度砂土层时,竹网各测点的应变与地基压力的关系曲线.由图6可以看出,应变随地基压力基本呈线性关系,SN-2测点除外,其余4个测点在竹网下部竹竿底部,荷载板正下方竹杆下部的应变远高于竹杆上部测点SN-2的应变值.主要原因为竹杆下部在加载开始与地基表面紧密接触,而竹杆上部开始与地基有一个竹杆直径的距离.由表2可以看出竹网上应力随上覆砂土的厚度增加而降低.当沉降一定时,竹网上土层具有扩散作用,因此应变和应力降低.