粉煤灰加筋路堤模型試驗(yàn)研究

邱兆森

0 引言

課題組在石家莊鐵道學(xué)院土木工程分院結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了粉煤灰加筋路堤的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的如下。

1 試驗(yàn)設(shè)備及性能指標(biāo)

試驗(yàn)組件分為主體試驗(yàn)箱、加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)三部分。試驗(yàn)箱為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，尺寸為(長(zhǎng)×高×寬)3.6 m×2.4 m×1.0 m，寬度方向代表路堤縱向，該方向應(yīng)變?yōu)?，長(zhǎng)軸方向?yàn)槁返虣M斷面方向。試驗(yàn)箱前側(cè)用方格狀鋼架焊接而成，通過貼在鋼架外部的塑料坐標(biāo)紙讀取模擬路堤內(nèi)部位移;頂部在前后方向焊接6道角鋼梁，作為反力裝置，用以施加荷載。

加載系統(tǒng)選用標(biāo)定最大壓力為5 t的油壓千斤頂向模擬路堤施加豎向荷載，配以額定量程為50 t的壓力傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力值的讀取和控制。采用鋼板將集中荷載轉(zhuǎn)化成均布荷載，加載板用剛性很大的鋼板制成，豎向加載過程中不會(huì)發(fā)生撓曲，保證路堤沿試驗(yàn)箱寬度方向上不產(chǎn)生應(yīng)變。試驗(yàn)主要測(cè)取的數(shù)據(jù)包括豎向荷載p(傳感器測(cè)取)、基礎(chǔ)頂面豎向位移s(百分表測(cè)取)、路基內(nèi)部標(biāo)定點(diǎn)的水平位移和豎向位移(高倍顯微鏡測(cè)取)。

2 路堤模型的基本指標(biāo)

路堤模型高1.2 m，邊坡坡比1∶1.5，填料為粉煤灰，針對(duì)無筋、一層加筋、二層加筋進(jìn)行平行試驗(yàn)，模型編號(hào)依次為A，B，C。考慮到模擬邊界條件，模型箱底60 cm高度內(nèi)裝有一定含水量的細(xì)砂并夯實(shí)，既可下部土層模擬，又可以作為上面粉煤灰施工的工作平臺(tái)。B組和C組路堤模型需進(jìn)行加筋，應(yīng)當(dāng)盡量保證格柵水平放置，且使格柵肋的方向平行或垂直于模型箱的側(cè)面，在兩側(cè)邊坡處將格柵壓入砂袋間。

試驗(yàn)用粉煤灰最大干密度ρdmax=1.05 g/cm3，最佳含水量wop=26.2%，粘聚力 c=20.00 kPa，內(nèi)摩擦角 φ =25°，顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)采用的土工格柵為雙向拉伸，性能指標(biāo)見表2。

表1 試驗(yàn)用粉煤灰顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果

表2 土工格柵的性能指標(biāo)

3 試驗(yàn)結(jié)果

1)無筋路堤模型試驗(yàn)結(jié)果。

圖1為P—S曲線，圖2為測(cè)試點(diǎn)側(cè)向位移曲線，圖3為沉降曲線。

圖1 模型試驗(yàn)P—S曲線（無筋）

2)一層加筋路堤模型試驗(yàn)結(jié)果。

圖4為P—S曲線，圖5為測(cè)試點(diǎn)側(cè)向位移曲線，圖6為沉降曲線。

3)二層加筋路堤模型試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 測(cè)試點(diǎn)側(cè)向位移曲線（無筋）

圖3 測(cè)試點(diǎn)沉降曲線（無筋）

圖4 模型試驗(yàn)P—S曲線（一層加筋）

圖5 測(cè)試點(diǎn)側(cè)向位移曲線（一層加筋）

圖7為P—S曲線，圖8為測(cè)試點(diǎn)側(cè)向位移曲線，圖9為沉降曲線。

圖6 測(cè)試點(diǎn)沉降曲線（一層加筋）

圖7 模型試驗(yàn)P—S曲線（二層加筋）

圖8 測(cè)試點(diǎn)側(cè)向位移曲線（二層加筋）

圖9 測(cè)試點(diǎn)沉降曲線（二層加筋）

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)從試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)及P—S曲線可以看出，不加筋情況沉降量最大，沉降量隨加筋層數(shù)的增加而降低。在同一荷載值(P=39.7 kPa)時(shí)，B組沉降值僅為A組的70.5%;在同一沉降量(S=4.63 mm)時(shí)，加兩層格柵比不加格柵承載力提高16.7%，比加一層格柵提高了8%?？梢?，增加格柵層數(shù)可以提高地基承載力。但是，從試驗(yàn)效果來看，B，C兩組試驗(yàn)結(jié)果相差不大，而格柵用量卻增加一倍。顯然，強(qiáng)度的增加與格柵層數(shù)的增加不成正比，因而存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)層數(shù)的問題。另外，在荷載值比較小時(shí)(P＜9.924 kPa)，加筋作用并不明顯，甚至不加筋情況下沉降量反而減小，這是因?yàn)樵谳^低的應(yīng)力水平下，格柵受力變形小，沒有發(fā)揮其抗拉作用。

可以得出結(jié)論:地基承載力隨加筋層數(shù)的增加而增大，基礎(chǔ)頂面沉降量隨加筋層數(shù)的增加而減小，但并非是線性關(guān)系。鑒于B，C兩組試驗(yàn)結(jié)果相差不大，而格柵用量卻增加一倍。從工程效果和經(jīng)濟(jì)因素兩方面綜合來考慮，對(duì)于路堤不是很高的情況，如需加筋以控制豎向變形，則需控制加筋數(shù)量，但要對(duì)路堤進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

2)從側(cè)向位移關(guān)系來看，土工格柵對(duì)土體側(cè)移限制作用非常明顯，給格柵層附近的土體區(qū)域增加了側(cè)向約束，形成了一個(gè)“復(fù)合加固帶”，且距加筋層越近約束作用越強(qiáng)，較強(qiáng)的約束作用使側(cè)移量明顯減少，加固效果是與距格柵層距離有關(guān)的函數(shù)。土工格柵這種對(duì)其附近土體的約束作用是其能改善地基性能的重要原因。

3)沉降曲線顯示，同一層面上路基中線處沉降值最大，且沉降值隨距中線距離的增加而減小，但是這種減小的趨勢(shì)不是線性變化的，而是存在一個(gè)突變點(diǎn)?？梢?，路堤內(nèi)部的變形不是沿全長(zhǎng)均勻分布，而是越靠近路堤邊坡的中心，測(cè)試點(diǎn)的沉降量越小，而在靠近坡腳處，測(cè)試點(diǎn)的沉降量則相應(yīng)較大。與未加筋的情況相比，加筋后的路堤測(cè)點(diǎn)沉降量偏小。加筋層數(shù)越多，則土工格柵加筋邊坡測(cè)試點(diǎn)沉降越小。

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