剛性基礎(chǔ)下土工格柵加筋碎石墊層變形特性試驗(yàn)研究

李運(yùn)成，彭振斌，何杰

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲，412007)

近年來，復(fù)合地基因能有效地利用土的承載力而受到我國(guó)城市民用建筑工程的青睞。在承臺(tái)下設(shè)置合適的褥墊層，能有地效調(diào)節(jié)樁-土荷載分擔(dān)比，充分發(fā)揮地基中樁、樁周土的承載性能，提高復(fù)合地基的承載力并減小地基沉降。許多學(xué)者對(duì)墊層在復(fù)合地基中的作用進(jìn)行了研究，如：李寧等[1-2]研究了設(shè)置墊層后樁體復(fù)合地基的承載性狀，分析了墊層的加固機(jī)理與作用；劉杰等[3]推導(dǎo)了墊層厚度、壓縮模量對(duì)復(fù)合地基工作性狀影響的解析算式；亓樂等[4-5]分析了復(fù)合地基中墊層的作用機(jī)理，對(duì)樁體進(jìn)入墊層的刺入量與墊層厚度的計(jì)算方法進(jìn)行了探討；鄭剛等[6]進(jìn)行了不同厚度褥墊層條件下剛性樁復(fù)合地基工作特性模型試驗(yàn)；王兵等[7-8]通過復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)探討了墊層厚度和材料類型對(duì)復(fù)合地基承載力的影響。隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展，工程中出現(xiàn)了將土工布、土工格柵、土工格室等土工織物置入砂、石墊層中，形成加筋墊層。加筋墊層能克服單一材料墊層剛度較小的不足，得到了廣大研究者的重視。張良等[9]通過4 種樁網(wǎng)復(fù)合地基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試并分析了加筋墊層對(duì)復(fù)合地基的承載力和沉降量的影響。羅強(qiáng)等[10]通過復(fù)合地基實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)土工合成材料加筋砂墊層能有效減小軟土地基的沉降變形；黃仙枝等[11-12]研究了加筋層數(shù)、筋材間距等對(duì)應(yīng)力擴(kuò)散角及擴(kuò)散效應(yīng)的影響；張福海等[13]基于Winkler 假定，提出了考慮水平抗力的雙參數(shù)法，并對(duì)土工格室加筋墊層的變形進(jìn)行了分析；楊明輝等[14]基于平截面假定提出了土工格室加筋墊層剛度的解析算法；楊果林等[15]進(jìn)行了樁網(wǎng)復(fù)合地基加筋墊層土工格柵的變形機(jī)理測(cè)試，探討了加筋墊層的變形及破壞特征；馬時(shí)冬[16]將土工格柵應(yīng)用于古建筑城門樓加固工程，并通過荷載試驗(yàn)對(duì)土工格柵墊層提高地基承載力、均衡差異沉降和減少總沉降的作用效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。褥墊層技術(shù)是豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基的關(guān)鍵技術(shù)之一。盡管國(guó)內(nèi)外針對(duì)砂、石墊層及加筋墊層均進(jìn)行了一定研究，然而，均側(cè)重于墊層對(duì)復(fù)合地基承載力和沉降量的影響，對(duì)墊層本身的變形特征關(guān)注較少。為此，本文作者采用模型試驗(yàn)的方法對(duì)剛性基礎(chǔ)下墊層與加筋墊層的變形特性進(jìn)行測(cè)試，探討不同墊層厚度、土工格柵層數(shù)、土工格柵鋪設(shè)位置等因素對(duì)墊層及加筋墊層沉降量和變形模量的影響，以便為加筋墊層的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)

為探討剛性基礎(chǔ)下不同工況土工格柵加筋墊層的工作性狀，共進(jìn)行了9 個(gè)模型靜載試驗(yàn)，模型試驗(yàn)工況如表1 所示。

模型試驗(yàn)在長(zhǎng)×寬×高為1.5 m×1.5 m×0.5 m的鋼制模型箱中進(jìn)行，模型箱內(nèi)分層采用動(dòng)力夯實(shí)(壓實(shí)度控制在90%左右)的方法分層鋪設(shè)碎石。碎石粒徑級(jí)配控制在10～20 mm 范圍內(nèi)，其物理力學(xué)性能參數(shù)如表2 所示。

本次試驗(yàn)中所用土工格柵為江蘇宜興市華東巖土工程材料有限公司生產(chǎn)的雙向聚丙烯土工格柵，長(zhǎng)×寬為1.0 m×1.0 m，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表3 所示。

表1 模型試驗(yàn)工況Table 1 Working conditions of model tests

表2 碎石的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of gravel

表3 土工格柵技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of geogrid

試驗(yàn)的加載系統(tǒng)如圖1 所示。載荷板采用20.0 mm厚的鋼板，其邊長(zhǎng)為70.7 cm。載荷板的沉降采用千分表觀測(cè)。靜載試驗(yàn)嚴(yán)格按JGJ 79—2002(《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》)進(jìn)行。

圖1 墊層試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Installation of cushion experimental equipments

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 厚度變化和有無土工格柵對(duì)墊層變形模量的影響

圖2 所示為有無土工格柵情況下，當(dāng)墊層厚度變化時(shí)，碎石墊層的荷載–變形關(guān)系曲線。

圖2 不同厚度、有無加筋碎石墊層的荷載–變形曲線Fig.2 Load-deformation curves at different thickness with or without reinforced gravel cushion

從圖2 可知：1) 在相同荷載作用下，無論是否設(shè)置土工格柵，隨墊層厚度增加，10 cm 厚墊層的沉降量較20 cm 厚墊層的沉降量?。?) 不設(shè)置土工格柵時(shí)，10 cm 厚墊層的沉降量小于20 cm 厚墊層的沉降量，但兩者的沉降差較大；3) 將土工格柵均設(shè)置于沿墊層深度方向的中部時(shí)，20 cm 厚墊層的沉降量要大于10 cm 厚墊層的沉降量，且兩者的沉降差較無筋時(shí)的小。

以上分析結(jié)果表明：1) 在剛性基礎(chǔ)下，較薄墊層的剛度比較厚墊層的剛度大；2) 在墊層中設(shè)置土工格柵，能提高墊層的剛度，減小墊層的壓縮變形。

由圖2 可得以上4 種工況下墊層的變形模量，如表4 所示。

表4 有無土工格柵置于墊層中部時(shí)碎石墊層的變形模量Table 4 Deformation modulus of gravel cushion with or without geogrids in its central

分析表4 可知：1) 增加墊層厚度，碎石墊層的變形模量明顯減??；當(dāng)碎石墊層厚度由10 cm 增至20 cm時(shí)，無格柵碎石墊層變形模量降低58.5%，含1 層土工格柵的碎石墊層變形模量下降幅度稍大，為60.2%；2) 在碎石墊層中設(shè)置土工格柵能有效地提高墊層的變形模量，當(dāng)墊層厚度分別為10 cm 和20 cm 時(shí)，在墊層中間設(shè)置1 層土工格柵后其變形模量較無格柵時(shí)分別增大26.3%和21.1%，增大幅度隨墊層厚度的增加而減少。

2.2 格柵層數(shù)、鋪設(shè)位置變化對(duì)墊層變形模量的影響

圖3 所示為20 cm 厚墊層內(nèi)鋪設(shè)土工格柵層數(shù)與位置不同時(shí)加筋碎石墊層的荷載-變形曲線。

圖3 格柵層數(shù)與鋪設(shè)位置對(duì)20 cm 加筋碎石墊層的變形影響曲線Fig.3 Deformation curves of geogrids reinforced gravel cushion of 20 cm thickness affected by geogrids layers and their laying position

表5 加筋碎石墊層的變形模量Table 5 Deformation modulus of geogrids reinforced cushion

由圖3 可知：1) 在20 cm 墊層中鋪設(shè)2 層土工格柵時(shí)墊層的沉降量要比只鋪設(shè)1 層土工格柵的沉降量??；2) 在20 cm 厚碎石墊層中鋪置1 層土工格柵時(shí)，格柵位置離墊層頂面的位置越近，加筋墊層的沉降量越小，反之，墊層沉降量逐漸增加；3) 在20 cm 厚碎石墊層中鋪置2 層土工格柵時(shí)，隨著土工格柵距墊層頂面的距離越近，加筋墊層的沉降量越小，其中，首層格柵鋪設(shè)于距墊層頂面5 cm，且與第2 層格柵間隔5 cm 時(shí)(即工況20CMG2-3)，墊層的壓縮變形最小。

上述試驗(yàn)現(xiàn)象表明：1) 在墊層厚度允許的情況下，增加土工格柵層數(shù)，能有效地減小墊層的壓縮變形，提高墊層剛度；2) 土工格柵鋪設(shè)位置距離墊層頂面越近，墊層的壓縮變形越小。由圖3 可得以上6 種工況下加筋墊層的變形模量，如表5 所示。

分析表5 可知：1) 增加土工格柵層數(shù)，能有效增大加筋墊層的變形模量；2) 隨著格柵鋪設(shè)位置的下移，加筋墊層的變形模量減??；3) 隨著格柵層數(shù)的增加，鋪設(shè)位置對(duì)墊層變形模量的影響變小，當(dāng)鋪設(shè)格柵分別為1 層和2 層時(shí)，鋪設(shè)位置不同引起的變形模量變化量分別為平均值的20.0%和7.9%。

在復(fù)合地基工程中，墊層設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵工作：既要保證墊層具有一定的剛度，又要確保樁體在受荷時(shí)墊層材料能隨樁體的刺入而流動(dòng)，且樁體的刺入應(yīng)有一定幅度，以利于淺層土體承載性能的發(fā)揮。當(dāng)墊層剛度較大時(shí)，能較好地發(fā)揮樁體的承載性能；當(dāng)墊層厚度較小時(shí)，樁體向墊層刺入的幅度較小，墊層對(duì)樁-土荷載分擔(dān)比的調(diào)節(jié)能力有限。對(duì)于鋪設(shè)2 層及2層以上土工格柵的墊層，在設(shè)計(jì)過程中既要考慮能有效提高墊層剛度，又要保證墊層對(duì)樁-土荷載分擔(dān)比的有效調(diào)節(jié)，因此，墊層材料、格柵物理力學(xué)性能、格柵層數(shù)、首層格柵的鋪設(shè)位置、格柵的間距等參數(shù)的選擇十分重要。

3 結(jié)論

1) 在相同荷載作用下，碎石墊層的變形模量隨墊層厚度的增大而減?。辉趬|層中設(shè)置土工格柵，能提高墊層的剛度，減小墊層的壓縮變形量，變形模量的提升幅度隨墊層厚度的增加而減少。

2) 在墊層厚度允許的情況下，增加土工格柵層數(shù)，能有效地減小墊層的壓縮變形，提高墊層剛度。

3) 土工格柵鋪設(shè)位置距離墊層頂面越近，墊層的變形模量大；隨著墊層內(nèi)土工格柵層數(shù)的增多，墊層內(nèi)土工格柵鋪設(shè)的位置對(duì)墊層變形模量的影響 變小。

4) 試驗(yàn)結(jié)果能為復(fù)合地基中加筋墊層的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。但本次試驗(yàn)僅對(duì)碎石墊層開展了測(cè)試分析，對(duì)不同材料、不同土工格柵層數(shù)及間距條件下的墊層變形特性有待進(jìn)一步研究。

[1] 李寧, 韓煊. 復(fù)合地基中褥墊作用機(jī)理研究[J]. 巖土力學(xué),2000, 21(1): 10-15.LI Ning, HAN Xuan. Numerical tests on the mechanism of the cushion in composite foundation[J]. Rock and Soil Mechanics,2000, 21(1): 10-15.

[2] 李寧, 韓煊. 褥墊層對(duì)復(fù)合地基承載機(jī)理的影響[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2001, 34(2): 68-73.LI Ning, HAN Xuan. Study on mechanism of cushion in composite pile foundation[J]. China Civil Engineering Journal,2001, 34(2): 68-73.

[3] 劉杰, 張可能. 復(fù)合地基中墊層作用機(jī)理[J]. 中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2001, 32(6): 568-572.LIU Jie, ZHANG Keneng. The mechanism of cushion in composite foundation[J]. Journal of Central South University of Technology (Natural Science), 2001, 32(6): 568-572.

[4] 亓樂, 施建勇, 曹權(quán). 剛性樁復(fù)合地基墊層合理厚度確定方法[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(11): 3423-3428.QI Le, SHI Jianyong, CAO Quan. Method for calculating rational thickness of cushion in rigid pile composite ground[J].Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(11): 3423-3428.

[5] 亓樂, 施建勇, 侯仟. 復(fù)合地基樁體對(duì)墊層的刺入量研究[J].巖土力學(xué), 2011, 32(3): 815-819, 824.QI Le, SHI Jianyong, HOU Qian. Research on pile penetration into cushion of composite ground[J]. Rock and Soil Mechanics,2011, 32(3): 815-819, 824.

[6] 鄭剛, 劉雙菊, 伍止超. 不同厚度褥墊層剛性樁復(fù)合地基工作特性研究[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(8): 1357-1360.ZHEN Gang, LIU Shuangju, WU Zhichao. Study on behavior of rigid pile composite ground with different cushion thicknesses[J].Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(8): 1357-1360.

[7] 王兵, 楊為民, 李占強(qiáng), 等. 褥墊層對(duì)復(fù)合地基承載特性影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(2): 403-408.WANG Bing, YANG Weimin, LI Zhangqiang, et al. Test study on influence of cushion on loading behavior of composite foundations[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(2): 403-408.

[8] 韓云山, 白曉紅, 梁仁旺. 墊層對(duì)CFG 樁復(fù)合地基承載力評(píng)價(jià)的影響研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(20):3498-3503.HAN Yunshan, BAI Xiaohong, LIAN Renwang. Cushion influence on bearing capacity of composite foundation with cement-flyash-gravel piles[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(20): 3498-3503.

[9] 張良, 羅強(qiáng), 劉瀟瀟, 等. 基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的樁網(wǎng)復(fù)合地基墊層效應(yīng)分析[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 45(5): 787-793.ZHANG Liang, LUO Qiang, LIU Xiaoxiao, et al. Cushion effect analysis of pile-net composite foundation based on field tests[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2010, 45(5): 787-793.

[10] 羅強(qiáng), 劉俊彥, 張良. 土工合成材料加筋砂墊層減小軟土地基沉降試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2003, 25(6): 710-714.LUO Qiang, LIU Junliang, ZHANG Liang. Application of geosynthetics-reinforced sand blanket to settlement reduction of soft ground[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2003, 25(6): 710-714.

[11] 黃仙枝, 豈連生, 白曉紅. 軟土地基土工帶加筋碎石墊層的應(yīng)力擴(kuò)散研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(17):2992-2997.HUANG Xianzhi, QI Lianshen, BAI Xiaohong. Study of stress distribution in belt geosynthetic-reinforced gravel on soft soil[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003,23(17): 2992-2997.

[12] 劉毓氚, 左廣洲, 陳福全. 加筋墊層應(yīng)力擴(kuò)散特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(5): 903-908.LIU Yuchuan, ZUO Guangzhou, CHEN Fuquan. Numerical research on stress distribution of geosynthetic reinforcement layer[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(5): 903-908.

[13] 張福海, 俞仲泉. 平面應(yīng)變條件下土工格室加筋墊層的變形分析[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(增刊): 241-243.ZHANG Fuhai, YU Zhongquan. Analysis of deformation of geocell reinforced mat under plane strain condition[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(Suppl): 241-243.

[14] 楊明輝, 鄧岳保, 趙明華. 基于疊梁試驗(yàn)的土工格室墊層剛度確定方法研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2011, 44(11): 87-92.YANG Minghui, DENG Yuebao, ZHAO Minghua. Study of stiffness test method of geocell cushion based on superposed beam theory[J]. China Civil Engineering Journal, 2011, 44(11):87-92.

[15] 楊果林, 王亮亮. 樁網(wǎng)復(fù)合地基加筋墊層土工格柵變形機(jī)理研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2011, 32(5): 8-12.YANG Guolin, WANG Liangliang. Research on the deformation mechanism of the geogrid reinforced cushion for pile-net composite foundation[J]. China Railway Science, 2011, 32(5):8-12.

[16] 馬時(shí)冬. 土工格柵加筋墊層的效果檢驗(yàn)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(3): 490-495.MA Shidong. Verification of reinforced effect on geogrid cushion for foundation strengthening[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(3): 490-495.