土工格柵老化對(duì)雙向復(fù)合地基性狀影響的室內(nèi)模型試驗(yàn)

梁 晨，葛忻聲，王 凱，張 軍

(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省交通科學(xué)研究院，太原 030006)

雙向復(fù)合地基是由地基土、豎向增強(qiáng)體、橫向增強(qiáng)體組成用來(lái)處理地基的新型地基形式。它可以有效地控制地基側(cè)向變形和不均勻沉降。土工格柵是最常使用的橫向增強(qiáng)體材料之一，相較于其他建筑材料，土工格柵易降解、蠕變、發(fā)生老化，對(duì)雙向復(fù)合地基的耐久性影響較大。近年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)土工格柵的耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論探索，取得不少成果[1-4]。但他們的研究重點(diǎn)在于土工格柵自身的性質(zhì)，研究手段通常是將土工格柵老化前后的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而對(duì)土工格柵的長(zhǎng)期行為做出預(yù)測(cè)?，F(xiàn)有研究表明，雙向復(fù)合地基中的橫向增強(qiáng)體(土工格柵)、豎向增強(qiáng)體(樁)、土體是一個(gè)有機(jī)的、不可分割的整體[5-8]。將土工格柵與復(fù)合地基分離的老化研究對(duì)實(shí)際工程幫助有限，故本文將復(fù)合地基看作一個(gè)整體，通過(guò)對(duì)土工格柵的老化，從復(fù)合地基變形、受力的角度研究其耐久性。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及其模型制作

試驗(yàn)所用模型箱為一長(zhǎng)、寬、高均為150 cm的方箱，向上開(kāi)口，正面為一10 mm厚鋼化玻璃板；左右兩側(cè)均為鋼板，厚16 mm.為方便試驗(yàn)施工，在模型箱背面安裝活動(dòng)擋板；為拉緊土工格柵，在模型箱的左側(cè)及背面開(kāi)有孔洞并安裝定滑輪，正面及右側(cè)安裝配套套孔。

通過(guò)在模型箱底端、持力層和樁體加固區(qū)交界面、樁體加固區(qū)和褥墊層交界面三處埋設(shè)沉降標(biāo)的方法獲取復(fù)合地基各組成部分(褥墊層、樁體加固區(qū)、持力層)沉降。沉降標(biāo)由圓板和外套PVC管的光圓鋼筋焊接而成，長(zhǎng)度分別為150 cm(1號(hào))、90 cm(2號(hào))、30 cm(3號(hào))。外套PVC管的原因在于保證鋼筋棍不受來(lái)自于土體的摩擦力，確保試驗(yàn)精度。沉降標(biāo)埋于加載板四角，其上部直接穿出加載板預(yù)留孔洞，復(fù)合地基沉降值可以通過(guò)沉降標(biāo)相對(duì)外露長(zhǎng)度確定。

采用石膏樁作為豎向增強(qiáng)體，石膏樁徑60 mm，樁長(zhǎng)60 cm，彈性模量為0.63 GPa.模型試驗(yàn)前預(yù)先老化抗拉強(qiáng)度15 kN/m的聚丙烯雙向土工格柵作為復(fù)合地基的橫向增強(qiáng)體，其大小為55 cm×55 cm.試驗(yàn)時(shí)，先用夾板夾住土工格柵四邊，再通過(guò)鋼絲繩穿過(guò)模型箱預(yù)留的孔洞將夾板與模型箱外側(cè)的套孔相連，套孔上懸掛重物以拉直土工格柵。

土工格柵的老化通過(guò)氙燈耐氣候試驗(yàn)箱完成，老化方式為光氧老化加熱氧老化。老化參數(shù)為溫度60 ℃、濕度60%、輻照強(qiáng)度200 W/m2.在土工格柵中心位置粘貼帶應(yīng)變片的橡膠布，通過(guò)橡膠布的應(yīng)變模擬土工格柵應(yīng)變；通過(guò)土壓力盒獲取土中應(yīng)力；通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。

模型試驗(yàn)持力層及樁體加固區(qū)用土為黃土，褥墊層用土為三七灰土，級(jí)配良好。主要物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 試驗(yàn)用土主要參數(shù)Table 1 Typical parameter of soil

1.2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)布置如圖1，2所示。下部持力層的厚度為60 cm，1號(hào)沉降標(biāo)埋于此區(qū)域底部；中部樁體加固區(qū)的厚度為60 cm，2號(hào)沉降標(biāo)和13根石膏樁埋于此區(qū)域，石膏樁布樁方式為“梅花式”；上部褥墊層厚20 cm，土工格柵、土壓力盒與3號(hào)沉降標(biāo)埋于此區(qū)域。土工格柵布置于模型箱正中，高出樁頂5 cm.12個(gè)土壓力盒共分兩組，第一組6個(gè)，高出樁頂3 cm.其中三個(gè)土壓力盒呈正三角形布置，位于圖2中標(biāo)號(hào)①②③的石膏樁頂部，用于測(cè)量土工格柵下部樁頂土壓力，另外三個(gè)位于正三角形的三邊中點(diǎn)(圖2中3個(gè)×處)，用于測(cè)量土工格柵下部樁間土土壓力；另一組高出樁頂10 cm，水平位置與上述6個(gè)土壓力盒對(duì)應(yīng)，分別用于測(cè)量土工格柵上部樁頂與樁間土土壓力。

圖1 模型試驗(yàn)正面示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment (main view)

圖2 模型試驗(yàn)示意圖(俯視)Fig.2 Schematic diagram of experiment (top view)

1.3 試驗(yàn)分組

試驗(yàn)共分3組，分別記為A，B和C組。各組間的區(qū)別在于土工格柵老化時(shí)長(zhǎng)的差異。它們的老化時(shí)長(zhǎng)為100 h(A組)、200 h(B組)和400 h(C組)。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 復(fù)合地基沉降

復(fù)合地基的承載能力與復(fù)合地基沉降值相關(guān)[9]，復(fù)合地基的p-s曲線是對(duì)地基承載能力最直觀的體現(xiàn)。兩個(gè)承受同等大小荷載的復(fù)合地基，沉降值越小的復(fù)合地基的承載能力越強(qiáng)；兩個(gè)沉降量相等的復(fù)合地基，承受荷載大的復(fù)合地基的承載能力強(qiáng)。圖3-5是三組試驗(yàn)的p-s曲線。

圖3 p-s曲線圖(A組)Fig.3 p-s curves (group A)

圖4 p-s曲線圖(B組)Fig.4 p-s curves (group B)

圖5 p-s曲線圖(C組)Fig.5 p-s curves (group C)

相關(guān)規(guī)范[10]認(rèn)為，若沉降量達(dá)到加載板短邊長(zhǎng)度的6%，復(fù)合地基即被破壞，觀察圖3-5發(fā)現(xiàn)：

1) A，B，C三組的復(fù)合地基被破壞時(shí)的對(duì)應(yīng)荷載分別為70 kPa，50 kPa和40 kPa，這說(shuō)明土工格柵老化時(shí)長(zhǎng)與復(fù)合地基承載能力相關(guān)。復(fù)合地基承載能力隨土工格柵的老化時(shí)長(zhǎng)升高而衰減，衰減速度先快后慢。

2) 載荷試驗(yàn)初期，沉降值不大，p-s曲線斜率較??；載荷試驗(yàn)中期，當(dāng)荷載達(dá)到某一值后，p-s曲線斜率急劇增大，土工格柵老化越嚴(yán)重，復(fù)合地基p-s曲線斜率也越大。

3) 對(duì)比三組的p-s曲線發(fā)現(xiàn)：A組p-s曲線存在由緩變陡的過(guò)程，而C組p-s曲線不存在由緩變陡的過(guò)程，B組p-s曲線形態(tài)介于二者之間，這說(shuō)明土工格柵老化時(shí)間越長(zhǎng)，p-s曲線隨荷載變化越劇烈。

4) 為方便研究，人們通常將地基總沉降分為三部分，即上部褥墊層沉降，中部樁體加固區(qū)沉降和底部持力層沉降。三組試驗(yàn)呈現(xiàn)了共同的特點(diǎn)：上部荷載很小時(shí)，褥墊層的沉降占總沉降比例較大，這說(shuō)明小荷載向下傳遞的深度有限；隨著荷載的增大，樁體加固區(qū)沉降速度非常快，在曲線的后半段，樁體加固區(qū)沉降曲線幾乎與總沉降曲線平行。

2.2 土工格柵應(yīng)變

雙向復(fù)合地基正常工作時(shí)，樁體加固區(qū)內(nèi)樁和土向下的位移不同，這主要是因?yàn)樗鼈兊哪Ａ看嬖诓町怺11-12]，沉降差異導(dǎo)致鋪設(shè)在墊層土上的土工格柵受拉并向下?lián)锨?。與此同時(shí)，荷載作用的土體存在向四周擴(kuò)散的趨勢(shì)，來(lái)自土工格柵和土粒之間的摩擦可以約束地基土向四周移動(dòng)，土體密實(shí)程度增加，孔隙比減小，復(fù)合地基承載能力提高[13-14]。所以研究土工格柵的應(yīng)變能夠分析復(fù)合地基的工作狀態(tài)。圖6是土工格柵應(yīng)變曲線。

圖6 土工格柵應(yīng)變圖Fig.6 Strain of geogrid

由上圖可知：

1) 在雙向復(fù)合地基中，土工格柵應(yīng)變隨上部荷載的不斷增大而增大。

2) 在雙向復(fù)合地基中，當(dāng)荷載不超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)(A，B組20 kPa，C組10 kPa)，土工格柵應(yīng)變?cè)龃笏俾蕵O低；若荷載超過(guò)該閾值，土工格柵應(yīng)變的增長(zhǎng)速度也將變大至某恒定值，該值與土工格柵老化時(shí)長(zhǎng)正相關(guān)。這說(shuō)明老化土工格柵對(duì)四周土體的限制作用有限。

若土工格柵的應(yīng)變過(guò)大，意味著土工格柵受到過(guò)大的應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間大應(yīng)力作用下的土工格柵極易發(fā)生蠕變甚至斷裂，被破壞的土工格柵不能正常發(fā)揮加筋作用，無(wú)法有效限制土粒位移和幫助荷載由土向樁轉(zhuǎn)移[13-14]。

由此得出：土工格柵老化情況越嚴(yán)重，荷載下大應(yīng)變的土工格柵會(huì)導(dǎo)致復(fù)合地基更大的變形、更小的承載能力和樁土應(yīng)力比。

2.3 樁土應(yīng)力比

樁土應(yīng)力比，即樁頂土的土壓力與樁間土的土壓力比值[15]，是反映樁土共同作用的指標(biāo)之一，樁土應(yīng)力比越大，意味著荷載分擔(dān)比越大，樁比土承擔(dān)更多荷載，在變形方面表現(xiàn)為復(fù)合地基沉降值減小，在承載力方面表現(xiàn)為承載能力更強(qiáng)[16]。圖7是A，B，C三組試驗(yàn)的樁土應(yīng)力比-荷載曲線，其中方塊線表示A組，三角線表示B組，圓圈線C組，實(shí)線表示土工格柵上部樁土應(yīng)力比(n上)，虛線表示土工格柵下部樁土應(yīng)力比(n下)。

由圖可知：

1) 雙向復(fù)合地基中，土工格柵上下的樁土應(yīng)力比存在差異，上側(cè)更小，下側(cè)更大；它們均隨荷載增大而增大，但下側(cè)樁土應(yīng)力比的增大幅度更大。

圖7 樁土應(yīng)力比n(A，B，C組)隨荷載的變化Fig.7 Pile-soil stress ratio(group A, B and C)

2) 荷載由上而下傳遞，土工格柵上側(cè)應(yīng)力場(chǎng)的分布沒(méi)有被土工格柵干擾，故土工格柵老化時(shí)長(zhǎng)和土工格柵上側(cè)附加應(yīng)力無(wú)關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

3) 荷載由上而下傳遞，土工格柵下側(cè)應(yīng)力場(chǎng)分布受到土工格柵的影響，模型試驗(yàn)顯示土工格柵下側(cè)樁土應(yīng)力比增長(zhǎng)速率與其老化時(shí)長(zhǎng)負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明老化土工格柵不利于樁土應(yīng)力比的發(fā)揮，對(duì)雙向復(fù)合地基的正常工作有不利影響。

4) 載荷試驗(yàn)后期，土工格柵下側(cè)的樁土應(yīng)力比增速放緩，B，C兩組均觀察到土工格柵下側(cè)樁土應(yīng)力比不再增大。筆者認(rèn)為，土工格柵下側(cè)樁土應(yīng)力比能夠達(dá)到的最大值是有限的，該值與土工格柵老化時(shí)長(zhǎng)有關(guān)，老化時(shí)間越長(zhǎng)，其值越小。

3 結(jié)語(yǔ)

本文建立室內(nèi)模型，將經(jīng)不同時(shí)長(zhǎng)老化的土工格柵作為雙向復(fù)合地基的橫向增強(qiáng)體，對(duì)復(fù)合地基的變形性狀、力學(xué)性能進(jìn)行了研究，揭示了土工格柵老化時(shí)長(zhǎng)對(duì)雙向復(fù)合地基性能的影響。主要結(jié)論有如下幾點(diǎn)：

1) 復(fù)合地基及其各組成部分沉降量、土工格柵應(yīng)變值隨土工格柵老化時(shí)長(zhǎng)增大而增大；復(fù)合地基承載能力、土工格柵下側(cè)樁土應(yīng)力比隨土工格柵老化時(shí)長(zhǎng)增大而減小，土工格柵上側(cè)樁土應(yīng)力比與土工格柵老化時(shí)長(zhǎng)無(wú)關(guān)。

2) 載荷試驗(yàn)中，復(fù)合地基不少參數(shù)隨荷載增大而增大，但它們的變化率有所不同?？傮w來(lái)說(shuō)，復(fù)合地基沉降變化率隨荷載增大而急劇增大；土工格柵應(yīng)變變化率基本恒定；土工格柵上下樁土應(yīng)力比變化率慢慢減小。

3) 土工格柵經(jīng)過(guò)老化后，相較于褥墊層和持力層，樁體加固區(qū)在復(fù)合地基各部分中占總沉降值比例最大。