基于室內(nèi)試驗土工材料對地基力學(xué)性能增效分析

楊 錦

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710)

1 工程概況

本次研究的水利船閘工程位于曲江烏石至三水河口，分為新建二線船閘及重建一線船閘。新建二線船閘及重建一線船閘工程為白石窯樞紐的改、擴(kuò)建工程，白石窯航電樞紐工程等別為二等。場地地層分布總體較穩(wěn)定。主要土層有：表層填石、填卵石及黏性土，稍濕，松散-稍密，地基承載力差，中等-強(qiáng)滲透性；其下2-1層粉質(zhì)黏土，可塑-硬塑，地基承載力一般，微滲透性；其下為2-3層卵石土層，中密-密實，地基承載力好，中等-強(qiáng)滲透性。下伏基巖主要為石炭系下統(tǒng)石磴子組灰?guī)r，地基承載力好。基巖中一般發(fā)育溶洞，一般充填砂卵礫石土，滲透性中等-強(qiáng)，局部充填黏性土，滲透性微[1-5]。

2 試驗材料與設(shè)計

2.1 試驗材料

在本次研究中，采用厚度為0.56 mm的聚乙烯聚合物材料制成的雙向土工布作為地基土加固材料，同時使用工程區(qū)域河砂和粉質(zhì)黏土作為室內(nèi)試驗地基土組成部分。土工布、砂和粉質(zhì)黏土的工程特性見表1。

表1 試驗材料性質(zhì)

2.2 試驗設(shè)計

本研究中使用的模型水箱由鐵水泥制成，內(nèi)部尺寸為900 mm，長寬均為900 mm，其設(shè)計方式是，長度和寬度至少是基腳尺寸的9倍，因此在進(jìn)行板荷載試驗時，不會對邊界產(chǎn)生任何影響。本研究中使用了兩種不同形狀的地基基礎(chǔ)，即方形基礎(chǔ)和圓形基礎(chǔ)。方形基礎(chǔ)的尺寸為100 mm×100 mm，厚度為30 mm。圓形基礎(chǔ)的直徑為100 mm，厚度30 mm。

制樣時，使用重量為148 N的圓形鋼錘將軟粉土填充在儲層中，達(dá)到預(yù)定的密度。然后將沙子填充到鋼筋的底部并壓實，并將鋼筋放置在其中心正下方并鋪上土工布，鋪設(shè)尺寸為40 cm×40 cm 或80 cm×80 cm，然后填充沙子，最后開始試驗測量相應(yīng)的沉降，直到試樣破壞。本次實驗中土工布鋪設(shè)層數(shù)分別為1層、2層、3層或4層，試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置

3 試驗結(jié)果分析

3.1 圓形基礎(chǔ)應(yīng)力沉降曲線(40 cm×40 cm)

圖2給出了地基不同層土工織物應(yīng)力與沉降曲線，加固y軸為地基沉降，x軸為應(yīng)力。由圖可知，土工布提高了地基承載能力，顯著降低了土壤沉降，這是由于地基下沉，土工布內(nèi)產(chǎn)生拉力分擔(dān)了荷載，將其分散傳遞于與土工布緊密相貼的周圍地基土層上，從而提高地基承載力。與未加固地基相比，具有4層土工織布的地基承載能力提高近2.14倍。此外，在未加固的地基土層中，土的破壞特征是局部剪切破壞，而加固土(1層、2層、3層或4層土工織物)則普遍表現(xiàn)出剪切破壞。本次實驗中，當(dāng)?shù)鼗鶓?yīng)力達(dá)到850 kPa左右時，未加固地基沉降達(dá)到24 mm左右，而加固后第4層土工織物沉降僅為4.9 mm[6]。

圖2 地基不同層土工織物應(yīng)力與沉降曲線

3.2 方形基礎(chǔ)應(yīng)力沉降曲線(40 cm×40 cm)

圖3給出了方形基礎(chǔ)下，不同層土工織物應(yīng)力與沉降曲線。由圖可知，基礎(chǔ)形狀對地基變形趨勢無較大影響，試驗結(jié)果同樣表明土工布對地基承載能力的明顯提高效果。與未加固地基相比，具有4層土工織布的方形地基承載能力提高近2.33倍，要大于圓形基礎(chǔ)的試驗結(jié)果，說明基礎(chǔ)形狀對地基變形存在一定影響。此外，在未加固的地基土層中，土的破壞特征是局部剪切破壞，而加固土(1層、2層、3層或4層土工織物)則同樣表現(xiàn)出剪切破壞[7-15]。本次實驗中，當(dāng)未加固地基應(yīng)力達(dá)到700 kPa左右時，地基出現(xiàn)破壞，此時沉降為23 mm，表明方形基礎(chǔ)會降低地基承載力，而加固后第4層土工織物沉降為5.0 mm。

3.3 圓形基礎(chǔ)應(yīng)力沉降曲線(80 cm×80 cm)

圖4給出了土工布鋪設(shè)尺寸為80 cm×80 cm時，圓形基礎(chǔ)不同層土工織物應(yīng)力與沉降曲線。由圖可知，土工布加固雖然明顯提高了地基承載能力，顯著降低了土壤沉降，但相比于鋪設(shè)尺寸為40 cm×40 cm圓形基礎(chǔ)沉降結(jié)果，鋪設(shè)尺寸越大反而降低了地基承載力。其中40 cm×40 cm圓形基礎(chǔ)承載力為850 kPa，而80 cm×80 cm圓形基礎(chǔ)承載力降低至700 kPa，相差150 kPa。這是由于土工布鋪設(shè)面積增大，土工布內(nèi)產(chǎn)生拉力小，分擔(dān)的荷載小，從而將更多的荷載傳遞至地基中，增大了地基應(yīng)力。本次實驗中，與未加固地基相比，具有4層土工織布的地基承載能力提高近2.1倍。

圖4 土工布鋪設(shè)尺寸為80 cm×80 cm時圓形基礎(chǔ)應(yīng)力與沉降曲線

3.4 方形基礎(chǔ)應(yīng)力沉降曲線(80 cm×80 cm)

圖5給出了土工布鋪設(shè)尺寸為80 cm×80 cm時，方形基礎(chǔ)不同層土工織物應(yīng)力與沉降曲線。由圖可知，當(dāng)土工布鋪設(shè)尺寸為80 cm×80 cm時，方形基礎(chǔ)土工布加固效果明顯優(yōu)于圓形地基，達(dá)到800 kPa以上。另一方面，隨著土工布層數(shù)增加，地基承載力也隨之增加，與之前試驗規(guī)律保持一致。本次試驗中，當(dāng)?shù)鼗鶓?yīng)力達(dá)到800 kPa時，地基沉降為24 mm，而具有4層土工織布的地基沉降僅為5 mm。

圖5 土工布鋪設(shè)尺寸為80 cm×80 cm時方形基礎(chǔ)應(yīng)力與沉降曲線

為分析不同試驗因素對地基性能的影響，圖6給出了不同形狀地基基礎(chǔ)和不同土工織物鋪設(shè)尺寸下地基的應(yīng)力與沉降曲線。由圖可知，圓形基礎(chǔ)下使用4層40 cm×40 cm的土工布對地基承載力提高的效果最佳。此外，40 cm×40 cm土工布在圓形基礎(chǔ)中的性能與鋪設(shè)尺寸為80 cm×80 cm土工織物的方形基礎(chǔ)相比，地基承載能力增大1.2倍左右。因此，在給定應(yīng)力下，80 cm×80 cm的土工布加固尺寸具有更大的位移。值得注意的是，較大尺寸土工布加固的地基破壞是漸進(jìn)的，而較小尺寸的土工布加固的地基表現(xiàn)出脆性破壞。

圖6 不同試驗因素下地基的應(yīng)力與沉降曲線

4 結(jié) 論

本文以廣東某水利工程為例，采用現(xiàn)場地基土材料，基于室內(nèi)地基承載力試驗研究了不同土工材料尺寸和布置層數(shù)對地基沉降的影響，同時分析了圓形基礎(chǔ)和方形基礎(chǔ)對加固地基承載力的影響。研究結(jié)果表明，土工布能夠明顯提高地基承載能力，顯著降低土壤沉降，且隨著土工布層數(shù)的增加，地基承載力也隨之增加。同時，不同地基基礎(chǔ)形狀和不同土工織物鋪設(shè)尺寸對地基承載力同樣有明顯影響。其中，圓形基礎(chǔ)下使用4層40 cm×40 cm的土工布對地基承載力提高的效果最佳。此外，40 cm×40 cm土工布在圓形基礎(chǔ)中的性能與鋪設(shè)尺寸為80 cm×80 cm土工織物的方形基礎(chǔ)相比，地基承載能力增大1.2倍左右。