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软土上土工格栅或土工格栅加筋砂垫层的模型研究
华宝洲，薛学军
上海市政工程设计总院，上海2004.3.4
2006年11月1日收到; 2007年10月6日以修订形式收到; 于2007年10月18日接受
摘 要
将一层或两层土工合成材料置于砂垫中，以创建复合层，在软土地基上具有改善的承载能力。报告有四个测试组。结果表明，通过提供土工格室增强的沙垫，可以显着减少下面的软土的沉降。 路基反应系数K30提高了3000％，变形减少了44％。非加筋沙垫的表土土压力大于加筋群，尤其是土工格室加筋沙垫。
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关键词：加筋沙垫; 软土; 沉降
第一章 简介
在软土或软土上建造建筑物和其他土木工程结构会带来一定的风险，因为这些土壤容易发生不均匀沉降，并且表现出较差的抗剪强度和较高的可压缩性（Prabakar等，2004; Tang等，2007）。 土壤承压能力的提高可以通过各种地面改良技术来实现，包括土壤的稳定或加固的引入（Hinchberger and Rowe，2003; Zhao et al。，1997）。 为了改善土壤的工程特性，在土壤中掺入强化包裹体是一种有效可靠的技术（Dash et al。，2003; El Sawwaf，2007; Fannin and Sigurdsson，1996; Hufenus et al。，2006; Latha and Murthy， 2007; Maharaj，2003; Zia等，2001; Mhaiskar和Mandalt，1996; Park和Tan，2005; Patra等，2005; Rowe和Li，1999; Watts等，2004; Yetimoglu等，2005）。
本研究基于秦沉铁路（秦皇岛至沉阳）的软土地基问题。 实验室模型试验的目的是分析不同类型的土工合成材料增强沙垫的影响。测试使用覆盖软土的土工格栅或土工格栅加固的沙垫进行。在横截面的不同位置测定了定居点，并推断出在不同的施加压力下软土表面的土压力和土工格栅的张力。
实验室模型测试的相似性条件分析
实验室模型试验根据相似理论设计。
（1）材料相似性：在模型试验中使用与原型相同的介质（软土，土工格栅和土工格室）。
（2）压力相似性：使用加压气囊来模拟路堤荷载。使用柔性气囊在整个区域内提供相对均匀的施加压力分布，并且因此在增强沙垫的表面上的有效应力更均匀分布。施加压力增量来模拟堤防填充。施加的压力强度与原型相同。
（3）灵活的侧向边界：在模型试验中使用了灵活的侧向边界。为了获得灵活的边界（通过在土壤和箱体侧壁之间填充水的方式获得），可以自由移动（Moraci and Recalcati，2006）。
（4）物理力学参数相似性：模型试验中的几何相似性参数为CL5。模型试验中使用的材料与原型相同。因此，相似性参数如下获得：
其中Cg，Cc，Cf分别为单位重量，内聚力和内摩擦角的相似参数; gp，Cp，fp分别为原型材料的单位重量，内聚力和内摩擦角; gm，Cm，fm分别为模型材料的单位重量，内聚力和内摩擦角。 根据尺寸分析的方法：
其中q，Cq，qp，qm分别是施加压力，施加压力的相似性参数，原型施加压力和模型施加压力。 CS，CE是沉降的相似参数和土壤的杨氏模量。
因此，qm qp = Cq 1 = 5qp，即模型重力压力应降至原型重力压力的20％。 理论上讲，在模型中采用原型材料是不合适的测试。在此不考虑重力的影响，因此模型试验的外部压力等于原型的外部压力是适用的。
土工合成材料加固的机理
3.1 Confinement效应（Hufenus等人，2006）
填料和土工合成材料之间的摩擦相互作用和连锁抑制了骨料颗粒在路基和填料之间的界面处。 加固件可以吸收路基和填充物之间的附加剪应力，否则这些应力会施加到软路基上。 这改善了路基上的压力分布并因此减少了沉降。
3.2.Pocket效应（Dash等人，2001; Rajagopal等人，1999）
口袋效应是由于垂直变形而产生的，这会在张紧的土工合成材料中形成凹形。 由于它的刚度，弯曲的增强材料施加一个向上的力来支撑施加的压力，从而提高了承载力（Perkins等，1999）。 这种材料起到张拉膜的作用，软土路基上的压力小于施加在上凹侧上的填料上的压力。
3.3.筏板基础效应和应力分散效应（Bathurst and Knight，1998; Cowland和Wong，1993）
形成三维聚合蜂窝状结构的土工细胞通过接缝相互连接，与填充物相互作用，构成土工格室 - 土体复合材料，具有抗弯曲性，拉伸强度和抗剪强度。 这种复合材料可以被认为是一种灵活的木筏基础。 它由于其刚性而将其拦截在潜在的破坏面上，并将它们压入基础土壤中，从而增加了路基的承载能力。
第四章 空白仪器
模型测试是在大型测试仪器中进行的。 一个示意图如图1所示。额外的垂直应力随着路基深度呈指数衰减，随着深度的增加而变小。 这里采用170厘米作为路基高度。
测试箱由尺寸为306厘米（长）118厘米（宽）200厘米（深）的钢板制成。 软土路基均匀地放置在六层中。 湿密度，干密度和含水量由核密度计测定以控制填充质量。 气囊被放置在路基上。 压力由一个油塞施加。 水袋填充在土壤和盒子侧壁之间。 在软土表面或沙垫表面测量了评估压实质量的路基反力系数K30的值。
图1.测试设备的示意图
第5章 材料和仪器
测试中使用秦沉铁路粘土软土。测试系列中使用两种商业可用的土工合成材料，即土工格栅SDL-25和土工格室TGL-340-150。
水力沉降计包括注水系统，静压传感器和沉降管。工作机制如图2所示。监测仪的主要部分是静水压传感器。沉降值是根据静水压力获得的，当传感器位于不同位置时，静水压力是不同的。
用电阻应变仪测量土工格栅的变形。 土压力盒是JXY-4土压力传感器，其范围为0.6 MPa（变频器制造商丹东琼龙）。 将压力单元放置在压力区域中心下方的沙垫和软土的界面处。 细胞被用来测量它们之间的垂直应力。
图2水力沉降仪的示意图
第6章 实验设计
总共设计了四组（如图3所示）来检查土工合成材料对软土沉降的影响。
（1）第一组：30厘米沙垫，覆盖软土。
（2）第二组：放置在沙垫内的一层土工格栅。
（3）第三组：两层土工格栅，均匀放置在沙垫内。
（4）第四组：一层土工细胞，放置在沙垫上。
检查点的安装。
如图3所示，为地表沉降，土工格栅的张力和土压力安装了检查点。
图3 实验设计方案：（a）第一组; （b）第二组; （c）第三组; （d）第四组。 土压力盒（K）。 测量位置：沉降（米）和张力（#39;）。
- 测试程序
（1）准备土壤并粉碎，然后与预定量的水混合。 将该混合物培养2天，制备钢箱。 侧面的水袋被放置在钢盒中。
（2）将第一层软土置于钢箱中，用于测定湿密度和干密度，并通过核密度计测定含水量
（3）重复第二道工序，将钢箱均匀填充第二层至第六层软土; 测量第六层土壤的表面K30。
（4）根据设计，在路基准备完成后，安装土压力盒和土工合成材料。 沉降管被放置在沙垫上。
（5）安装了气囊，并将两个侧面水袋充满水。
（6）将土压力盒与频率记录仪连接，读取初始数据。
（7）压力主要以0.02MPa的增量施加。 在不同的压力下测量得到的沉降物和土压力盒的频率。
（8）另一组重复。 对于第二组和第三组，应变片连接到与土工格栅连接的一块铜上。
（9）对使用的土压力盒和应变仪进行校准，并对数据进行综合分析。
- 结果与讨论
软土和砂垫的物理和力学性能见表1和表2.其粒度分布见图4。
8.1土工格栅和土工格室的物理力学性能
测试土工格栅的宽度为50毫米。 该土工格室的宽度为40毫米，长度为200毫米。此处剪切速率为5072mm / min，土工格栅的抗拉强度为29.2kN / m，土工格室的抗拉强度为21.4kN / m。 土工格栅的伸长率为17.8％。拉伸应力在5％应变下为20kN / m，在2％应变下为10kN / m。 断裂强度为280kN / m。
8.2填充测试
结果显示了四组的压缩情况。铺设沙垫，单层土工格栅加筋沙垫和土工格室加筋沙垫后，K30值分别比软土提高了1600％，2600％和3000％ - 土壤表面。土工格栅加筋沙垫的K30增加可能是由于表观内聚力的改善（Rajagopal等，1999）。对于土工格室加固的沙垫，土的表观粘结力和内摩擦角均显着增加，导致软土强度和刚度特性的改善（Tang等，2007; Zhang等。，2006）。
但是，放置两层土工格栅加筋沙垫后，K30与一层土工格栅加筋沙垫放置后相比，提高了0.1％。这表明通过添加一层或两层土工格栅改善路基压实度略有不同，并且随着层数的增加效率降低（El Sawwaf，2007; Yoon等，2004）。
8.3四组的解决
8.3.1第一组的解决
结果显示了施加压力和不同点处沉降之间的关系。由于它们的对称位置，第二点和第四点之间以及第一点和第五点之间的沉降趋势相似。 第三点（居中）的结算量最大，随着施加压力的增加，结算量迅速增加。
8.3.2土工格栅加固的砂垫组的沉降
结果显示，不同地点的居民点趋于平等，并且在加入土工格栅加固的情况下减少。其中一个原因是土工格栅加筋砂垫层可以调节软土的应力场以减小其剪应力。另一个原因是口袋效应导致一部分施加的压力转化为界面处的剪切摩擦，这导致了垂直施加的压力和沉降的减小（Hufenus等人，2006; Perkins和Ismeik，1997年）。
8.3.3土工格室加固的沙垫组
结果显示，与土工格栅加筋砂垫层相比，不同点处的沉降倾向于相对更均匀。
土工细胞通过摩擦和口袋内土壤的全面封闭提高了强度，完全阻止了土壤的横向扩展。 土工细胞袋内的封装砂表现为相对刚性的床垫。 这种刚性床垫将施加的压力重新分布在更大的区域上，并通过调节摩擦阻力来支撑所施加的压力，从而降低下面的软土上的压力，由此引起性能的提高（Kazimierowicz-Frankowska，2007; Rajagopal et al。 ，1999）。
8.3.3抗变形能力
当施加压力为0.08MPa时，第二组到第四组的变形分别比第一组降低约39％，40％和44％。
8.4土工格栅张力
图1和图2显示了土工格栅张力与施加压力之间的关系。 10和11.第四点的张力最小，中心点的张力相对较大。 第三点的紧张局面在中间。 结果还表明，随着土工格栅层数的增加，张力将分布均匀。 在0.06 MPa时，张力增大表明土工格栅与砂土的界面剪切摩擦力显着增强，并且相应增加。 当土工格栅变形大大增加时，钢筋充分显示。 在施加压力的初始阶段，由于填充物的低压实，发生了垂直压缩变形。在此过程中，土工格栅不能与填土充分相互作用，而土工格栅 - 土壤复合材料的结构不能很好地工作。 所以补强效果不明显。 随着施加压力的增加，路基越来越紧密，复合材料的结构变得足够强大，从而限制了路基的变形。
附表 1
软土的物理性质
材料 单位重量 g
(kN/m3)
含水量o
(%)
压缩系数av1-2(MPa—1)
压缩模量Es (MPa)
平均土壤相对密度
未确定的抗压强度q0u (kPa)
软土 19.5 27.1 0.44 3.675 2.71 24.0
液体极限WL(%)
塑料极限WP
(%)
塑性指数
IP
最佳含水量Wopt (%)
最大干密度gdmax(kN/m3)
凝聚力c (kPa) 内部的角度
摩擦 (deg)
30.4 20.3 10.1 14.5 18.27 3.0 6.7
表 2
沙子的物理和力学性质
材料 密度
最小空隙率emin
最大空隙率emax
最小干密度
rdmin (g/cm3)
最大干密度
rdmax(g/cm3)
Sand 2.67 0.417 0.724 1.549 1
图4 软土（a）和砂（b）的分级曲线。
9.结论
已经报道了四项测试的结果，用于检查由于土工合成材料放置在沙垫中以产生复合层而导致的软土的承载能力的改善。结果表明，通过提供土工格室增强的沙垫，可以显着减少下面的软土的沉降。路基反力系数K30提高了3000％，变形减少了44％。非加筋砂垫层的表土土压力大于加筋群，尤其是土工格室加筋砂垫层。lt;
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