土工格室在软土地基处理中的应用与研究

V ol 121　N o 14

公　路　交　通　科　技

2004年4月

JOURNA L OF HIGHWAY AND TRANSPORT ATION RESEARCH AND DEVE LOPMENT

文章编号:1002Ο0268(2004)04Ο0037Ο03

收稿日期:2003Ο03Ο04

作者简介:张胜(1968-),男,安徽合肥人,同济大学硕士研究生,高级工程师,主要从事道路岩土工程方面的工作1

土工格室在软土地基处理

中的应用与研究

张　胜,赵华宏

(安徽省公路勘测设计院,安徽　合肥　230041)

摘要:土工格室是近年来发展的一种新型土工合成材料,其工程性能优越,替代传统加筋材料,被广泛应用于现代土木工程领域,但目前工程经验不足,设计方法也不成熟。本文介绍了土工格室在安徽省高等级公路软土地基处理中的应用情况,就其计算方法尝试采用有限元数值法计算,并提出两种单元处理模型。关键词:高等级公路;软土地基;土工格室;加筋垫层中图分类号:U4121366 文献标识码:A

Study on Application of Cellular Geogrid System in Soft Ground Treatment

ZH ANG Sheng ,ZH AO Hua Οhong

(Highway Survey and Design Institute of Anhui Province ,Anhui Hefei 230041,China )

Abstract :The cellular geogrid system is new geosynthetics that have predominant engineering property ,instead of general rein forcement materials ,be widely applied in civil engineering currently 1Owing to lack of engineering experience ,there is no standard design method s o far 1This paper presents the application of the cellular geogrid system in expressway s oft ground treatment in Anhui province 1It attempts to compute its effect by the finite element method ,and puts forward tw o m odes of element m odel to simulate the cellular geogrid system 1K ey words :Expressway ;S oft ground ;Cellular geogrid system ;Rein forcement bedding

我国东南沿海、内陆省份甚至西南山区均有不同

成因的软土分布,软土路堤由于沉降、不均匀沉降大,路基稳定性差,容易引起路面开裂、路基失稳、桥头跳车等不良现象的发生,是目前高等级公路建设

中的一项重要研究课题[1～3]

。土工格室这一新型材料取代传统土工材料逐渐被人们用于软土地基处理中。安徽省软土分布广泛,本文结合安徽省软土地区高等级公路建设经验,就土工格室在软土地基处理中的应用情况加以论述。

1　安徽省软土主要成因及工程地质特性

安徽省位于长江中下游,沿安庆、贵池、铜陵、

芜湖、马鞍山一线有条带状厚层软土分布。具有典型的河漫滩相成因,软土成层情况较为复杂,成分不均一,走向和厚度变化较大,平面分布不规则,常成带

状、透镜状,间或与砂或泥炭互层,底部有砂层分

布。物理力学性质及透水性较差,主要物理力学指标见表1。 长江河漫滩冲积相软土物理力学性质指标表1

项目

含水量(%)

湿密度(g Πcm 3)

天然孔隙比液性

指数

渗透系数(10-6cm Πs )

压缩

系数

(1ΠMPa )压缩模量(MPa )

十字板抗剪强度

(kPa )

河漫滩相3810～5914

1162～1178

11023～11676

1104～1196

011～516

0166～1173

1151～4144

2012～3212

2　土工格室工程性能211　作用机理

土工格室是用高密度聚乙烯片(H DPE ),经强力

焊接,成为蜂窝状结构,填充土石或混凝土,可构成强大侧向限制的大刚度结构体。可用于加固地基、筑

路、边坡防护等工程。

土工格室用于软土地基处理,其作用机理与其它土工复合材料(土工布、土工网或格栅等)有所不同,土工格室是一种三维网格,除具有一般土工加筋材料的作用外,格室产生横向限制力及网格壁的摩阻力,这种机能可使填方不会被挤压进入松软地基中,并产生一种粘固及弹性的架桥作用,这种大刚度板结构可防止土方因载重变形,并可大大减小传至软土地基的附加应力。当上部荷载不超过地基承载力极限值时,即使地基变形仍不影响上部结构本身的整体性。

土工格室加筋垫层,不仅起加筋作用,而其本身的土Ο梁作用机理形成一种大刚度板结构,增强地基的整体性,并有效降低传到天然地基土上的附加应力,从而提高垫层承载力,减小地基沉降及不均匀沉降。试验表明加筋土垫层的应力扩散角大约为70°,普通垫层应力扩散角一般30°左右,当HΠB=015时,加筋垫层扩散应力范围可达4B。土工格室加筋垫层的土Ο梁作用使土体一定深度内竖向附加应力有所减小,使应力在断面上分布更均匀,这样不但减小了路堤中线的沉降量,还减少了路堤底面的不均匀沉降,据研究路基中线沉降量可降低10%～15%。

212　施工工艺

土工格室大面积铺设应保证其整体性,一般接头采用对接,片材采用特制的连接件连接拉紧,铺设完毕后,一般人工向土工格室内填筑中粗砂或级配碎石并密实,再在土工格室上再铺5cm厚的砂垫层,然后再填土,从两边向中间进行,先用推土机压实,然后压路机碾压。其施工工序:整平场地→铺幅放样→与前幅边缘对接并用连接件连接→端头锚固→填筑中粗砂或碎石→满铺5cm厚砂垫层→填土。

3　设计方法

土工格室加筋垫层设计方法基本与普通垫层设计内容相同,包括垫层承载力设计、垫层厚度、宽度、整体稳定性验算以及变形复核等[4]。

311　承载力计算

土工格室加筋垫层承载力设计计算目前全国还没有统一计算方法,一般有经验法、查表法及公式计算法几种,但土工格室加筋垫层与普通垫层略有不同,采用应力扩散角法其应力扩散角应合理取值。按承载力公式计算时,普通垫层承载力计算公式见(1)式,加筋垫层承载力公式见(2)式,其余计算方法可参见有关规范规程。

P=cN CζC+qN qζq+015γBNγζγ(1)

P=2τ+cN CζC+qN qζq+015γBNγζγ(2)式中,P为极限承载力;c为粘聚力;q为附加荷载

(q=γ

q

D q);γq为格室内土的容重;D q为格室高度;γ为破坏区土的容重;B为所施加压力系统的宽度;

τ为土工格室与其间土的抗剪强度(τ=σ

h

tanδ);σh

为格室内的均应力(σ

h

=pK a);K a为主动土压力系

数;δ为土与格室墙体间的摩擦角;N

C

、N

q

、Nγ为

承载力系数(与土的内摩擦角有关);ζ

C、

ζ

q、

ζγ为形状系数。

312　稳定性验算

边坡稳定是路基设计的关键,验算方法分极限平衡理论法和有限元法两大类,一般常用前者。极限平衡理论法具体要根据软土厚度、路基填土高度及其物理力学性质等因素加以分析,找出潜在滑动破坏面,依据不同的破坏形式进行计算,加筋材料的作用相当于增加一个抗拉力,而这个抗拉力就是筋材克服摩阻力所发挥的强度,同时要考虑筋材对潜在滑动面的影响。作者认为用这种方法计算土工格室加筋处理路堤稳定性不太妥当,因为土工格室是一种三维网格,与其中的密实填料共同形成一种板结构,其不仅能发挥水平向摩阻力作用外,还能分担扩散竖向作用力,因而建立合理的模型单元用有限元法进行分析比较符合土工格室的作用机理。以下就作者初步尝试的两种模型处理方法加以简介,以供同行探讨。

模型1:节理单元。目前国内外已提出多种节理单元模型,最先是为研究岩体结构力学,模拟岩体软弱结构面而提出的,最早提出而又使用最广泛的是古德曼(G oodman)节理单元[5],是一种假想的无厚面结构,但其能传递压力及摩阻力,见图1(a)。土工格室为软土路堤的一相对强结构面,但其作用机理一致,土工格室垫层传递扩散垂向土压力,并依靠摩阻力发挥侧限作用,因而将土工格室及其周围一定厚度范围内的填料抽象为节理单元进行模拟。其刚度矩阵依据增量理论用变刚度法求得,其余同一般有限元计

算。节理单元材料参变量有:k

s为切向应力刚度, kNΠm;k n为法向应力刚度,kNΠm;γ为容重(格室+填料得复合容重)kNΠm3;c为格室与填料之间的

粘聚力,kPa;<为格室壁与填料之间的摩擦角;v

m 为容许相对变形量,m。

其单元刚度矩阵

[k]e=t∫

lΠ2

-lΠ2

[B]T[k e][B]d x(3)

模型2:板单元+接触面单元。由于土工格室的

公路交通科技　2004年　第4期