劉磊

摘要：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。為揭示碎石墊層與加筋碎石墊層的工作特性，本文采用大比例模型試驗(yàn)，研究了土工格柵對(duì)碎石墊層剛度的影響，并采用FLAC3D對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了碎石墊層和加筋碎石墊層的豎向應(yīng)力場(chǎng)、豎向位移場(chǎng)隨荷載增加的變化規(guī)律。研究表明：在相同荷載作用下，加筋碎石墊層的沉降明顯小于碎石墊層的沉降；加筋碎石墊層的豎向應(yīng)力增量及其影響范圍、沉降影響范圍及沉降量均比碎石墊層的小，并且加筋碎石墊層的應(yīng)力核心區(qū)和零位移區(qū)的范圍也有所減小。

關(guān)鍵詞：碎石墊層；土工格棚；剛度；應(yīng)力場(chǎng)；位移場(chǎng)

中圖分類號(hào)：U416.214

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0422（2013）05-0118-03

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引言

復(fù)合地基技術(shù)的一個(gè)基本假定就是使樁體與樁周土共同作用。為了有效發(fā)揮復(fù)合地基中樁與樁周土的協(xié)調(diào)變形，有效改善復(fù)合地基中樁體的應(yīng)力分布，黃熙齡先生提出：在承臺(tái)下設(shè)置合適的褥墊層，能有效地調(diào)節(jié)地基土中的樁一土荷載分擔(dān)比，也能充分發(fā)揮地基中樁、樁周土的承載性能，從而達(dá)到提高復(fù)合地基的承載和減小地基沉降的目的。

通常情況下，褥墊層材料為散體材料，如砂、碎石等。但隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)單一的砂、石墊層剛度較小，不能很好地適應(yīng)工程需要。為克服單一材料墊層的這種不足，工程出現(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，從而形成了加筋墊層。加筋墊層技術(shù)在工程中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，引起了廣大研究人員的高度重視。Sharma等進(jìn)行了土工格柵加固散體材料樁基礎(chǔ)的載荷試驗(yàn)，結(jié)果顯示：土工格柵能較好地改善軟土地基工作性狀，能有效地提高散體材料樁的承載力，減小地基沉降，并且通過(guò)增加格柵數(shù)量和減小格柵的間距能更好地發(fā)揮其工程性狀；Alawajil基于試驗(yàn)結(jié)果，研究了土工格柵加筋砂中土工格柵的蠕變特性，探討了位移速率對(duì)土工格柵加筋砂土剛度和承載力的影響；Zidan采用有限單元法，對(duì)比分析了靜荷載、動(dòng)荷載作用下土工格柵加筋砂的工作特性，探討了格柵層數(shù)、第一層格柵深度、格柵間距等對(duì)土工格柵加筋砂承載特性的影響；Chen等通過(guò)改進(jìn)的土工格柵模型，運(yùn)用ABAQUS分析了加筋土中土工格柵與土的相互作用；劉春等基于土工格柵處理高速公路軟基沉降問(wèn)題的分析，采用有限單元法對(duì)土工格柵加筋路堤進(jìn)行了計(jì)算；羅強(qiáng)等基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了土工格柵、土工格室加筋墊層對(duì)路基沉降變形的影響，并指出：土工合成材料加筋砂墊層能有效減小軟土地基在上部路堤荷載作用下的沉降變形。黃仙枝等、劉毓氚等研究了加筋墊層的應(yīng)力擴(kuò)散特性，分析了加筋層數(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。張福海和俞仲泉基于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。楊明輝等基于平截面假定，引入疊梁計(jì)算理論，分析了疊梁彈性模量與疊梁撓度及荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了土工格室加筋墊層剛度的解析算法。

褥墊層的工作性狀對(duì)復(fù)合地基的諸多工作特性均有較大影響，加筋墊層更是如此，如加筋墊層的厚度、土工合成材料的剛度、加筋層數(shù)、加筋位置等都對(duì)復(fù)合地基的承載力及沉降具有影響。盡管國(guó)內(nèi)外針對(duì)砂、石墊層及加筋墊層均有過(guò)一定研究，然而由于墊層工作的復(fù)雜性和工作條件的多變性，本文將采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究剛性基礎(chǔ)下墊層與加筋墊層的工作性狀，探討不同墊層厚度、土工格柵層數(shù)、土工格柵布置位置等因素對(duì)墊層及加筋墊層應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的影響，為加筋墊層的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 模型試驗(yàn)

為探討剛性基礎(chǔ)下碎石墊層與土工格柵加筋墊層的工作性狀方面的差異，共進(jìn)行了2個(gè)模型靜載試驗(yàn)（如表1所示）。

模型試驗(yàn)在長(zhǎng)×寬×高為1.5×1.5×0.5m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10～20mm范圍內(nèi)，其物理力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

土工格柵采用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，試驗(yàn)用土工格柵的尺寸為1.0×1.0m，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

試驗(yàn)的加載系統(tǒng)如圖1所示。載荷板采用20mm厚的鋼板，其邊長(zhǎng)為70.7cm。載荷板的沉降觀測(cè)采用千分表。靜載試驗(yàn)嚴(yán)格按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2為碎石墊層與加筋碎石墊層的荷載一沉降關(guān)系曲線。

由圖2可以看出：1）隨著荷載的增大，2種工況下墊層的沉降呈線性增加；2）在相同荷載作用下，純碎石墊層的沉降大于加筋碎石墊層的沉降。

以上現(xiàn)象表明：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。

此時(shí)，由圖2可得以上4種工況下加筋墊層的變形模量（如表4所示）。

4 數(shù)值模擬與分析

為能更好地分析碎石墊層的工作性狀，深入研究墊層參數(shù)變化對(duì)墊層應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的影響，本文采用FLAC3D通過(guò)編寫命令流對(duì)剛性基礎(chǔ)下的碎石墊層進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析各參數(shù)變化對(duì)碎石墊層、加筋碎石墊層的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的影響。

4.1計(jì)算模型的建立

為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，本節(jié)在選擇計(jì)算模型時(shí)假設(shè)：同種材料為均勻、各向同性體。

4.1.1土體、碎石、載荷板計(jì)算模型選?。赫惩恋鼗退槭瘔|層采用FLAC內(nèi)嵌的Mohr—Coulomb彈塑性模型來(lái)模擬，采用彈性各向同性模型模擬載荷板。

4.1.2土工格柵計(jì)算單元選?。焊駯艈卧趯?shí)際工作中只能承受拉應(yīng)力，不具有抗壓性能和抗彎剛度。許多研究表明：土工格柵可看成是只有軸向變形的一維單元，在一定荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系還處在線彈性范圍內(nèi)。根據(jù)已有研究基礎(chǔ)與成果，本節(jié)土工格柵單元被視為薄膜單元，故其本構(gòu)關(guān)系選取線彈性計(jì)算模型。

4.2基本模型與計(jì)算參數(shù)

4.2.1碎石、土工格柵、載荷板的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)均按照模型試驗(yàn)參數(shù)取值。

4.2.2加載過(guò)程：根據(jù)前述模型靜載試驗(yàn)的加載過(guò)程，即載荷板頂施加的荷載分別為20kPa、40kPa、60kPa、80kPa、100kPa、120kPa、140kPa、160kPa，每級(jí)荷載計(jì)算時(shí)步均取100步。

4.3加筋墊層的應(yīng)力場(chǎng)

圖3為兩種工況下墊層的荷載-沉降關(guān)系的數(shù)值模擬曲線與實(shí)測(cè)曲線。從圖3可看出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果十分接近，從而證實(shí)了本節(jié)所建立數(shù)值計(jì)算模型的可靠性。

圖4、圖5分別為不同荷載作用下，碎石墊層與加筋碎石墊層的豎向（z方向）應(yīng)力云圖。

由圖4和圖5可看出：1）隨著荷載的增加，載荷板下方墊層的應(yīng)力持續(xù)增大，而載荷板垂直作用范圍外的墊層應(yīng)力有所增加，但增加的幅度很小；2）若將墊層中豎向應(yīng)力大于或等于上部荷載值的區(qū)域定義為應(yīng)力核心區(qū)（以下稱“核心區(qū)”），則核心區(qū)的范圍隨著荷載的增加而減??；在較小荷載下（20kPa），加筋碎石墊層核心區(qū)與碎石墊層的核心區(qū)差別不大（約為墊層面積的27%），但隨著荷載的增加，加筋碎石墊層的核心區(qū)就有較大幅度（約為10%～20%）的減小，而碎石墊層核心區(qū)的減小幅度（約為3%～8%）的減小，且應(yīng)力值均小于相同厚度碎石墊層的應(yīng)力值。以上情況說(shuō)明：土工格柵能有效地調(diào)整碎石墊層的應(yīng)力分布。

4.4加筋墊層的位移場(chǎng)

圖6、圖7分別為不同荷載作用下，碎石墊層與加筋碎石墊層的豎向（z方向）位移云圖。

由圖6和圖7可看出：1）荷載作用下，墊層沉降深度方向的逐漸減小，墊層頂部的沉降最大（等于載荷板的沉降量），墊層底部一定范圍內(nèi)的沒(méi)有產(chǎn)生沉降（以下稱“零位移區(qū)”）；2）隨著荷載的增加，墊層的沉降范圍不斷增加，而零位移區(qū)的范圍幾乎沒(méi)有增加；3）以載荷板為中心，沿水平方向墊層深部的沉降變化呈“W”型，且隨荷載的增加，沿深度方向墊層這種沉降變化的幅度越大；4）隨著土工格柵的置入，10cm厚加筋墊層的沉降范圍及深層沉降量均較同厚度碎石墊層的小，且零位移區(qū)的范圍幾乎沒(méi)發(fā)生變化。以上情況說(shuō)明：土工格柵能有效地調(diào)整碎石墊層的沉降影響范圍及沉降量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分別采用大比例模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬的方法，研究了剛性基礎(chǔ)下碎石墊層和土工格柵加筋碎石墊層的工作性狀，分析了碎石墊層和加筋碎石墊層的變形模量、豎向應(yīng)力場(chǎng)和豎向位移場(chǎng)：

5.1土工格柵能有效地提高墊層剛度，在相同荷載作用下，加筋碎石墊層的沉降明顯小于碎石墊層的沉降；

5.2加筋碎石墊層的豎向應(yīng)力增量及其影響范圍、沉降影響范圍及沉降量均比碎石墊層的小，應(yīng)力核心區(qū)和零位移區(qū)的范圍也有所減小，但幅度較小。