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软土地基上土工格栅或土工格室的砂垫模型研究
Huabao Zhou , Xuejun Wen
摘要：
在沙垫中加入一层或两层土共复合材料形成复合层，增强在软土基础上的承载能力。四个测试组的报告结果表明，通过提供土工格室加筋砂垫，下层软土的沉降显着减少。
路基反应系数K30提高了3000％，变形减少了44％。非增强砂垫的表面土压力大于增强组的表面土压力，特别是土工格室加筋砂垫，也有此结果。（r 2007 Elsevier Ltd.保留所有权利）
关键词：加固砂垫; 软土; 沉降
- 介绍
在松软土壤上的建筑物结构和其他土木工程结构会带来一定的风险，因为这些土壤容易产生不均匀沉降，并且剪切强度差，压缩性高（Prabakar et al., 2004; Tang et al., 2007）。土壤承压能力的提高可以通过各种地基改良技术来实现，包括土壤的稳定和加固（Hinchberger and Rowe, 2003; Zhao et al., 1997）。在土壤中加入钢筋是一种有效可靠的技术，可以改善土壤的工程性质（Dash et al., 2003; El Sawwaf, 2007; Fannin and Sigurdsson, 1996; Hufenus et al., 2006; Latha and Murthy, 2007; Maharaj, 2003; Zia et al., 2001; Mhaiskar and Mandalt, 1996; Park and Tan, 2005; Patra et al., 2005; Rowe and Li, 1999; Watts et al., 2004; Yetimoglu et al., 2005).
目前的研究是基于秦沈铁路（从秦皇岛到沈阳）的软土地基问题。实验室模型是为了分析不同类型的土工合成加固沙垫的影响。 试验是使用覆盖在软土上的土工格栅或土工格栅加强砂垫，在横截面上的不同位置测量沉降，推断软土表面上的土压力和土工格栅在不同施加压力下的张力。
2.实验室模型试验的相似性条件分析
实验室模型试验是根据相似理论所设计。
（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：使用加压气囊模拟路堤荷载。 使用柔性气囊在整个区域上提供相对均匀的施加压力分布，并因此在加强砂垫的表面上产生更均匀的有效应力分布。 施加压力增量以模拟路堤填充。 施加的压力强度与原型的相同。
（3）移动横向边界：在模型试验中使用移动横向边界。 对于自由边界（通过在土壤和箱子的侧壁之间填充水袋获得），自由移动是可能的。(Moraci and Recalcati, 2006)
（4）物理机械参数相似性：几何模型试验中的得到的相似性参数是C L 1/4 5。模型试验中使用的材料与原型相同。因此，得到的相似性参数如下：
其中，，分别是相似参数重度，内聚力和内摩擦角;分别是原型材料的单位重度，内聚力，内摩擦角，; 分别是模型材料的单位重度，内聚力，和内摩擦角，根据尺寸分析方法：
其中q, 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是沉降的相似性参数和土壤的杨氏模量。
因此，，也就是说，路堤的模型重力压力应降低到原型重力压力的20％。 从理论上讲，在模型试验中采用原型材料是不合适的。 这里，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。
3.土工合成加固机制
3.1.约束(Hufenus et al., 2006)
填料和土工合成材料之间的摩擦和互锁作用将聚合颗粒限制在路基和填料之间的界面处。钢筋可以吸收路基和填土之间的额外剪切应力，其余的将施加在软路基上。这改善了路基上的压力分布，从而减少了沉降。
3.2. 口袋效应(Dash et al., 2001; Rajagopal et al.1999)
口袋效应的形成是沉降的结果，此效应在张紧的土工合成材料中形成凹面。由于材料的刚性，弯曲的土工合成材料产生向上的力，抵消施加的压力，从而提供高了承载能力(Perkins et al., 1999)。该材料用软路基上的压力小于施加到上凹侧上的填充物的压力的张紧层上。
3.3. 筏基础效应和应力分散效应
(Bathurst and Knight, 1998; Cowland and Wong, 1993)
土工格室形成由关节相互连接的三维聚合蜂窝状细胞结构，与填充物相互作用，构成具有抗弯性，抗拉强度和剪切强度的土工格室 - 土壤复合材料。 该复合材料可被视为柔性筏基础。 它阻止潜在的破坏面，因为它的刚性并迫使它们更深地进入地基土壤，从而增加了路基的承载能力。
4. 测试设备
模型试验在大型试验装置中进行。示意图如图1。假设附加的垂直应力随着路基深度呈指数衰减，随着深度增加，该路基深度变小。 这里，采用170cm作为路基高度。试验箱由钢板制成，尺寸为306cm（长）118cm（宽）200cm（深）。 软土路基均匀分为六层。 通过核密度计确定湿密度，干密度和水含量以控制填充质量。 将气囊放在路基上。 通过油千斤顶施加压力。在土壤和箱子的侧壁之间填充水袋。在软土表面或砂垫表面测量用于评价压实质量的路基应系数K30的值。
图1.测试装置的示意图
图2.液压沉降计的示意图
5. 材料和仪器
采用秦沈铁路的粘性软土进行试验。在试验中使用两种类型的市售土工合成材料，即土工格栅SDL25和土工格室TGL-340-150。
液压沉降仪由注水系统，静水压力传感器和沉降管组成。 工作机构如图2所示。监测器的主要部分是静压传感器。 根据静水压力获得沉降值，当传感器处于不同位置时，静水压力不同。
用电阻应变仪测量土工格栅中的变形。 土压力传感器是JXY-4型土压力传感器，射程为0.6MPa（传感器制造商，丹东琼龙）。 将压力室放置在沙垫和压力区域中心下方的软土界面处，用于测量它们之间的垂直应力。
6.实验设计
设计了四组（如图3所示）来检验土工合成材料对软土沉降的影响。
（1）第一组：30cm沙垫，覆盖软土。
（2）第二组：在沙垫内放置一层土工格栅。
（3）第三组：两层土工格栅，均匀地放置在沙垫内。
（4）第四组：一层土工格室，放置在沙垫内。
6.1． 安装检查站
检查点安装在沉降处表面，土工格栅的拉力和土压力，如图3所示。图3.实验设计方案：（a）第一组; （b）第二组; （c）第三组; （d）第四组；
土压力单元（●）；测量位置：沉降（▲）和张力（■）
软土性能参数
|
材料 |
单位重度gamma;( ) |
水含量omega; （%） |
压缩系数 (MP) |
压缩模量 (MPa) |
平均土壤相对密度 |
无侧限抗压强度 (kPa) |
|
软土 |
19.5 |
27.1 |
0.44 |
3.675 |
2.71 |
24.0 |
|
液限(%) |
塑限(%) |
塑性指数 |
最佳含水率(%) |
最大干重度 () |
凝聚力c(kPa) |
内摩擦角（deg） |
|
30.4 |
20.3 |
10.1 |
14.5 |
18.27 |
3.0 |
6.7 |
土性能参数
|
材料 |
相对密度 |
最小孔隙率 |
最大孔隙率 |
最小干重度() |
最大干重度( |
|
土 |
2.67 |
0.417 |
0.724 |
1.549 |
1.884 |
7.测试程序
（1）制备土壤并粉碎，然后与预定量的水混合。将该混合物培养2天，制备钢箱。将侧向水袋放入钢箱中。
（2）将第一层软土放入钢箱中，通过核密度计测定干湿密度和含水量。
（3）重复第二步，将钢箱均匀地填充第二至第六层软土;测量第六层土壤的表面。
（4）路基制备完成后，根据设计安装了土压力土和土工合成材料。沉降管放在沙垫上。
（5）安装气囊，两个侧向水袋装满水。
（6）将土压力单元与频率记录仪连接以读取初始数据。
（7）压力主要以0.02MPa的增量施加。在不同压力下测量所得沉降物和土压力池的频率。
（8）重复了另一组。对于第二组和第三组，将应变仪连接到一块铜上，铜与土工格栅连接。
（9）对所用的土压力传感器和应变仪进行了校准，并对数据进行全面分析。
8.结果和讨论
软土和砂垫的性能如表1和2所示。它们的粒度分布如图4所示。
图4.软土（a）和砂（b）的级配曲线
8.1． 土工格栅和土工格室的物理和机械性能
测试土工格栅的宽度为50mm。 土工格室的宽度为40毫米，长度为200毫米。 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/米。 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。
基于0.3m直径板施加压力试验的软土和加筋垫的路基反应系数
|
检测类目 |
软土 |
沙垫 |
添加一层土工格栅加强砂垫 |
添加两层土工格栅加强砂垫 |
添加一层土工格室加固砂垫 |
|
（ |
0.935 |
16.2 |
25.4 |
25.4 |
29.6 |
8.2． 填充测试
表3显示了四组的压实。铺设沙垫后，一层土工格栅加筋砂垫和土工格室加筋砂垫的K30值，与软土相比分别提高了1600％，2600％和3000％。土工格栅加筋砂垫表面的K30增加可能是由于表观内聚力的改善（Rajagopal等，1999）。 对于土工格室加筋砂垫，土壤的表观内聚力和内摩擦角均显着增加，因此改善了软土的强度和刚度特性（Tang et al。，2007; Zhang et al。，2006）。
然而，放置两层土工格栅加强砂垫后，与放置一层土工格栅加强砂垫后相比，K30仅提高了0.1％。这表明通过添加一层或两层土工格栅改善路基压实有轻微差别，并且随着层数的增加效率降低（El Sawwaf，2007; Yoon等，2004）。
8.3．四组试验的结论
8.3.1．第一组的结论
施加压力和不同点沉降之间的关系如图5所示。由于它们的对称位置，第二和第四点之间以及第一和第五点之间的沉降趋势相似。 第三点（中间）的沉降是最大的，并且随着施加压力的增加它迅速增加。
8.3.2。 土工格栅加固沙垫组的沉降图
图6和7显示了不同点处的沉降近似于相等并且随着土工格栅加强而减少。其中一个原因是土工格栅加筋砂垫可以调节软土
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