不同工况下土工格室加筋路基模型试验

■麻 佳 谢红飞 刘 杰＊

（1.新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，乌鲁木齐 830000；2.石河子大学水利建筑工程学院，石河子 823000）

土工格室作为一种具有三维蜂窝状结构的土工合成材料[1-2]，自从20 世纪80 年代问世以来，一直都被国内外学者深入研究和广泛应用于工程中[3-4]。这种新型材料采用高密度聚乙烯或聚丙烯聚合物条带，经过超声波焊接和插焊等方式对条带进行焊接而成的空间网状结构，具有耐老化、抗腐蚀和整体强度高等优点。 目前对土工格室的研究手段主要是通过土工格室拉拔试验和模型试验研究土工格室加固地基、路基等加固机理研究[5-6]。

路基的结构形式与地基具有一定差异，且前人对土工格室加固缩尺模型路基的研究较少，通过量纲分析法得到的设计路基模型可以准确反映工程实际受力情况，减小试验成本投入。 以实际工程路基为模型试验的原型，分别改变土工格室铺设层数，对不同工况下模型路基进行静载试验，研究荷载作用下土工格室对路基极限承载力的提升和沉降量的缩减，对研究土工格室加固路基性能提升效果具有实际意义和理论价值。

1 试验装置与材料

1.1 土样

模型试验所用砾类土为G216 民丰至黑石北湖建设项目实际工程所用砾类土，级配良好，控制含水率为最优含水率，根据相关资料可知填料抗剪强度指标为：粘聚力c 为15 kPa，内摩擦角为30°，主要物理力学性质和颗粒级配如表1 所示。

表1 砾类土的物理性质指标

1.2 土工格室

试验采用插焊式高强度聚乙烯（HDPE）土工格室，为了充分研究土工格室加固机理和作用，土工格室在铺设时将进行预张拉，使相邻条带之间夹角近似为90°。为了反映工程原型，本次模型试验所用土工格室最大抗拉强度为15 kN/m，高度为3 cm，焊距为10 cm，每层所铺设的土工格室在模型路基位置不与箱体侧壁接触。 模型试验所用土工格室如图1。

图1 模型试验所用土工格室

1.3 试验仪器

模型试验采用液压千斤顶加载装置，如图2 所示，将液压油缸倒过来固定于滑轮小车上，滑轮小车固定在反力架的横梁上，油缸施加荷载方向垂直于路堤顶向下作用。油缸最大轴向力可达1000 kN，最大位移量程可达250 mm，为匀速加载装置，采用50 mm/min 匀速加载， 为了与实际行车荷载相一致取各类车型最大轴重400 kN。

图2 加载系统

1.4 模型箱

试验箱内部净尺寸为1500 mm×2500 mm×1500 mm（长×宽×高），采用8 mm 厚度带肋条钢板和槽钢拼装焊接而成。 为保证加载过程中模型箱不会产生变形影响试验精确性，在进行试验时用架子管将试验箱四周环箍住，可以保证在试验进行过程中箱内填土受到法向荷载作用下，试验箱体不产生外凸变形， 降低因试验箱刚度不足造成的试验误差，土工模型中用钢板加固四周，限值土体侧向位移，与路堤实际的半无限体有一定的差异，但是为了研究局部的力学特征可忽略。

2 模型试验相似关系设计

2.1 量纲分析确定相似关系

若一个物理过程中共有n 个物理量，k 个基本量纲，则可组成n-k 个独立的量纲组合，简称π数。设一个物理过程如下（含有n 个参数X1，X2，…，Xn）：

任何一种用数学方程定义的物理现象都可以用π 数来定义， 相似的物理过程其相应的π 数一定相同，这就Bockingham π 定理[7]。

土工格室加固路基模型在荷载作用下路堤的沉降、水平位移、土工格室变形和承载力变化等比较复杂，不能按尺寸的缩减来设计路基模型，需要根据相似理论研究模型的相似准则[8]。 提高相似准则因子的数量可以得到更多的相似准则的物理量，表2 列出了模型试验的物理量及其因次。

表2 模型试验主要物理量量纲与相似常数

2.2 原型结构介绍

试验模拟G216 线民丰至黑石北湖公路K104+045-K104+065 段为工程案例。 拟建公路段为高填路基工程，路面宽度10 m，路基宽度60.15 m，为沥青混凝土路面。 高填路基段路基高度为34 m，坡面斜率为1∶1.5，采用土工格室加固路基的措施，断面尺寸如图3 所示。 路堤为轴对称结构，故取半幅进行试验研究，由于工程原型规模较大，采用室内模型试验进行模拟，对模拟路基进行1∶30 几何尺寸缩减。

图3 K104+055 路基断面尺寸图

2.3 模型试验工况

沿路堤顶、坡面到坡底的不同位置共设置6 个位移计， 坡面等间距布设， 记为P1、P2、P3、P4、P5和P6。每层土工格室通过贴应变片来监测土工格室在加载过程中的变形过程。 布设微型土压力盒监测路堤内部土压力， 加载轴心正下方依次计为TY1、TY2、TY3、TY4、TY5 和TY6， 模型试验所设置不同工况如图4 所示，工况1、工况2、工况3 分别为没有铺设、铺设3 层、铺设6 层土工格室的路基。

图4 试验方案设计图

3 试验结果及分析

3.1 路基沉降变形分析

路基沉降变形包括路堤竖向沉降变形和垂直坡面沉降变形。 P1 为路堤顶沉降位移计监测测点，记P1 为路堤竖向沉降量，P2、P3、P4 和P5 为垂直坡面沉降位移计监测测点，P6 为坡底沉降位移计监测测点。 通过采集不同的P1～P6 的沉降数值，对比分析路基在受到竖向荷载作用下，不同部位发生沉降变形的差异性。 不同工况下路堤顶沉降量与荷载的关系曲线如图5 所示，可知加载初期在荷载很小的时候路堤会发生明显的沉降变形，这是因为夯实强度低于加载系统作用在加载板上传递到路堤顶的荷载强度，导致施加竖向荷载初期出现欠夯实的情况，路堤发生明显沉降变形。

图5 不同工况路堤竖向荷载-沉降关系曲线

不同工况下荷载与坡面沉降关系曲线如图6所示，当路堤达到最大的沉降量时，坡面沉降有明显不同，不埋设土工格室的工况1 最大坡面沉降可达到60.26 mm，而工况2 和工况3 的最大沉降为48.51 mm、46.52 mm，说明土工格室可以减小坡面沉降。

图6 荷载与坡面沉降关系图

3.2 坡面水平位移分析

荷载与坡面水平位移关系如图7 所示，当荷载值一定时，工况1 坡面位移最大，工况2 坡面水平位移大于工况3，说明在路基中铺设土工格室可以有效约束路堤的水平位移（即路堤受到垂直方向作用荷载时发生侧滑）。 同时对比工况1、2 和3 的荷载-水平位移曲线线型可知，工况1 为近似直线，说明在路基受到垂直方向荷载作用时，侧向变形呈线性变化。

图7 荷载与坡面水平位移关系图

3.3 土工格室应变分析

图8 分别为工况2 和工况3 路基模型不同层土工格室在加载过程中应变与荷载的变化曲线。 从图中可以看出土工格室的应变均为正值，说明土工格室在路堤受荷载作用下受到拉力的作用，应变随着荷载的增大而逐渐增大。 在刚开始施加荷载时应变未出现明显变化，这一阶段是土工格室因结构特质所决定的，在受到荷载作用时，由格室内部填土对格室壁产生侧压力，导致土工格室各节点角度发生微调；而随着荷载的增大，土工格室应变增长速率均出现明显增长趋势，直到荷载继续增大出现增长速率减小的现象，这与土工格室条带拉伸试验结果是相符合的。

图8 荷载-土工格室应变关系曲线

4 结论

（1）通过工况1、工况2、工况3 可知，土工格室能显著提高路基极限承载力并能明显减小路堤顶沉降变形和坡面水平位移。

（2）距离加载点越近，路基内部土压力受土工格室影响越大，提高土工格室铺设层数，可以有效减小路基内部土压力差异性，将荷载较均匀地扩散。

（3）土工格室应变随着荷载的增加而增大，且距离荷载作用点近的位置土工格室应变大。