白亞東

(中鐵一局集團(tuán)有限公司,北京 100161)

土工合成材料在軟土路基加固中的應(yīng)用

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本文說明在軟土地基上鋪放土工合成材料,可起到減小最大沉降、調(diào)整不均勻沉降和提高地基承載力的目的。

土工合成材料 軟土 不均勻沉降

1 軟土的定義和特性

軟土是自然歷史的產(chǎn)物，是隨著古地理、氣候、沉積環(huán)境的變化而形成的。一般是指在濱海、湖泊、谷地、河灘沉積的天然含水率大于30%，其液限一般在34%--43%的范圍內(nèi)，塑性指數(shù)大部分在15—20之間，天然空隙比大于1的土。如淤泥和淤泥質(zhì)土，以及其他高壓縮性飽和粘性土、粉土。

由于軟土的生成環(huán)境及粒度、礦物組成和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)性顯著且處于形成初期，故具有以下物理力學(xué)特性：

(1)顏色以深色為主，粒度成分以細(xì)顆粒為主，有機(jī)質(zhì)含量高;

(2)天然含水量高，容重小，天然含水量大于液限;

表1 穩(wěn)定安全系數(shù)

(3)天然孔隙比大，一般大于1.0;

(4)滲透系數(shù)小，一般小于10-6cm/s，沉降速度慢，固結(jié)完成所需時間長;

(5)粘粒含量高，塑性指數(shù)大;

(6)高壓縮性，壓縮系數(shù)大，基礎(chǔ)沉降大，般壓縮系數(shù)大于0.5MPa-1;

(7)強(qiáng)度指標(biāo)小，快剪凝聚力小于l0kPa，內(nèi)摩擦角小于50;固結(jié)快剪的強(qiáng)度指標(biāo)略高，凝聚力小于15kPa，內(nèi)摩擦角小于100度;

(8)靈敏度高，靈敏度一般在2—10之間，有時大于10，具有顯著的流變特性。

(9)在荷載作用下一般會產(chǎn)生較大的沉降變形或失穩(wěn)。

2 土工合成材料的分類及性能指標(biāo)

土工合成材料是以人工合成的聚化物為原料制成的各種類型產(chǎn)品?？芍糜趲r土或其它工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部、表面或各種結(jié)構(gòu)層之間，具有過濾、防滲、隔離、排水、加筋和防護(hù)等多種功能，發(fā)揮加強(qiáng)、保護(hù)巖土或其它結(jié)構(gòu)功能的一種新型巖土工程材料。

圖1 路堤穩(wěn)定性計(jì)算圖(瑞典法)

圖2 沿下臥硬土層頂面滑動破壞計(jì)算圖

圖3 地基土側(cè)向擠出滑動破壞計(jì)算圖

一般將其分為土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料和土工特種材料等。

表征土工合成材料的性能指標(biāo)一般可分為物理性能指標(biāo)、力學(xué)性能指標(biāo)、水力性能指標(biāo)、土工合成材料與土相互作用指標(biāo)及耐久性指標(biāo)等。

3 土工合成材料在軟土路基加固中的作用機(jī)理

3.1 約束地基側(cè)向位移,提高地基承載力

土有一定的抗壓強(qiáng)度，但抗剪強(qiáng)度很弱。土工合成材料在垂直荷載作用下，地基產(chǎn)生壓縮沉降和側(cè)向位移，此時土工合成材料受拉，故而能支承部分豎向荷載，土工合成材料與地基之間的摩阻力還可約束地基側(cè)向位移從而提高地基的承載力。

3.2 隔離、分散應(yīng)力

鋪設(shè)在軟弱地基上的土工合成材料將上部填料與地基土隔離開來，具有的抗拉強(qiáng)度和良好的變形性能，使得填料與地基土的接觸部分具有相對剛度，從而將上覆荷載較均勻地分散到較大范圍的地基上，提高了地基承載力。工程實(shí)踐證明，控制加載速率的條件下，鋪設(shè)土工布后地基承載力比天然地基承載力提高約12.8%。同時，在不同性質(zhì)的填料分層面上，鋪設(shè)土工合成材料使不同性質(zhì)的填料互不摻雜，保持其結(jié)構(gòu)性能。

3.3 防滲、排水

土工膜和復(fù)合型土工膜(兩布一膜等)具有防止水流滲透的良好性能，它們通常被當(dāng)作土工結(jié)構(gòu)物的防滲層。土工合成材料的排水作用表現(xiàn)在它能使土體中的水分匯集到它的表面并沿著這個表面排出。在沼澤、鹽漬土等軟弱地基處理中通常利用土工布來隔斷毛細(xì)水或地下水上升。

3.4 邊坡加固

邊坡加固作用表現(xiàn)為兩種形式，一是將土工合成材料鉚釘在邊坡的表面，結(jié)合邊坡綠化等措施實(shí)現(xiàn)邊坡防護(hù)功能，二是將特定的土工合成材料平鋪到邊坡內(nèi)部一定的深度，借助材料的抗拉強(qiáng)度來加固邊坡。在膨脹土路基設(shè)計(jì)或既有路基加寬設(shè)計(jì)時，通過在邊坡一定深度內(nèi)分層鋪設(shè)土工格柵等具有一定抗拉強(qiáng)度和變形性能的土工合成材料來加固邊坡。

3.5 減小不均勻沉降

通常土工合成材料與碎石層共同作為一層，這層具有與路堤本身和軟土地基不同的剛度，通過這一墊層將堤身荷載傳到軟土地基中去，它既是軟土固結(jié)的排水面，又是路堤的柔性筏基，因此可使地基變形均勻，且路堤中心沉降量比不鋪土工合成材料時要小。

4 設(shè)計(jì)檢算

4.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算

土工合成材料加筋路基的穩(wěn)定性包括地基與堤身的整體穩(wěn)定性、堤身穩(wěn)定性、平面滑動穩(wěn)定性。各項(xiàng)穩(wěn)定性的安全系數(shù)不得小于表l規(guī)定的值。

4.1.1 加筋路堤整體穩(wěn)定性

加筋路堤穩(wěn)定性分析的計(jì)算方法，常采用圓弧條分法進(jìn)行。計(jì)算時應(yīng)假設(shè)若干個穿越地基土的滑弧。以求得安全系數(shù)最小值和相應(yīng)的臨界滑動面。計(jì)算常采用瑞典法和荷蘭法兩種計(jì)算模型。瑞典法計(jì)算模型是假定土工合成材料的拉力總是保持在原來鋪設(shè)方向。如圖1所示，則安全系數(shù)最小值和相應(yīng)的臨界滑動面可按下式計(jì)算：

式中： wi-第i土條土重，KN/m

cqi-第i土條土體粘聚力，kPa

φqi-內(nèi)摩擦角

TGCjyi-第j層土工合成材料設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，KN/m

Qi-第i層土條所受地震水平力，KN/m

其余符號含義如圖1所示。

4.1.2 加筋路堤的堤身穩(wěn)定性

采用圓弧條分法按公式(1)計(jì)算，此時不考慮地震力。在計(jì)算時應(yīng)在堤身范圍內(nèi)假定不同的滑弧，求得安全系數(shù)的最小值和相應(yīng)的臨界滑動面。

4.1.3 加筋路堤的平面滑動穩(wěn)定性

當(dāng)?shù)滔碌鼗菧\層軟弱土層或相對于路堤荷載淺層地基土強(qiáng)度較低時，應(yīng)驗(yàn)算加筋路堤的平面滑動穩(wěn)定性。加筋路堤平面滑動表現(xiàn)圩堤與地基沿下臥硬土層頂面滑動和地基側(cè)向擠出滑動。

(1)下臥硬土層頂面滑動的穩(wěn)定性計(jì)算采用式(2)，其相應(yīng)的計(jì)算圖如圖2所示。在計(jì)算中應(yīng)假定d、C點(diǎn)位于堤腳線，變換線位置形成不同的滑動面，求出安全系數(shù) FPI的最小值。

式中： PA-ab面的主動土壓力，KN/m

Pp-cd面的被動土壓力，KN/m

TB-硬土層側(cè)面的抗滑力，KN/m

Q-作用于土體abcd上的地震水平力，KN/m

(2)地基土側(cè)向擠出滑動的穩(wěn)定計(jì)算采用公式(3)，其相應(yīng)的計(jì)算圖示如圖3所示。在計(jì)算中應(yīng)假定abcd土體不同位置以及不同的b、C兩點(diǎn)距離，求出安全系數(shù)的最小值。

式中：Tab,TbC分別為地基軟土層與土工合成材料界面的粘聚力和摩擦角。

Q為作用于土體abcd上的地震水平力，KN/m

其余符號意義相同。

4.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

軟土地基在鋪設(shè)土工織物后地基極限承載力為以下三項(xiàng)之和，即為沒有鋪設(shè)土工織物時，原天然地基的極限承載力;在荷載作用下，地基的沉降使土工織物發(fā)生變形而承受拉力所產(chǎn)生的垂直分力;土工織物阻止隆起而產(chǎn)生的平衡鎮(zhèn)壓作用的效應(yīng).土工織物加筋復(fù)合地基的極限承載力計(jì)算公式：

式中： C-土的粘聚力

Nc-地繼承載力

T-土工織物的抗拉強(qiáng)度

θ-基礎(chǔ)邊緣與土工織物的傾斜角B-地基底寬

β-地基形狀系數(shù)Nq-復(fù)合地繼承載力R-地基變形當(dāng)量半層

4.3 土工合成材料鋪設(shè)長度計(jì)算

加筋路堤中，土工合成材料深入到穩(wěn)定土中的錨固長度，不得小于最小錨固長度，最小錨固長度采用公式(5)計(jì)算。

式中： Lm-最小錨固長度，m

TGc-土工合成材料設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，KN/mFm-錨固安全系數(shù)，對于無粘性土取1.5，粘性土取2.0

σ0-作用在某層筋材上的覆壓力，kPa

fGs-土與土工合成材料的界面摩擦系數(shù)，當(dāng)計(jì)算的錨固長度小于2.0時，取為2.0。

土工合成材料的鋪設(shè)長度 L為滑動面內(nèi)的長度 La與錨固長度Lm之和，即：

5 結(jié)語

土工合成材料具有以下的優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)，資料表明通常情況下，采用土工合成材料比傳統(tǒng)方法節(jié)約30% 以上的投資;施工工藝簡單，進(jìn)度快，輕便，勞動強(qiáng)度低，無須特殊機(jī)械;材料生產(chǎn)工廠化，材料來源基本上不受地域限制;質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)化，易檢測，易儲存，易運(yùn)輸;功能復(fù)合，效果突出，適用領(lǐng)域更加廣闊;環(huán)保，施工無噪音，對水源、大氣污染小。基于這些優(yōu)點(diǎn)土工合成材料在軟土地基的加固中得到了廣泛的應(yīng)用，但作為一種新型的合成材料對其性能以及施工工藝還有待于進(jìn)一步的認(rèn)識和探索。

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