摘要 為了加固軟土路基，可以在軟土墊層中加入土工織物形成加筋土。文章分析土工織物在軟土中的作用機理，土工織物能夠依靠表面摩擦力傳遞和側(cè)壓力增量，增加土體表觀黏聚力和抗剪強度，分散軟土的壓力，增強土體抗壓強度，基層裂縫引起的反射裂縫的發(fā)生被抵抗和減緩，有效地防止基礎(chǔ)沉降，提高軟土路基的承載力。由此可知，軟土路基中加入土工織物可以達到加固目的。

關(guān)鍵詞 土工織物;軟土地基;加筋增強;提高承載力

中圖分類號 U416.1文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2022）11-0076-03

引言

土工織物即土工合成材料，它是高分子聚合物的統(tǒng)稱，包括以合成塑料、合成纖維以及合成橡膠等為原料制成的新型材料。按制造工藝進行分類，可分為無紡型土工織物、有紡型土工織物、編織型土工織物。土體中加入的土工織物與其產(chǎn)生摩擦力，限制地基的側(cè)向變形，土體中的應(yīng)力得以均勻分散。

加筋法正是利用土體中加入的土工織物給地基施加了一個側(cè)壓力增量，借此減少地基的不均勻沉降和變形協(xié)調(diào)能力，提高地基的承載能力，達到加固軟土路基的目的。該文通過分析加筋法的原理來討論土工織物加固軟土路基的作用機理。

1 土工合成材料的分類

（1）土工織物：通過紡織加工技術(shù)，包括非織、機織、針織等技藝，制成具有紡織物的外觀、滲透性、靈活性的土工合成材料[1]。排水、隔離、過濾、加固、防護、防滲等功能非常強大。

（2）土工格柵：可用于路基加固、新舊路基改造加寬連結(jié)，網(wǎng)格狀外觀。

（3）土工格室：將條狀聚合物組成有一定厚度的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，形成了一個個格室，混凝土或者土壤能夠填滿這些格室。

（4）土工膜：具有不透水特性的一種或多鐘聚合物制成的連續(xù)的柔性膜狀材料?？梢宰韪粢后w、氣體，或者作為液體和氣體容器的襯墊。

以上4種材料在公路工程施工使用較多，在工程建設(shè)中經(jīng)常使用的土工合成材料還包括以下幾種：土工合成瀝青材料、土工網(wǎng)格、土工復(fù)合材料（兩種或以上土工材料混合）、土工發(fā)泡材料、土工排水材料、土工黏土襯墊（GCL）等。

2 土工織物的功能

該文主要討論土工織物在軟土路基施工中的應(yīng)用，以下重點討論土工織物的六大特性。

（1）排水：主要用于水利、公路路基、擋土墻排水。土工織物可以收集、傳輸路基中的水以及其他的液體，在各個方向上都具備較好的排水能力，是良好的透水性材料。常與穿孔管、排水芯等其他材料共同使用。

（2）加固：在公路工程施工中，可以在路基墊層中加入一層土工織物，增加軟土的承載能力，提高土工織物與土體、其他光滑表面的摩擦力，防止在可能發(fā)生滑動的狀況下滑動，這種功能就是加固作用，也被稱為加筋。

（3）隔離：主要用于隔離公路、水利、鐵路、機場等工程中兩種不同的地基，具有較高強度來承受外部荷載。在兩種不同的巖土材料間放置土工織物，防止混雜，保持兩種材料的完整性和整體性，形成穩(wěn)定的界面。

（4）過濾：良好的透水性可以保證液體通過時不會被阻截。土工織物有豐富的孔隙，孔徑又足夠小，細(xì)小的土體顆粒流過土工織物時會被大量保存，不僅可以作為過濾材料，而且保護土體。

（5）防護：用作防護材料的土工織物通過將土壤傳遞的集中荷載擴撒，防止土體因外力作用失去穩(wěn)定性，在水利工程河道治理、護坡、護岸、海岸防潮中應(yīng)用較多。

（6）防滲：在土工織物表層涂上一層具有防水功能的瀝青油、樹脂、橡膠材料，提高防水性和密閉性，水、有害液體便難以滲漏。在堤壩、水庫、游泳池、蓄水池、污水池、垃圾填埋場施工中常用來做防滲材料。

3 關(guān)于軟土路基和常見的加固方法

軟土路基是特殊地區(qū)常見的一種路基，設(shè)計專項處理方案處理后才能使用。其含水量較大，透水性差，天然的強度低，壓縮性高[2]。若超過了臨界高度，路基容易失去穩(wěn)定性，出現(xiàn)不均勻沉降，導(dǎo)致路面出現(xiàn)開裂病害。軟土地基處理方法見圖1。

通過分析軟土的力學(xué)性質(zhì)、路基的高度、埋層的深度以及公路設(shè)計等級要求，可以選擇置換、排水固結(jié)（預(yù)壓法）、灌入固化物、振密、擠密、加筋等方法處理軟土。加筋法的分類見表1。

4 加筋法的基本原理

4.1 土工材料的應(yīng)力傳遞

在抗剪強度、抗拉能力很低的軟弱土中加入土工合成材料，兩者形成一個整體，在外力作用下，產(chǎn)生的形變將會引起兩者之間相對位移趨勢，兩者相接觸的界面產(chǎn)生的摩擦力和咬合力能夠限制軟弱土體的側(cè)向位移，土體就像被施加了一個側(cè)向壓力增量，因此土的強度和承載力得以提高[3]。土工合成材料一般水平放置在土體中，在外力作用下兩者發(fā)生形變，而相接觸的界面將會產(chǎn)生應(yīng)力傳遞，傳遞方式包括以下兩種：

4.1.1 依靠表面摩擦力傳遞

以土為定向，土工材料做上下位移時，即為抗拔狀態(tài)時，其上下面的阻力Ff為：

（1）

若土工材料僅做上或下單向界面位移時，也就是土工材料處于剪切狀態(tài)，則阻力Ff為：

（2）

式中，b——土工材料的寬度;L——土工材料的長度;σv——作用于土工材料上的法向應(yīng)力;φsg——土工材料與土體之間的摩擦角。

抗拔試驗和直剪試驗[4]可以求得抗拔狀態(tài)和剪切狀態(tài)。φsg一般情況下是土體內(nèi)摩擦角的0.6～0.8倍。由公式（1）和公式（2）可知φsg、σv越大，F(xiàn)f越大，但最大不能超過土工材料的極限抗拉強度。Ff還取決于土工材料的表面粗糙程度以及周圍土的物理性質(zhì)，土工材料表面越粗糙，土的顆粒越大并且?guī)в欣饨?，則φsg越大，F(xiàn)f越大。

4.1.2 依靠土工材料橫桿被動抗力的應(yīng)力傳遞2AB3A8D7-D576-4F35-8D62-C478A643A260

格柵類土工材料才會存在橫桿被動抗力應(yīng)力傳遞的情況，例如由橫桿和縱肋組成的土工格柵。因為土工格柵有一定的厚度，將土工格柵鋪設(shè)在土體中時，土工格柵的孔洞填充土料、石料，縱肋的方向與土體受大主應(yīng)力的方向一致，土工格柵與土體方向發(fā)生相對位移時，土工格柵表面便產(chǎn)生摩擦力，此外，橫桿側(cè)面也會受到與之垂直的被動土體抗力。被動抗力Fp為：

（3）

（4）

式中，t——土工格柵的厚度;b——孔洞的有效寬度;n——單位寬度格柵的橫桿數(shù)目;σh——單位面積土的被動抗力;Nb——承載力因數(shù)。

4.2 加筋的作用機理

4.2.1 側(cè)壓力增量

Z深度處的單位無黏性地基土體受到的大小主應(yīng)力分別為σ1、σ2：

（5）

（6）

（7）

式中，σv——豎向應(yīng)力;σh——水平向應(yīng)力;γ——土容重;φ'——有效內(nèi)摩擦角;K0——土的靜側(cè)壓力系數(shù)。

4.2.2 表觀黏聚力理論

當(dāng)土料有黏聚力Cr時，大小主應(yīng)力σ1、σ2滿足極限平衡條件，則它們的關(guān)系如下：

（8）

當(dāng)試樣中土工織物水平放置時，其垂直間距為，則它們的關(guān)系為：

（9）

（10）

式中，Rt——土工織物的抗拉強度;Kp——土體被動壓力系數(shù)。

由側(cè)壓力增量理論可知，因為加鋪了一層土工織物，所以試樣增加了一個側(cè)壓力增量，此時大主應(yīng)力σ1為：

（11）

由公式（8）可得：

（12）

由公式（12）和公式（9）可得：

（13）

由此可知土工織物的抗拉強度Rt為土體提供了側(cè)壓力增量，抗拉強度Rt與被平均分配給試樣高度為的側(cè)壓力的大小相差無幾[5]。側(cè)壓力增量會因為土工織物被拉斷或者抽出，或者抗拉強度Rt很小時消失。

4.2.3 抗剪強度理論

土和聚合纖維混合做成加筋土，叫作纖維土，在施工現(xiàn)場用專門的機械把砂和聚合纖維混合制作而成。土體的剪切帶與纖維垂直，而纖維自身相互平行，則纖維一開始垂直的狀態(tài)就會發(fā)生位移，產(chǎn)生纖維土拉力σr。假設(shè)土體剪切帶面積是A，纖維土中纖維占比面積是Af，單位土體面積纖維拉力可由以下公式求得：

（14）

設(shè)tr為單位土體面積內(nèi)的纖維拉力，其與剪切帶處于垂直狀態(tài)時，可以產(chǎn)生壓力增量trcosθ。其與剪切帶處于平行狀態(tài)時，會使剪應(yīng)力減小，是因為相反于作用剪應(yīng)力的分力使其減小，土體抗剪強度卻增大trsinθ，總增量可以由以下公式求得：

（15）

在實際施工過程中，纖維土里的纖維不可能有順序的平行排列，多數(shù)是隨機的定向情況。但是，纖維與剪切帶傾斜時，也可以達到加筋目的。直剪試驗證實土體中的纖維隨機分布的優(yōu)勢方位與剪切帶呈90°。

5 加筋墊層法的施工方法

將一層塑料膜、筋條、樹脂網(wǎng)等土工織物鋪設(shè)在軟土路基的表面、路堤中，軟土路基的抗壓強度得到增強，軟弱土的受力狀態(tài)發(fā)生改變，穩(wěn)定性也得到提高，軟土路基得以加固。

第一層地基施工步驟：基底開挖至設(shè)計標(biāo)高→200 mm厚碎石墊層→土工織物→200 mm厚砂礫石→黃砂找平→壓路機壓實。

第二層地基施工步驟：裝滿砂石的袋裝土工織物→礦渣填平空隙→100 mm厚碎石→壓路機壓實。

按照土工織物→碎石→壓路機壓實的施工步驟重復(fù)第一層、第二層施工步驟施工至墊層的設(shè)計厚度。

5.1 在墊層中加鋪土工織物的目的

墊層具有提高地基承載力、減少沉降量、加速排水固結(jié)、阻隔毛細(xì)水上升的作用。墊層中加鋪土工織物，是通過利用土顆粒、碎石位移時與拉筋產(chǎn)生的擦力，使土與墊層中鋪設(shè)的土工織物形成一個整體，因此上部荷載能夠均勻地分散到路基中，應(yīng)力得到擴散。土工織物可以阻止路基中出現(xiàn)塑性剪切力形成破壞面，防止破壞擴大發(fā)展，提高了軟土路基的承載力。在提高路基穩(wěn)定方面，則是通過與墊層土之間相互摩擦去限制路基土的側(cè)向變形。墊層底部加筋，筋體與墊層一側(cè)摩擦;墊層中部加筋，筋體與墊層兩側(cè)摩擦。

5.2 施工要點

對加筋土施工工藝、質(zhì)量要嚴(yán)格控制才能達到加固目的。因此在施工過程中要做到以下幾點：

（1）施工前應(yīng)先給土工織物施加一個預(yù)應(yīng)力，兩端用錨固固定，使其充分發(fā)揮抗拉強度。錨固越緊承載力提高越多，地基中應(yīng)力越均勻分布。在土工織物兩端折起的端部包裹砂體可以增加握裹力，保證其固定穩(wěn)固，不在施工過程中被拔出[6]。

（2）在施工過程中要盡力將土工織物拉直拉緊，保證其是平直的狀態(tài)。究其原因是施工順序影響加筋效用，當(dāng)土工織物早期就處于受拉狀態(tài)時，變形過程中才能更好地發(fā)揮抗拉強度作用。為了保證土工織物受荷載初期有足夠的應(yīng)變，要嚴(yán)格按照以下順序施工[6]：①在墊層中加鋪已施加預(yù)應(yīng)力的土工織物;②保持土工織物平直繃緊狀態(tài)，兩端折起包裹砂礫，將砂料填入;③將砂料灌入中心;④繼續(xù)添加兩端砂料使其增高;⑤中心再次填砂。

（3）為了使墊層具備較好的擴散效果及抗彎性能、大的撓曲剛度，整體性和連續(xù)性都好的平鋪墊層，墊層中鋪設(shè)的土工織物要平鋪，且與碎石墊層交替鋪設(shè)[6]。

6 結(jié)語

通過分析加筋法的應(yīng)力傳遞和作用原理可知，在軟土路基中加鋪土工織物是利用土工織物的高抗拉強度加固軟土路基，不僅可以減少沉降，還能使沉降均勻。因此，土工織物應(yīng)用于軟土路基經(jīng)濟性好、施工簡單、安全可靠，在公路工程未來的施工中會被廣泛應(yīng)用。

參考文獻

[1]劉凱琳， 趙永霞， 張娜. 土工合成材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢展望[J]. 紡織導(dǎo)報， 2019（S1）： 6-28.

[2]李志鵬. 淺析公路軟土路基的加固技術(shù)措施[J]. 河南科技， 2013（24）： 146-147.

[3]王瓊. 土工織物加固軟土地基的試驗研究[D].阜新： 遼寧工程技術(shù)大學(xué)， 2003.

[4]林曉玲， 周連， 吳建東， 等. 土工織物加筋墊層的應(yīng)用研究[J]. 巖土力學(xué)， 2000（3）： 252-255.

[5]劉金龍， 欒茂田， 王吉利， 等. 土工織物加固軟土路基的機理分利[J]. 巖土力學(xué)， 2007（5）： 1009-1014.

[6]彭剛. 用土工織物加固軟土地基的方法及體會[J]. 遼寧交通科技， 2005（9）： 29-39.

收稿日期：2022-04-17

作者簡介：周丹柳（1995—），女，本科，助理工程師，研究方向：道路與橋梁。2AB3A8D7-D576-4F35-8D62-C478A643A260