路堤加筋工作原理的研究

摘要： 详细分析了路堤加筋的机理，并在此基础上，结合工程实例验证了机理，检测结果表明，加筋能够显著的提高地基土的承载力，同时可以得知立体加筋的效果要好于平面加筋。

Abstract： In this paper， the mechanism of soft ground of road embankment reinforced with geosynthetics is analyzed， at the same time，based on the construction practice of two kinds of reinforced embankment， it is concluded that reinforcement can improve the embankment bearing capacity， ruduce the settlement as well as ensure more uniform settlement， and goecell is more effective than geogrid.

关键词： 路堤；软土地基；加筋；机理

Key words： embankment；soft ground；reinforcement；mechanism

中图分类号：TU471.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）35-0111-02

0 引言

软土地基上的土工合成材料加筋路堤在国外是一种应用较多的结构形式，实践证明，它是一种行之有效的加固措施，可以提高路堤的稳定性和承载力。近年来，路堤加筋机理引起各国学者的广泛关注，国内部分研究单位对此也作了一些研究和探讨，但是由于加筋材料的特殊性以及它们与土之间相互作用的复杂性，加筋路堤的理论研究还不够成熟，理论研究严重滞后于工程实践，路堤加筋的设计往往还停留在概念设计上。因此深入研究土工合成材料的作用，对于改进路堤加筋的设计方法具有很大的现实指导意义。本文详细分析了路堤软基土工合成材料加筋的机理，并结合工程实例，将平面加筋和立体加筋相比较，从而透过现象看本质，探求路堤加筋的作用机理，为工程应用积累资料并提供参考。

1 路堤加筋机理

加筋作用的发挥主要依赖于筋材拉力的发挥，而拉力的产生与激活主要取决于三方面的因素，即：①加筋路堤填料所引起的水平推力；②地基土在填土竖向荷载作用下产生的侧向变形；③地基土由于固结沉降，使路堤在横截面上受弯，从而产生拱的效应。故加筋的作用相应体现在这三个方面。

1.1 降低水平荷载，提高地基承载力

对于软土地基来说，最主要的荷载是填土的自重产生的竖向荷载，其次是路堤填土由轴线向两侧产生的水平向推力，由于这个水平向推力[1][2]，使得地基承受竖向荷载的能力下降，水平荷载对地基承载力的影响如图1所示，地基上的不排水抗剪强度为Su，则承载力系数（Nc=？滓/Su）在外推剪力的影响下几乎减小了一半左右。而采用加筋材料的主要作用就是承担这个外推剪力。因此，在加筋路堤中采用一层或几层土工合成材料加筋体来承担水平荷载，能显著提高地基承载力。

1.2 增强地基约束力，提高承载力

由于土体是松散颗粒的堆积物，因此在未加筋的时候，就无法承受拉应力，因此就不能约束表面地基土在路堤竖向荷载作用下产生的侧向变形。约束地基表面土体的变形，能够提高地基土的承载力[3][4]。而是否对表面地基土有约束作用，相当于基础底部粗糙或光滑两种极端情况。在以下两种情况下，基底粗糙（即地基表面水平位移有约束作用）对提高地基土竖向承载力有特别显著的作用：①地基土的强度随深度增加较明显；②软土层较薄。或是以上两种情况的组合。

如图2所示为地基土不排水强度随深度线性增加（Su=Su0+？籽z）时，将Nc表示成无量纲？籽B/Su0的函数。当地基的强度随深度增加时，基底粗糙的情况使地基土能够承担更大的竖向荷载。

需要说明的是，只有当加筋的土工合成材料必须首先全部承担了作用于地基的外推剪力时，才能对地基表面的土体具有侧向限制作用。当筋体的拉力不能全部抵销外推剪力时，剩下的部分就以外推力的形式作用于地基土体的表面。

1.3 增强路堤填土的土拱效应，调整不均匀沉降

地基在路堤填料竖向荷载的作用下会产生固结变形，形成固结沉降，在未加筋路堤上，地基表层将产生“锅底状”的沉降变形，于是路堤在横断面上将受弯矩的作用，但是填料不能承受拉力，堤底将产生长拉裂缝。而在加筋路堤中，由于加筋体能够承受拉力，使得土拱能够得到足够的拱脚水平力，可以形成有效的土拱效应，路堤在横截面上就像一根受弯矩作用的梁，而筋体的作用就类似于钢筋混凝土中钢筋一样，承担了拉力，调整了地基的沉降变形，将路堤横截面上的“锅底状”沉降曲线调整为“平底锅状”，显著减少了沉降和不均匀沉降。土拱效应使得地基所受竖向压力重新分布，增强了路堤的稳定性。

2 现场试验研究

2.1 试验段基本情况介绍

某高速公路全长50km，设计行车速度120km/h。全线广泛分布有软土地基，为解决由于不均匀沉降造成的结构物沿横向和纵向开裂问题，国内首次在全线结构物下部铺设土工格室，使用面积达到35000m2。由于土工格室在处理软基应用上是一种新尝试，为此选择作试验，用来研究土工格室加筋结构的施工特性，以便检验设计，指导施工。在这试验段中修筑两种主要加筋路堤结构，试验段共100m长，两种结构分别为50m。1#、2#检测坑为检测土工格栅加筋试验段，3#、4#监测坑为检测土工格室加筋试验段。

2.2 数据的分析

回弹模量：

为了检测路基的承载力，在现场用直径为30cm的承载板，在原土基以及采用土工格栅和土工格室垫层处理后的地基上进行承载力测试，其对应各个层顶面回弹模量见表1。

从中可以看出，经过加筋后的地基回弹模量得到明显增加。与未经处理地基相比，格栅加筋以及格室加筋地基（取其均值）分别提高了105.8%、125.3%，这表明通过加筋作用可以有效地提高地基的承载力，地基的工程性质得到了明显的改善，其中土工格室的加筋效果要优于土工格栅。

3 结语

①通过以上分析，可知加筋对于路堤有三方面的作用：降低水平荷载，提高地基承载力；增强地基约束力，提高承载力；增强路堤填土的土拱效应，调整不均匀沉降。

②实践证明，立体加筋的处理效果比平面加筋更佳，更能有效地增加地基承载力，其原因主要是其具有一定的厚度，具有较强的抗弯能力，从而有效地扩散了路堤荷载，大大提高了地基土的承载力。

③立体加筋是一个新事物，对它的工程设计理论国内还是一片空白，现有的规范中没有相应的设计标准，我们有必要深化对它的认识，从而形成合适的设计计算方法。

参考文献：

[1]黄晓明，朱湘.公路土工合成材料应用原理[M].人民交通出版社，2001：214-215.

[2]杨晓军.土工合成材料加筋地基的机理[D].浙江大学博士学位论文，1999.

[3]A.Jewell. The mechanics of reinforced embankments on soft soils[J]. Geotextiles and Geomembranes，1988（7）：237-273.

[4]K.Rowe. Stabilization of very soft soil using high strength geosynthetics：the role offinite elment analyses[J]. Geotextiles and Geomembranes， 1987（6）：53-80.