利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法，該方法下，格柵強度得以有效發(fā)揮，全面減小加筋土路基沉降和提高自身穩(wěn)定性。（1）進行加筋土施工，至回填工序時，確定回填土干重度、碎石層的埋置深度極限拉拔數(shù)據(jù)及擊實方案；（2）進行回填，至鋪設(shè)高強土工格柵處，按設(shè)定厚度攤鋪一層單一級配碎石層并壓實，碎石粒徑d應(yīng)為高強土工格柵孔眼直徑的50%—80%；然后在碎石層上鋪設(shè)高強土工格柵，高強土工格柵鋪設(shè)完成后，再攤鋪一層設(shè)定厚度的相同碎石層并壓實；如此往復(fù)分層填筑，填筑至計算所得的埋置深度時，不再鋪設(shè)碎石，改用填土填筑并壓實；（3）完成施工。
【專利說明】利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法，屬于土木工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]對高路基及擋墻結(jié)構(gòu)，為減小沉降和提高自身的穩(wěn)定性，常用土工格柵進行加固。但大量實踐表明，現(xiàn)有的塑料格柵，因為強度低(一般小于200kN/m)，導(dǎo)致高大加筋土結(jié)構(gòu)中筋材被拉斷，不能有效地抑制沉降，以及維持高大路基和擋墻的持久穩(wěn)定。高強格柵加固技術(shù)存在的最大問題是筋-土界面的力學(xué)特性相對較弱，實際制約了高強筋材強度的發(fā)揮，加筋土的力學(xué)性能實際是由筋-土界面的強度控制，目前亟待研究高強格柵的路基加固技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是為解決上述問題，提供一種利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法，它通過更換界面附近土體材料，改變其性質(zhì)及作用機理，大幅提高筋-土界面的抗拉拔阻力，從而使界面強度與高強格柵相匹配，防止拉拔破壞的發(fā)生，該方法下，格柵強度得以有效發(fā)揮，全面減小加筋土路基沉降和提高自身穩(wěn)定性。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法，它的步驟為:
[0006](I)進行加筋土施工，至回填工序時，確定回填土干重度Y d、碎石層的埋置深度hb極限拉拔數(shù)據(jù)及擊實方案；
[0007](2)進行回填，至鋪設(shè)高強土工格柵處，按設(shè)定厚度攤鋪一層單一級配碎石層并壓實，碎石粒徑d應(yīng)為高強土工格柵孔眼直徑的50% — 80% ;然后在碎石層上鋪設(shè)高強土工格柵，高強土工格柵鋪設(shè)完成后，再攤鋪一層設(shè)定厚度的相同碎石層并壓實；如此往復(fù)分層填筑，填筑至計算所得的埋置深度hb時，不再鋪設(shè)碎石，改用填土填筑并壓實；
[0008](3)完成施工。
[0009]所述步驟(I)中，碎石層的埋置深度hb的確定方法為:
[0010]hb=P/ Y d
[0011]式中:hb為埋置深度，單位為米，P為豎向壓力，單位為kPa。
[0012]所述步驟(2)中碎石層厚度均為5_8cm。
[0013]所述步驟(3)為，施工完成后，檢查加筋體頂部標高是否滿足施工要求；加筋土工程中的防水、排水工程應(yīng)按設(shè)計要求與加筋體施工同步進行。
[0014]本發(fā)明提出的利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法，使高強格柵的強度得以充分發(fā)揮，有效提高加筋土結(jié)構(gòu)整體的使用性能。
[0015]工作原理:
[0016](I)鑲嵌咬合作用與橫肋被動阻力[0017]大量試驗和工程實踐表明，土工格柵通過土與格柵界面的應(yīng)力傳遞來改變土體中的應(yīng)力分布，對土的側(cè)向位移具有約束作用，增大了土體剛度，能夠提高加筋土的強度和穩(wěn)定性。對于一般塑料土工格柵加筋土，由于強度過低，致使筋材在剪切帶內(nèi)土體顆粒的咬合力完全發(fā)揮以前即被拉斷，難以達到加筋土結(jié)構(gòu)的預(yù)期使用效率，故考慮使用高強度土工格柵來提高加筋土整體強度。目前的高強土工格柵材料單位寬度承載力已可達到1000kN/m。在這種條件下，筋材-土體界面的摩阻力轉(zhuǎn)而成為加筋土整體強度和穩(wěn)定性的控制因素。根據(jù)摩擦加筋理論，該摩阻力主要包括兩個方面:
[0018]I)格柵上下表面與土體產(chǎn)生的滑動摩擦阻力
[0019]2)格柵橫肋前的被動阻力
[0020]在細粒土中，由于土體顆粒粒徑微小，格柵橫肋在土體中的位移只會產(chǎn)生一個范圍很小的橫肋剪脹區(qū)構(gòu)成的剪切帶(如圖1所示)。其應(yīng)力很快被土體顆粒的剪脹位移所消
散。
[0021]因此，本方法在格柵鋪設(shè)位置填筑平均粒徑與格柵孔徑大小相匹配的單一級配碎石，碎石粒徑由(式I)確定:
[0022]d= I I kb I I.P (I)
[0023]式中:d為碎石粒徑(cm)；
[0024]kb為咬合系數(shù)，I |kb| I表示該值應(yīng)取一個范圍，一般為0.5~0.8之間；
[0025]P為格柵孔眼的當量直徑(cm)。
[0026]由式(I)確定的粒徑范圍內(nèi)的碎石材料將與相應(yīng)的格柵孔眼產(chǎn)生良好的鑲嵌咬合作用，在緊密壓實的條件下兩者近似連結(jié)為一個整體。土體變形時，格柵推動碎石在土體中位移，間接增大了格柵橫肋與土體的作用面積，使之產(chǎn)生一個相對較大的剪脹區(qū)(如圖2所示)。相較于單純的格柵橫肋剪切作用，這種結(jié)構(gòu)受到更廣泛更強大的土體抗剪脹阻力。通過該措施，格柵橫肋的被動阻力將提高3倍以上，從而可以增大筋-土界面摩阻力，高強格柵的強度性能得以發(fā)揮。
[0027](2)埋置深度
[0028]基于極限強度理論的結(jié)構(gòu)分析中，界面摩擦剪切強度符合下列庫侖定律:
[0029],
tf = Csg + ση tan <psgC 2)
[0030]式中:τ f為界面摩擦抗剪強度(kPa)；
[0031]Csg為界面摩擦力(kPa)；
[0032]ση為法向壓力(kPa);
[0033]iPsg為界面摩擦角(° )。
[0034]由此驗證，筋-土界面摩擦強度與格柵受到的法向應(yīng)力存在正相關(guān)關(guān)系。在實際工程中，構(gòu)造物自重荷載產(chǎn)生的豎向壓力有限，不足以產(chǎn)生足夠的界面摩擦強度以匹配高強格柵的性能。本方法提出的鋪設(shè)碎石層，增大格柵橫肋被動阻力以解決這一問題的同時，也受到豎向壓力問題的制約。實驗表明，在法向壓力值較小的情況下，由于相對松散的碎石與土體間的摩擦阻力較弱，土中的碎石很容易被格柵孔眼帶動并發(fā)生翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生大范圍的剪脹破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致土體內(nèi)部應(yīng)力隨之下降，使得碎石層的界面強化效果并不明顯。
[0035]考慮到碎石材料的使用效率和經(jīng)濟性，本方法提出必須在具有足夠法向壓力的條件下，使用單一級配碎石層來強化高強格柵-土界面。在工程上，法向壓力的大小可以通過選擇合適的埋置深度來控制。在某一埋置深度處，其上的土體自重產(chǎn)生的豎向壓力使筋-碎石界面的極限拉拔力等于格柵本身的拉伸強度，將這一埋置深度定義為臨界埋置深虔^ ^bmax ο
[0036]Tffl ( Yd, hbfflax)=Tf (3)
[0037]式中:Tm為臨界埋置深度hbmax處筋-碎石界面的極限拉拔力(kN.m-1)，它與上覆土體干重
[0038]度Yd正相關(guān)；
[0039]Tf為土工格柵的拉伸強度(kN.m-1)。
[0040]若埋深超過臨界埋置深度，則筋土界面強度將超越格柵本身強度。對于高強格柵，臨界埋置深度往往是一個超越工程實際的較大值。埋置深度的下限可根據(jù)工程實際需要，取能夠發(fā)揮高強格柵本身拉伸強度的50% — 90%所對應(yīng)的深度值。
[0041]為得到埋置深度參考值，本方法提出通過室內(nèi)拉拔試驗(參見《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》JTG Ε50-2006)，測量不同豎向壓力下的極限拉拔力，從而得到符合要求的所需豎向壓力值。例如,表1給出了試驗中格柵剪切位移6.25cm時的極限拉拔數(shù)據(jù)，本試驗中格柵長度125cm (其中IOOcm埋入土中),寬度13.3cm,拉拔速率7.5mm/min。
[0042]表1格柵剪切位移6.25cm時的極限拉拔數(shù)據(jù)
[0043]
,
【權(quán)利要求】
1.一種利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法，其特征是，它的步驟為: (1)進行加筋土施工，至回填工序時，確定回填土干重度Yd、碎石層的埋置深度hb極限拉拔數(shù)據(jù)及擊實方案； (2)進行回填，至鋪設(shè)高強土工格柵處，按設(shè)定厚度攤鋪一層單一級配碎石層并壓實，碎石粒徑d應(yīng)為高強土工格柵孔眼直徑的50% — 80% ;然后在碎石層上鋪設(shè)高強土工格柵，高強土工格柵鋪設(shè)完成后，再攤鋪一層設(shè)定厚度的相同碎石層并壓實；如此往復(fù)分層填筑，填筑至計算所得的埋置深度hb時，不再鋪設(shè)碎石，改用填土填筑并壓實； (3)完成施工。
2.如權(quán)利要求1所述的利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法，其特征是，所述步驟(1)中，碎石層的埋置深度hb的確定方法為:
式中:hb為埋置深度，單位為米，P為豎向壓力，單位為kPa。
3.如權(quán)利要求1所述的利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法，其特征是，所述步驟(2)中碎石層厚度均為5-8cm。
4.如權(quán)利要求1所述的利用單一級配碎石材料的高強土工格柵-土界面強化方法，其特征是，所述步驟(3)為，施工完成后，檢查加筋體頂部標高是否滿足施工要求；加筋土工程中的防水、排水工程應(yīng)按設(shè)計要`求與加筋體施工同步進行。
【文檔編號】E02D3/00GK103628379SQ201310642157
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】崔新壯, 樓俊杰, 王磊, 湯濰澤, 張娜 申請人:山東大學(xué)