利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法
【专利摘要】本发明是一种利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法，该方法下，格栅强度得以有效发挥，全面减小加筋土路基沉降和提高自身稳定性。（1）进行加筋土施工，至回填工序时，确定回填土干重度、碎石层的埋置深度极限拉拔数据及击实方案；（2）进行回填，至铺设高强土工格栅处，按设定厚度摊铺一层单一级配碎石层并压实，碎石粒径d应为高强土工格栅孔眼直径的50%—80%；然后在碎石层上铺设高强土工格栅，高强土工格栅铺设完成后，再摊铺一层设定厚度的相同碎石层并压实；如此往复分层填筑，填筑至计算所得的埋置深度时，不再铺设碎石，改用填土填筑并压实；（3）完成施工。
【专利说明】利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法
【技术领域】
[0001]本发明提供了一种利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法，属于土木工程领域。
【背景技术】
[0002]对高路基及挡墙结构，为减小沉降和提高自身的稳定性，常用土工格栅进行加固。但大量实践表明，现有的塑料格栅，因为强度低(一般小于200kN/m)，导致高大加筋土结构中筋材被拉断，不能有效地抑制沉降，以及维持高大路基和挡墙的持久稳定。高强格栅加固技术存在的最大问题是筋-土界面的力学特性相对较弱，实际制约了高强筋材强度的发挥，加筋土的力学性能实际是由筋-土界面的强度控制，目前亟待研究高强格栅的路基加固技术。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法，它通过更换界面附近土体材料，改变其性质及作用机理，大幅提高筋-土界面的抗拉拔阻力，从而使界面强度与高强格栅相匹配，防止拉拔破坏的发生，该方法下，格栅强度得以有效发挥，全面减小加筋土路基沉降和提高自身稳定性。
[0004]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0005]一种利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法，它的步骤为:
[0006](I)进行加筋土施工，至回填工序时，确定回填土干重度Y d、碎石层的埋置深度hb极限拉拔数据及击实方案；
[0007](2)进行回填，至铺设高强土工格栅处，按设定厚度摊铺一层单一级配碎石层并压实，碎石粒径d应为高强土工格栅孔眼直径的50% — 80% ;然后在碎石层上铺设高强土工格栅，高强土工格栅铺设完成后，再摊铺一层设定厚度的相同碎石层并压实；如此往复分层填筑，填筑至计算所得的埋置深度hb时，不再铺设碎石，改用填土填筑并压实；
[0008](3)完成施工。
[0009]所述步骤(I)中，碎石层的埋置深度hb的确定方法为:
[0010]hb=P/ Y d
[0011]式中:hb为埋置深度，单位为米，P为竖向压力，单位为kPa。
[0012]所述步骤(2)中碎石层厚度均为5_8cm。
[0013]所述步骤(3)为，施工完成后，检查加筋体顶部标高是否满足施工要求；加筋土工程中的防水、排水工程应按设计要求与加筋体施工同步进行。
[0014]本发明提出的利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法，使高强格栅的强度得以充分发挥，有效提高加筋土结构整体的使用性能。
[0015]工作原理:
[0016](I)镶嵌咬合作用与横肋被动阻力[0017]大量试验和工程实践表明，土工格栅通过土与格栅界面的应力传递来改变土体中的应力分布，对土的侧向位移具有约束作用，增大了土体刚度，能够提高加筋土的强度和稳定性。对于一般塑料土工格栅加筋土，由于强度过低，致使筋材在剪切带内土体颗粒的咬合力完全发挥以前即被拉断，难以达到加筋土结构的预期使用效率，故考虑使用高强度土工格栅来提高加筋土整体强度。目前的高强土工格栅材料单位宽度承载力已可达到1000kN/m。在这种条件下，筋材-土体界面的摩阻力转而成为加筋土整体强度和稳定性的控制因素。根据摩擦加筋理论，该摩阻力主要包括两个方面:
[0018]I)格栅上下表面与土体产生的滑动摩擦阻力
[0019]2)格栅横肋前的被动阻力
[0020]在细粒土中，由于土体颗粒粒径微小，格栅横肋在土体中的位移只会产生一个范围很小的横肋剪胀区构成的剪切带(如图1所示)。其应力很快被土体颗粒的剪胀位移所消
散。
[0021]因此，本方法在格栅铺设位置填筑平均粒径与格栅孔径大小相匹配的单一级配碎石，碎石粒径由(式I)确定:
[0022]d= I I kb I I.P (I)
[0023]式中:d为碎石粒径(cm)；
[0024]kb为咬合系数，I |kb| I表示该值应取一个范围，一般为0.5~0.8之间；
[0025]P为格栅孔眼的当量直径(cm)。
[0026]由式(I)确定的粒径范围内的碎石材料将与相应的格栅孔眼产生良好的镶嵌咬合作用，在紧密压实的条件下两者近似连结为一个整体。土体变形时，格栅推动碎石在土体中位移，间接增大了格栅横肋与土体的作用面积，使之产生一个相对较大的剪胀区(如图2所示)。相较于单纯的格栅横肋剪切作用，这种结构受到更广泛更强大的土体抗剪胀阻力。通过该措施，格栅横肋的被动阻力将提高3倍以上，从而可以增大筋-土界面摩阻力，高强格栅的强度性能得以发挥。
[0027](2)埋置深度
[0028]基于极限强度理论的结构分析中，界面摩擦剪切强度符合下列库仑定律:
[0029],
tf = Csg + ση tan <psgC 2)
[0030]式中:τ f为界面摩擦抗剪强度(kPa)；
[0031]Csg为界面摩擦力(kPa)；
[0032]ση为法向压力(kPa);
[0033]iPsg为界面摩擦角(° )。
[0034]由此验证，筋-土界面摩擦强度与格栅受到的法向应力存在正相关关系。在实际工程中，构造物自重荷载产生的竖向压力有限，不足以产生足够的界面摩擦强度以匹配高强格栅的性能。本方法提出的铺设碎石层，增大格栅横肋被动阻力以解决这一问题的同时，也受到竖向压力问题的制约。实验表明，在法向压力值较小的情况下，由于相对松散的碎石与土体间的摩擦阻力较弱，土中的碎石很容易被格栅孔眼带动并发生翻转，产生大范围的剪胀破坏现象，导致土体内部应力随之下降，使得碎石层的界面强化效果并不明显。
[0035]考虑到碎石材料的使用效率和经济性，本方法提出必须在具有足够法向压力的条件下，使用单一级配碎石层来强化高强格栅-土界面。在工程上，法向压力的大小可以通过选择合适的埋置深度来控制。在某一埋置深度处，其上的土体自重产生的竖向压力使筋-碎石界面的极限拉拔力等于格栅本身的拉伸强度，将这一埋置深度定义为临界埋置深虔^ ^bmax ο
[0036]Tffl ( Yd, hbfflax)=Tf (3)
[0037]式中:Tm为临界埋置深度hbmax处筋-碎石界面的极限拉拔力(kN.m-1)，它与上覆土体干重
[0038]度Yd正相关；
[0039]Tf为土工格栅的拉伸强度(kN.m-1)。
[0040]若埋深超过临界埋置深度，则筋土界面强度将超越格栅本身强度。对于高强格栅，临界埋置深度往往是一个超越工程实际的较大值。埋置深度的下限可根据工程实际需要，取能够发挥高强格栅本身拉伸强度的50% — 90%所对应的深度值。
[0041]为得到埋置深度参考值，本方法提出通过室内拉拔试验(参见《公路工程土工合成材料试验规程》JTG Ε50-2006)，测量不同竖向压力下的极限拉拔力，从而得到符合要求的所需竖向压力值。例如,表1给出了试验中格栅剪切位移6.25cm时的极限拉拔数据，本试验中格栅长度125cm (其中IOOcm埋入土中),宽度13.3cm,拉拔速率7.5mm/min。
[0042]表1格栅剪切位移6.25cm时的极限拉拔数据
[0043]
,
【权利要求】
1.一种利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法，其特征是，它的步骤为: (1)进行加筋土施工，至回填工序时，确定回填土干重度Yd、碎石层的埋置深度hb极限拉拔数据及击实方案； (2)进行回填，至铺设高强土工格栅处，按设定厚度摊铺一层单一级配碎石层并压实，碎石粒径d应为高强土工格栅孔眼直径的50% — 80% ;然后在碎石层上铺设高强土工格栅，高强土工格栅铺设完成后，再摊铺一层设定厚度的相同碎石层并压实；如此往复分层填筑，填筑至计算所得的埋置深度hb时，不再铺设碎石，改用填土填筑并压实； (3)完成施工。
2.如权利要求1所述的利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法，其特征是，所述步骤(1)中，碎石层的埋置深度hb的确定方法为:
式中:hb为埋置深度，单位为米，P为竖向压力，单位为kPa。
3.如权利要求1所述的利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法，其特征是，所述步骤(2)中碎石层厚度均为5-8cm。
4.如权利要求1所述的利用单一级配碎石材料的高强土工格栅-土界面强化方法，其特征是，所述步骤(3)为，施工完成后，检查加筋体顶部标高是否满足施工要求；加筋土工程中的防水、排水工程应按设计要`求与加筋体施工同步进行。
【文档编号】E02D3/00GK103628379SQ201310642157
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】崔新壮, 楼俊杰, 王磊, 汤潍泽, 张娜 申请人:山东大学