摘要：通过对土工格室加筋碎石垫层和平面加筋加固软弱路基的作用机理以及破坏模式进行比较分析，认为基于极限承载力概念的滑块平衡法符合土工格室加筋碎石垫层处理软弱路基的真实可能破坏机理，是一种合理简便的分析方法。
关键词：土工格室；圆弧条分法；极限承载力；滑块平衡分析法
土工格室是一种新型特种土工合成材料，它是由高密度的聚乙烯宽带焊接而成的具有立体格室结构的材料。其特点是伸缩自如，施工方便，使用时只需张开格室填充土石材料并压实即可。
1作用机理和破坏模式
1.1作用机理比较分析
相对于平面加筋垫层而言，土工格室加筋碎石垫层作用机理具有以下特点；
1）强大的当量侧向约束力效应。平面加筋材料通过筋土接触面磨擦，增强了浅层软土的抗剪强度。而土工格室的侧向约束力由格室侧壁提供，其强度由格室材料强度控制，远远大于平面加筋的筋土界面磨擦作用。
2）网兜效应。土工格室加筋碎石垫层在外力的作用下会形成凹曲面，凹面上土体对结构体向下的压力大于凹面下土体向上的反力，超出部分由土工格室提供的向上的托举力平衡。托举力的存在增强了软基承受荷载的能力，减少了沉降，既所谓“网兜效应”。
1．2 破坏模式比较分析
传统的分析方法假定加筋路基的破坏模式为圆滑弧动破坏，并且具有以下两种形式；①筋材拉断破坏，即由于筋材强度不足，筋材被拉断而破坏；②筋材拔出破坏，即由于筋土接触面抗剪强度不足，筋材被拉出而破坏。
本文认为，土工格室加筋碎石垫层作用下软基的真实可能破坏形式不是圆弧滑动破坏而是带过量沉降的侧向挤出破坏理由如下：
1）土工格室加筋碎石垫层结构中，与平面加筋土中存在筋材面与填料之间的摩擦不同，筋土接触面的磨擦实际上是压实碎石填料之间的磨擦。在这一结构的受力变形过程中，压实的石料间的摩擦可以提供足够的摩阻力和抗拔力，足以防止发生拔出破坏。
2）土工格室材料抗拉强度远大于一般平面加筋材料，其与碎石填料形成的柔性筏板具有相当大的抗弯和抗剪强度，而且在格室材料受到剪切力作用时，其所受的剪力将沿路堤纵向向相邻两侧的格室传递。因此，在一般的路堤荷载作用下，土工格室加筋碎石垫层复合结构体的强度足以防止发生筋材拉断破坏。
3）通常认为堤底应力等于填土的容重
乘以土堤高
，这对于路堤土与地基土刚度相差不大的情况比较适用。但刚度相差较大时（如采用格室垫层处理的软基），则应考虑填土与地基的剪切变形影响，采用“弹性土堤法”，结果是随填土与地基土刚度比增大，基底应力在中心处减小，坡脚处增大，其分布并非梯形而近似矩形，该应力分布使得地基土存在向外侧挤出破坏趋势。
4）侧向挤出破坏的假定得到了实际工程的验证。在采用土工格室处理软弱地基工程中，对基底应力分布，竖向变形和水平变位进行了试验观测。结果证明，采用土工格室处理的软弱路基，其基底荷载存在向路基两侧转移的趋势，随着荷载的增加，基底除发生较大的竖向沉降外，路堤坡脚处发生隆起现象，其坡坏临界状态并非圆弧滑动而是过量沉降的侧向挤出破坏。
2分析方法
2．1传统分析法的缺点
针对圆弧滑动破坏模式，通常的分析法有瑞典法与荷兰法两种。瑞典法假定加筋材料拉应力一直保持与铺设方向（通常为水平方向）一致。此时由筋材拉力S产生的抗滑力矩；MR =（Scos
+Ssin
tan
）R （1）式中，
为路堤填土的内摩擦角；S为筋材拉力；MR为筋材提供的抗滑力矩。荷兰法假定筋材拉力方向与圆弧方向相切，此时筋材产生的抗滑力矩为：
将式（1）或式（2）求出的抗滑力矩加在总的抗滑力矩内，即可求出抗滑稳定性安全系数，但其计算结果通常只能比不加筋路堤提高2%～3%。加筋的效果十分有限。由此可知，对于土工格室加筋碎石垫层，瑞典法和荷兰法势必与工程实际产生较大差别，并不适用。
2.2 滑块平衡分析法
由上可见，在对采用土工格室加筋碎石垫层处理的软弱路基进行稳定性分析，应考虑三个高面的因素；①采用格室后破坏形式的改变；②加筋的磨擦作用；③应力扩散效应。针对侧向挤出的破坏形式，可以采用考虑加筋磨擦力作用的滑块平衡法。滑块平衡分析法是土力学中求极限荷载的传统方法，属极限分析中可动解法的一种，包括力矢平衡法和力矩平衡法，未知力可以从力矢平衡条件求得这个基本思路来求出软基的极限承载力。已有的计算表明，只要选用的滑动面充分接近真实的滑动面，由滑块平衡法求得的极限承载力将十分接近于极限荷载。综合考虑应力扩散效应，可以求得格室加筋垫层作用下软基的极限承载力，此时，路基稳定性安全系数的定义由抗滑力矩除以滑动力矩转化为极限承载力与设计荷载之比。
3 计算示例
考虑凝聚性土地基。中将无格室地基划分为4个滑块；中将有格室地基划分为5个滑块。T1为格室垫层对软基顶面作用的指向路堤中心的摩擦力，其大小为界面抗剪强度充分发挥时的一半大小；T2为上部路堤填土产生的指向路堤外侧的土压力。设B为地基半宽，ac=ad=Ab，ae=a2B，a1、a2 
为三个与滑动面形状有关的未知量，根据极值原理可以求出地基的极限承载力。对于无格室地基，B=5.0m，填土高度3m，填土容重
=16。7Kn/m3，取土侧压力系数0.4，经计算得，T2=32.5Kn/m，当a1=0.4，a2=0.42，
=28°时地基取得极限荷载值86.5kPa。
对于格室加筋地基，B=5.0m，
f=17.66kPa，经计算得，当a1=0.62，a2=0.66，
=38°时地基极限荷载值106.7kPa。
综合考虑加筋的应力扩散效应，取应力扩散效应系数β=0.9，加筋地基的极限荷载为106.7/0.9=118.6 kPa.两相比较，加筋地基的极限承载力提高了37%。
4 结语
1）带过量沉降的侧向挤出破坏形式符合土工格室加筋碎石垫层处理的软弱路基真实可能破坏机理，针对这一破坏形式的滑块平衡分析法比通常的圆弧分析法更符合工程实际。
2）软基处理工程采用土工格室加筋碎石垫层加碎石桩联合处理的新型处理技术，即在格室垫层作用下，采用碎石加固软土地基，有效防止了侧向挤出破坏的发生，增强了路基的稳定性。
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论文作者:张璟君1,白海浪2,李晓冬3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：土工论文; 地基论文; 碎石论文; 路基论文; 荷载论文; 路堤论文; 承载力论文; 《基层建设》2019年第7期论文;