土工織物加筋墊層的加筋機理源於其對土體的側限效果，鋪設土工織物後能有效地減小地基的沉降，並能夠限制淺層土體的側向變形；為使土工織物的加筋效果能夠得以充分發揮，要求織物的強度及模量要與墊層的界面強度相匹配。
基本介紹
- 中文名：土工織物試驗
- 外文名：Geotextiles test
- 學科：土木工程
- 領域：建築
- 作用：減小地基的沉降
- 試驗：離心模型試驗
簡介,試驗方法,模型製備及試驗過程,試驗量測,試驗結果及分析,總結,
簡介
土工織物加筋墊層已在軟基堤壩中得到了廣泛的套用，國內外許多學者對其加筋機理及設計理論進行過深入的研究。但是，由於加筋墊層的工作性狀十分複雜，目前工程界對織物加筋機理的認識及加筋效果的評判尚未達成共識，更缺乏有章可循的規範指導。因此，有必要對此課題開展進一步的試驗研究。
離心模型試驗由於能再現土中應力及應變狀態，而具有一般土工試驗所無法比擬的優越性，故土工離心技術在土石壩、地下支擋結構及軟土地基等岩土工程領域得到了廣泛的套用。在土工合成材料加固軟土路堤方面，也有一些學者採用離心模型試驗方法進行了研究。採用清華大學50 g-ton離心機，以黃驊港防波堤工程為依託，對有、無土工織物加筋墊層及不同織物加筋條件下堤壩和軟土地基的變形特性進行對比研究，探求地基土體的豎向與水平位移分布規律，分析土工織物的加筋機理。
試驗方法
模型製備及試驗過程
試驗針對黃驊港南防波堤典型斷面進行。該防波堤工程的地基大體上由4 大層組成，即淤泥層、淤泥質黏土層、黏土層和亞黏土層。限於現場取土條件，從黃驊港取回的土樣基本上為南防波堤附近的表層淤泥質黏土，強度極低。為更好地模擬實際工程原狀土層的分層特性，離心試驗擬採用雙層地基模型，其中上層地基為取自現場的淤泥質黏土，而下臥層地基則選用清華大學岩土工程研究所試驗備用的一種亞黏土。
試驗中選擇模型率n = 120，離心加速度為120 g。堤身按照防波堤典型斷面形式以角礫模擬。為研究土工織物加筋墊層及不同織物強度對堤壩和地基變形特性的影響，試驗時選用了3 種不同的方案，分別為：
①不鋪設土工織物；
②堤基砂墊層中間鋪設36.7 cm 寬的紗布，相當於原型44 m，沿堤基斷面滿鋪；
③堤基砂墊層中間鋪設36.7 cm 寬的的確良，相當於原型44 m，沿堤基斷面滿鋪。
若按強度相似準則，則這2 種模擬材料的模量/厚度比均偏大。相對而言，拉伸模量較小的紗布更接近於黃驊港實際工程所選用的土工織物。
值得指出的是，為了保證有一側的堤坡和地基變形能夠充分發展，本次試驗中模型的製作均採用了不對稱形式。模型製作步驟與離心試驗過程如下：
（1）將淤泥質黏土及亞黏土分別加水至飽和，充分攪拌排除土中的氣體，配製成供試驗用的重塑土樣。
（2）將重塑亞黏土置於模型箱中，使其在120 g離心加速度下運轉1 h，達到初始固結停機，在上部放置淤泥質黏土土樣，以120 g 加速度再次運轉6 h，使雙層地基土體在重力作用下固結。固結後的上、下兩層地基土乾密度分別為1.15 g/cm3 和1.70 g/cm3，厚度為5 cm 和15 cm（相當於原型6 m 和18 m）。對於3 種不同試驗方案土樣均在相同的條件下固結製備，以增加試驗的對比性。此外，為加速土體固結及減小模型箱的邊壁摩擦效應，在模型箱的四壁均鋪有一層濾紙並塗抹了矽油。
（3）地基製作完畢後，拆去模型箱側壁的有機玻璃板，在土體側面嵌入小珠子作為量測土體位移的控制點。記錄各控制點的初始坐標，然後重新裝好有機玻璃板。
（4）在地基上鋪設砂墊層和不同土工織物替代材料（分別對應3 種不同試驗方案），並堆築角礫堤壩。然後將製作好的模型放入離心機吊藍中，並安置位移感測器及孔壓感測器，以量測地基表面的豎向位移以及地基中的孔隙水壓力。
（5）啟動離心機，模擬實際施工進度分級載入。至t = 35 min 時（現場環境下約100 d），離心加速度達到120 g，堤身達到設定標高，此時相當於防波堤原型的工作狀態。此後，離心機在120 g 下持續運轉72 min，即相當於現場防波堤在堆砌完成後2年內的運行狀況。
試驗量測
為監測地基表面豎向位移及地基中孔隙水壓力的發展過程，在地基中適當位置布置了位移感測器和孔壓感測器測點。位移與孔壓測試由DDS 數據採集系統自動完成，地基土體的最終位移場則通過量測嵌於地基側面的控制點在試驗前後的位置變化而得到。
試驗結果及分析
通過不同試驗中堤底位移與淤泥質黏土層測點孔壓的時程曲線。可以看出各變數均已按模型率n = 120 由模型向原型作了換算。對於不鋪設土工織物加筋墊層的試驗方案1，位移感測器測得的堤壩中軸線處地基表面最終沉降為3.04 m；方案2，堤軸線處地表沉降為2.24 m，較方案1 有明顯減小，減小幅度為26 %；方案3，相應的沉降為2.36 m，減幅為22 %。從圖3 給出的孔壓-時間曲線還可以看出，淤泥質黏土內部測點的孔隙水壓力在載入過程中逐漸增加，當穩定運轉時（相當於堤壩已堆砌完成），則趨於緩慢消散狀態。綜合上述試驗結果可知：
（1）較之無土工織物情形，土工織物加筋墊層能有效地減小地基的豎向沉降，土工織物有一定的加筋作用。
（2）鋪設36.7 cm紗布的加筋效果優於相同鋪設寬度的的確良，這說明盲目增大土工織物的強度或模量並不能保證加筋效果的提高。究其原因，可能是因為的確良的強度及模量未能和其與砂墊層的界面強度相匹配，織物強度大而界面強度小，土體的變形不能傳遞給織物，從而導致的確良的抗拉力不能充分發揮。因此，實際工程選取土工織物時應考慮織物的界面特性。
此外，實測地基表面的豎向位移表明土體位移主要發生在上層淤泥質黏土中，沿著上下兩層土體的交界面，地基土體發生了較大的滑移。鋪設36.7 cm紗布後，地基位移場產生了偏轉，位移量亦有所減小，同時分布範圍也相應地縮小，因而在一定程度上提高了堤基的穩定性。
顯然土工織物能夠限制淺層土體的側向變形。鋪設土工織物後地基中不同位置的水平位移隨深度的變化曲線均出現了拐點，這些拐點的位置接近地基表面，表明織物對地基土體側限作用的影響範圍較小。由圖還可以發現，3 種不同試驗方案中，方案2 的側向位移最小，這再次表明鋪設36.7 cm紗布具有較好的加筋效果。
總結
基於無加筋墊層及 2 種不同加筋墊層條件下的防波堤離心模型對比試驗研究，可以得出以下主要結論及認識：
（1）土工織物加筋墊層能有效減小地基的沉降，並能夠限制淺層土體的側向變形。鋪設土工織物後地基中不同位置的水平位移隨深度的變化曲線均出現了拐點。這些拐點的存在證實了土工織物加筋墊層的加筋作用機理源於其對土體的側限效應，拐點的位置接近地基表面，表明織物對地基土體側限作用的影響範圍較小。
（2）土工織物的加筋效果受織物強度、模量以及界面強度等諸多因素的影響，為保證加筋效果的充分發揮，要求織物的強度及模量和其與砂墊層的界面強度相匹配。
