风积沙工程特性及研究实践：土工格室加固沙强度机理浅析

土工格室对沙的加固是一种机械加固作用，它并不改变沙中颗粒的连接强度，即不改变沙的黏聚力c和内摩擦角φ，在土工格室沙中，沙的抗剪强度并未改变。因此土工格室沙的强度来源只能有三个方面：一是沙自身强度对土工格室沙强度的贡献；二是土工格室本身对土工格室沙强度的贡献；三是土工格室与沙相互作用的结果对土工格室沙强度的贡献。显然第二、第三方面才是加固意义上的强度来源。对于土工格室沙承重结构（如路面结构等），土工格室沙强度的高低在宏观上便表现为所能承受的竖向荷载的大小，就这个意义上看，具有柔软网状结构的土工格室，其本身所能抵抗的竖向荷载是十分有限的。因此由土工格室与沙相互作用产生的强度才是加固作用的关键。

沙是一种无黏性的松散介质，当表面作用竖向荷载时，按勃朗特-卡柯假设，将产生如图7-33所示的滑动图式。滑动体分为三个区域：荷载下的三角形主动区Ⅰ、荷载外侧的三角形被动区Ⅲ，以及介于两者之间的过渡区Ⅱ。对这样的破坏图式，各剪切滑动面上的抗剪强度决定了介质所能承受的最大荷载的值。如前所述，土工格室加固沙并未改变沙的抗剪强度，土工格室不能提高图7-33中滑动面上的抗剪强度。但是由前面的分析可知，土工格室确实具有良好的侧向限制作用，能有效控制荷载下介质的侧向挤压及相邻介质的侧向位移，而这正是介质破坏的关键所在。土工格室虽然不能提高沙的粒间连接强度，但由于其侧向限制作用可以阻止沙中剪切滑动面的形成（图7-34），同样可以提高沙的承载力。只要荷载所在格室单元不破坏，AF和BF′不产生大的侧向位移，剪切滑动面就不可能扩展到格室单元以外，即滑动面DEF和D′E′F′将不复存在，土工格室阻止了剪切破坏的发生。

图7-33　竖向荷载作用下的完全剪切破坏滑动图式

图7-34　土工格室对沙的剪切滑动图式的影响

对比图7-33和图7-34，分析荷载下相应于格室单元AFF′B范围的沙，根据前面的讨论，无论有无土工格室，其抗剪强度都可用式（7-1）表示：

式中　S——沙的抗剪强度（MPa）；

　　　σ——正应力（MPa）；

　　　φ——沙的内摩擦角。

但两种情形下，达到极限平衡的荷载却不相同，这说明在两种情形下，这一部分沙中的应力状态是不同的。图7-35表示不同应力状态下的应力圆和沙的抗剪强度线（不计自重并只考虑周边的侧压力）。

图7-35　应力圆

当未加入土工格室时，在荷载P作用下沙达到极限平衡状态，相当于应力图σ3σ1与强度线L相切，由此可得式（7-2）：

此时引入土工格室的加固作用，格室单元提供Δσ3（Δσ3＞0）的侧向约束，即

而大主应力仍为σ1，应力状态从极限平衡状态转变至应力圆表示的弹性状态。在侧向压力（小主应力下，要达到极平衡状态，大主应力必须满足

即应力圆表示的另一极限平衡应力状态。

由式（7-3）、式（7-4）及式（7-2）得

其中，，即增大主应力必须增大Δσ1，也即荷载必须从P增至P′，说明土工格室沙比沙具有更高的承载力。(www.xing528.com)

进一步考察整个格室单元，即在前述讨论的沙的周围加上格室壁，这样Δσ3将不复存在，小主应力从还原到σ3，产生应力圆，可以看出，强度线成了应力圆的割线，即应力状态超过极限平衡状态，这势必引起介质破坏，而实际上应力状态仍为极限平衡状态，这说明加入土工格室后，材料的强度得到了提高，应有一新的强度线L′代表加固后的材料，且L′正好与应力圆相切，考虑到土工格室不改变沙的粒间强度这一事实，强度线L′与L应具有相同的斜率tanφ，两者是平行的。由此，L′在τ轴上截得截距C（C＞0）（图7-35），L′方程式（7-6）为

即相当于加固后的材料获得了黏聚力C。显然，与未加固的沙比较，土工格室沙具有更高的强度。根据图7-35的几何关系可得

即

或

根据式（7-7）或式（7-8），通过试验便可估计土工格室的加固作用对材料强度的影响。

图7-36　土工格室沙界面上的摩擦力

土工格室对沙的作用除了侧向限制这一主要作用外，还有接触面上的摩擦力，如图7-36所示。摩擦力的存在使得竖向荷载部分地传递给土工格室，再由土工格室部分地向外传递。这类似于荷载扩散过程。在荷载向外扩散的同时，土工格室壁受到竖向剪切作用。

如以φ′表示界面上的摩擦角，则有

显然格室壁两表面上的剪应力不可能超过相应的摩擦力。考虑到在竖向荷载作用下，沙与格室壁接触面上的相对位移是存在的，因此可以认为格室壁表面的剪应力与摩擦力相等，即

从表7-7的分析可知，格室壁两侧的侧压力相差较大，相应于图7-36，有

σe＞σi

将式（7-7）、式（7-11）代入便有

再将式（7-12）、式（7-13）代入可得

τ2＜τ1

可见土工格室壁吸收了部分剪应力，使得竖向荷载的侧向传递产生了阶梯式衰减，土工格室承担了这部分荷载。这是土工格室加固作用之一。但由于接触面的摩擦角要小于沙的内摩擦角，根据有关文献，φ′／φ=0.55～0.65，其加固作用对于承载力的影响较之于纯沙不会有很大的差别，因此是次要作用。

通过上述分析可知，沙、土工格室及土工格室与沙的相互作用共同提供了土工格室沙的强度。其中，土工格室对沙的侧向限制作用是加固作用的主要形式，可按库仑定律对其进行近似估计。土工格室能直接承担及扩散部分荷载，但其作用受沙-格室壁接触面性质及受力状况影响。