新型土工格柵加筋土路堤模型試驗研究

郭小川，劉德富，肖衡林

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

自20世紀60年代以來，加筋土作為一種新的提高堤壩穩(wěn)定性的工程措施，迅速被應(yīng)用在水利、公路、鐵路、港口和建筑等部門的巖土工程中。在公路加筋路堤方面，土工格柵作為一種常用的加筋材料，其作用主要是約束路堤土體的側(cè)向變形，改變加筋土體的受力狀態(tài)，從而改善加筋堤壩穩(wěn)定性。而三向土工格柵作為一種新型土工格柵，由于能承受平面各個方向的力，防止不均勻沉降效果比一般雙向和單向土工格柵要好，在我國填方路堤上研究與應(yīng)用還很少，對其效果至今沒有定量結(jié)論。

Bathurst［1］采用寬0.465m 的鋼梁作為條形加載裝置對3個高3.4m的加固和不加固大模型邊坡加壓，通過試驗認為單向土工格柵加固邊坡的承載能力為相同條件下未加固邊坡的1.6～2倍。羊曄，劉松玉［2］等通過室內(nèi)小比例模型試驗，得出單向土工格柵加筋結(jié)構(gòu)可以緩解高速公路過渡段的不均勻沉降。鄒靜蓉［3］等采用大尺寸拉拔模型研究土工格柵與填料之間的相互作用，格柵受到的極限抗拔力與上覆壓力成線性關(guān)系，而初始拉拔模量與上覆壓力成冪函數(shù)關(guān)系。楊慶等［4］通過室內(nèi)小比尺模型試驗，研究了土工格柵加筋參數(shù)對路堤邊坡結(jié)構(gòu)性能的影響，證明加筋能大幅提高邊坡的穩(wěn)定性和承載能力，并得出了土工格柵埋在土中的力學(xué)特征。楊林華［5］通過具體的模型試驗對土工格柵加筋路堤邊坡的變形進行了研究，證明加筋能提高土體整體性，使應(yīng)力應(yīng)變在邊坡土體內(nèi)分布更均勻。

多數(shù)學(xué)者認為土工格柵能提高路堤的整體穩(wěn)定性與極限承載力，但加筋材對路堤沉降效果如何，仍需要進一步量化研究。

本文采用自行設(shè)計的路堤模型實驗裝置開展了加筋路堤模型試驗，研究不同工況下格柵的變形情況，以及格柵鋪設(shè)位置對路堤模型破壞的影響。

1 模型試驗

1.1 試驗材料

試驗使用的砂含水率為4.1%，不均勻系數(shù)Cu＝5，內(nèi)摩擦角φ＝9.22°。試驗過程中砂土的壓實度以擊實功進行控制，使用小型夯實錘，錘擊時落距相同并分層填筑，每填筑100mm擊實一次。模型的密實度在試驗開始前測量，測量方法為在模型不同位置隨機抽取3個樣本，取其平均值，最終測得的相對密實度為0.45，使用的砂顆粒級配見表1。由于填土的密實程度也是試驗的控制條件，密實程度不同試驗的破壞情況也不同［6］，本試驗每次工況砂土的密實程度都基本控制在0.45。

表1 砂顆粒級配分析表

使用的土工格柵是TDGD80三向土工格柵，其極限抗拉強度為80kN／mm，極限延伸率≤10%，2%延伸率抗拉強度≥20kN／mm，5%延伸率抗拉強度≥48kN／mm。

1.2 試驗設(shè)備

試驗裝置采用自制的路堤模型試驗系統(tǒng)［7］，見圖1，主要由模型試驗箱，加載系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)等組件組成。

1.加強環(huán)境宣傳教育，夯實環(huán)保基礎(chǔ)。環(huán)境宣教是環(huán)境保護的基礎(chǔ)性工作，近年來，各界的環(huán)境保護意識有了很大提高，但是與環(huán)保工作的要求相比較，還有很大差距。因此，應(yīng)當(dāng)運用多種形式，不斷創(chuàng)新載體，利用各種場合不斷加強環(huán)境宣傳教育。

模型箱的尺寸為2 000mm×800mm ×760 mm，模型箱前側(cè)采用20mm厚的透明有機玻璃板，可以方便地觀察到模型的變形情況。為了使加載均勻，使用鋼板加載，加載鋼板尺寸為790mm×300 mm×40mm。模型箱的縱向兩側(cè)，正面是鋼化有機玻璃，背面是木質(zhì)板，邊角部位通過角鋼固定，以確保無縱向的變形發(fā)生。

豎向壓力采用液壓油泵和活塞缸施加，最大工作壓力是25MPa。加載方法是通過該加載系統(tǒng)持續(xù)分級的加載，每級荷載設(shè)定為0.5MPa，每級荷載加載時間視模型變形情況而定，當(dāng)模型處于變形穩(wěn)定后（通過多次試驗觀察到，每級荷載大約加載5 min）施加下一級荷載，直到模型發(fā)生滑動破壞視為加荷終止條件。

該設(shè)備的最大特點是：施加的壓力由自帶的電子壓力系統(tǒng)控制，加載過程中能自動保壓，可以任意設(shè)定某一個荷載的數(shù)值及所需的加載持續(xù)時長，提供持續(xù)穩(wěn)定的壓力。相較以往模型試驗裝置，本裝置的優(yōu)點在于：加壓操作過程簡易省時；能夠?qū)δＰ褪┘映掷m(xù)穩(wěn)定的壓力；易于觀察，試驗數(shù)據(jù)精度較高；液壓缸面積較大，加壓精度得到提高。

試驗?zāi)Ｐ褪疽馊鐖D2，路堤高600mm，墊層厚度為200mm，每隔150mm鋪設(shè)一層格柵，頂層到坡頂距離為100mm。

為了研究不同加筋位置土工格柵的變形及路堤破壞模式，試驗中分以下8種工況，格柵鋪設(shè)部位見圖2。

1）工況A：不鋪設(shè)格柵；

2）工況B：頂層鋪設(shè)格柵；

4）工況D：底層鋪設(shè)格柵；

5）工況E：頂層和中層鋪設(shè)格柵；

6）工況F：頂層和底層鋪設(shè)格柵；

7）工況G：中層和底層鋪設(shè)格柵；

8）工況H：底層中層和頂層鋪設(shè)格柵。

圖1 模型試驗裝置

圖2 路堤模型示意圖

本試驗中需要測定的參數(shù)為：試驗過程中記錄施加荷載的大小，即坡頂豎向壓力P；不同工況下坡體的總沉降量s，連續(xù)監(jiān)攝路堤從加載到破壞時坡面變形和發(fā)展過程。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 位移沉降數(shù)據(jù)分析

采用平行試驗方法（坡度、壓實度、含水率相同）對不同工況條件下路堤的變形進行試驗研究。得出不同工況下路堤頂面的總沉降數(shù)據(jù)見表2，路堤在不同工況下的荷載—沉降（P－S）曲線如圖3所示。

從表2和圖3中可以看出，對于坡體底面的總沉降來說，隨著加筋層數(shù)的增多，坡體的總沉降相差不大，而破壞前一級荷載時的總沉降量相差較大不加筋時為30.2mm；加筋一層格柵后為23mm～26 mm，較不加筋減小了13%～23%；加兩層格柵后為20mm～26mm，比不加筋小13%～33%；加三層格柵后為27mm，加筋比不加筋沉降小了10%。

對于極限承載力而言，由表2可看出，不加筋時路堤的極限承載力為2.5MPa，格柵鋪設(shè)層數(shù)為一層時，在工況B、C、D情況下，當(dāng)格柵鋪設(shè)在頂層時路堤極限承載力為3.5MPa，而鋪設(shè)在中層和底層時荷載破壞都是3.0MPa；工況E鋪設(shè)格柵兩層時，格柵鋪在頂層和中層路堤破壞時荷載能達到5.0MPa，工況F鋪設(shè)在頂層和底層破壞荷載為4.5 MPa，工況G格柵鋪設(shè)在中層和底層時極限荷載為4.0MPa；格柵鋪設(shè)三層時極限荷載為5.5MPa，與不加筋相比，加筋層數(shù)越多承載力越大，加筋三層或承載力最大，加三層時的最大承載力比不加筋增大了2.2倍。

綜上所述加筋后路堤的極限承載力明顯提高，而最終沉降量不大，沉降的差別主要在坡體破壞前有差別。主要原因是坡體填料是砂土，破壞時為脆性破壞，瞬間沉降量很大，實驗未能及時測量導(dǎo)致最終沉降量只能以加載停止時為準，最終沉降量差別不大，通過比較破壞時前一級荷載的沉降，可以看出加筋后路堤的沉降量明顯比不加筋時要小。

表2 路堤荷載沉降表 mm

圖3 8種工況下路堤的P－S曲線

2.2 坡體破壞面分析

本次試驗通過相機連續(xù)拍攝了路堤在荷載作用下坡面變形的情況，如圖4是工況D的坡面變形情況，可以看出隨著荷載的增大，坡體變形逐步增加，坡面上裂縫不斷開展，當(dāng)達到土體抗剪強度極限時，坡體內(nèi)部出現(xiàn)圓弧滑動面，沿著滑動面發(fā)生滑坡，坡體失去承載力。

圖4 工況D坡面變形圖

圖5 工況1坡體滑動面模型

圖6 工況2坡體滑動面模型

圖7 工況3坡體滑動面及裂縫

圖8 工況4坡體滑動面模型

圖5 ～圖8是格柵不同布置位置時路堤坡體破壞形式，從圖片可以看出，底層鋪設(shè)格柵時滑動面從坡頂開始延伸到坡腳處；中層鋪設(shè)格柵時滑動面從中層格柵下面開始延伸到坡腳；頂層鋪設(shè)格柵時滑動面從頂層格柵下部開始延伸到坡腳處；不鋪設(shè)格柵時滑動面和鋪在底層相同。

這說明土工格柵的存在影響了模型破壞滑動面位置的分布情況，底層鋪設(shè)格柵和不鋪設(shè)格柵滑動面都從坡頂開始延伸到坡腳處，而中層鋪設(shè)格柵滑動面從坡頂部開始延伸到中層格柵之上，頂層鋪設(shè)格柵滑動面從格柵下延伸到坡腳處，說明破壞主要位于底部和中部，格柵的存在阻隔了圓弧滑動面的延伸，特別是頂層和中層的格柵使滑動面起始點移動到了格柵下面而不是從坡頂開始。

試驗過程中一直拍攝整個路堤破壞情況。從裂縫開展的情況來看，工況D直到坡體發(fā)生滑移裂縫都較少，而其他各種工況裂縫從開始加載到破壞發(fā)展情況為：開始時裂縫較少，寬度較小，隨著荷載的增大裂縫慢慢向下延伸并逐漸增多，到達破壞時裂縫貫通到路堤底部。證明了格柵可以在一定程度上控制路堤模型的側(cè)向變形［8－10］。究其內(nèi)部原因，由摩爾—庫倫理論，土體的抗剪強度主要由土體的內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c決定的，本試驗使用的是砂土，其粘聚力很小，當(dāng)豎向荷載作用于其上時，坡體內(nèi)部很快出現(xiàn)剪切破壞，坡體表面也會出現(xiàn)很多豎向的裂縫，當(dāng)荷載足夠大時內(nèi)部出現(xiàn)圓弧形滑動面，坡體發(fā)生滑坡破壞。

圖9 工況A坡面破壞圖

圖10 工況B坡面破壞圖

而當(dāng)土工格柵存在時，在橫向上，格柵的橫條帶與縱條帶交界處能與土體產(chǎn)生一定的嵌固作用，再加上格柵與土體的摩擦作用，土體的橫向變形減小，在一定程度上控制了裂縫的開展。本次試驗格柵鋪設(shè)在頂層時，直到發(fā)生滑移破壞，坡體裂縫相比其他工況都較少，如圖9、10、11所示，證實了此結(jié)論的正確性。文獻11中結(jié)論為格柵鋪設(shè)在路堤底部時對地基的加筋效果較好，而本文研究的主要是格柵對路堤坡體本身變形的控制，固而結(jié)論和文獻11不同。

在豎向上，隨著荷載的增大圓弧面產(chǎn)生時，由于格柵的存在，格柵相對土體的強度大很多的特點使得圓弧面不能通過格柵層，阻斷了圓弧面的發(fā)展，如圖5所示，由于鋪設(shè)格柵使圓弧面的位置發(fā)生了變化，只能延伸到格柵之上，而不能到達坡腳處。

3 結(jié)論

通過8種不同工況的模型試驗，對不同的加筋位置路堤的變形情況和破壞情況分析得到以下結(jié)論：

1）加筋能降低路堤坡體的總沉降量，加筋一層格柵后減小了13%～23%，加兩層格柵后比不加筋小13%～33%，加三層格柵后比不加筋沉降小了10%。

2）加筋大大提高了坡體的極限承載力，與不加筋相比，加筋層數(shù)越多承載力越大，加筋三層或承載力最大，比不加筋增大了2.2倍。

3）路堤開始加載到破壞，坡體的破壞滑動面從坡頂延伸到坡腳處，但格柵的存在影響破壞面的位置，由于格柵的剛度較大，破壞面不能通過格柵向下延伸；

4）格柵在一定程度上控制了裂縫的開展，增加了坡體的穩(wěn)定性。

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