土工格柵加筋土路基的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)研究

賈斌，徐超，賈敏才，蔣堃

（同濟(jì)大學(xué)，巖土工程與地下結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

0 引言

土工合成材料加筋土擋墻/路基具有建造費(fèi)用低、對(duì)施工場(chǎng)地及施工設(shè)備要求不高、與環(huán)境協(xié)調(diào)性好等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于我國(guó)公路、鐵路及水利等工程領(lǐng)域，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前，對(duì)加筋土技術(shù)研究主要集中在加筋土的筋土相互作用機(jī)理的試驗(yàn)研究、加筋土結(jié)構(gòu)模型（縮尺、原型、離心）試驗(yàn)研究和加筋土結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算三方面，并取得了大量的科研成果。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以真實(shí)反應(yīng)加筋土擋墻/路基的實(shí)際情況，有利于加深對(duì)加筋機(jī)理的認(rèn)識(shí)，因此國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)加筋土擋墻/路基工作機(jī)理進(jìn)行研究。雷勝友[1]對(duì)1座臺(tái)階式鋼筋混凝土串聯(lián)拉筋加筋土擋墻進(jìn)行研究認(rèn)為筋帶上不但分布著壓應(yīng)力，局部還分布著拉應(yīng)力，且最大應(yīng)力位置在距離面板0.286 H處；高江平[2]對(duì)大型加筋土擋墻模型的土壓力進(jìn)行測(cè)試研究，提出土壓力系數(shù)應(yīng)區(qū)分為填土自重土壓力系數(shù)和超載土壓力系數(shù)；YOO[3，5]對(duì)已完成建造6 a，長(zhǎng)300 m的加筋土擋墻進(jìn)行研究，認(rèn)為墻體發(fā)生較大變形是由于施工質(zhì)量較差的原因，并采取了相關(guān)的補(bǔ)救措施，同時(shí)認(rèn)為超載對(duì)擋墻上部格柵的影響要大于下部；KAZIMIREOWICZ-FRANKOWSKA[4]通過(guò)對(duì)反包式加筋土擋墻長(zhǎng)達(dá)33個(gè)月的監(jiān)測(cè)，認(rèn)為擋墻的最大位移靠近擋墻頂部，最小位移位于擋墻的底部；周世良[6]對(duì)某高速公路臺(tái)階式加筋土擋墻進(jìn)行了研究，認(rèn)為其變形特征不同于單級(jí)直立式擋墻，墻后土壓力受臺(tái)階卸載影響而較小，潛在破裂面與0.3 H的假定有較大差異；張發(fā)春[7]對(duì)3個(gè)不同的土工格柵加筋土擋墻進(jìn)行研究，認(rèn)為墻底土壓力存在單峰分布，且大于γ·H，筋材變形沿橫斷面出現(xiàn)雙峰分布；楊廣慶[8]認(rèn)為剛性基礎(chǔ)上的加筋土擋墻墻底垂直土壓力沿筋長(zhǎng)方向由均勻等值分布到呈曲線分布，最大值靠近墻面位置，柔性基礎(chǔ)上的加筋土擋墻墻底垂直土壓力沿筋長(zhǎng)方向呈線性分布，最大值靠近拉筋尾部，格柵應(yīng)變最大值小于0.4%。

其實(shí)，加筋土擋墻/路基的工作性能和變形特征受加筋材料力學(xué)特性的影響。在同一試驗(yàn)段，對(duì)比分析2種不同土工格柵加筋土擋墻/路基的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，而且目前的加筋土擋墻/路基中，很少使用PET（聚酯）土工格柵作為加筋材料。為此，本文在已有研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以十房高速公路加筋土路基試驗(yàn)段為依托，設(shè)計(jì)建造了HDPE（高密度聚乙烯）土工格柵和PET格柵加筋土路基，通過(guò)監(jiān)測(cè)加筋土路基內(nèi)的垂直土壓力、格柵末端水平土壓力、格柵應(yīng)變及路基水平位移，比較全面地研究?jī)煞N不同加筋材料的加筋土路基的變形特征和工作機(jī)理。

1 工程概況

十房高速公路試驗(yàn)段的里程樁號(hào)為GK0+308~GK0+463，長(zhǎng)145 m。該路段下部由于受基巖邊坡限制，先修筑圬工重力式擋墻，墻趾嵌入基巖；然后在圬工擋墻之上建造土工格柵加筋土路基。這種組合式擋土結(jié)構(gòu)可以很好地適應(yīng)山區(qū)復(fù)雜地形條件下加筋路基施工。加筋土路基高10.0 m，坡率為1∶0.25，路基頂部有坡率1∶1.5、高1.0 m的路基填土。

為了對(duì)比，在試驗(yàn)段GK0+308~GK0+383采用HDPE格柵作為加筋材料，路基坡面由土工格柵反包土袋形成，由加筋層間距決定土袋碼砌高度，由路基坡率決定土袋錯(cuò)臺(tái)距離，格柵反包土袋后與上層筋材通過(guò)連接棒連接；在GK0+383~GK0+463采用PET格柵作為加筋材料，設(shè)置鋼筋籠固定墻面，然后鋪設(shè)三維土工網(wǎng)及土工格柵。2種加筋材料加筋土路基的筋材長(zhǎng)度均為9 m，層間距為0.5 m。2種筋材加筋土路基如圖1所示，試驗(yàn)段所用2種土工格柵的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 兩種土工格柵加筋土擋墻墻面照片F(xiàn)ig.1 Photo of wall facing reinforced with two kindsof geogrid

表1 土工格柵試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Measured parametersof geogrids

土工格柵加筋土路基采用碎石土填筑，填土最大顆粒直徑不大于15 cm，且細(xì)粒土含量不大于10%。每層填土虛鋪厚度不小于30 cm，然后采用20 t壓路機(jī)進(jìn)行機(jī)械碾壓（靠近墻面1 m范圍內(nèi)采用人工平板夯夯實(shí)）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，壓實(shí)后的填土密實(shí)度均不低于93%。根據(jù)本項(xiàng)目的巖土工程勘察報(bào)告和公路路基規(guī)范[9]，綜合確定路基填土的黏聚力為0 kPa，內(nèi)摩擦角取38°。

為了對(duì)比研究2種筋材加筋土路基的差異，分別在2種格柵加筋土路基段各選擇1個(gè)斷面，A斷面（HDPE格柵）樁號(hào)為GK0+379，B斷面（PET格柵）樁號(hào)為GK0+394。每個(gè)斷面均布設(shè)了土工格柵拉伸變形、垂直土壓力、水平土壓力、加筋土深層水平位移、加筋土分層沉降等。測(cè)試儀器布置見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)路基傳感器布置圖Fig.2 Arrangement of instrumentsin reinforced soil embankment

加筋土路基試驗(yàn)段的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作從2013年4月6日開(kāi)始，至2013年7月15日結(jié)束，歷時(shí)101 d。在施工結(jié)束后，于2013年12月8日（路基竣工后146 d）返回現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了量測(cè)?；谶@些監(jiān)測(cè)工作，獲得了第一手關(guān)于加筋土路基變形和筋材變形等基礎(chǔ)資料。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 加筋土路基深層水平位移

結(jié)合加筋土路基填筑施工，采用測(cè)斜管量測(cè)施工期路基的水平變形。由于路基完工后在路基頂施工路面結(jié)構(gòu)層，測(cè)斜管無(wú)法保留，因此由測(cè)斜獲得的數(shù)據(jù)僅為填筑施工期路基的水平位移。圖3和圖4分別為A、B斷面施工期實(shí)測(cè)的加筋土路基不同高度的水平位移。

圖3和圖4的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，隨著填筑高度的增加，路基不同高度處的水平位移均有一定程度的增長(zhǎng)，而且越靠近上部水平位移發(fā)展速度越快，至填筑施工結(jié)束時(shí)，A斷面（GK0+379）的最大水平位移為76.13 mm，約為路基高度的0.69%；B斷面（GK0+394）測(cè)點(diǎn)的最大水平位移為63.95 mm，約為路基高度的0.58%?？梢?jiàn)PET格柵加筋路基的水平位移小于HDPE格柵加筋路基。

圖3 A斷面深層水平位移曲線Fig.3 Horizontal displacement at section A

圖4 B斷面深層水平位移曲線Fig.4 Horizontal displacement at section B

2.2 垂直土壓力

試驗(yàn)段A、B斷面垂直土壓力沿路基高度的分布曲線如圖5和圖6所示。

對(duì)比圖5和圖6可知，加筋材料不同（HDPE格柵或PET格柵），土壓力沿路基高度的分布并無(wú)明顯不同，路基某一高度處的垂直土壓力隨填土高度的增加而近似成線性增大，說(shuō)明筋材力學(xué)特性對(duì)路基內(nèi)土壓力分布規(guī)律影響不大。但是，在同一斷面路基同一高度處，距離路基坡面距離不同的地方，垂直土壓力存在一定差異。距路基坡面3.5 m處的垂直土壓力大于上覆填土重量，而距路基坡面7.5 m處的垂直土壓力小于上覆填土重量。說(shuō)明土工格柵加筋后對(duì)加筋土路基內(nèi)的垂直土壓力分布具有明顯的調(diào)整作用，同時(shí)，垂直土壓力沿水平方向上的分布還會(huì)受到路基臨空面的影響。

圖5 A斷面垂直土壓力分布曲線Fig.5 Distribution of vertical earth pressureat section A

圖6 B斷面垂直土壓力分布曲線Fig.6 Distribution of vertical earth pressure at section B

2.3 水平土壓力

在加筋土路基坡面后，即土工格柵加筋土體后不同高度布置了3個(gè)水平土壓力計(jì)，在墻趾布置1個(gè)水平土壓力計(jì)，圖7和圖8分別為剖面A和剖面B的水平土壓力隨填土高度的變化曲線。路基竣工后，2斷面水平土壓力沿路基高度分布曲線見(jiàn)圖9。由圖中路基后土壓力分布可知，無(wú)論是HDPE還是PET格柵，墻后土水平壓力沿路基高度的分布規(guī)律相同，呈非線性分布；中上部水平土壓力均接近且小于朗肯主動(dòng)土壓力，下部偏離朗肯主動(dòng)土壓力；對(duì)比A、B兩個(gè)斷面處墻后水平土壓力大小及分布，采用PET格柵的土壓力要大于HDPE格柵的土壓力。

圖7 斷面A不同路基高度水平土壓力變化曲線Fig.7 Lateral earth pressure along different embankment height at section A

圖8 斷面B不同路基高度水平土壓力變化曲線Fig.8 Lateral earth pressure along different embankment height at section B

圖9 不同路基高度水平土壓力曲線Fig.9 Lateral earth pressure distribution along different embankment height

2.4 土工格柵變形

加筋土路基中土工格柵拉伸應(yīng)變分為施工期和竣工后兩個(gè)階段。加筋土路基施工完成后，再在路基頂部填筑1 m厚的路基填土，至2013年12月8日進(jìn)行了最后一次監(jiān)測(cè)，加筋土路基休止時(shí)間為146 d。圖10和圖11分別為2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面加筋土擋墻的土工格柵拉伸應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線，其中，最上面一根曲線為竣工后5個(gè)多月的測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)圖10和圖11所示，無(wú)論是施工期還是竣工后休止期，也無(wú)論是采用HDPE還是PET材料，格柵應(yīng)變存在相同的變化規(guī)律，即在路基施工過(guò)程中，隨著上覆填土厚度和作用時(shí)間的增加，各層土工格柵拉伸變形也逐漸增大，相應(yīng)的格柵受力也相應(yīng)增大。各層土工格柵的拉伸變形一般在剛開(kāi)始填土?xí)r的增加速率較大，之后隨填土高度的增加變形速率略有減??；HDPE格柵實(shí)測(cè)的拉伸應(yīng)變?cè)?.38%~1.22%之間，說(shuō)明土工格柵受到的最大荷載不超過(guò)20 kN/m，小于設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度30 kN，PET格柵實(shí)測(cè)的拉伸應(yīng)變范圍在0.29%~0.83%之間，說(shuō)明受到的最大荷載不超過(guò)27 kN/m，小于設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度40 kN，均遠(yuǎn)小于土工格柵的極限抗拉強(qiáng)度，筋材抗拉伸具有足夠的安全儲(chǔ)備。施工剛結(jié)束時(shí)，雖然筋材拉伸應(yīng)變發(fā)展的速率隨時(shí)間增加有所下降，但竣工后筋材的拉伸應(yīng)變?nèi)杂幸欢ǚ仍黾樱咏钔谅坊喜拷畈目⒐ず蟮睦鞈?yīng)變?cè)龇踔链笥谑┕て诘睦鞈?yīng)變，但各層土工格柵最大拉伸應(yīng)變均沒(méi)有超過(guò)1.3%。

圖10 監(jiān)測(cè)斷面A不同層位筋材應(yīng)變曲線Fig.10 Strain of reinforcement in different layersat section A

圖11 監(jiān)測(cè)斷面B不同層位筋材應(yīng)變曲線Fig.11 Strain of reinforcement in different layersat section B

對(duì)比圖10和圖11，可以發(fā)現(xiàn)2種土工格柵應(yīng)變規(guī)律又有所不同：總體上每層格柵的應(yīng)變值HDPE材料均大于PET材料，說(shuō)明PET格柵在發(fā)揮很小的格拉力時(shí)就能限制加筋土體的變形；HDPE格柵應(yīng)變沿筋材長(zhǎng)度方向逐漸減小，且格柵應(yīng)變隨埋置深度的增大而增大；PET格柵應(yīng)變?cè)诘撞砍尸F(xiàn)出雙峰值分布，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在距路基坡面2.5 m處，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在距路基坡面6.5 m處，中部表現(xiàn)出單峰值分布，峰值出現(xiàn)在距墻面4.5 m處，上部格柵應(yīng)變沿筋材長(zhǎng)度方向逐漸減小，這一點(diǎn)和HDPE格柵應(yīng)變相似。

本次在十房高速公路加筋土路基試驗(yàn)段的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與前期文獻(xiàn)[3-5，7]報(bào)道的結(jié)果在墻體水平變形、墻后土壓力分布規(guī)律、加筋材料應(yīng)變大小等類(lèi)似，也證明本文研究成果的可靠性。通過(guò)兩種不同性能（主要指筋材延伸率或模量）的土工格柵加筋土擋墻斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，還可發(fā)現(xiàn)：1）采用延伸率小的加筋材料（本文試驗(yàn)段PET格柵的延伸率遠(yuǎn)小于HDPE格柵），在相同條件下，加筋土路基在施工期的側(cè)向變形小，加筋體的整體性好，路基坡面后水平土壓力則較大；2）兩種筋材的最大應(yīng)變均小于1.3%，加筋土路基遠(yuǎn)未達(dá)到臨界狀態(tài)，在工作狀態(tài)下，延伸率大的筋材要平衡加筋土體內(nèi)的剪應(yīng)力，勢(shì)必要比延伸率小的筋材產(chǎn)生更大的應(yīng)變，其應(yīng)變符合從面板逐步向加筋體內(nèi)端部逐漸減小的特征。而PET格柵的應(yīng)變特征有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在十房高速公路加筋土路基試驗(yàn)段進(jìn)行的采用2種不同延伸率土工格柵加筋土路基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1） 無(wú)論是PET格柵加筋土路基還是HDPE格柵加筋土路基，均能有效地限制路基填土不同高度處的水平位移，避免了路基發(fā)生較大側(cè)向變形，保證了高填方路基的整體穩(wěn)定。

2）填土施工結(jié)束時(shí)，加筋土路基最大水平位移多發(fā)生在路基頂部附近。施工期路基累計(jì)深層水平位移最大值與路基高度的比值不大于0.70%。格柵拉伸應(yīng)變均小于1.3%，小于土工格柵設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度的允許應(yīng)變，筋材具有足夠的安全儲(chǔ)備。

3）水平土壓力沿加筋土路基高度呈非線性形式分布，且水平土壓力在中上部接近朗肯土壓力值，下部小于主動(dòng)土壓力值。4）試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)表明，延伸率低的土工格柵加筋土路基的整體性更好，路基側(cè)向變形小，路基坡面后土壓力更大。

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