土工格柵加筋土陡防護(hù)堤的試驗(yàn)

周亦濤， 閆敬華， 陳福全， 劉治國(guó)

(1. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350116；

2. 河北工程技術(shù)高等專(zhuān)科學(xué)校 交通工程系， 河北 滄州 061001；

3. 濟(jì)南軍區(qū)建筑設(shè)計(jì)院， 山東 濟(jì)南 250002)

?

土工格柵加筋土陡防護(hù)堤的試驗(yàn)

周亦濤1,2， 閆敬華3， 陳福全1， 劉治國(guó)3

(1. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350116；

2. 河北工程技術(shù)高等專(zhuān)科學(xué)校 交通工程系， 河北 滄州 061001；

3. 濟(jì)南軍區(qū)建筑設(shè)計(jì)院， 山東 濟(jì)南 250002)

摘要：對(duì)某土工格柵加筋土陡防護(hù)堤進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，分析施工期及竣工后一季度期間的加筋體底部豎向土壓力、反包體背部側(cè)向土壓力和土工格柵拉筋應(yīng)變分布規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明：土工格柵加筋土陡防護(hù)堤底部垂直土壓力在橫斷面上呈非線性分布，路堤中心附近與坡腳附近的平均垂直土壓力相差不是很大；堤中心垂直土壓力比不加筋的減少了20%以上；不同高度處的格柵應(yīng)變沿筋長(zhǎng)方向呈非線性分布，格柵最大應(yīng)變不超過(guò)4%；反包體后側(cè)向土壓力沿堤高呈上小下大的非線性分布；底部垂直土壓力、側(cè)向土壓力、格柵應(yīng)變?cè)诠ず髢蓚€(gè)月，趨于穩(wěn)定；安全穩(wěn)定的土工格柵加筋土陡防護(hù)堤是可行的.

關(guān)鍵詞：土工格柵； 加筋土防護(hù)堤； 拉筋應(yīng)變； 土壓力

在防止或減小裝有民用、軍用爆炸物品的生產(chǎn)車(chē)間(或存儲(chǔ)庫(kù)房)爆炸對(duì)周?chē)脑O(shè)施損失和人員傷亡，以及在防止多個(gè)車(chē)間或庫(kù)房的一個(gè)爆炸而導(dǎo)致的連環(huán)爆炸事故的發(fā)生等方面，防護(hù)屏障發(fā)揮巨大的作用.目前防護(hù)屏障常用的有防護(hù)土堤、夯土防護(hù)墻和鋼筋混凝土防護(hù)屏障3種形式[1-2]，由于防護(hù)土堤修建簡(jiǎn)單且不產(chǎn)生二次破壞而被廣泛應(yīng)用.當(dāng)工程場(chǎng)地實(shí)際可用寬度小于根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定的高度要求[1-2]設(shè)計(jì)的防護(hù)土堤的最小底寬時(shí)，防護(hù)土堤無(wú)法修建；當(dāng)?shù)鼗休d力不高時(shí)，為了防止防護(hù)土堤因地基承載力不夠而失穩(wěn)，必須對(duì)地基就行處理，從而增加投資成本.加筋土結(jié)構(gòu)具有施工簡(jiǎn)便快捷、抗震性能好、地基適應(yīng)強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、投資少等優(yōu)點(diǎn)[3-6]，其柔性結(jié)構(gòu)在吸收爆炸能量，降低次生破壞方面有較大的優(yōu)勢(shì).加筋土防護(hù)堤作為一種新型防護(hù)屏障，要實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能,首先是自身的穩(wěn)定.防護(hù)屏障狹長(zhǎng)且寬度較小，因此，碾壓機(jī)在結(jié)構(gòu)施工中無(wú)法開(kāi)展工作，這也是民用防護(hù)屏障較少采用的一個(gè)原因.加筋土的粘聚力和內(nèi)摩擦角都比未加筋土大[6-10]，在低壓實(shí)度下加筋土陡堤的穩(wěn)定是可能的.但在實(shí)際工程中，加筋土防護(hù)堤是否可行卻未見(jiàn)報(bào)道，且目前有關(guān)它的應(yīng)用研究和理論分析也都未見(jiàn)報(bào)道.為此，本文對(duì)低壓實(shí)度下加筋土陡堤在防護(hù)屏障的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)加筋土防護(hù)堤的底部豎向土壓力、反包體背部側(cè)向土壓力和土工格柵拉筋應(yīng)變分布規(guī)律進(jìn)行分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià).

1工程概況

某民用爆炸物品生產(chǎn)車(chē)間的防護(hù)堤位于山地之間，場(chǎng)地地貌單元屬丘陵地貌.該場(chǎng)地已有建筑物間的凈距比較小，場(chǎng)地地基承載力在120 kPa左右，且場(chǎng)地有坑塘，而該防護(hù)堤地基承載力要求大于160 kPa，這兩個(gè)數(shù)值為在狹窄而軟弱場(chǎng)地上建成滿足民用爆炸防護(hù)堤的行業(yè)規(guī)范[1-2]所規(guī)定的最小頂寬和最小底寬.為保證該防護(hù)堤的自身穩(wěn)定安全，文中設(shè)計(jì)土工格柵加筋土陡堤堤高為10.0 m，頂寬為3.5 m，邊坡坡度為70°，邊坡反包，如圖1所示.填土壓實(shí)度無(wú)要求，即壓實(shí)度低，施工中僅用了挖掘機(jī)上土，并對(duì)填土進(jìn)行了3次加壓.土工格柵拉筋技術(shù)規(guī)格，如表1所示.表1中：T為縱向抗拉強(qiáng)度；Tδ=2%為縱向2%伸長(zhǎng)率時(shí)的拉伸力；Tδ=5%為縱向5%伸長(zhǎng)率時(shí)的拉伸力；εmax為峰值應(yīng)變；TCR為在20 ℃下的120 a蠕變極限強(qiáng)度.

圖1　土工格柵加筋土陡防護(hù)堤斷面圖(單位：mm)Fig.1　Section of geogrid reinforced earth steep protecting barrier(unit:mm)

項(xiàng)目T/kN·m-1Tδ=2%/kN·m-1Tδ=5%/kN·m-1εmax/%TCR/kN·m-1TGD65≥65≥16.5≥31.5≤11.5≥39.42TGD90≥90≥24.0≥46.5≤11.5≥28.14

2儀器的布置

試驗(yàn)選了兩個(gè)橫斷面，測(cè)試項(xiàng)目包括加筋土防護(hù)堤底部的垂直土壓力、邊坡反包土體后的水平土壓力、土工格柵拉筋應(yīng)變等.由于加筋土防護(hù)堤對(duì)稱，觀測(cè)儀器布置在兩橫斷面上僅布置半斷面.施工中的具體儀器布置，如表2所示.表2中：*為第1，5，9，13，17層；l為儀器中心距坡面的水平距離.

表2　土工格柵加筋土陡防護(hù)堤的儀器布置

3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1　加筋土陡堤底部垂直土壓力

不同上覆填土厚度下加筋土體底部橫斷面上垂直土壓力變化，如圖2所示.圖2中：p為土壓力；s1為土工格柵距離邊坡的水平距離.加筋土體底部垂直土壓力竣工后隨時(shí)間變化，如圖3所示.圖3中：t為工后時(shí)間.

(a) 南斷面 (b) 北斷面圖2　不同上覆填土厚度下加筋土體底部橫斷面上垂直土壓力的變化Fig.2　Variation of bottom vertical earth pressure of reinforced soil structure along cross section under different backfill heights

(a) 南斷面 (b) 北斷面圖3　加筋土體底部垂直土壓力竣工后隨時(shí)間的變化Fig.3　Variation of bottom vertical earth pressure of reinforced soil structure with post-construction time

1) 土工格柵加筋防護(hù)堤底部垂直土壓力基本上隨上覆填土厚度的增加而增大，沿筋長(zhǎng)方向起初呈不明顯的非線性分布，但隨著填土厚度的增加而呈明顯的非線性分布.這是因?yàn)橥凉じ駯爬钆c土的摩擦加筋作用隨上覆荷載增加而明顯提高，筋土摩擦加筋作用沿筋長(zhǎng)方向不同.

2) 兩個(gè)斷面的土工格柵加筋土防護(hù)堤底部垂直土壓力的分布規(guī)律有所不同，主要是因?yàn)檫@兩個(gè)斷面的地基不同，防護(hù)堤南部靠近邊坡的地基過(guò)去為坑塘，換填后的地基的土體分布不均勻?qū)е虏町惓两担M(jìn)而導(dǎo)致了南斷面最大基底垂直土壓力在邊坡附近出現(xiàn).

3) 北斷面距離邊坡3.0 m的測(cè)點(diǎn)垂直土壓力在施工后期的增速較其他點(diǎn)大，北斷面距離邊坡4.0 m的測(cè)點(diǎn)的垂直土壓力在施工后期的增速較其他點(diǎn)小，這是因?yàn)樵诰嚯x邊坡3.0 m處土體壓實(shí)度大于距離邊坡4.0 m處土體的壓實(shí)度,導(dǎo)致土工格柵網(wǎng)兜效應(yīng).壓實(shí)度大的點(diǎn)的土壓力增速快，壓實(shí)度小的點(diǎn)的土壓力增速慢.

4) 當(dāng)填土重度為19 kN·m-3，堤高為10 m時(shí)，不加筋的防護(hù)堤中心的垂直土壓力計(jì)算為190 kPa;竣工后,南斷面堤中心垂直土壓力最大值為127 kPa，比不加筋的減少了33%；北斷面堤中心垂直土壓力最大值為152 kPa，比不加筋的減少了20%.

5) 施工期間，各斷面的土壓力分布和大小沒(méi)有出現(xiàn)異常，工后的測(cè)試數(shù)據(jù)有所變化，但最終趨于一個(gè)定值，說(shuō)明了該工程是穩(wěn)定安全的.

3.2　加筋土陡堤邊坡處側(cè)向土壓力

反包體側(cè)向土壓力隨上填土厚度的變化，如圖4所示.圖4中：h1為加筋土陡防護(hù)堤填筑高度.反包體側(cè)向土壓力分布隨竣工后時(shí)間的變化，如圖5所示.圖5中：h2為防護(hù)堤高度.

(a) 南斷面 (b) 北斷面圖4　反包體側(cè)向土壓力隨上填土厚度的變化Fig.4　Variation of lateral earth pressure on packed soil mass with backfill height

(a) 南斷面 (b) 北斷面　　圖5　反包體側(cè)向土壓力分布隨竣工后時(shí)間的變化Fig.5　Variation of distribution of lateral earth pressure on packed soil mass with post-construction time

1) 施工期間，不同高度的加筋土防護(hù)堤邊坡反包體后側(cè)向土壓力實(shí)測(cè)值基本上隨著填土厚度的增加而增大，但中間有減小的現(xiàn)象.這是因?yàn)樘钔翂簩?shí)度比較低，在上覆填土荷載作用下反包體所有外移，從而使反包體后側(cè)向土壓力得到釋放而減小.

2) 反包體后側(cè)向土壓力沿堤高呈上小下大的非線性分布，兩斷面的分布形式還有所不同，這是因?yàn)閮蓴嗝娴牡鼗煌?

3) 反包體后側(cè)向土壓力實(shí)測(cè)值不同于一般的加筋土路堤或邊坡，施工期間和竣工后的壓力比朗肯土壓力小，類(lèi)似于加筋土擋墻墻背側(cè)向土壓力的大小和分布，這是因?yàn)樵摷咏钔练雷o(hù)堤比較陡的緣故.因此，建議較陡的加筋土防護(hù)堤采用加筋土擋墻的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì).

4) 竣工后,側(cè)向土壓力有所變化，但最終趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明了試驗(yàn)工程是穩(wěn)定安全的；竣工后,側(cè)向土壓力相對(duì)較大變化主要在工后兩個(gè)月，這是因?yàn)樘钔翂簩?shí)度比較低，加筋土需要一定的時(shí)間固結(jié).

3.3　土工格柵拉筋的應(yīng)變

反包體側(cè)向土壓力分布隨竣工后時(shí)間的變化，如圖6所示.圖6中：ε為土工格柵應(yīng)變；s2為距離邊坡坡面距離.不同上覆填土厚度下拉筋應(yīng)變?cè)跈M斷面上的變化，如圖7所示.

(a) 北斷面第1層格柵 (b) 南斷面第1層格柵

(c) 南斷面第9層格柵 (d) 北斷面第13層格柵

(e) 南斷面第17層格柵 (f) 北斷面第17層格柵圖6　反包體側(cè)向土壓力分布隨竣工后時(shí)間的變化Fig.6　Variation of distribution of lateral earth pressure on packed soil mass with post-construction time

1) 不管在施工期間，還是在竣工后，各測(cè)試斷面各層土工格柵拉筋應(yīng)變實(shí)測(cè)值的最大值均不大于4%.拉筋應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于質(zhì)控應(yīng)變值10%，這是由于拉筋實(shí)際受力小于設(shè)計(jì)值(小于土工格柵抗拉強(qiáng)度值)，土工格柵在低于設(shè)計(jì)值的拉力下,其蠕變會(huì)很小，這在竣工后拉筋蠕變隨時(shí)間的曲線可以得到驗(yàn)證.

(a) 南斷面第1層格柵 (b) 南斷面第9層格柵

(c) 北斷面第13層格柵 (d) 北斷面第17層格柵　　圖7　不同上覆填土厚度下拉筋應(yīng)變?cè)跈M斷面上的變化Fig.7　Variation of reinforcement strain along cross section under different backfill heights

2) 施工期間，各層拉筋應(yīng)變基本上隨上覆填土厚度的增加而增大，但有些測(cè)點(diǎn)卻隨填土厚度的增加而減小.填土厚度達(dá)到一定高度后，各測(cè)試斷面各層拉筋應(yīng)變沿筋長(zhǎng)方向的分布規(guī)律各自大致保持不變.這是因?yàn)樘钔翂簩?shí)度較低導(dǎo)致土體壓實(shí)度不一致，產(chǎn)生不均勻沉降，從而導(dǎo)致該處的土工格柵應(yīng)變測(cè)試儀器的兩點(diǎn)的水平距離有所減小，進(jìn)而表現(xiàn)為拉筋應(yīng)變減小.

3) 底層拉筋應(yīng)變不超過(guò)1.5%，而堤身內(nèi)部拉筋的最大應(yīng)變卻接近4%.這是因?yàn)榧咏畹鼗盍媳鹊躺硖盍陷^好，加筋地基壓實(shí)度較高，而堤身填土壓實(shí)度較低.壓實(shí)度大，土體的側(cè)向位移較??；壓實(shí)度較小，土體的側(cè)向位移較大.

4) 不同測(cè)試斷面,堤高位置相同的拉筋應(yīng)變分布有所不同.這是加筋土作用機(jī)理的復(fù)雜性所致，加筋土防護(hù)堤地基性質(zhì)不同和填土壓實(shí)度低導(dǎo)致的不同斷面同一高度的拉筋應(yīng)變分布規(guī)律有所不同.

5) 堤身內(nèi)部拉筋應(yīng)變峰值出現(xiàn)在堤中心與堤邊中間，而堤邊附近與堤中心的應(yīng)變較小.這是因?yàn)樵诘毯奢d作用下，地基及防護(hù)堤中線的沉降最大而限制了堤中心拉筋的應(yīng)變，堤邊采用反包,導(dǎo)致了本可發(fā)生較大側(cè)移的堤邊附近拉筋有所收斂.

6) 底層拉筋應(yīng)變規(guī)律明顯不同于堤身內(nèi)部的規(guī)律.這是因?yàn)榉雷o(hù)堤填土壓實(shí)度比較低的緣故，施工期間，防護(hù)堤會(huì)有較大的側(cè)移，而拉筋又會(huì)阻礙側(cè)移，再加上地基的不均勻性，就導(dǎo)致了在堤中心與堤邊之間出現(xiàn)兩個(gè)峰值.

7) 兩測(cè)試斷面的底部拉筋應(yīng)變分布規(guī)律有所不同.這是因?yàn)榈鼗鶙l件不同,但因?yàn)榧咏钔练稚?yīng)力，隨著堤高的增加，拉筋的應(yīng)變規(guī)律基本相同.

8) 竣工后，拉筋應(yīng)變隨時(shí)間先有所變化后，趨于穩(wěn)定.這說(shuō)明了該防護(hù)堤具有較好的整體穩(wěn)定性.

4結(jié)論

土工格柵加筋土防護(hù)堤具有占地少、施工方便快捷、地基適應(yīng)行強(qiáng)、壓實(shí)度要求低、消能效果強(qiáng)、次生破壞少、土方少、投資少等優(yōu)點(diǎn).對(duì)低壓實(shí)度下土工格柵加筋土陡堤在防護(hù)屏障的應(yīng)用(即土工格柵加筋土防護(hù)堤)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到以下3個(gè)結(jié)論.

1) 土工格柵加筋土防護(hù)堤底部垂直土壓力在橫斷面上呈非線性分布，路堤中心垂直土壓力比不加筋的有著明顯的減小；反包體后側(cè)向土壓力沿堤高呈上小下大的非線性分布.

2) 不同高度處的格柵應(yīng)變沿筋長(zhǎng)方向呈非線性分布.

3) 低壓實(shí)度土工格柵加筋土陡堤工后穩(wěn)定，因此，其在防護(hù)屏障的應(yīng)用是可行的.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部, 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 民用爆破器材工程設(shè)計(jì)安全規(guī)范： GB 50089-2007[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2007:25-27.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 煙花爆竹工程設(shè)計(jì)安全規(guī)范： GB 50161-2009[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2009:22-24.

[3]周亦濤,梁小勇,楊廣慶,等.多級(jí)加筋土復(fù)合式擋墻的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J].工業(yè)建筑,2014,44(2):83-88.

[4]楊廣慶,周亦濤,周喬勇,等.土工格柵加筋土擋墻試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(1):206-210.

[5]楊廣慶,周亦濤,熊保林,等.剛性基礎(chǔ)上雙級(jí)土工格柵加筋土擋墻性狀研究[J].水利學(xué)報(bào),2012,43(12):1500-1506.

[6]周亦濤,薛曉輝,梁小勇,等.基于準(zhǔn)粘聚力理論的加筋土擋墻土壓力分析[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,24(1):30-32.

[7]INGOLD T S.Reinforced clay subject to undrained triaxial loading[J].Geotechnical Engineering Division,1983,109(5):738-743.

[8]梁波,孫遇祺.飽和黏性加筋土的強(qiáng)度特性研究[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1992,11(2):49-59.

[9]吳雄志.加筋土強(qiáng)度模型與應(yīng)力-應(yīng)變特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),1992,14(增刊1):80-87.

[10]雷勝友.現(xiàn)代加筋土理論與技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2006：5-165.

(責(zé)任編輯： 陳志賢 英文審校： 方德平)

Experimental Study of Geogrid Reinforced Earth

Steep Protecting Barrier

ZHOU Yitao1,2， YAN Jinhua3， CHEN Fuquan1， LIU Zhiguo3

(1. College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China;

2. Department of Transportation Engineering, Hebei Engineering and Technical College, Cangzhou 061001, China；

3. Architeture Design Institute of Jinan Area Command, Jinan 250002， China)

Abstract：A geogrid reinforced earth steep protecting barrier was investigated by field test. Bottom vertical earth pressures and lateral earth pressures of the geogrid reinforced earth steep protecting barrier were researched during construction and a post-construction quarter, and reinforcement strains were also researched. The results of the field test show that the distribution of bottom vertical earth pressures is nonlinear along the width of the protesting barrier, the pressure near the center of protesting barrier is similar to the pressure near the foot. The bottom vertical earth pressure in the center of the reinforced earth protesting barrier is 20% less than that of unreinforced protesting barrier; the distribution of the reinforcement strains along the reinforcement length is nonlinear, and the maximum strain of the geogrid the steep protesting barrier is less than 4%. The distribution of lateral earth pressure on the packed soil mass is nonlinear, as the height increases, the pressure decreases. The bottom vertical earth pressures, lateral earth pressures and geogrid strains after two post-constriction months tends to be stable. Therefore, the building of a geogrid reinforced earth steep protesting barrier is feasible in security and stability.

Keywords：geogrid; reinforced earth protecting barrier; reinforcement strain; earth pressure

基金項(xiàng)目：河北省教育廳科研基金資助項(xiàng)目(QN2014149)； 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金博導(dǎo)類(lèi)資助課題(20133514110004)

通信作者：陳福全(1971-)，男，教授，博士研究生，主要從事巖土工程的研究.E-mail:phdchen@fzu.edu.cn.

收稿日期：2015-10-09

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0109

文章編號(hào)：1000-5013(2016)01-0109-06