加筋寬度與間距對膨脹土特性影響研究

許英姿，廖旭航，蘇超，顏日葵

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室，廣西 南寧 530004)

膨脹土的脹縮性、裂隙性等特性一直嚴(yán)重困擾著各類工程。根據(jù)膨脹土的特性，許多防護(hù)措施被提出，如格構(gòu)、錨桿、擋墻等剛性支護(hù)[1]。隨后諸多學(xué)者針對剛性支護(hù)的不足，提出了柔性支護(hù)[2?3]，土工格柵加筋處理膨脹土便是柔性支護(hù)的一種。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)土工格柵加筋處理后的膨脹土的膨脹變形與裂隙發(fā)育情況優(yōu)于未處理的膨脹土[4]，主要原因是膨脹過程中土工格柵與膨脹土之間存在界面摩擦力，土顆粒與土工格柵之間的咬合力與間接加筋作用也有一定的限制能力[5?6]，許多學(xué)者對土工格柵的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，比如進(jìn)行宏細(xì)觀分析、提出拉拔力計算公式、得到拉拔安全系數(shù)等[7?9]。研究土工格柵時，小型的室內(nèi)試驗很難反映實際工程的情況，而現(xiàn)場試驗的成本很高，故模型試驗成為研究土工格柵最好的方式。諸多學(xué)者也通過模型試驗對土工格柵進(jìn)行了研究，周健等[10]通過模型試驗與數(shù)值模擬研究包裹式加筋土擋墻的變形特性；蘇丕輝等[11]通過模型試驗研究了鋼管格柵膨脹土擋墻防護(hù)邊坡的作用機(jī)理；AL-OMARI等[12]通過小尺寸模型試驗研究了摻入不同直徑的土工格柵柱的限制效果。實際的膨脹土工程中，考慮到成本、施工難度等多方面的因素，需要對土工格柵的各種參數(shù)進(jìn)行選擇，一般考慮土工格柵的材料、加筋寬度與密度等方面。土工格柵的材料有許多類型，近十來年有不少學(xué)者進(jìn)行研究，PHANIKUMAR等[13]通過膨脹土的固結(jié)試驗研究尼龍纖維對膨脹土固結(jié)特性的影響；鄧友生等[14?15]研究了聚丙烯纖維增強(qiáng)膨脹土對膨脹土的改良作用；ABBASPOUR等[16?17]從環(huán)保角度出發(fā)，研究廢棄材料或者植物纖維對膨脹土改良效果[16?17]。加筋寬度和間距與膨脹土工程的成本、難度密切相關(guān)，從該角度通過模型試驗研究土工格柵對膨脹土影響的成果很少。本文通過自制模型箱模擬剛性擋墻，進(jìn)行模型試驗，研究擋土墻背后加筋寬度與間距對膨脹土變形特性及側(cè)向壓力的影響規(guī)律，為土工格柵加筋處理的膨脹土工程提供一定參考價值。

1 試驗材料

1.1 膨脹土的基本物理性質(zhì)

本次試驗土樣取自廣西壯族自治區(qū)南寧市興寧區(qū)三塘鎮(zhèn)。土樣顏色呈灰黃色，試驗土樣的基本物理試驗與顆分試驗的結(jié)果如表1和圖1所示。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of expansive soil

土樣的脹縮總率為5.33%，50 kPa膨脹率為0.52%，本次試驗土樣為中等膨脹性膨脹土。

1.2 土工格柵

試驗采用的土工格柵(單向)如圖2所示，屈服力為110 kN/m，屈服伸長率少于12%。

圖2 單向塑料土工格柵Fig.2 One-way plastic geogrid

2 模型試驗方案

2.1 模型箱設(shè)計

本次模型試驗參考6 m高的擋土墻工程，根據(jù)相似理論分析，結(jié)合試驗所需，選擇相似比為1:6，模型箱的尺寸為2 m×2 m×1 m(長×寬×高)。模型箱設(shè)計圖如圖3所示。模型填土的壓實度達(dá)到90%以上，初始含水率為最佳含水率，均與實際工程相似?？紤]到擋土墻的縱向長度大，因此簡化為平面應(yīng)變問題，根據(jù)邊界條件相似理論，模型箱四周用角鋼固定6 mm的鋼板模擬剛性擋土墻，模型箱底部用6 mm的鋼板模擬持力層。為了縮短注水與排水時間，模型箱內(nèi)設(shè)置9根直徑2 cm填滿砂粒的砂井管，按井字型布置，加快滲透速度。模型箱底部鋪設(shè)一層8 mm厚的砂墊層，并覆蓋土工布，在四周安裝直徑為5 cm的排水管。

圖3 試驗用模型箱示意圖Fig.3 Schematic diagram of test model box

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

本次試驗采用土壤水分傳感器、振弦式土壓力計、應(yīng)變片及百分表監(jiān)測體積含水率、土壓力、應(yīng)變及膨脹變形數(shù)據(jù)。在50 cm深處布設(shè)土壤水分傳感器、土壓力計，模型表面布設(shè)百分表。監(jiān)測儀器每30 min自動采集一次數(shù)據(jù)，并實時遠(yuǎn)程傳輸至電腦端保存。監(jiān)測項目布設(shè)圖如圖4所示。

圖4 土工格柵加筋處理的膨脹土模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of expansive soil model reinforced by geogrid

2.3 實驗過程

按最優(yōu)含水率19%配置試驗土樣，采用質(zhì)量控制法將壓實度控制為90 %左右，在模型箱中分層填筑與夯實土料，每一層厚度為30 cm，填筑過程中按監(jiān)測布設(shè)圖埋設(shè)監(jiān)測儀器。由于前期試驗發(fā)現(xiàn)模型箱表面注水方式的效果較差，故利用水壓從模型底部注水，水頭壓力保持與模型箱高度相同，當(dāng)模型體積含水率在一段時間內(nèi)保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，停止注水，打開排水管讓模型箱自行排水。

2.4 實驗方案

本次試驗通過控制加筋寬度與間距研究對膨脹土的影響，設(shè)立5組模型試驗，各組模型的加筋寬度與間距如表2所示。加筋寬度與間距為0時是純膨脹土模型；加筋間距為15 cm時，土工格柵鋪設(shè)5層；加筋間距為30 cm時，土工格柵鋪設(shè)3層。

表2 模型試驗分組Table 2 Model test grouping

3 試驗結(jié)果

3.1 體積含水率與側(cè)向壓力

繪制純膨脹土模型與加筋土模型的體積含水率及側(cè)向壓力隨時間變化關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 體積含水率與側(cè)向壓力隨時間變化關(guān)系Fig.5 Relationship between volume water content and lateral pressure with time

由圖5可知，注水一段時間后，水分從底部達(dá)到監(jiān)測儀器的位置需要一段時間，隨后土體的體積含水率先增加，側(cè)向壓力的增加存在一定延遲，但是增加速度非?？欤S后與體積含水率變化保持同樣的趨勢，這說明膨脹土在吸收水分后膨脹速度非?？?，但前期需要一定時間讓水滲透到膨脹土層。膨脹土是一種黏性土，滲透性很差，對土的膨脹速率有著極大的影響，所以在研究實際工程中，降雨入滲是很重要的一部分研究[18]。當(dāng)停止注水后，加筋土與純膨脹土存在較大區(qū)別。純膨脹土模型在停止注水后，體積含水率開始逐步下降，但降低速度很慢，而側(cè)向壓力與體積含水率密切相關(guān)，由于排水速度較慢，側(cè)向壓力的降低速度也比較慢。加筋土模型在加水后，均出現(xiàn)了體積含水率的驟降，極快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，膨脹土也因此迅速收縮，側(cè)向壓力也在極短時間內(nèi)大幅度降低。土工格柵與膨脹土屬于完全不同的2種材料，兩者接觸的界面是水分最容易通過的地方，因此土工格柵在膨脹土中有著導(dǎo)水作用，增加了排水通道[19]，使得膨脹土的體積含水率在停止注水后迅速下降，側(cè)向壓力也隨之迅速降低。

3.2 膨脹變形量

不同的加筋寬度會影響到膨脹變形監(jiān)測點的布置，為避免偶然誤差，加筋區(qū)域至少設(shè)置2個監(jiān)測點，因此對0.5 m寬度加筋模型的膨脹變形監(jiān)測點進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。不同加筋模型的膨脹變形監(jiān)測點布置及膨脹變形量隨時間變化關(guān)系曲線，如圖6所示。

由圖6可知，模型開始注水后一小段時間，由于水的滲透需要一定時間，所以該時間段的膨脹變形量變化較小，隨后模型不同位置的膨脹變形量迅速增加到一定值，然后膨脹變形量在該值附近小幅度變化，該值的范圍為30～50 mm。圖中還可以看出，各模型中位于模型邊緣的膨脹變形量要比模型中部小，這是由于膨脹土這種黏性土與鋼板邊緣接觸時，兩者之間存在一定的黏力，而且膨脹土吸水膨脹后，膨脹土向上位移，鋼板會對膨脹土產(chǎn)生摩擦力，同時四周的鋼板限制了膨脹土的側(cè)向膨脹，產(chǎn)生了側(cè)向膨脹力，使得摩擦力會更大，在2種力的作用下，邊緣膨脹土的膨脹作用會被限制，從而膨脹量相對較小。2種模型中加筋區(qū)域的膨脹變形量均小于未加筋的區(qū)域，證明膨脹土進(jìn)行土工格柵加筋處理后，膨脹變形會受到一定程度的約束。土工格柵埋設(shè)到膨脹土中后，加筋土吸水發(fā)生膨脹變形，土工格柵與膨脹土2種材料的性質(zhì)相差較大，兩者之間會出現(xiàn)相對位移趨勢，出現(xiàn)界面靜摩擦力，隨著膨脹的繼續(xù)進(jìn)行，兩者之間發(fā)生相對位移，靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒幽Σ亮εc2種材料之間的咬合力，在界面以外一定范圍內(nèi)會存在間接加筋作用，通過土工格柵與膨脹土之間一系列的作用下，膨脹土的移動會受到阻礙，膨脹作用被限制，從而使得加筋膨脹土的膨脹變形小于純膨脹土。土工格柵在限制膨脹變形時也承受了界面摩擦力，則土工格柵也會出現(xiàn)變形，具體土工格柵的應(yīng)變變化可見下文。

圖6 不同加筋模型的膨脹變形量隨時間變化的關(guān)系Fig.6 Relationship between time and expansion deformation of different reinforced models

3.3 土工格柵應(yīng)變

繪制不同加筋模型的土工格柵應(yīng)變隨時間變化關(guān)系曲線，如圖7所示。

由圖7可知，模型開始注水之后，土工格柵應(yīng)變變化并不穩(wěn)定，在小范圍內(nèi)出現(xiàn)上下波動，但總體呈應(yīng)變增加的趨勢，結(jié)合圖4中體積含水率變化情況，可知土工格柵的應(yīng)變與膨脹情況有關(guān)。當(dāng)模型開始注水時，土體的體積含水率開始增加，膨脹土發(fā)生膨脹變形，土工格柵與膨脹土之間產(chǎn)生界面摩擦力，土工格柵在力的作用被拉緊，所以土工格柵的應(yīng)變呈增加趨勢。土工格柵應(yīng)變最終值與加筋的寬度和間距之間的關(guān)系并不明顯，1.0 m寬間距15 cm與0.5 m寬間距30 cm模型的應(yīng)變值遠(yuǎn)高于其他2個模型，結(jié)合圖6中的加筋模型的膨脹變形情況發(fā)現(xiàn)，該2個模型的加筋區(qū)域與純膨脹土區(qū)域的膨脹變形量相差較大，土工格柵的應(yīng)變也比較大，說明土工格柵的變形與膨脹變形有關(guān)，限制的膨脹變形越多，膨脹土與土工格柵之間的界面摩擦力越大，所以土工格柵的應(yīng)變越大。圖中土工格柵的應(yīng)變出現(xiàn)波動有2個方面的原因：一是膨脹土與土工格柵之間的相互作用是一個復(fù)雜的過程，試驗過程中也不可能達(dá)到完全理想的狀態(tài)，所以會導(dǎo)致應(yīng)變出現(xiàn)微小的變化；二是加筋土中因為土工格柵具有導(dǎo)水作用，水分極易被排出，注水過程中因為一些人為因素并沒有及時進(jìn)行下一次的注水，導(dǎo)致土體含水率降低，膨脹土開始失水收縮，土工格柵是嵌入膨脹土中的，會隨著膨脹土的收縮出現(xiàn)應(yīng)變降低，重新注水后應(yīng)變又會增加。加筋密度較大時，土工格柵產(chǎn)生的導(dǎo)水通道更多，排水會更快，導(dǎo)致加筋膨脹土脹縮的時間更短，所以模型加筋間距為15 cm的土工格柵應(yīng)變出現(xiàn)波動的次數(shù)與幅度比加筋間距為30 cm的更多。

圖7 不同加筋模型的土工格柵應(yīng)變隨時間變化的關(guān)系Fig.7 Relationship between strain and time of geogrids with different reinforcement models

4 討論與分析

4.1 加筋寬度與間距對膨脹變形的影響

為研究膨脹土變形與加筋寬度及間距的變化規(guī)律，繪制膨脹土的最大膨脹變形量與不同加筋寬度及間距的關(guān)系曲線，如圖8所示。

由圖8可知，最大膨脹變形量隨著加筋寬度增大而降低，在加筋間距為15 cm模型中，加筋寬度增加，限制膨脹變形的效果更明顯，加筋寬度從0增加到1.0 m，最大膨脹變形量降低了11.5 mm；在加筋間距為30 cm模型中，加筋寬度0.5 m后，最大膨脹變形量的降低速度明顯放緩，說明土工格柵密度較低時，僅加寬加筋寬度的限制效果有限。

圖8 模型最大膨脹變形量與加筋寬度的關(guān)系Fig.8 Relationship between maximum expansion deformation and reinforcement width

由前文的分析可得到，膨脹土鋪設(shè)土工格柵后，膨脹變形被約束，當(dāng)加筋寬度一定時，加筋間距越小，鋪設(shè)的土工格柵越多，每層土工格柵都起到一定的限制作用，土工格柵層數(shù)越多，限制膨脹的層數(shù)就越多，限制膨脹的能力疊加后，效果就會越明顯，故最大膨脹變形會隨著加筋間距的減小而減小；相同加筋間距下，限制膨脹的效果隨加筋寬度增加而更加明顯，這是因為加筋寬度越大，土工格柵限制膨脹土的范圍更廣，純膨脹土區(qū)域的膨脹也會受到影響，而加筋寬度較小時，影響能力有限。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，土工格柵較密時，增加加筋寬度能明顯增加限制效果，但在土工格柵較稀疏時，加筋寬度的增加對膨脹土的變形影響不大，說明增加加筋寬度的限制作用比減小加筋間距小。

4.2 加筋寬度與間距對側(cè)向壓力的影響

為研究膨脹土側(cè)向壓力與加筋寬度及間距的變化規(guī)律，繪制膨脹土模型的最大側(cè)向壓力與不同加筋寬度及間距的關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖9 模型最大側(cè)向壓力與加筋寬度關(guān)系Fig.9 Relationship between maximum lateral pressure and width of reinforcement

由圖9可知，最大側(cè)向壓力隨著加筋寬度增大而降低，加筋間距15 cm降低的速度更快，加筋寬度從0增加到1.0 m，最大側(cè)向壓力降低了2.7 kPa；加筋間距為30 cm時，加筋寬度從0增加到1.0 m，最大側(cè)向壓力降低了2.2 kPa。兩者差距較小，且相比于純膨脹土，加筋后對側(cè)向壓力的限制能力有限。

膨脹土的側(cè)向壓力與變形有關(guān)，當(dāng)膨脹變形被限制時就會產(chǎn)生側(cè)向壓力，當(dāng)變形被限制的越小，側(cè)向壓力就越大。加筋土在膨脹時是由土工格柵承受膨脹力，所以會產(chǎn)生土工格柵的應(yīng)變。加筋土限制了部分變形后承受了部分膨脹力，剩余的側(cè)向壓力才會作用到壓力計上，所以加筋土的最大側(cè)向壓力會低于純膨脹土，隨著加筋寬度與密度的增加，土工格柵所承受到的側(cè)向壓力就會越多，則壓力計上受到的側(cè)向壓力就會越少。

5 結(jié)論

1)側(cè)向壓力的變化趨勢與體積含水率的變化趨勢相同。在加筋土中，土工格柵有導(dǎo)水作用，增加了排水通道，停止注水后水分經(jīng)土工格柵迅速排出，體積含水率迅速下降，模型的側(cè)向壓力大幅度減小。

2)膨脹土邊緣膨脹量較小，中部膨脹較大，膨脹后的土面呈弧形，由于受到土工格柵與膨脹土之間的界面摩擦力，土工格柵被拉緊，產(chǎn)生應(yīng)變，同時限制了膨脹土的膨脹。

3)隨著加筋密度與寬度的增加，膨脹土的膨脹變形與側(cè)向壓力減小，減小加筋間距提升的限制效果比增加加筋寬度更加明顯。

4)當(dāng)加筋密度較低時，在加筋寬度較小的范圍內(nèi)，加筋寬度的增加能有效限制膨脹土的變形與側(cè)向壓力，但是加筋寬度超過某一值后限制作用提升不明顯。