加筋紅土三軸試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

朱俊濤，劉 杰，羅 凱，羅夢(mèng)媛，鄧世富

(1. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074；2. 中交第二航務(wù)工程局有限公司, 湖北 武漢 430074;3. 新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 新疆 烏魯木齊 830006；4. 武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430074)

0 引言

紅土主要由富含鐵質(zhì)的母巖經(jīng)風(fēng)化以及紅土化形成，其礦物成分主要為伊利石和高嶺石[1-2]。紅土主要分布在熱帶和亞熱帶濕熱地區(qū)，在我國(guó)秦嶺-淮河以南區(qū)域分布廣泛，在公路、鐵路、水利等工程建設(shè)中不可避免會(huì)涉及紅土。相比于普通的細(xì)粒土，紅土具有高天然含水率、高塑性、高飽和度、高孔隙比等特性，具有較差的物理力學(xué)性質(zhì)和水理特性[3-4]，一些按照規(guī)范設(shè)計(jì)的工程也因此發(fā)生了破壞[5-6]。

加筋土是在土中加入帶狀筋材，充分結(jié)合筋材的抗拉性能和土體的抗壓性能，提高土體的強(qiáng)度，改善土體變形特性，增強(qiáng)土體穩(wěn)定性的一種復(fù)合體，目前已被廣泛應(yīng)用于支擋結(jié)構(gòu)物的工程建設(shè)中。傳統(tǒng)的加筋土擋墻一般采用砂石等無(wú)黏性材料以及一些低塑性、低液限黏土充當(dāng)填料，考慮到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保問(wèn)題，在我國(guó)南方紅土區(qū)有必要就地取材采用紅土作為填料。

目前國(guó)內(nèi)吳景海等[7]對(duì)加筋砂土進(jìn)行了三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加筋后砂土的強(qiáng)度明顯提高，且加筋效果隨圍壓的增加而減??；徐望國(guó)等[8]對(duì)加筋粗粒土進(jìn)行了大型三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明加筋對(duì)粗粒土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響主要表現(xiàn)為黏聚力的增加，內(nèi)摩擦角變化不大；傅華等[9]對(duì)加筋堆石料進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加筋效果隨軸向應(yīng)變的增大而逐漸發(fā)揮，對(duì)于強(qiáng)度較低的試樣，加筋后強(qiáng)度提升明顯。黃英等[10]對(duì)飽和狀態(tài)下的加筋紅土進(jìn)行了三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，結(jié)果表明加筋能有效提高紅土的抗剪強(qiáng)度，加筋層數(shù)越多，強(qiáng)度的提高越大。宋飛等[11]對(duì)PET土工格室加筋砂土開展大型動(dòng)三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明相對(duì)于未加筋土，圍壓的提高對(duì)格室土的塑性應(yīng)變減小幅度影響較小，加筋土動(dòng)模量提升。

上述研究表明：加筋是改良紅土性質(zhì)的有效手段，研究加筋紅土的性質(zhì)對(duì)我國(guó)南方紅土區(qū)的工程建設(shè)有重要意義。但現(xiàn)有的研究多數(shù)集中于紅土[12-13]及纖維加筋紅土[14-15]，而對(duì)土工織物加筋紅土的研究較少，工程界對(duì)土工織物加筋紅土的加筋機(jī)理尚存在很多模糊認(rèn)識(shí)，對(duì)加筋紅土結(jié)構(gòu)的服役性能及強(qiáng)度性能也尚有不夠合理之處，主要集中在土工合成材料筋材對(duì)非飽和狀態(tài)下紅土的加筋作用如何體現(xiàn)等問(wèn)題。為了使紅土能更好地應(yīng)用到工程建設(shè)中，本研究對(duì)土工織物加筋細(xì)粒紅土進(jìn)行了16組不同圍壓、不同含水率的三軸固結(jié)排水排氣試驗(yàn)，研究加筋紅土的力學(xué)性質(zhì)。試驗(yàn)中試樣處于非飽和狀態(tài)，與實(shí)際工程中土體狀態(tài)類似，通過(guò)數(shù)值模擬分析了加筋機(jī)理及加筋紅土擋墻的工程特性，為土工織物加筋紅土的工程應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

1 加筋紅土三軸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)儀器采用TSS30S土體三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)由控制臺(tái)、軸向測(cè)控系統(tǒng)、圍壓測(cè)控系統(tǒng)、孔隙水測(cè)控系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)組成。加載方式分為載荷控制和變形控制兩種，能夠精確測(cè)量加載過(guò)程中試樣受力及變形情況。儀器所能施加的最大圍壓為2 000 kPa，最大軸向力為30 kN。壓力室底座及加載帽可以更換，能進(jìn)行試樣直徑39.1 mm和直徑101 mm 的三軸試驗(yàn)。

試驗(yàn)材料包括紅土和加筋材料兩種。所用紅土取自湖北黃岡市浠水縣，原始土樣含有較多雜質(zhì)和土塊，采用水洗烘干法對(duì)土樣進(jìn)行了重塑處理，去除了雜質(zhì)和粒徑大于0.075 mm的顆粒。故本研究對(duì)象均為重塑細(xì)粒紅土，其基本物理參數(shù)如表1所示。所用加筋材料為土工織物HK90×100，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表2 土工織物的技術(shù)特性

1.2 試驗(yàn)方案

本研究共對(duì)紅土進(jìn)行16組不同含水率、不同圍壓的三軸固結(jié)排水排氣試驗(yàn)，試驗(yàn)的具體方案見表3?？紤]土工織物的尺寸效應(yīng)，試樣直徑設(shè)為101 mm。同時(shí)為了研究大應(yīng)變下的土體力學(xué)性質(zhì)，試樣高度設(shè)為160 mm或200 mm。試樣的高度與直徑之比大于1.5但小于2.0。加筋層數(shù)為1層，筋材水平布置在試樣中部。

表3 三軸試驗(yàn)方案

1.3 試樣制備方法及加載步驟

三軸試驗(yàn)試樣制備按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[16]中方法進(jìn)行，采用擊樣法外部制樣，試樣制備完成后再移入三軸儀內(nèi)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，具體過(guò)程如下：

(1)按要求的含水率制備濕土，根據(jù)試樣尺寸、干密度、含水率計(jì)算得到濕土質(zhì)量，稱取濕土。

(2)在擊實(shí)器內(nèi)側(cè)均勻涂抹一層凡士林，便于制樣完成后的脫模，將濕土按照設(shè)計(jì)的層數(shù)等分填入擊實(shí)器內(nèi)，用統(tǒng)一的擊錘按相似的錘數(shù)擊實(shí)至指定高度，前一層擊實(shí)完成后用刻刀將土體表面刮毛，以減輕分層擊實(shí)中層與層之間的界面對(duì)試樣均勻性的不利影響。

(3)將試樣底部和頂部用刮刀刮平，試樣脫模后用保鮮膜包裹放入密封箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h。

(4)去除試樣表面的保鮮膜，將養(yǎng)護(hù)后的試樣放入橡皮膜內(nèi)，在壓力室底座上依次放置透水石、濾紙、裝在橡皮膜內(nèi)的試樣，放上濾紙、透水石、試樣帽，扎進(jìn)橡皮膜，放置圍壓室，注滿水，對(duì)試樣施加圍壓。

(5)打開排水排氣閥門，使試樣在設(shè)定的圍壓下進(jìn)行固結(jié)，所用三軸儀通過(guò)試樣的體變形與時(shí)間關(guān)系曲線判定是否固結(jié)完成，由于試驗(yàn)中試樣處于非飽和狀態(tài)，無(wú)法通過(guò)儀器實(shí)時(shí)測(cè)量試樣體變形，考慮到試樣排氣較快且試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生明顯的排水現(xiàn)象，取固結(jié)時(shí)間為2 h。

(6)按照設(shè)定的加載速率進(jìn)行軸向加載，直至設(shè)定的軸向應(yīng)變。

1.4 三軸試驗(yàn)結(jié)果及分析

三軸試驗(yàn)儀器通過(guò)試樣排水量測(cè)量試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的體積變化，試樣處于非飽和狀態(tài)，故無(wú)法測(cè)得體變?？紤]到圍壓室的體積是恒定的，且剛度遠(yuǎn)大于土體，可以通過(guò)圍壓室的水量變化來(lái)反映試樣體積的變化，從而對(duì)試樣變形進(jìn)行一定的分析。

圖1比較了直徑101 mm,高度160 mm(A)和直徑101 mm,高度200 mm(B)兩種不同尺寸試樣的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線。可以看出，兩種不同尺寸試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線的一致性較好，證明本研究所采用的試樣高徑比的合理性。

圖1 不同高徑比試樣的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2、圖3分別為26.4%含水以及34.4%含水率加筋紅土三軸試驗(yàn)結(jié)果，其中圖2(a)，3(a)為偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線，圖2(b)，3(b)為體應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線，圖2(c)，3(c)為試樣剪切后的破壞形態(tài)。由圖2(a),3(a)可知，素土的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線為軟化型，隨著圍壓的增加，應(yīng)變軟化的程度明顯降低，加筋使應(yīng)力應(yīng)變曲線由軟化型向硬化型轉(zhuǎn)變，且提升了其抗剪強(qiáng)度。小應(yīng)變下土體不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生重疊或交叉，其可能的原因如下：圍壓越高，固結(jié)階段和剪切階段的壓縮越大，剪切階段的初始飽和度越高，飽和度隨軸向應(yīng)變的增加速度也越快，從而導(dǎo)致初始基質(zhì)吸力較低且減小速度較快，降低了高圍壓下土體的強(qiáng)度和剛度。

圖2 26.4%含水率加筋紅土三軸試驗(yàn)結(jié)果

圖3 34.4%含水率加筋紅土三軸試驗(yàn)結(jié)果

從圖2(b),3(b)可以發(fā)現(xiàn)，低圍壓下的素土試樣表現(xiàn)為先剪縮后剪脹的趨勢(shì)；隨著含水率的增加，試樣剪縮減小，鼓脹增大；加筋抑制了低圍壓下試樣的剪脹，增大了高圍壓下試樣的剪縮，減小了試樣的鼓脹變形。

另外，從圖2(c),3(c)可以看出，加筋后的試樣以筋材為邊界呈若干個(gè)破壞區(qū)域，筋材明顯約束了其附近土體的側(cè)向變形。相比于素土試樣，加筋后的試樣裂縫區(qū)域擴(kuò)大，裂縫數(shù)量增加，但裂縫無(wú)法貫通試樣，加筋提高了土體的延性。

試驗(yàn)結(jié)果表明，加筋效果主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是抑制了低圍壓下的應(yīng)變軟化，二是提高了土體的延性，三是提高了破壞時(shí)的偏應(yīng)力，加筋效果與軸向應(yīng)變和圍壓有明顯關(guān)系。為了更好地評(píng)價(jià)加筋對(duì)紅土力學(xué)性質(zhì)的影響，引入了加筋系數(shù)R和強(qiáng)度加筋系數(shù)Rf：

R=qR/q，

(1)

(2)

加筋系數(shù)與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。在中等應(yīng)變范圍內(nèi)，高含水率加筋紅土的加筋系數(shù)大于低含水率加筋紅土，且其加筋系數(shù)隨著軸向應(yīng)變的增加有一定的降低；但在高應(yīng)變范圍內(nèi)，加筋系數(shù)隨軸向應(yīng)變的增加而增加，低圍壓下的加筋系數(shù)增加更為明顯，原因在于筋材的作用表現(xiàn)為對(duì)其周圍土體的約束作用，隨著軸向應(yīng)變的增加，試樣變形增大，筋材對(duì)土體的約束作用得以發(fā)揮，低圍壓下筋材阻止了試樣的應(yīng)變軟化，加筋系數(shù)明顯增加。

圖4 加筋系數(shù)與軸向應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，取15%軸向應(yīng)變的偏應(yīng)力計(jì)算紅土的強(qiáng)度。圖5為不同含水率下的強(qiáng)度加筋系數(shù)與圍壓關(guān)系曲線，強(qiáng)度加筋系數(shù)隨圍壓增加而減小，隨含水率增加而增加，原因在于圍壓抑制了土體的側(cè)向變形，限制了筋材作用的發(fā)揮，含水率的增加降低了土體自身強(qiáng)度，但筋材的約束作用隨含水率的增加而上升。

圖5 強(qiáng)度加筋系數(shù)與圍壓關(guān)系

為了深入研究加筋對(duì)紅土強(qiáng)度影響的規(guī)律，計(jì)算出抗剪強(qiáng)度參數(shù)列于表4中。由表4可知，加筋對(duì)紅土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響主要表現(xiàn)為黏聚力的增加，內(nèi)摩擦角的變化較小。這是由于加筋紅土的強(qiáng)度提高主要是筋材對(duì)附近土體的約束作用引起的，加筋對(duì)紅土顆粒之間的摩擦影響較小，故當(dāng)使用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算內(nèi)摩擦角及黏聚力時(shí)，加筋前后的內(nèi)摩擦角變化不大，加筋提高的強(qiáng)度主要表現(xiàn)在黏聚力方面。

表4 紅土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

2 三軸試驗(yàn)數(shù)值模擬

本研究應(yīng)用PLAXIS 2D軟件模擬上述三軸試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)一步探討加筋紅土的加筋機(jī)理。三軸試驗(yàn)為典型的軸對(duì)稱問(wèn)題，建模流程步驟包括：參數(shù)確定、幾何模型構(gòu)建、網(wǎng)格生成與分步加載等。

2.1 材料參數(shù)

為了描述土體應(yīng)力與應(yīng)變之間的非線性關(guān)系，土體采用Harding Soil模型(HS)模擬，Harding soil模型是PLAXIS 2D自帶的雙曲線彈塑性模型。模型參數(shù)通過(guò)三軸試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到。本研究的數(shù)值分析為總應(yīng)力分析，由于土體結(jié)構(gòu)性和基質(zhì)吸力的影響，不同圍壓下的土體性質(zhì)差別較大，難以用一套模型參數(shù)進(jìn)行描述，本研究以兩個(gè)圍壓的試驗(yàn)結(jié)果為1組計(jì)算相應(yīng)的模型參數(shù)，共得到4組模型參數(shù)，如表5所示，其中低圍壓指30 kPa和50 kPa，高圍壓指100 kPa和150 kPa。

表5 紅土硬化土模型參數(shù)

大量實(shí)測(cè)結(jié)果表明加筋土結(jié)構(gòu)中筋材應(yīng)變通常在2%以下，三軸試驗(yàn)后筋材也未發(fā)生明顯的變形，考慮到土工合成材料是非線性彈塑性材料，在進(jìn)行數(shù)值模擬的時(shí)候采用2%應(yīng)變的割線剛度更為合理。所用筋材的2%割線剛度為1 720 kN/m，利用PLAXIS 2D軟件自帶的格柵單元模擬。

試樣兩端接觸的底座和試樣帽材料均為高鉻合金，剛度遠(yuǎn)大于試樣，可以視作剛性板，采用剛度比較大的彈性板單元模擬，端板與試樣之間的相互作用使用界面單元模擬，考慮試樣和底座以及加載帽的粗糙程度，將端部界面折減因子Rinter取為0.3。

筋土相互作用通過(guò)界面單元模擬，界面單元采用摩爾-庫(kù)倫模型。為獲取模型參數(shù)，進(jìn)行了6組不同含水率及豎向應(yīng)力的大型直剪界面試驗(yàn)，所用儀器為美國(guó)某公司生產(chǎn)的大型靜態(tài)及動(dòng)態(tài)循環(huán)直剪單剪儀，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由直剪界面試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到相關(guān)模型參數(shù)如表6所示。

圖6 直剪界面試驗(yàn)結(jié)果

表6 筋土界面模型參數(shù)

2.2 有限元模型及分析

有限元模型參照三軸試驗(yàn)，建立具體的模型如圖7所示。模型底部邊界為豎直方向固定約束，左側(cè)邊界為水平方向固定約束。模型網(wǎng)格單元選擇15節(jié)點(diǎn)三角形單元，網(wǎng)格劃分密度為中等，生成2 058個(gè)網(wǎng)格單元、16 963個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖7 有限元模型網(wǎng)格圖

模型的加載過(guò)程按照三軸試驗(yàn)的過(guò)程設(shè)置，分為固結(jié)階段和剪切階段兩個(gè)階段，首先在試樣上部及右側(cè)分別施加相等的均布線荷載模擬圍壓以及固結(jié)階段，然后將模型的位移重置為0以避免固結(jié)時(shí)試樣產(chǎn)生的變形影響后續(xù)剪切階段的分析，在頂部的加載板處施加相應(yīng)豎向位移來(lái)模擬試驗(yàn)的剪切階段。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果見圖8，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好，PLAXIS 2D可以較好地模擬本研究三軸試驗(yàn)，證明了數(shù)值模型的合理性。

圖8 三軸試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果

2.4 加筋機(jī)理分析

圍壓50 kPa下素土及加筋土破壞狀態(tài)(定義為豎向應(yīng)變15%)的剪應(yīng)力分布、剪應(yīng)變分布、主應(yīng)力矢量分布如圖9～11所示，素土中除端部約束附近存在剪應(yīng)力集中外，大部分區(qū)域剪應(yīng)力較小，剪切帶貫通土體，大主應(yīng)力為豎向，小主應(yīng)力為水平方向，加筋后筋材提供的界面摩阻力影響了加筋土的應(yīng)力場(chǎng)，剪應(yīng)力在筋材附近集中，以筋材為界，剪切帶在土體上半部分和下半部分產(chǎn)生，土體的破壞模式發(fā)生變化。

圖9 剪應(yīng)力分布(單位:kN·m-2)

圍壓50 kPa下素土及加筋土破壞狀態(tài)的小主應(yīng)力與大主應(yīng)力分布如圖12所示，素土除端部約束范圍外，土體大部分區(qū)域的小主應(yīng)力等于圍壓，而對(duì)于加筋土，筋土界面摩阻力的發(fā)揮使筋材附近土體(H/2截面)的小主應(yīng)力從49.6 kPa增加到108.9 kPa，增強(qiáng)了土體的側(cè)向約束，導(dǎo)致破壞時(shí)土體承受的大主應(yīng)力增大，從而提高了加筋復(fù)合體的整體強(qiáng)度。

圖12 小主應(yīng)力與大主應(yīng)力分布(單位:kN·m-2)

2.5 參數(shù)分析

根據(jù)試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果，加筋后紅土的破壞模式發(fā)生了變化，但強(qiáng)度提升有限，而一些學(xué)者的研究表明，無(wú)黏性土的加筋效果較好[7-9]。為了探究加筋紅土強(qiáng)度提升有限的原因，本節(jié)以土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為參數(shù)對(duì)三軸進(jìn)行了參數(shù)分析，在保證50 kPa 圍壓下破壞時(shí)偏應(yīng)力qf不變的情況下同時(shí)改變土體的內(nèi)摩擦角與黏聚力，具體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)列于表7。

表7 qf不變情況下抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析(σ3=50 kPa)

參數(shù)分析的結(jié)果如圖13所示，隨著土體內(nèi)摩擦角的增加和黏聚力的降低，加筋土的偏應(yīng)力與強(qiáng)度加筋系數(shù)均明顯增加，加筋效果隨土體內(nèi)摩擦角的增加和黏聚力的降低而增強(qiáng)。原因在于土的抗剪強(qiáng)度由黏聚力和內(nèi)摩擦角引起的強(qiáng)度組成，筋材提供的摩阻力使土的小主應(yīng)力增大，從而提高了內(nèi)摩擦角引起的強(qiáng)度。本研究所用非飽和紅土的表觀內(nèi)摩擦角較低黏聚力較高，故加筋后強(qiáng)度的提升不大。

圖13 圍壓為50 kPa三軸壓縮參數(shù)分析結(jié)果

3 加筋紅土擋墻數(shù)值模擬

通常情況下，加筋土擋墻可以視為平面應(yīng)變問(wèn)題，本節(jié)借助PLAXIS 2D軟件建立加筋土擋墻二維有限元模型以分析擋墻的工程特性。

3.1 材料參數(shù)

為了描述土體應(yīng)力與應(yīng)變之間的非線性關(guān)系，填土同樣采用Harding Soil模型(HS)模擬，具體的參數(shù)見表6，綜合考慮擋墻高度、填土重度、路面荷載以及水平土壓力系數(shù)，填土的水平土壓力基本小于75 kPa，選用低圍壓下的模型參數(shù)。

加筋土擋墻面板采用砌塊式面板，砌塊由C25混凝土預(yù)制，采用線彈性模型，參數(shù)采用相應(yīng)的混凝土參數(shù)。砌塊與砌塊間邊界采用摩爾-庫(kù)倫模型，具體參數(shù)參考Guler[17]對(duì)界面參數(shù)的研究。砌塊-填土界面采用折減系數(shù)Rinter來(lái)模擬，考慮到混凝土砌塊表面較為粗糙，取Rinter=1。砌塊及相關(guān)界面參數(shù)見表8。

表8 砌塊及界面模型參數(shù)

圖10 剪應(yīng)變分布(單位:×10-3)

所用筋材的2%割線剛度為1 720 kN/m，采用PLAXIS自帶的Geogrid單元模擬。為考慮加筋土擋墻的長(zhǎng)期工作性能，需要考慮筋材的長(zhǎng)期效應(yīng)[18]，使用蠕變折減系數(shù)RFCR=2.59對(duì)筋材剛度進(jìn)行折減，折減后的筋材剛度為664 kN/m。筋土相互作用通過(guò)界面單元模擬，具體參數(shù)見表5。

圖11 主應(yīng)力矢量分布

地基土層分布情況根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖確定，并假定最底層土下即為巖體，地基土體物理力學(xué)參數(shù)參考地勘報(bào)告。

3.2 模型建立及加載過(guò)程

模型如圖14所示，模型底部邊界為固定約束，兩側(cè)邊界為水平固定約束。擋墻上部施加20 kPa的豎向均布荷載作為路面荷載。網(wǎng)格單元選擇15節(jié)點(diǎn)三角形單元，網(wǎng)格劃分密度為中等，共生成12 925個(gè)網(wǎng)格、108 631個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模型采用不考慮固結(jié)的塑性分析，加筋土擋墻實(shí)際施工過(guò)程中填土填筑時(shí)會(huì)進(jìn)行機(jī)械壓實(shí)，為了模擬壓實(shí)過(guò)程，將每層筋材鋪設(shè)完設(shè)置為一個(gè)施工步，施加10 kPa均布荷載做為碾壓荷載，并在下一層施工前，將前一階段的碾壓荷載卸載。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

圖15為每層最大筋材拉力沿墻高的分布，每層筋材的最大拉力沿墻高的分布在兩階擋墻的趨勢(shì)一致，先隨墻高增大，后隨墻高減小，有明顯的峰值，第1階擋墻的筋材拉力整體大于第2階擋墻，筋材最大拉力位于第1階擋墻下部。

圖15 每層筋材最大拉力沿墻高的分布

由圖15可知，隨著填土含水率的增加，各層筋材最大拉力均明顯增加，峰值筋材最大拉力分別為5.63 kN/m和12.88 kN/m，增幅超過(guò)100%。隨著含水率的增加，填土強(qiáng)度和剛度明顯降低，加筋土擋墻的整體強(qiáng)度與剛度降低，在筋土界面強(qiáng)度滿足要求的前提下，擋墻變形增大，筋材在擋墻中發(fā)揮了更大的作用，筋材拉力增加。

圖16為面板水平位移沿墻高的分布，面板水平位移分布在兩階擋墻的趨勢(shì)一致，下部面板向外側(cè)變形，上部面板向內(nèi)傾斜，面板最大位移在中部附近，呈現(xiàn)“鼓肚型”變形，第1階擋墻的面板水平位移整體大于第2階擋墻。

圖16 面板水平位移沿墻高的分布

由圖16可知，隨著填土含水率的增加，面板水平位移明顯增加，峰值水平位移分別為0.04 m和0.18 m。面板的水平位移主要來(lái)自于擋墻在路面荷載和自重荷載下自身向外的水平位移，填土含水率的提高對(duì)這部分變形有較大影響。填土含水率的增加降低了填土的剛度和強(qiáng)度，從而也降低了擋墻的整體剛度，使得面板水平位移明顯增加。

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算出不同填土含水率下?lián)鯄Φ陌踩禂?shù)，分別為3.160和2.091，隨著含水率的增加，填土強(qiáng)度降低，導(dǎo)致?lián)鯄Π踩禂?shù)減小。但需要指出的是，隨著含水率的增加，素土不同圍壓下的峰值偏應(yīng)力衰減均超過(guò)60%，但擋墻安全系數(shù)的衰減僅為34%。加筋有效抑制了含水率的增加對(duì)擋墻穩(wěn)定性的不利影響。

高塑性填土含水率的增加使填土自身的強(qiáng)度急劇減小，從而使擋墻的整體強(qiáng)度與剛度減小，對(duì)擋墻工程特性有明顯不利影響。因此，在選擇高塑性填土作為填料時(shí)應(yīng)注意配備更加完善的防排水系統(tǒng)。

4 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)三軸試驗(yàn)研究了含水率對(duì)紅土及加筋紅土力學(xué)性質(zhì)的影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)三軸試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了加筋紅土的加筋機(jī)理，并結(jié)合實(shí)際工程分析了填土含水率對(duì)加筋紅土擋墻工程特性的影響。本研究得到如下主要結(jié)論：

(1)筋材能夠很好地抑制其附近土體的變形，阻止貫通裂縫的產(chǎn)生，改變土體的破壞模式。加筋對(duì)紅土力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在抑制低圍壓下試樣應(yīng)變軟化、增加延性，以及提升峰值強(qiáng)度3個(gè)方面。加筋效果隨土體含水率的增加而增加，隨軸向應(yīng)變的增加逐漸發(fā)揮。

(2)筋土界面的摩阻力使筋材附近一定范圍內(nèi)土體的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，一方面引起主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，阻斷土體內(nèi)部剪切帶的發(fā)展，改變土體的破壞模式，另一方面提高了土體的小主應(yīng)力，使其破壞時(shí)的大主應(yīng)力上升，從而提高了加筋土的整體強(qiáng)度。且加筋效果跟紅土的表觀摩擦角有關(guān)，表觀摩擦角越大，加筋的效果更明顯。

(3)在保證一定的筋土界面強(qiáng)度的前提下，加筋可大大地提升高含水率紅土體的穩(wěn)定性。