加筋膨胀土边坡土工格栅的导水作用研究

赵 亮，龚壁卫，李青云，丁金华，胡 波

（长江科学院a.水利部岩土力学与工程重点实验室；b.流域水环境研究所，武汉 430010）

加筋膨胀土边坡土工格栅的导水作用研究

赵 亮a，龚壁卫a，李青云b，丁金华a，胡 波a

（长江科学院a.水利部岩土力学与工程重点实验室；b.流域水环境研究所，武汉 430010）

通过4组湖北力特生产的BOP系列小尺寸单向格栅不同加筋方式的膨胀土三轴固结排水试验，研究了土工格栅的导水作用，并在现场试验中得到验证。研究结果表明：低围压下土工格栅的导水作用显著，且随着围压的增大，导水作用减小；加筋膨胀土中土工格栅不仅提高了土体强度，还增添了导水通道。因此，在加筋土坡设计中，要充分考虑格栅加筋后加筋土层渗流状态的变化，合理地发挥加筋土层的优势。

南水北调；土工格栅；膨胀土；拉拔试验；筋土界面；导水作用

1 研究背景

土工格栅是采用高密度聚乙烯（HDPE）或聚丙烯（PP）经挤压后，在聚合物板上冲孔，然后拉伸形成的新型土工合成材料，它在岩土工程中的应用主要是加筋作用［1］。国内外有很多关于土工格栅加筋膨胀土方面的研究，并取得了许多重要成果［2－4］。但对于处理层土工格栅的导水作用研究还很少。由于土体与土工格栅的接触方式为点面接触，渗透系数明显大于土体，也就是说，在筋土界面上形成了一条导水通道，因此，采用土工格栅加筋边坡在增加边坡整体强度的同时也给边坡添加了一条导水通道。横向加筋时，相当于减小了土体的竖向固结排水距离，在相同条件下使土体排出的水量更多；竖向加筋时，相当于添加一条直接的固结排水通道。土工格栅会改变边坡土体中水分的重分布，而膨胀土体中含水量的改变对界面摩擦系数的影响很大［5］，这就使得膨胀土边坡加筋设计中格栅与土体界面摩擦系数的确定变得更为复杂。本文通过4组不同格栅加筋方式的三轴固结排水试验中的固结排水量来研究土工格栅在加筋膨胀土边坡中的导水作用，试验成果的规律性在南水北调工程现场试验中得到验证。

2 室内试验

2.1 试验土样及材料特性

2.1.1 土样的物理性质

试验采用南水北调中线现场取回的膨胀土，其物理性质指标如表1所示。由表1可以看出，试验采用膨胀土的自由膨胀率为69%，属于中偏弱膨胀土，胶粒含量达到29.6%。

表1 试验土样的物理特性指标Table 1 Physical parameters of soil specimen

2.1.2 土工格栅

本试验中采用的三轴试样直径为101 mm，高度为200 mm。由于常规的单向土工格栅网格尺寸较大，不能作为本试验的加筋材料，因此本次试验中采用湖北力特土工合成材料有限公司的BOP系列小尺寸单向格栅，表2所示为该土工格栅的几何尺寸以及力学性能指标。

表2 小尺寸土工格栅的技术指标Table 2Technical indexes of the small-size geogrid

2.2 试验仪器

试验采用意大利Control公司生产的30－T0601／P全自动三轴剪切仪，如图1所示。该仪器是岩土抗剪强度测试的主要仪器设备。整套系统由压力机、三轴压力室、控制系统和数据采集系统组成。主机轴向压力达100 kN，压力室最大工作压力1 700 kPa，其轴向力、位移、试样体变、孔压均通过传感器进行测量，并且通过8通道数据采集系统进行自动采集。

图1 Control－30－T0601／P三轴剪切仪Fig.1 Triaxial shear apparatus Control－30－T0601／P

2.3 试样制备

本试验试样直径为101 mm，高为200 mm。填料采用现场取回的膨胀土，自由膨胀率为69%。为最大限度地保证每个试样固结前的状态相同，设置试样目标干密度为1.524 g／cm3，目标含水率为23%；每个样分8层击实，每层击实高度为2.5 cm。试样有4种不同的加筋方式，分别为不加筋、水平加一层筋、水平加三层筋、竖向全断面加筋，如图2所示。水平加一层筋时，击实完第四层土后，将土体表面刮毛，放置剪好的直径为100 mm的BOP小尺寸土工格栅，然后再击实上面的土样；水平加三层筋类似；竖向全断面加筋时，先分8层击实制作出同等规格的不加筋三轴样，然后将中心位置直径约为62mm范围内的土体切出，放入侧向已绑扎好的圆柱形土工格栅，按照同样的干密度和起始含水量击实中心位置土样。为了防止试验中水平加筋土工格栅刺破乳胶膜，同时为了保证所有试验中体变测量的精确性，全部试样采用双层乳胶膜包裹。试验中每4个试样为一组，分别在50，100，200，400 kPa围压条件下进行三轴固结排水剪切试验，量测各试样在围压下固结24 h后排出水的体积。

2.4 试验结果分析

图3所示为未加筋、水平一层、水平三层和竖向加筋膨胀土试样固结排水量的情况。从图3可以看出：相同围压下，随着加筋层数的增加，排出的水量也增加，且竖向加筋排出的水量最多。这主要是因为土工格栅有导水作用，水平加一层筋与不加筋相比，相当于增加了一个导水通道，减小了膨胀土的竖向排水距离，故相同的条件下排出的水量要多；同样的道理，水平加三层筋要比水平加一层筋排出的水量要多；竖向加筋相当于在试样中添加了一条直接的环形导水通道，减小了横向的排水距离，其导水作用比水平三层加筋稍强。图3中还可以看出：同一加筋形式下固结排水量曲线随着围压的增大而增加，且在低围压下的斜率比高围压下大，这说明：低围压下土工格栅的导水作用更明显，随着围压的增大，水平一层加筋的固结排水量跟不加筋的越来越接近，而水平三层加筋的固结排水量跟竖向加筋的差别也越来越小。由上述分析可以得出：低围压下土工格栅的导水作用显著，且随着围压的增大，导水作用逐渐减小。

图2 不同加筋方式示意图Fig.2 Different reinforcement types

图3 不同加筋方式固结排出水量Fig.3 Drainage discharges of expansive soil specim ens w ith different geogrid-reinforcement types

3 现场试验验证

3.1 现场条件

现场试验段位于河南新乡，该地段地下水埋藏较深，工程区多年最高地下水位一般位于渠底板以下。勘察期间仅部分钻孔揭露到上层滞水，主要赋存于第四系松散层和上第三系成岩较差的泥灰岩中，下部黏土岩为相对的隔水层。场区地下水主要接受大气降水入渗和侧向径流补给，以侧向径流方式排泄。试验段第6、第8两个试验区渠坡是以土工格栅包裹弱膨胀土为换填处理层，处理层厚度（垂直于坡面）分别为2.0，1.5 m，层间距为0.5 m，在长达2年的现场试验过程中，分别采用人工降雨、渠道蓄水等手段，模拟了渠道运行工况，并对渠坡的含水率、变形进行了连续观测，未发现土工格栅处理层渠坡有破坏的现象。在试验完成后进行了处理层的拆除，分别在第6、第8区左岸开槽，观察了渠坡及其土工格栅处理层的完整性，选择局部渠段的处理层进行取样，以土工格栅为零点，在其上下表面及上、下离土工格栅每隔0.1，0.2，0.3 m处分别取土样，测其含水率。如图4所示。

3.2 材料特性

现场采用湖北力特土工材料有限公司的单向拉伸高密度聚乙烯（HDPE）土工格栅HDPE50，其几何尺寸和材料拉伸试验下的力学性能如表3所示。土工格栅处理层回填料采用现场就地开挖料，其物理特性指标如表4所示。

图4 现场取样示意图Fig.4 Field sampling

表3 现场试验土工格栅技术指标Table 3 Technical indexes of geogrids used in field test

表4 新乡泥灰岩物理性质指标Table 4 Physical parameters of Xinxiangmarl

3.3 试验分析

分别在第6、第8区左岸按前述方法取样，测其含水率，结果如图5所示。

由图5可以看出，加筋处理层含水率在土工格栅界面上下有突变，界面以下0.01 m的含水率比界面以上0.01 m含水率增大约25%；土工格栅界面以上的含水率基本不变，界面以下0.1 m范围内含水率的变化比较大。也就是说在土工格栅的位置含水率都比其他地方大，证明土工格栅在加筋土体中形成了导水通道，具有良好的导水效果，同时还可以看出，土工格栅界面以下0.1 m外，导水作用影响较小。

3.4 对工程影响的讨论

加筋土中土工格栅导水作用明显，其对工程的影响既有有利的一面，也有不利的一面。首先，格栅加筋层增大了加筋土层的渗透系数，加速了加筋土体中水份的排出，降低了孔隙水压力，增强了整体稳定性，对于加筋挡墙、加筋土坡等工程建筑物的稳定性有利；其次，加筋土层加速了被保护土层中水的排出，避免被保护土层遇水膨胀，使膨胀土坡更为稳定；但是，对于渠道渠水位以下渠坡，由于土工格栅的导水作用，渠道中的水也更容易渗入渠坡中，一方面降低了渠坡的稳定性，另一方面造成了渠水的流失；而筋土界面上形成的导水通道，会降低土工格栅与土体之间的摩阻力，从而降低加筋土体的强度。因此，在加筋土坡设计中，要充分考虑格栅加筋后加筋土层渗流状态的变化，合理地发挥加筋土层的优势，减少负面的影响。

图5 加筋土中含水率沿竖向分布Fig.5 Vertical distributions of water content in reinforced soil

4 结论与展望

4.1 结 论

通过不同加筋方式的室内三轴CD试验，研究了土工格栅对加筋膨胀土体的导水作用，并通过现场试验验证了其导水作用的存在，得出以下结论：

（1）土工格栅对加筋膨胀土体的导水作用明显，加筋相当于在土体中增加了导水通道，减小了排水距离，从而使加筋土体的导水作用增强。加筋层数越多，导水作用越明显，竖向全断面加筋排出的水量最多。

（2）围压对土工格栅加筋膨胀土的导水作用也有影响：低围压下土工格栅的导水作用更明显，随着围压的增大，水平一层加筋与不加筋的固结排水量越来越接近，而水平三层加筋与竖向加筋的固结排水量差别也越来越小，导水作用逐渐减小。

4.2 展 望

本文通过室内和现场试验得出土工格栅加筋膨胀土渠坡处理层中土工格栅的导水作用明显及一些相关的结论，但未对土工格栅的导水作用机理做深入分析，没有对土工格栅的导水作用对处理层及渠坡工程特性的影响进行定量的研究与讨论，这是以后这方面工作的重点，只有认识了土工格栅的导水作用机理，才能够用它来解决实际工程中的问题。

［1］ 包承纲.土工合成材料应用原理与工程实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2008：11－12.（BAO Chenggang.The Principle and Application of Geo-synthetics in Engineering［M］.Beijing：China Water Power Press，2008：11－12（in Chinese））

［2］ 汪明元，施戈亮，丁金华，等.土工格栅与压实膨胀土的界面模型及其参数［J］.吉林大学学报（工学版），2010，40（3）：688－693.（WANG Ming-yuan，SHI Ge-liang，DING Jin-hua，et al.Interface Model and Its Parameters Between Geogrids and Compacted Expansive Soil［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology E-dition），2010，40（3）：688－693.（in Chinese））

［3］ 丁金华，包承纲，丁红顺.南水北调中线工程土工格栅——膨胀岩的拉拔试验研究［J］.南水北调与水利科技，2008，6（1）：52－56.（DING Jin-hua，BAO Chenggang，DINGHong-shun.Pullout Test Study on the Interaction between Geogrid and Swelling Rock［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆Technology，2008，6（1）：52－56.（in Chinese））

［4］ 丁万涛，谭新.加筋膨胀土的三轴试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（增1）：2367－2370.（DING Wan-tao，TAN Xin.Study on Reinforced Expansive Soil by Triaxial Tests［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（Sup.1）：2367－2370.（in Chinese））

［5］ 《土工合成材料工程应用手册》编委会.土工合成材料工程应用手册（第二版）［M］.北京：中国建筑出版社，2000：218－232.（Editorial Committee.Manual of the Engineering Application of Geo-synthetics（Second Edition）［M］.Beijing：Chinese Construction Industry Press，2000：218－232.（in Chinese））

［6］ 杨和平，万 亮，郭 明，等.用拉拔试验研究膨胀土中格栅加筋的界面作用［J］.湖南大学学报：自然科学版，2008，35（11）：235－239.（YANG He-ping，WAN Liang，GUO Ming，et al.Research on the Interface Interaction Between Expansive and Geogrids by Pullout Test［J］.Journal of Hunan University（Natural Sciences），2008，35（11）：235－239.（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

W ater Diversion in Geogrid in Reinforced Expansive Soil Slope

ZHAO Liang1，GONG Bi-wei1，LIQing-yun2，DING Jin-hua1，HU Bo1
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Water Environment Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Weak expansive soil reinforced by geogrid，as a protective layer on the slope，is one of the side slope treatments in South-to-North Water Transfer.We performed triaxial consolidated drain tests on expansive soils reinforced by 4 groups of small size unidirectional grids to research their water diversion effect.Results show that geogrid’s capacity of diverting water increases under low confining pressure，while reduces with the rise of confining pressure.It’s concluded that geogrid improves the soil strength and works as awater routewhich accelerates drainage，particularly by vertical reinforcement in thewhole section.The results are verified by field tests.Seepage variation in expansive soil reinforced with geogrid should be considered to give full display to geogrid’s advantages.

South-to-North Water Transfer；geogrid；expansive soil；pull-out test；interface between geogrid and soil；water diversion effect

TU443

A

1001－5485（2012）06－0044－04

2011－11－04

国家自然科学基金资助项目（50808024，51008035）；“十二五”国家科技支撑计划课题（2011BAB10B00）

赵 亮（1986－），男，湖南长沙人，硕士研究生，主要从事环境岩土工程等方面的研究，（电话）027－82927522（电子信箱）zhaoliangwh.87＠163.com。