新型土工格栅加筋土路堤模型试验研究

郭小川，刘德富，肖衡林

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

自20世纪60年代以来，加筋土作为一种新的提高堤坝稳定性的工程措施，迅速被应用在水利、公路、铁路、港口和建筑等部门的岩土工程中。在公路加筋路堤方面，土工格栅作为一种常用的加筋材料，其作用主要是约束路堤土体的侧向变形，改变加筋土体的受力状态，从而改善加筋堤坝稳定性。而三向土工格栅作为一种新型土工格栅，由于能承受平面各个方向的力，防止不均匀沉降效果比一般双向和单向土工格栅要好，在我国填方路堤上研究与应用还很少，对其效果至今没有定量结论。

Bathurst［1］采用宽0.465m 的钢梁作为条形加载装置对3个高3.4m的加固和不加固大模型边坡加压，通过试验认为单向土工格栅加固边坡的承载能力为相同条件下未加固边坡的1.6～2倍。羊晔，刘松玉［2］等通过室内小比例模型试验，得出单向土工格栅加筋结构可以缓解高速公路过渡段的不均匀沉降。邹静蓉［3］等采用大尺寸拉拔模型研究土工格栅与填料之间的相互作用，格栅受到的极限抗拔力与上覆压力成线性关系，而初始拉拔模量与上覆压力成幂函数关系。杨庆等［4］通过室内小比尺模型试验，研究了土工格栅加筋参数对路堤边坡结构性能的影响，证明加筋能大幅提高边坡的稳定性和承载能力，并得出了土工格栅埋在土中的力学特征。杨林华［5］通过具体的模型试验对土工格栅加筋路堤边坡的变形进行了研究，证明加筋能提高土体整体性，使应力应变在边坡土体内分布更均匀。

多数学者认为土工格栅能提高路堤的整体稳定性与极限承载力，但加筋材对路堤沉降效果如何，仍需要进一步量化研究。

本文采用自行设计的路堤模型实验装置开展了加筋路堤模型试验，研究不同工况下格栅的变形情况，以及格栅铺设位置对路堤模型破坏的影响。

1 模型试验

1.1 试验材料

试验使用的砂含水率为4.1%，不均匀系数Cu＝5，内摩擦角φ＝9.22°。试验过程中砂土的压实度以击实功进行控制，使用小型夯实锤，锤击时落距相同并分层填筑，每填筑100mm击实一次。模型的密实度在试验开始前测量，测量方法为在模型不同位置随机抽取3个样本，取其平均值，最终测得的相对密实度为0.45，使用的砂颗粒级配见表1。由于填土的密实程度也是试验的控制条件，密实程度不同试验的破坏情况也不同［6］，本试验每次工况砂土的密实程度都基本控制在0.45。

表1 砂颗粒级配分析表

使用的土工格栅是TDGD80三向土工格栅，其极限抗拉强度为80kN／mm，极限延伸率≤10%，2%延伸率抗拉强度≥20kN／mm，5%延伸率抗拉强度≥48kN／mm。

1.2 试验设备

试验装置采用自制的路堤模型试验系统［7］，见图1，主要由模型试验箱，加载系统，压力控制系统等组件组成。

1.加强环境宣传教育，夯实环保基础。环境宣教是环境保护的基础性工作，近年来，各界的环境保护意识有了很大提高，但是与环保工作的要求相比较，还有很大差距。因此，应当运用多种形式，不断创新载体，利用各种场合不断加强环境宣传教育。

模型箱的尺寸为2 000mm×800mm ×760 mm，模型箱前侧采用20mm厚的透明有机玻璃板，可以方便地观察到模型的变形情况。为了使加载均匀，使用钢板加载，加载钢板尺寸为790mm×300 mm×40mm。模型箱的纵向两侧，正面是钢化有机玻璃，背面是木质板，边角部位通过角钢固定，以确保无纵向的变形发生。

竖向压力采用液压油泵和活塞缸施加，最大工作压力是25MPa。加载方法是通过该加载系统持续分级的加载，每级荷载设定为0.5MPa，每级荷载加载时间视模型变形情况而定，当模型处于变形稳定后（通过多次试验观察到，每级荷载大约加载5 min）施加下一级荷载，直到模型发生滑动破坏视为加荷终止条件。

该设备的最大特点是：施加的压力由自带的电子压力系统控制，加载过程中能自动保压，可以任意设定某一个荷载的数值及所需的加载持续时长，提供持续稳定的压力。相较以往模型试验装置，本装置的优点在于：加压操作过程简易省时；能够对模型施加持续稳定的压力；易于观察，试验数据精度较高；液压缸面积较大，加压精度得到提高。

试验模型示意如图2，路堤高600mm，垫层厚度为200mm，每隔150mm铺设一层格栅，顶层到坡顶距离为100mm。

为了研究不同加筋位置土工格栅的变形及路堤破坏模式，试验中分以下8种工况，格栅铺设部位见图2。

1）工况A：不铺设格栅；

2）工况B：顶层铺设格栅；

4）工况D：底层铺设格栅；

5）工况E：顶层和中层铺设格栅；

6）工况F：顶层和底层铺设格栅；

7）工况G：中层和底层铺设格栅；

8）工况H：底层中层和顶层铺设格栅。

图1 模型试验装置

图2 路堤模型示意图

本试验中需要测定的参数为：试验过程中记录施加荷载的大小，即坡顶竖向压力P；不同工况下坡体的总沉降量s，连续监摄路堤从加载到破坏时坡面变形和发展过程。

2 试验结果分析

2.1 位移沉降数据分析

采用平行试验方法（坡度、压实度、含水率相同）对不同工况条件下路堤的变形进行试验研究。得出不同工况下路堤顶面的总沉降数据见表2，路堤在不同工况下的荷载—沉降（P－S）曲线如图3所示。

从表2和图3中可以看出，对于坡体底面的总沉降来说，随着加筋层数的增多，坡体的总沉降相差不大，而破坏前一级荷载时的总沉降量相差较大不加筋时为30.2mm；加筋一层格栅后为23mm～26 mm，较不加筋减小了13%～23%；加两层格栅后为20mm～26mm，比不加筋小13%～33%；加三层格栅后为27mm，加筋比不加筋沉降小了10%。

对于极限承载力而言，由表2可看出，不加筋时路堤的极限承载力为2.5MPa，格栅铺设层数为一层时，在工况B、C、D情况下，当格栅铺设在顶层时路堤极限承载力为3.5MPa，而铺设在中层和底层时荷载破坏都是3.0MPa；工况E铺设格栅两层时，格栅铺在顶层和中层路堤破坏时荷载能达到5.0MPa，工况F铺设在顶层和底层破坏荷载为4.5 MPa，工况G格栅铺设在中层和底层时极限荷载为4.0MPa；格栅铺设三层时极限荷载为5.5MPa，与不加筋相比，加筋层数越多承载力越大，加筋三层或承载力最大，加三层时的最大承载力比不加筋增大了2.2倍。

综上所述加筋后路堤的极限承载力明显提高，而最终沉降量不大，沉降的差别主要在坡体破坏前有差别。主要原因是坡体填料是砂土，破坏时为脆性破坏，瞬间沉降量很大，实验未能及时测量导致最终沉降量只能以加载停止时为准，最终沉降量差别不大，通过比较破坏时前一级荷载的沉降，可以看出加筋后路堤的沉降量明显比不加筋时要小。

表2 路堤荷载沉降表 mm

图3 8种工况下路堤的P－S曲线

2.2 坡体破坏面分析

本次试验通过相机连续拍摄了路堤在荷载作用下坡面变形的情况，如图4是工况D的坡面变形情况，可以看出随着荷载的增大，坡体变形逐步增加，坡面上裂缝不断开展，当达到土体抗剪强度极限时，坡体内部出现圆弧滑动面，沿着滑动面发生滑坡，坡体失去承载力。

图4 工况D坡面变形图

图5 工况1坡体滑动面模型

图6 工况2坡体滑动面模型

图7 工况3坡体滑动面及裂缝

图8 工况4坡体滑动面模型

图5 ～图8是格栅不同布置位置时路堤坡体破坏形式，从图片可以看出，底层铺设格栅时滑动面从坡顶开始延伸到坡脚处；中层铺设格栅时滑动面从中层格栅下面开始延伸到坡脚；顶层铺设格栅时滑动面从顶层格栅下部开始延伸到坡脚处；不铺设格栅时滑动面和铺在底层相同。

这说明土工格栅的存在影响了模型破坏滑动面位置的分布情况，底层铺设格栅和不铺设格栅滑动面都从坡顶开始延伸到坡脚处，而中层铺设格栅滑动面从坡顶部开始延伸到中层格栅之上，顶层铺设格栅滑动面从格栅下延伸到坡脚处，说明破坏主要位于底部和中部，格栅的存在阻隔了圆弧滑动面的延伸，特别是顶层和中层的格栅使滑动面起始点移动到了格栅下面而不是从坡顶开始。

试验过程中一直拍摄整个路堤破坏情况。从裂缝开展的情况来看，工况D直到坡体发生滑移裂缝都较少，而其他各种工况裂缝从开始加载到破坏发展情况为：开始时裂缝较少，宽度较小，随着荷载的增大裂缝慢慢向下延伸并逐渐增多，到达破坏时裂缝贯通到路堤底部。证明了格栅可以在一定程度上控制路堤模型的侧向变形［8－10］。究其内部原因，由摩尔—库伦理论，土体的抗剪强度主要由土体的内摩擦角φ和粘聚力c决定的，本试验使用的是砂土，其粘聚力很小，当竖向荷载作用于其上时，坡体内部很快出现剪切破坏，坡体表面也会出现很多竖向的裂缝，当荷载足够大时内部出现圆弧形滑动面，坡体发生滑坡破坏。

图9 工况A坡面破坏图

图10 工况B坡面破坏图

而当土工格栅存在时，在横向上，格栅的横条带与纵条带交界处能与土体产生一定的嵌固作用，再加上格栅与土体的摩擦作用，土体的横向变形减小，在一定程度上控制了裂缝的开展。本次试验格栅铺设在顶层时，直到发生滑移破坏，坡体裂缝相比其他工况都较少，如图9、10、11所示，证实了此结论的正确性。文献11中结论为格栅铺设在路堤底部时对地基的加筋效果较好，而本文研究的主要是格栅对路堤坡体本身变形的控制，固而结论和文献11不同。

在竖向上，随着荷载的增大圆弧面产生时，由于格栅的存在，格栅相对土体的强度大很多的特点使得圆弧面不能通过格栅层，阻断了圆弧面的发展，如图5所示，由于铺设格栅使圆弧面的位置发生了变化，只能延伸到格栅之上，而不能到达坡脚处。

3 结论

通过8种不同工况的模型试验，对不同的加筋位置路堤的变形情况和破坏情况分析得到以下结论：

1）加筋能降低路堤坡体的总沉降量，加筋一层格栅后减小了13%～23%，加两层格栅后比不加筋小13%～33%，加三层格栅后比不加筋沉降小了10%。

2）加筋大大提高了坡体的极限承载力，与不加筋相比，加筋层数越多承载力越大，加筋三层或承载力最大，比不加筋增大了2.2倍。

3）路堤开始加载到破坏，坡体的破坏滑动面从坡顶延伸到坡脚处，但格栅的存在影响破坏面的位置，由于格栅的刚度较大，破坏面不能通过格栅向下延伸；

4）格栅在一定程度上控制了裂缝的开展，增加了坡体的稳定性。

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