某加筋土边坡离心模型试验相似材料研究

周跃峰，龚壁卫，周小文，童 军

(1. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010;2. 华南理工大学 土木工程系，广州 510641)

某加筋土边坡离心模型试验相似材料研究

周跃峰1，龚壁卫1，周小文2，童 军1

(1. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010;2. 华南理工大学 土木工程系，广州 510641)

离心模型试验的准确性与可靠性取决于模型与原型的相似程度，选择合理的相似材料是离心模型试验的关键环节。以广州某垃圾填埋场挡坝加筋边坡的工程设计为背景,为合理开展离心模型试验，选取6种编织布进行分析。考虑强度相似原则和界面摩擦因素，基于窄条拉伸试验、直剪摩擦试验合理比选相似替代材料。按该边坡设计方案，模型边坡在离心场中能够保持稳定。边坡设计中应进一步参照数值分析和工程类比进行方案确定。如按强度相似进行材料选择，通过调整模型土层厚度，所选择的6种材料可对抗拉强度在13～360 kN/m的土工布进行模拟。

加筋土；边坡；离心模型试验；相似材料；界面强度

1 研究背景

“加筋”是将抗拉能力较强的材料埋置于土层中，利用加筋材料的约束、摩擦作用使土与加筋材料形成整体，改善土体的变形条件，提高土体的工程性能。目前，加筋边坡的解析方法和设计理论尚未成熟，其可靠性仍需通过试验进行验证。由于现场试验费用较高且其环境条件影响具有不可控制性，研究加筋土坡的变形及破坏规律需借助于室内物理模型试验。离心模型试验是在离心机中通过增加离心力来模拟重力的试验方法，能够再现自重应力场以及与自重有关的力学过程，在岩土工程领域特别是边坡变形和破坏问题方面得到了广泛应用。离心模型试验可实现与原型条件相同的应力状态，使得模型与原型应力与应变相似，模拟原型的变形及破坏过程，可以比较直观地反映现场原型的效果，试验费用远低于原型试验。相似理论是伴随着模型试验手段发展起来的，它把数学解析法和试验法的优点结合起来，用来研究和解决生产和工程中的问题[1]。离心模型的准确性与可靠性取决于模型与原型的相似程度，选择合理的相似材料是模型试验设计的关键环节。朱朝峰等(1991)[2]利用无纺土工织物模拟了有纺土工织物；侯瑜京(1995)[3]采用脱脂棉纱布加凡士林涂层模拟土工织物；章为民等(2000)[4]用热黏式滤膜进行土工布的模拟；杜建成等(1997)[5]用盐酸处理的医用漂白纱布模拟土工织物；陈胜立等(2005)[6]模拟土工织物的材料选用了薄纱布；向科等(2007)[7]对玻璃丝、白胶布、电工胶带、窗纱、透明塑料线、三绞尼龙绳进行测试分析，并选择绿色窗纱开展了土工格栅加筋效果的离心模型试验研究。然而，受到离心模型试验比尺和材料复合特性的限制，模型材料和原型材料很难达到完全相似。试验设计时需要抓住关键因素进行概化。本文结合广州市某垃圾填方挡坝加筋边坡的离心模型试验，对加筋材料和土料的相似性进行分析与探讨。

广州市某垃圾填埋场及配套工程拟在原垃圾挡土坝基础上，外扩修建一更高的挡土坝，以增加垃圾存储容量。加筋土坝的断面最大高度为35 m，坡度为1∶1.1。由于土坝高度大、坡度陡，对其抗滑稳定性需要进行试验分析，为设计提供科学依据。新土坝填料采用全风化花岗岩筑坝，筑坝土料要求如下：不得采用含草皮、树根及耕植土或淤泥土，遇水崩解、膨胀的一类土，土的可溶盐含量、有机质含量均不得>5%，最大粒径不应>0.15 m。分层铺土，分层碾压，每层虚铺土压实后的厚度一般不得>0.3 m，然后采用重型机械压实(遍数由试验确定)，并逐层抬高，压实度98%，最佳干密度不应<1.70×103kg/m3。

2 试验设备和测量仪器

离心模型试验在长江科学院土工离心机上实施，该离心机于2010 年投入使用，容量200g-t；有效半径3.7 m；最大加速度200g；本次试验所用模型箱尺寸为1.0 m(长)×0.4 m(宽)×0.8 m(高)。该离心机拥有完备的离心机运转监控系统，含40个信息采集系统通道，可实施对转速、加速度、力矩平衡差、温度的监控，可实现离心机的运转可视化监控。

加筋材料界面摩擦试验在ShearTrac II大型直剪系统上完成，该设备可以自动完成土和土工编织物(土工膜、土工布、GCL、土工格栅)的直剪试验，从而确定土和土工编织物的表面摩擦特性。该系统包括计算机控制系统，利用微步进马达施加水平荷载。荷载最大可加到200 kN，内置电控设备控制试验并实时显示数据。

加筋材料力学试验在CMT4304土工合成材料微机控制电子试验机上完成，该设备采用计算机控制进行各类土工合成材料的拉伸、顶破、刺破、撕裂等力学强度试验。

3 试验设计

拟建加筋土坝的断面最大高度为35 m，坡度为1∶1.1。按平面应变问题，本次模型试验选择二维模拟，模型箱尺寸为1.0 m(长)×0.4 m(宽)×0.8 m(高)。根据原型的尺寸及模型箱的条件，选择模型加速度为100g，相应的模型与原型比尺为1∶100。限于模型箱长度，在模型设计时，将原型边坡坡率的1∶1.1按不利条件取为1∶1。同时，为了试验简便，对工程原型做适当简化，略去不影响坝体主要力学行为的细部环节，并偏于安全考虑，简化后的工程断面如图1所示。模型净宽0.9 m，坡脚处为潜在滑坡预留0.1 m宽度，在D1至D6处设置激光传感器进行变形监测。

图1 离心试验模型Fig.1 Model for the centrifugal test

4 相似材料的选择

4.1 土料选择

因土坝尚未兴建，故选择广东省2种花岗岩风化土作为比较。取实验室现有某花岗岩风化砂土作为相似土料，3种土料的颗粒级配曲线见图2，属于含砾砂土。控制模型填料的压实度与原型基本一致，即：设计要求压实度98%，模型试验采用96%的压实度。对于已有的老坝，其土料采用与加高扩建土坝相同的土料，只是在其内不铺设土工布加筋。对于垃圾土，采用淤泥质混粉细砂模拟(淤泥∶粉细砂=45∶55)。为模拟垃圾土较为轻质、松散的状态，采用松散堆积状态模拟。

图2 模型试验土坝材料颗粒级配曲线Fig.2 Curves of grain size distribution of the selected materials

在土工离心模型试验中，若原型尺寸按照相似比尺缩小，而土颗粒粒径(平均粒径)不变，此时土体应力-应变特性和实际差别较大，这种影响称为尺寸效应。Fuglsang等(1988)[8]通过研究提出，模型尺寸和土体平均粒径之比应>30，此时尺寸效应对土体变形和剪切带发育规律引起的误差可以忽略。本研究中，模型宽度与模型土料平均粒径D50之比约为40，符合粒径方面的要求。

4.2 加筋材料模拟

对于加筋材料，针对工程中加筋采用的PET1300高韧聚酯有纺土工布，按照相似比和强度等效原则，选择某种纺织布进行模拟。模型材料和原型材料满足拉伸强度相似准则1/n，即模型材料的强度应该是原型材料强度的1/100。在现场筑坝过程中，分层碾压厚度为0.5 m。如果按本试验中1∶100的几何比尺计算，则离心模型中每层厚度仅0.005 m；该厚度一方面将带来较大误差，另一方面在模型制备上也难以实现。因此，为保证试验精度和试验方便起见，需要在模型中减少分层的层数。取模型中的层数是原型中的1/10，则模型试验中取每层厚度为0.05 m，相应的土工布的层数也只有1/10。按照强度等效原则，每层土工布的强度厚度应扩大到10倍(即土工布的强度应该是分层厚度为0.005 m时土工布强度的10倍)。综合以上相似比和强度等效分析，原型土工布与模型加筋材料的理想拉伸强度比为1∶10。

以下通过窄条拉伸试验和直剪摩擦试验指标来选择模型用的纺织布。

图3 窄条拉伸试验Fig.3 Tensile test on narrow strip

4.2.1 窄条拉伸试验

本试验按《土工合成材

料测试规程》(SL235—2012)[9]进行。测试时，裁剪试样宽度50 mm，长度200 mm，每组试验试样数量不少于6个。试样两端用夹具固定，夹具初始间距100 mm(即测试长度100 mm)，按20 mm/min的速度进行拉伸直至试样破坏(图3)。

工程中加筋所用土工布PET1300的设计强度按极限强度换算[10]。参见表1所示，以60 a设计强度为基准，按离心模型试验设计进行换算，理想相似材料的拉伸强度应取12.4 kN/m。选取6种纺织布进行试验，分别是涤棉1、尼龙、涤纶、涤棉2、的确良、无纺棉。涤纶布(3#)极限抗拉强度为9.7 kN/m,略低于理想相似材料的强度12.4 kN/m。按不利条件进行模拟，可选择涤纶为模型试验的相似材料。

表1 窄条拉伸试验结果Table 1 Results of the narrow strip tensile tests

注：*为所最终选用的相似材料。

4.2.2 直剪摩擦试验

试验按《土工合成材料测试规程》(SL235—2012)[9]进行。将模型试样中筑坝所用的花岗岩风化土土样配水至设计含水率，按设计压实度在直剪仪下盒中分层击实，在下盒上覆盖并固定土工布后，在上盒中按设计压实度击实土样，一次放上加荷顶板和百分表，施加法向压力，如图4所示。研究中，针对PET1300土工布和3#涤纶布开展2组直剪摩擦试验(每组包含4个试验)，法向压力分别为50，100，150，200 kPa，剪切速率按规范取0.5 mm/min。

图4 直剪摩擦试验Fig.4 Frictional direct shear tests

试验结果参见图5，取应力-变形曲线的峰值强度。由拟合曲线可得，原型土工布的土-布界面内摩擦角为35.1，黏聚力为10.14 kPa；3#涤纶布的土-布界面内摩擦角为34.2，黏聚力为7.39 kPa。通过土与土工布的界面摩擦强度分析，3#涤纶布能够较为合理地模拟工程中所用的PET1300土工布。

图5 直剪摩擦试验结果Fig.5 Results of frictional direct shear tests

5 离心模型试验实例

模型制备按如下过程进行：①测定风干状态的花岗岩风化土和淤泥质粉细砂的含水率；②按照设计含水率为花岗岩风化土和淤泥质粉细砂配水并拌和均匀；③在坝体范围内，用花岗岩风化土按照设计干密度分层铺土、击实，模型箱侧壁用凡士林润滑；④在靠近玻璃面板位置，逐层埋设侧面位移标记点；⑤在设计范围内分层铺设加筋体，并反包至上一层；⑥在坝体左侧松散堆积粉细砂或淤泥质粉细砂，以模拟垃圾填方；⑦按照设计坡比削坡。

由于时间紧迫且土工布的变形测量难度较大，本次试验中未测量土工布的变形。本次试验主要采用布置侧向标记点监测侧面变形，采用Wenglor激光位移传感器监测边坡坡面沉降。图6为试验前和试验结束时的边坡形态，可看出所模拟的垃圾填方处发生了明显的沉降，而坝体边坡未发生整体破坏，只在坡面各分层处发生了少许局部变形，可知通过采取加筋措施，边坡整体稳定。基于离心试验结果，边坡设计中应进一步参照数值分析和工程类比进行方案确定。

图6 试验前和试验结束时的边坡形态Fig.6 Slope before the test and at the completion of the test

图7 替代材料所能模拟的实际强度与 离心模型土层厚度关系Fig.7 Relationship between the real strength that could be simulated by similar materials and the thickness of soil layer in centrifugal model

6 讨 论

在加筋边坡试验模型中，加筋材料的相似替代材料选择是目前研究的难点和前沿问题。在土工试验中，通常相似问题需考虑2个方面：强度相似和模量相似。因此，需根据研究问题的侧重点进行选择[11]。通常，强度相似对于边坡稳定性等问题更为重要；而模量相似对于地基沉陷量分析等问题更为重要。

本研究中替代材料选择以强度相似为出发点，同时综合考虑了强度等效和筋-土界面强度的问题。在模型制备时，如果每层土的厚度太薄则给制样均匀性带来非常大的困难；而每层土的厚度太厚，则与原型相比会带来过大的误差。目前离心试验模型制备时，每层土的厚度通常在0.02～0.08 m的范围内。按照强度等效原则，对表1所选择的6种材料进行分析，所能模拟的原型土工布强度随土层厚度变化如图7所

示，可以对强度在13～360 kN/m的土工布进行模拟。当然，进一步研究中，如有生产厂家可以专门订做离心模型相似试验材料，则可为研究提供很大的便利。

7 结 论

本研究以广州市某垃圾填方挡坝加筋边坡的工程设计为背景。为了合理开展离心模型试验，选取6种编织布进行相似材料研究，基于窄条拉伸试验、直剪摩擦试验，得出如下结论。

(1) 在35 m高度土坡的离心试验中，涤纶布可作为PET1300土工布的相似材料。按设计方案，模型边坡在离心场中能保持稳定。边坡设计中应进一步参照工程类比和数值分析进行方案确定。

(2) 相似材料的选取应考虑研究问题的侧重点。通常，强度相似对于边坡稳定性等问题更为重要；而模量相似对于地基沉降分析等问题更为重要。

(3) 对于强度相似更为重要的工程问题，通过调整模型土层厚度，所选择的6种材料可对抗拉强度在13～360 kN/m的土工布进行模拟。

(4) 离心试验相似材料的选取建议遵循如下方法：首先根据离心试验模型尺寸确定模型的合理分层厚度范围，然后尽量选取多种相似材料进行应力-变形-强度试验与界面摩擦试验，综合考虑土层分层厚度和相似条件下的强度(模量)等效的要求，选择合理的筋材。

[1] 周跃峰, 龚壁卫, 胡 波,等. 牵引式滑坡演化模式研究[J]. 岩土工程学报, 2014, 36(10): 1855-1862.

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[5] 杜建成, 张利民. 广钢站软基处理的离心模型试验研究[J]. 四川建筑, 1997, 17(3): 44-45.

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[9] SL235—2012，土工合成材料测试规程[S].北京：中国水利水电出版社，2012.

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[11]黄 薇，陈 进. 离心结构模型试验相似材料的研究[J]. 长江科学院院报, 1996, 13(1): 40-44.

(编辑：陈 敏)

Similar Materials in Centrifugal Model Tests ona Reinforced Soil Slope

ZHOU Yue-feng1, GONG Bi-wei1, ZHOU Xiao-wen2, TONG Jun1

(1. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China; 2. Civil Engineering Department,South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

The accuracy and reliability of a centrifuge model test depend on the similarity between the model and the prototype. Selection of a reasonable similar material is a key procedure of the centrifuge model test. The background of this study is the engineering design of a retaining dam for garbage deposit in Guangzhou City. A total of six types of woven-cloth were analyzed for the rationality of centrifugal model test. In consideration of strength similarity and interface friction factors, the similar materials were selected based on narrow strip tensile tests and frictional direct shear tests. According to design scheme, the model slope remains stable in the centrifugal field. Numerical analysis and engineering comparison should be taken into account to determine the design scheme. According to strength similarity, the selected materials can be used to simulate geotextiles with 13-360 kN/m tensile strength via adjusting the compacted thickness of each soil layer.

reinforced soil; slope; centrifugal model test; similar material; interface strength

2016-07-19；

2016-11-08

国家自然科学基金项目(51509018)；人社部留学人员科技活动择优资助项目(CKSD2016310/YT)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2015037/YT)

周跃峰(1982-)，男，山西侯马人,高级工程师，博士，主要从事滑坡灾害与边坡工程研究、非饱和土与特殊土研究，(电话)027-82927646(电子信箱)zhou.yuefeng@163.com。

10.11988/ckyyb.20161022

TU411

A

1001-5485(2017)02-0052-04

2017,34(2):52-55,62