摘要：为了探究包边填砂路堤荷载作用下的极限承载力特性、破坏形态规律及加筋性状，设计了土工格栅加筋包边填砂路堤结构，改装美国GCTS公司的USTX-2000动静三轴加载装置进行加载，通过改变加筋层数、筋材布置长度及包边土厚度对土工格栅包边填砂路堤进行一系列试验。对不同工况下包边填砂路堤的极限承载力、封层及坡面法向累积变形、位移变化进行研究。
关键词：土工格栅；加筋；路堤
1.引言
随着加筋土技术的快速发展，其先后在铁路、公路、水利等工程中得到了广泛应用和推广，其中加筋土挡墙以其良好的工程性能、绿色经济的特点，在工程中得到大量应用。国内外学者对加筋土挡墙的工作性能及作用机制进行了相关研究，在数值模拟及试验研究方面，陈建峰等建立软土地基刚/柔性组合墙面加筋土挡墙离散-连续耦合数值模型，并通过二者的SocketI/O接口实现耦合计算，发现软土地基和刚性地基上挡墙内部破坏面均一致，且筋材均由下而上依次断裂。Murali等通过室内振动台试验对刚性面板加筋土挡墙抗震性能进行了数值模拟分析，指出在地震荷载下加筋土挡墙变形特性应结合加速度峰值及主频率段来分析。杨果林等基于室内模型试验分析3种类型加筋土挡墙在交通载荷作用下的动变形响应特性，并指出荷载幅值和振动次数是加筋土挡墙变形的重要影响因素。以上学者的研究主要集中在加筋土挡墙的变形特性或承载机理，较少涉及加筋桥台挡墙的受力特性分析。虽然加筋土桥台与加筋土挡墙在结构上有相似之处，但其功能和受力略显差异。为浅基础类型的土工合成材料加筋土桥台的典型横断面，与典型和传统的加筋土挡墙相比，加筋土桥台挡墙通常承受靠近墙面的较大基础载荷。由此不仅要考虑加筋土挡墙的稳定性，还要考虑条形基础的承载力和稳定性，而具有浅基础的加筋土桥台消减了桩基础的使用并且减少了引桥路堤与桥梁之间连接处的桥头跳车现象。另外高速交通对其基础设施变形的严格要求，变形控制及力学响应已成为加筋土桥台挡墙结构所考虑的关键问题之一。国内外有关加筋土挡墙在顶部条形基础作用下类似桥台结构相关变形控制及力学响应的研究开始受到重视。Mittal等指出挡墙加筋的最佳长度约为墙高的0.6～0.8倍，而Elias等认为加筋土挡墙中的加筋长度通常是墙高的0.8～1.2倍。正国生等利用FLAC建立的数值模型能较好地描述土工合成材料加筋土桥台在静载下的变形响应，并指出回填土压实度、加筋间距及桥台荷载对加筋土桥台侧向位移和桥台基础沉降具有显著影响，但并未涉及加筋土桥台动载下的变形响应分析。此外，相关研究较少涉及在墙顶动载作用下筋材类型、加筋长度对加筋土桥台挡墙结构的承载性能影响。本文采用MTS电液伺服加载系统，通过室内模型试验模拟交通荷载对加筋土桥台挡墙的作用，考虑加筋长度及筋材型式等因素对加筋土桥台挡墙变形模式的影响，深入分析加筋土挡墙在桥台荷载作用下的动力特性。
2.土工格栅加筋路堤施工现状
当前，土工合成材料广泛用于加筋土边坡、加筋土挡墙和桩承式加筋路堤等岩土加固结构中，在提高结构强度和稳定性方面发挥了重要作用，且筋-土界面的相互作用机理是加筋土结构的重要技术指标。已有不少学者对筋-土界面特性做了大量试验研究，且以拉拔试验、直剪试验、扭剪试验和斜坡试验方法为主，如杨广庆等基于拉拔试验发现，格栅拉伸特性和筋-土界面的相互作用有利于提高加筋体结构的稳定性；陈榕等研究表明，拉拔试验能较好地反映筋-土界面的摩擦作用特性；徐超等采用室内拉拔试验，分析了格栅网孔特征对筋-土相互作用机理的影响；王子鹏等研究了单向和双向格栅横肋在拉拔试验中的受力特点；王家全等研究了纵肋和横肋对界面特性的影响，结果表明剪去横肋对筋土界面强度影响显著；靳静等研究了单向格栅的横肋间距影响，发现随着间距增大，最大拉拔力降低，与此对应的拉拔位移、黏聚力和摩擦角也降低。大量的试验研究表明，格栅网孔结构尺寸、填料厚度、试验箱边界效应和尺寸效应均影响筋-土界面特性，且各影响因素对筋-土界面指标参数的影响具有一定的规律性。PALM-ERA等通过土工格栅拉拔试验发现，试验初期，格栅与砂土表面的摩擦阻力占拉拔力的比例较大；试验后期，砂土对土工格栅的被动阻力占拉拔力的比例较大。MORACI等基于地基土整体剪切破坏模式研究筋-土拉拔试验中摩擦阻力与端承阻力的公式表达式；SUGIMOTO等研究了两种不同强度的格栅在不同法向应力作用下的拉拔试验；陈水生等采用室内拉拔试验与离散单元法数值模拟对比分析，得出了拉拔阻力的分布情况。鉴于此，本研究基于中型拉拔试验，研究格栅宽度、拉拔速度、横肋百分比和界面正应力等因素对筋-土界面特性的影响。
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图1
3.筋-土界面特性的拉拔试验
3.1拉拔试验设备
拉拔试验采用自行研制的中型拉拔仪，由试验箱、加载系统、筋材夹具和电机及调速箱等组成，如图1。拉拔箱长、宽和高分别为800、400和550mm，并在加载端一侧钢板上预留高和宽分别为10mm和340mm的拉拔缝，供筋材试样引出箱体与夹具相连。为减小内部摩擦，在箱体内侧衬贴厚为5mm的钢化玻璃。试验中水平拉拔力由模型试验装置示中的电动机施加，且由调速箱控制筋材拉拔速度，通过力传感器监测其值；法向应力由反力架和千斤顶施加，以控制筋-土界面的正应力，作用于格栅上的应力由上覆填土、加载板和千斤顶等重量和千斤顶施加的法向应力共同组成，试验中千斤顶施加的法向应力已扣除其他因素所施加的法向应力；格栅应变监测采用型号为BX-120-3AA电阻应变片。
3.2拉拔试验材料
筋材采用聚丙烯双向格栅，其极限抗拉强度为30kN/m，网孔尺寸为4cm×4cm，格栅的应变为2%和5%时对应的抗拉强度分别为10.5kN/m和21.0kN/m。试验回填土采用干净砂土，基于颗粒筛分试验得到的砂土颗粒级配曲线得出试验回填砂土颗粒级配曲线。砂土不均匀系数Cu和曲率系数Cc分别为2.65和0.99，砂土最大和最小干重度分别为19.8kN/m3和15.4kN/m3，砂土相对密实度Dr=70%，砂土内摩擦角φ=35°。
3.3拉拔试验方案
筋-土界面特性的拉拔试验主要研究界面正应力（σn）、筋材横肋百分比（R）、筋材宽度（W）和拉拔速度（v）等因素对界面特性的影响，试验方案如表1。
表1
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试验格栅试样长为65cm，埋入土中部分的长度（L）为56cm。试验通过逐步剪除横肋来分析其影响，采用横肋百分比（R）表示剩余横肋数与完整筋材试样横肋数的比值。R分别取100%、71.4%、28.6%和14.3%。其中，G0、G1、G2和G3分别表示不同的格栅横肋设置方式。R=100%时，对应格栅出产的原样。另外，保持相同横肋条数即相同横肋百分比（取R=28.6%）时，变化横肋位置来分析其对界面拉拔特性的影响，相同横肋百分比（R=28.6%）时横肋位置变化中，G2-1、G2-2、G2-3和G2-4分别表示G2设置方式下横肋的不同位置。筋材宽度W分别取17cm和29cm，试验中设置5个监测点用于筋材纵肋应变的监测（图2）。σn分别为10、25、50和75kPa时，基于ASTMD6706设置3种拉拔速率（0.5、1.0和4.0mm/min）。试验填土分4层填筑压实，每层填土高度约为11cm，其中第2层完成后铺设筋材。试验以拉拔力达到峰值且稳定或筋材拉断为终止条件。
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图2
土工格栅加筋和增加包边土厚度可以显著提高包边填砂路堤的极限承载力，并能减小封层中、封层右及坡顶、坡中的法向累积变形；无筋路堤的滑动面在路堤内呈折线状且并未通过坡脚侵入地基，在坡顶的黏土和砂芯交界处产生最大位移；土工格栅加筋及增加包边土厚度可以使滑动面向路堤内部迁移但形态不变，且最大位移处向路堤内部迁移。
4.结论
试验结果表明：（1）土工格栅加筋能显著提高包边填砂路堤的极限承载力。加两层筋及加四层筋路堤极限承载力较无筋路堤分别提高了 34.8%、62.4%，增加筋材布置长度及包边土厚度后路堤极限承载力较无筋路堤分别提高了 79%、54.4%。（2）路堤土工格栅加筋及增加包边土厚度可以显著减小封层中、封层右、坡顶及坡中的法向累积变形。（3）包边填砂路堤破坏时，坡面整体向外推移，累积变形从坡顶到坡脚依次减小，形态上有别于黏土路堤破坏。（4）无筋路堤的滑动面在路堤内呈折线状且未通过坡脚侵入地基，在坡顶的黏土和砂芯交界处产生最大位移；土工格栅加筋及增加包边土厚度可以使滑动面向路堤内部迁移但形态不变，且最大位移处向路堤内部迁移。
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论文作者:陈秋霞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期
论文发表时间:2020/3/16
标签：路堤论文; 拉拔论文; 挡墙论文; 格栅论文; 桥台论文; 土工论文; 砂土论文; 《基层建设》2019年第30期论文;