賈斌，徐超，賈敏才，蔣堃

（同濟大學，巖土工程與地下結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，上海 200092）

0 引言

土工合成材料加筋土擋墻/路基具有建造費用低、對施工場地及施工設(shè)備要求不高、與環(huán)境協(xié)調(diào)性好等特點，已廣泛應用于我國公路、鐵路及水利等工程領(lǐng)域，并取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

目前，對加筋土技術(shù)研究主要集中在加筋土的筋土相互作用機理的試驗研究、加筋土結(jié)構(gòu)模型（縮尺、原型、離心）試驗研究和加筋土結(jié)構(gòu)數(shù)值計算三方面，并取得了大量的科研成果。由于現(xiàn)場試驗可以真實反應加筋土擋墻/路基的實際情況，有利于加深對加筋機理的認識，因此國內(nèi)外很多學者采用現(xiàn)場試驗對加筋土擋墻/路基工作機理進行研究。雷勝友[1]對1座臺階式鋼筋混凝土串聯(lián)拉筋加筋土擋墻進行研究認為筋帶上不但分布著壓應力，局部還分布著拉應力，且最大應力位置在距離面板0.286 H處；高江平[2]對大型加筋土擋墻模型的土壓力進行測試研究，提出土壓力系數(shù)應區(qū)分為填土自重土壓力系數(shù)和超載土壓力系數(shù)；YOO[3，5]對已完成建造6 a，長300 m的加筋土擋墻進行研究，認為墻體發(fā)生較大變形是由于施工質(zhì)量較差的原因，并采取了相關(guān)的補救措施，同時認為超載對擋墻上部格柵的影響要大于下部；KAZIMIREOWICZ-FRANKOWSKA[4]通過對反包式加筋土擋墻長達33個月的監(jiān)測，認為擋墻的最大位移靠近擋墻頂部，最小位移位于擋墻的底部；周世良[6]對某高速公路臺階式加筋土擋墻進行了研究，認為其變形特征不同于單級直立式擋墻，墻后土壓力受臺階卸載影響而較小，潛在破裂面與0.3 H的假定有較大差異；張發(fā)春[7]對3個不同的土工格柵加筋土擋墻進行研究，認為墻底土壓力存在單峰分布，且大于γ·H，筋材變形沿橫斷面出現(xiàn)雙峰分布；楊廣慶[8]認為剛性基礎(chǔ)上的加筋土擋墻墻底垂直土壓力沿筋長方向由均勻等值分布到呈曲線分布，最大值靠近墻面位置，柔性基礎(chǔ)上的加筋土擋墻墻底垂直土壓力沿筋長方向呈線性分布，最大值靠近拉筋尾部，格柵應變最大值小于0.4%。

其實，加筋土擋墻/路基的工作性能和變形特征受加筋材料力學特性的影響。在同一試驗段，對比分析2種不同土工格柵加筋土擋墻/路基的研究尚未見報道，而且目前的加筋土擋墻/路基中，很少使用PET（聚酯）土工格柵作為加筋材料。為此，本文在已有研究經(jīng)驗基礎(chǔ)上，以十房高速公路加筋土路基試驗段為依托，設(shè)計建造了HDPE（高密度聚乙烯）土工格柵和PET格柵加筋土路基，通過監(jiān)測加筋土路基內(nèi)的垂直土壓力、格柵末端水平土壓力、格柵應變及路基水平位移，比較全面地研究兩種不同加筋材料的加筋土路基的變形特征和工作機理。

1 工程概況

十房高速公路試驗段的里程樁號為GK0+308~GK0+463，長145 m。該路段下部由于受基巖邊坡限制，先修筑圬工重力式擋墻，墻趾嵌入基巖；然后在圬工擋墻之上建造土工格柵加筋土路基。這種組合式擋土結(jié)構(gòu)可以很好地適應山區(qū)復雜地形條件下加筋路基施工。加筋土路基高10.0 m，坡率為1∶0.25，路基頂部有坡率1∶1.5、高1.0 m的路基填土。

為了對比，在試驗段GK0+308~GK0+383采用HDPE格柵作為加筋材料，路基坡面由土工格柵反包土袋形成，由加筋層間距決定土袋碼砌高度，由路基坡率決定土袋錯臺距離，格柵反包土袋后與上層筋材通過連接棒連接；在GK0+383~GK0+463采用PET格柵作為加筋材料，設(shè)置鋼筋籠固定墻面，然后鋪設(shè)三維土工網(wǎng)及土工格柵。2種加筋材料加筋土路基的筋材長度均為9 m，層間距為0.5 m。2種筋材加筋土路基如圖1所示，試驗段所用2種土工格柵的性能指標見表1。

圖1 兩種土工格柵加筋土擋墻墻面照片F(xiàn)ig.1 Photo of wall facing reinforced with two kindsof geogrid

表1 土工格柵試驗參數(shù)Table 1 Measured parametersof geogrids

土工格柵加筋土路基采用碎石土填筑，填土最大顆粒直徑不大于15 cm，且細粒土含量不大于10%。每層填土虛鋪厚度不小于30 cm，然后采用20 t壓路機進行機械碾壓（靠近墻面1 m范圍內(nèi)采用人工平板夯夯實）。經(jīng)現(xiàn)場檢測，壓實后的填土密實度均不低于93%。根據(jù)本項目的巖土工程勘察報告和公路路基規(guī)范[9]，綜合確定路基填土的黏聚力為0 kPa，內(nèi)摩擦角取38°。

為了對比研究2種筋材加筋土路基的差異，分別在2種格柵加筋土路基段各選擇1個斷面，A斷面（HDPE格柵）樁號為GK0+379，B斷面（PET格柵）樁號為GK0+394。每個斷面均布設(shè)了土工格柵拉伸變形、垂直土壓力、水平土壓力、加筋土深層水平位移、加筋土分層沉降等。測試儀器布置見圖2。

圖2 試驗路基傳感器布置圖Fig.2 Arrangement of instrumentsin reinforced soil embankment

加筋土路基試驗段的現(xiàn)場監(jiān)測工作從2013年4月6日開始，至2013年7月15日結(jié)束，歷時101 d。在施工結(jié)束后，于2013年12月8日（路基竣工后146 d）返回現(xiàn)場進行了量測。基于這些監(jiān)測工作，獲得了第一手關(guān)于加筋土路基變形和筋材變形等基礎(chǔ)資料。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 加筋土路基深層水平位移

結(jié)合加筋土路基填筑施工，采用測斜管量測施工期路基的水平變形。由于路基完工后在路基頂施工路面結(jié)構(gòu)層，測斜管無法保留，因此由測斜獲得的數(shù)據(jù)僅為填筑施工期路基的水平位移。圖3和圖4分別為A、B斷面施工期實測的加筋土路基不同高度的水平位移。

圖3和圖4的監(jiān)測結(jié)果顯示，隨著填筑高度的增加，路基不同高度處的水平位移均有一定程度的增長，而且越靠近上部水平位移發(fā)展速度越快，至填筑施工結(jié)束時，A斷面（GK0+379）的最大水平位移為76.13 mm，約為路基高度的0.69%；B斷面（GK0+394）測點的最大水平位移為63.95 mm，約為路基高度的0.58%?？梢奝ET格柵加筋路基的水平位移小于HDPE格柵加筋路基。

圖3 A斷面深層水平位移曲線Fig.3 Horizontal displacement at section A

圖4 B斷面深層水平位移曲線Fig.4 Horizontal displacement at section B

2.2 垂直土壓力

試驗段A、B斷面垂直土壓力沿路基高度的分布曲線如圖5和圖6所示。

對比圖5和圖6可知，加筋材料不同（HDPE格柵或PET格柵），土壓力沿路基高度的分布并無明顯不同，路基某一高度處的垂直土壓力隨填土高度的增加而近似成線性增大，說明筋材力學特性對路基內(nèi)土壓力分布規(guī)律影響不大。但是，在同一斷面路基同一高度處，距離路基坡面距離不同的地方，垂直土壓力存在一定差異。距路基坡面3.5 m處的垂直土壓力大于上覆填土重量，而距路基坡面7.5 m處的垂直土壓力小于上覆填土重量。說明土工格柵加筋后對加筋土路基內(nèi)的垂直土壓力分布具有明顯的調(diào)整作用，同時，垂直土壓力沿水平方向上的分布還會受到路基臨空面的影響。

圖5 A斷面垂直土壓力分布曲線Fig.5 Distribution of vertical earth pressureat section A

圖6 B斷面垂直土壓力分布曲線Fig.6 Distribution of vertical earth pressure at section B

2.3 水平土壓力

在加筋土路基坡面后，即土工格柵加筋土體后不同高度布置了3個水平土壓力計，在墻趾布置1個水平土壓力計，圖7和圖8分別為剖面A和剖面B的水平土壓力隨填土高度的變化曲線。路基竣工后，2斷面水平土壓力沿路基高度分布曲線見圖9。由圖中路基后土壓力分布可知，無論是HDPE還是PET格柵，墻后土水平壓力沿路基高度的分布規(guī)律相同，呈非線性分布；中上部水平土壓力均接近且小于朗肯主動土壓力，下部偏離朗肯主動土壓力；對比A、B兩個斷面處墻后水平土壓力大小及分布，采用PET格柵的土壓力要大于HDPE格柵的土壓力。

圖7 斷面A不同路基高度水平土壓力變化曲線Fig.7 Lateral earth pressure along different embankment height at section A

圖8 斷面B不同路基高度水平土壓力變化曲線Fig.8 Lateral earth pressure along different embankment height at section B

圖9 不同路基高度水平土壓力曲線Fig.9 Lateral earth pressure distribution along different embankment height

2.4 土工格柵變形

加筋土路基中土工格柵拉伸應變分為施工期和竣工后兩個階段。加筋土路基施工完成后，再在路基頂部填筑1 m厚的路基填土，至2013年12月8日進行了最后一次監(jiān)測，加筋土路基休止時間為146 d。圖10和圖11分別為2個監(jiān)測斷面加筋土擋墻的土工格柵拉伸應變隨時間的變化曲線，其中，最上面一根曲線為竣工后5個多月的測試結(jié)果。

根據(jù)圖10和圖11所示，無論是施工期還是竣工后休止期，也無論是采用HDPE還是PET材料，格柵應變存在相同的變化規(guī)律，即在路基施工過程中，隨著上覆填土厚度和作用時間的增加，各層土工格柵拉伸變形也逐漸增大，相應的格柵受力也相應增大。各層土工格柵的拉伸變形一般在剛開始填土時的增加速率較大，之后隨填土高度的增加變形速率略有減?。籋DPE格柵實測的拉伸應變在0.38%~1.22%之間，說明土工格柵受到的最大荷載不超過20 kN/m，小于設(shè)計抗拉強度30 kN，PET格柵實測的拉伸應變范圍在0.29%~0.83%之間，說明受到的最大荷載不超過27 kN/m，小于設(shè)計抗拉強度40 kN，均遠小于土工格柵的極限抗拉強度，筋材抗拉伸具有足夠的安全儲備。施工剛結(jié)束時，雖然筋材拉伸應變發(fā)展的速率隨時間增加有所下降，但竣工后筋材的拉伸應變?nèi)杂幸欢ǚ仍黾樱咏钔谅坊喜拷畈目⒐ず蟮睦鞈冊龇踔链笥谑┕て诘睦鞈?，但各層土工格柵最大拉伸應變均沒有超過1.3%。

圖10 監(jiān)測斷面A不同層位筋材應變曲線Fig.10 Strain of reinforcement in different layersat section A

圖11 監(jiān)測斷面B不同層位筋材應變曲線Fig.11 Strain of reinforcement in different layersat section B

對比圖10和圖11，可以發(fā)現(xiàn)2種土工格柵應變規(guī)律又有所不同：總體上每層格柵的應變值HDPE材料均大于PET材料，說明PET格柵在發(fā)揮很小的格拉力時就能限制加筋土體的變形；HDPE格柵應變沿筋材長度方向逐漸減小，且格柵應變隨埋置深度的增大而增大；PET格柵應變在底部呈現(xiàn)出雙峰值分布，第一個峰值出現(xiàn)在距路基坡面2.5 m處，第二個峰值出現(xiàn)在距路基坡面6.5 m處，中部表現(xiàn)出單峰值分布，峰值出現(xiàn)在距墻面4.5 m處，上部格柵應變沿筋材長度方向逐漸減小，這一點和HDPE格柵應變相似。

本次在十房高速公路加筋土路基試驗段的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與前期文獻[3-5，7]報道的結(jié)果在墻體水平變形、墻后土壓力分布規(guī)律、加筋材料應變大小等類似，也證明本文研究成果的可靠性。通過兩種不同性能（主要指筋材延伸率或模量）的土工格柵加筋土擋墻斷面的監(jiān)測結(jié)果對比，還可發(fā)現(xiàn)：1）采用延伸率小的加筋材料（本文試驗段PET格柵的延伸率遠小于HDPE格柵），在相同條件下，加筋土路基在施工期的側(cè)向變形小，加筋體的整體性好，路基坡面后水平土壓力則較大；2）兩種筋材的最大應變均小于1.3%，加筋土路基遠未達到臨界狀態(tài)，在工作狀態(tài)下，延伸率大的筋材要平衡加筋土體內(nèi)的剪應力，勢必要比延伸率小的筋材產(chǎn)生更大的應變，其應變符合從面板逐步向加筋體內(nèi)端部逐漸減小的特征。而PET格柵的應變特征有待進一步研究。

3 結(jié)語

通過在十房高速公路加筋土路基試驗段進行的采用2種不同延伸率土工格柵加筋土路基的現(xiàn)場試驗研究，可得到以下幾點結(jié)論：

1） 無論是PET格柵加筋土路基還是HDPE格柵加筋土路基，均能有效地限制路基填土不同高度處的水平位移，避免了路基發(fā)生較大側(cè)向變形，保證了高填方路基的整體穩(wěn)定。

2）填土施工結(jié)束時，加筋土路基最大水平位移多發(fā)生在路基頂部附近。施工期路基累計深層水平位移最大值與路基高度的比值不大于0.70%。格柵拉伸應變均小于1.3%，小于土工格柵設(shè)計抗拉強度的允許應變，筋材具有足夠的安全儲備。

3）水平土壓力沿加筋土路基高度呈非線性形式分布，且水平土壓力在中上部接近朗肯土壓力值，下部小于主動土壓力值。4）試驗段監(jiān)測表明，延伸率低的土工格柵加筋土路基的整體性更好，路基側(cè)向變形小，路基坡面后土壓力更大。

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