周亦濤， 閆敬華， 陳福全， 劉治國

(1. 福州大學 土木工程學院， 福建 福州 350116；

2. 河北工程技術高等?？茖W校 交通工程系， 河北 滄州 061001；

3. 濟南軍區(qū)建筑設計院， 山東 濟南 250002)

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土工格柵加筋土陡防護堤的試驗

周亦濤1,2， 閆敬華3， 陳福全1， 劉治國3

(1. 福州大學 土木工程學院， 福建 福州 350116；

2. 河北工程技術高等?？茖W校 交通工程系， 河北 滄州 061001；

3. 濟南軍區(qū)建筑設計院， 山東 濟南 250002)

摘要：對某土工格柵加筋土陡防護堤進行現場試驗研究，分析施工期及竣工后一季度期間的加筋體底部豎向土壓力、反包體背部側向土壓力和土工格柵拉筋應變分布規(guī)律.試驗結果表明：土工格柵加筋土陡防護堤底部垂直土壓力在橫斷面上呈非線性分布，路堤中心附近與坡腳附近的平均垂直土壓力相差不是很大；堤中心垂直土壓力比不加筋的減少了20%以上；不同高度處的格柵應變沿筋長方向呈非線性分布，格柵最大應變不超過4%；反包體后側向土壓力沿堤高呈上小下大的非線性分布；底部垂直土壓力、側向土壓力、格柵應變在工后兩個月，趨于穩(wěn)定；安全穩(wěn)定的土工格柵加筋土陡防護堤是可行的.

關鍵詞：土工格柵； 加筋土防護堤； 拉筋應變； 土壓力

在防止或減小裝有民用、軍用爆炸物品的生產車間(或存儲庫房)爆炸對周圍的設施損失和人員傷亡，以及在防止多個車間或庫房的一個爆炸而導致的連環(huán)爆炸事故的發(fā)生等方面，防護屏障發(fā)揮巨大的作用.目前防護屏障常用的有防護土堤、夯土防護墻和鋼筋混凝土防護屏障3種形式[1-2]，由于防護土堤修建簡單且不產生二次破壞而被廣泛應用.當工程場地實際可用寬度小于根據相關規(guī)范規(guī)定的高度要求[1-2]設計的防護土堤的最小底寬時，防護土堤無法修建；當地基承載力不高時，為了防止防護土堤因地基承載力不夠而失穩(wěn)，必須對地基就行處理，從而增加投資成本.加筋土結構具有施工簡便快捷、抗震性能好、地基適應強、穩(wěn)定性強、投資少等優(yōu)點[3-6]，其柔性結構在吸收爆炸能量，降低次生破壞方面有較大的優(yōu)勢.加筋土防護堤作為一種新型防護屏障，要實現防護功能,首先是自身的穩(wěn)定.防護屏障狹長且寬度較小，因此，碾壓機在結構施工中無法開展工作，這也是民用防護屏障較少采用的一個原因.加筋土的粘聚力和內摩擦角都比未加筋土大[6-10]，在低壓實度下加筋土陡堤的穩(wěn)定是可能的.但在實際工程中，加筋土防護堤是否可行卻未見報道，且目前有關它的應用研究和理論分析也都未見報道.為此，本文對低壓實度下加筋土陡堤在防護屏障的應用進行試驗研究，對加筋土防護堤的底部豎向土壓力、反包體背部側向土壓力和土工格柵拉筋應變分布規(guī)律進行分析，并對結構的穩(wěn)定性進行了評價.

1工程概況

某民用爆炸物品生產車間的防護堤位于山地之間，場地地貌單元屬丘陵地貌.該場地已有建筑物間的凈距比較小，場地地基承載力在120 kPa左右，且場地有坑塘，而該防護堤地基承載力要求大于160 kPa，這兩個數值為在狹窄而軟弱場地上建成滿足民用爆炸防護堤的行業(yè)規(guī)范[1-2]所規(guī)定的最小頂寬和最小底寬.為保證該防護堤的自身穩(wěn)定安全，文中設計土工格柵加筋土陡堤堤高為10.0 m，頂寬為3.5 m，邊坡坡度為70°，邊坡反包，如圖1所示.填土壓實度無要求，即壓實度低，施工中僅用了挖掘機上土，并對填土進行了3次加壓.土工格柵拉筋技術規(guī)格，如表1所示.表1中：T為縱向抗拉強度；Tδ=2%為縱向2%伸長率時的拉伸力；Tδ=5%為縱向5%伸長率時的拉伸力；εmax為峰值應變；TCR為在20 ℃下的120 a蠕變極限強度.

圖1　土工格柵加筋土陡防護堤斷面圖(單位：mm)Fig.1　Section of geogrid reinforced earth steep protecting barrier(unit:mm)

項目T/kN·m-1Tδ=2%/kN·m-1Tδ=5%/kN·m-1εmax/%TCR/kN·m-1TGD65≥65≥16.5≥31.5≤11.5≥39.42TGD90≥90≥24.0≥46.5≤11.5≥28.14

2儀器的布置

試驗選了兩個橫斷面，測試項目包括加筋土防護堤底部的垂直土壓力、邊坡反包土體后的水平土壓力、土工格柵拉筋應變等.由于加筋土防護堤對稱，觀測儀器布置在兩橫斷面上僅布置半斷面.施工中的具體儀器布置，如表2所示.表2中：*為第1，5，9，13，17層；l為儀器中心距坡面的水平距離.

表2　土工格柵加筋土陡防護堤的儀器布置

3現場測試數據

3.1　加筋土陡堤底部垂直土壓力

不同上覆填土厚度下加筋土體底部橫斷面上垂直土壓力變化，如圖2所示.圖2中：p為土壓力；s1為土工格柵距離邊坡的水平距離.加筋土體底部垂直土壓力竣工后隨時間變化，如圖3所示.圖3中：t為工后時間.

(a) 南斷面 (b) 北斷面圖2　不同上覆填土厚度下加筋土體底部橫斷面上垂直土壓力的變化Fig.2　Variation of bottom vertical earth pressure of reinforced soil structure along cross section under different backfill heights

(a) 南斷面 (b) 北斷面圖3　加筋土體底部垂直土壓力竣工后隨時間的變化Fig.3　Variation of bottom vertical earth pressure of reinforced soil structure with post-construction time

1) 土工格柵加筋防護堤底部垂直土壓力基本上隨上覆填土厚度的增加而增大，沿筋長方向起初呈不明顯的非線性分布，但隨著填土厚度的增加而呈明顯的非線性分布.這是因為土工格柵拉筋與土的摩擦加筋作用隨上覆荷載增加而明顯提高，筋土摩擦加筋作用沿筋長方向不同.

2) 兩個斷面的土工格柵加筋土防護堤底部垂直土壓力的分布規(guī)律有所不同，主要是因為這兩個斷面的地基不同，防護堤南部靠近邊坡的地基過去為坑塘，換填后的地基的土體分布不均勻導致差異沉降，進而導致了南斷面最大基底垂直土壓力在邊坡附近出現.

3) 北斷面距離邊坡3.0 m的測點垂直土壓力在施工后期的增速較其他點大，北斷面距離邊坡4.0 m的測點的垂直土壓力在施工后期的增速較其他點小，這是因為在距離邊坡3.0 m處土體壓實度大于距離邊坡4.0 m處土體的壓實度,導致土工格柵網兜效應.壓實度大的點的土壓力增速快，壓實度小的點的土壓力增速慢.

4) 當填土重度為19 kN·m-3，堤高為10 m時，不加筋的防護堤中心的垂直土壓力計算為190 kPa;竣工后,南斷面堤中心垂直土壓力最大值為127 kPa，比不加筋的減少了33%；北斷面堤中心垂直土壓力最大值為152 kPa，比不加筋的減少了20%.

5) 施工期間，各斷面的土壓力分布和大小沒有出現異常，工后的測試數據有所變化，但最終趨于一個定值，說明了該工程是穩(wěn)定安全的.

3.2　加筋土陡堤邊坡處側向土壓力

反包體側向土壓力隨上填土厚度的變化，如圖4所示.圖4中：h1為加筋土陡防護堤填筑高度.反包體側向土壓力分布隨竣工后時間的變化，如圖5所示.圖5中：h2為防護堤高度.

(a) 南斷面 (b) 北斷面圖4　反包體側向土壓力隨上填土厚度的變化Fig.4　Variation of lateral earth pressure on packed soil mass with backfill height

(a) 南斷面 (b) 北斷面　　圖5　反包體側向土壓力分布隨竣工后時間的變化Fig.5　Variation of distribution of lateral earth pressure on packed soil mass with post-construction time

1) 施工期間，不同高度的加筋土防護堤邊坡反包體后側向土壓力實測值基本上隨著填土厚度的增加而增大，但中間有減小的現象.這是因為填土壓實度比較低，在上覆填土荷載作用下反包體所有外移，從而使反包體后側向土壓力得到釋放而減小.

2) 反包體后側向土壓力沿堤高呈上小下大的非線性分布，兩斷面的分布形式還有所不同，這是因為兩斷面的地基不同所致.

3) 反包體后側向土壓力實測值不同于一般的加筋土路堤或邊坡，施工期間和竣工后的壓力比朗肯土壓力小，類似于加筋土擋墻墻背側向土壓力的大小和分布，這是因為該加筋土防護堤比較陡的緣故.因此，建議較陡的加筋土防護堤采用加筋土擋墻的設計方法設計.

4) 竣工后,側向土壓力有所變化，但最終趨于穩(wěn)定，這說明了試驗工程是穩(wěn)定安全的；竣工后,側向土壓力相對較大變化主要在工后兩個月，這是因為填土壓實度比較低，加筋土需要一定的時間固結.

3.3　土工格柵拉筋的應變

反包體側向土壓力分布隨竣工后時間的變化，如圖6所示.圖6中：ε為土工格柵應變；s2為距離邊坡坡面距離.不同上覆填土厚度下拉筋應變在橫斷面上的變化，如圖7所示.

(a) 北斷面第1層格柵 (b) 南斷面第1層格柵

(c) 南斷面第9層格柵 (d) 北斷面第13層格柵

(e) 南斷面第17層格柵 (f) 北斷面第17層格柵圖6　反包體側向土壓力分布隨竣工后時間的變化Fig.6　Variation of distribution of lateral earth pressure on packed soil mass with post-construction time

1) 不管在施工期間，還是在竣工后，各測試斷面各層土工格柵拉筋應變實測值的最大值均不大于4%.拉筋應變實測值均小于質控應變值10%，這是由于拉筋實際受力小于設計值(小于土工格柵抗拉強度值)，土工格柵在低于設計值的拉力下,其蠕變會很小，這在竣工后拉筋蠕變隨時間的曲線可以得到驗證.

(a) 南斷面第1層格柵 (b) 南斷面第9層格柵

(c) 北斷面第13層格柵 (d) 北斷面第17層格柵　　圖7　不同上覆填土厚度下拉筋應變在橫斷面上的變化Fig.7　Variation of reinforcement strain along cross section under different backfill heights

2) 施工期間，各層拉筋應變基本上隨上覆填土厚度的增加而增大，但有些測點卻隨填土厚度的增加而減小.填土厚度達到一定高度后，各測試斷面各層拉筋應變沿筋長方向的分布規(guī)律各自大致保持不變.這是因為填土壓實度較低導致土體壓實度不一致，產生不均勻沉降，從而導致該處的土工格柵應變測試儀器的兩點的水平距離有所減小，進而表現為拉筋應變減小.

3) 底層拉筋應變不超過1.5%，而堤身內部拉筋的最大應變卻接近4%.這是因為加筋地基填料比堤身填料較好，加筋地基壓實度較高，而堤身填土壓實度較低.壓實度大，土體的側向位移較小；壓實度較小，土體的側向位移較大.

4) 不同測試斷面,堤高位置相同的拉筋應變分布有所不同.這是加筋土作用機理的復雜性所致，加筋土防護堤地基性質不同和填土壓實度低導致的不同斷面同一高度的拉筋應變分布規(guī)律有所不同.

5) 堤身內部拉筋應變峰值出現在堤中心與堤邊中間，而堤邊附近與堤中心的應變較小.這是因為在堤荷載作用下，地基及防護堤中線的沉降最大而限制了堤中心拉筋的應變，堤邊采用反包,導致了本可發(fā)生較大側移的堤邊附近拉筋有所收斂.

6) 底層拉筋應變規(guī)律明顯不同于堤身內部的規(guī)律.這是因為防護堤填土壓實度比較低的緣故，施工期間，防護堤會有較大的側移，而拉筋又會阻礙側移，再加上地基的不均勻性，就導致了在堤中心與堤邊之間出現兩個峰值.

7) 兩測試斷面的底部拉筋應變分布規(guī)律有所不同.這是因為地基條件不同,但因為加筋土分散應力，隨著堤高的增加，拉筋的應變規(guī)律基本相同.

8) 竣工后，拉筋應變隨時間先有所變化后，趨于穩(wěn)定.這說明了該防護堤具有較好的整體穩(wěn)定性.

4結論

土工格柵加筋土防護堤具有占地少、施工方便快捷、地基適應行強、壓實度要求低、消能效果強、次生破壞少、土方少、投資少等優(yōu)點.對低壓實度下土工格柵加筋土陡堤在防護屏障的應用(即土工格柵加筋土防護堤)進行了現場試驗，得到以下3個結論.

1) 土工格柵加筋土防護堤底部垂直土壓力在橫斷面上呈非線性分布，路堤中心垂直土壓力比不加筋的有著明顯的減??；反包體后側向土壓力沿堤高呈上小下大的非線性分布.

2) 不同高度處的格柵應變沿筋長方向呈非線性分布.

3) 低壓實度土工格柵加筋土陡堤工后穩(wěn)定，因此，其在防護屏障的應用是可行的.

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(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 方德平)

Experimental Study of Geogrid Reinforced Earth

Steep Protecting Barrier

ZHOU Yitao1,2， YAN Jinhua3， CHEN Fuquan1， LIU Zhiguo3

(1. College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China;

2. Department of Transportation Engineering, Hebei Engineering and Technical College, Cangzhou 061001, China；

3. Architeture Design Institute of Jinan Area Command, Jinan 250002， China)

Abstract：A geogrid reinforced earth steep protecting barrier was investigated by field test. Bottom vertical earth pressures and lateral earth pressures of the geogrid reinforced earth steep protecting barrier were researched during construction and a post-construction quarter, and reinforcement strains were also researched. The results of the field test show that the distribution of bottom vertical earth pressures is nonlinear along the width of the protesting barrier, the pressure near the center of protesting barrier is similar to the pressure near the foot. The bottom vertical earth pressure in the center of the reinforced earth protesting barrier is 20% less than that of unreinforced protesting barrier; the distribution of the reinforcement strains along the reinforcement length is nonlinear, and the maximum strain of the geogrid the steep protesting barrier is less than 4%. The distribution of lateral earth pressure on the packed soil mass is nonlinear, as the height increases, the pressure decreases. The bottom vertical earth pressures, lateral earth pressures and geogrid strains after two post-constriction months tends to be stable. Therefore, the building of a geogrid reinforced earth steep protesting barrier is feasible in security and stability.

Keywords：geogrid; reinforced earth protecting barrier; reinforcement strain; earth pressure

基金項目：河北省教育廳科研基金資助項目(QN2014149)； 高等學校博士學科點專項科研基金博導類資助課題(20133514110004)

通信作者：陳福全(1971-)，男，教授，博士研究生，主要從事巖土工程的研究.E-mail:phdchen@fzu.edu.cn.

收稿日期：2015-10-09

中圖分類號：TU 41

文獻標志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0109

文章編號：1000-5013(2016)01-0109-06