渠孟飛，謝　強，趙　文，曹新文

(1.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院， 成都　610031；2.西南交通大學土木工程學院， 成都　610031)

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土工格柵加固膨脹土路堤邊坡穩(wěn)定性的試驗分析

渠孟飛1，謝強1，趙文1，曹新文2

(1.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院， 成都610031；2.西南交通大學土木工程學院， 成都610031)

摘要：利用離心試驗和數(shù)值模擬方法研究土工格柵加固膨脹土路堤邊坡穩(wěn)定性效果并給出設計參數(shù)。對不同加筋方案(豎直間距0.5、1 m)與不加筋的膨脹土路堤邊坡位移的分析結果表明：(1)中心填高為10.9 m、坡率為1∶1.5的素膨脹土路堤邊坡在自然狀態(tài)下不穩(wěn)定；(2)對于整體穩(wěn)定性好，僅存在淺層破壞的膨脹土路堤，鋪設長度為4 m，間距為0.6～0.8 m的土工格柵可保證路堤穩(wěn)定性；(3)對于存在整體穩(wěn)定性問題的路堤邊坡，需加長土工格柵長度或采用通長配筋方法提高路堤邊坡穩(wěn)定性。土工格柵對膨脹土路堤邊坡的穩(wěn)定性提高有顯著作用，是有效的措施。

關鍵詞：膨脹土路堤；土工格柵;離心試驗；數(shù)值模擬

膨脹土因其在遇水膨脹、失水收縮這一反復過程中土體強度會降低，使得其工程特性較差，大部分素填土膨脹土路堤邊坡表層受大氣降雨、地下水等影響，容易發(fā)生淺層滑動，誘發(fā)和牽引深部滑動破壞。膨脹土一般不適合作為路堤填料，然而出于經濟和環(huán)?？紤]，在大面積膨脹土分布區(qū)修路時不得不用它做路堤填料[1]。目前對作為路堤填料的膨脹土采取的工程處治方法主要是改性[2]。對于膨脹土的改良方法有摻石灰、水泥、粉煤灰、二灰(石灰和粉煤灰)等無機改良材料和聚丙烯酰胺等有機改良材料、微生物改良法等[3]?；瘜W改良是以往膨脹土地區(qū)筑路研究和倡導(尤其是國外)的主要技術措施，但因工藝復雜、施工設備要求高、不經濟而無法推廣[4]。膨脹土加筋技術是膨脹土改性方法中應用較多的一種，鐵路、公路、水利工程中均有應用[5-10]。很多研究[11-15]均表明土工格柵對控制膨脹土邊坡變形有顯著作用。

云南省某鐵路設計標準為國鐵Ⅰ級電氣化鐵路，全長142 km，沿線膨脹(巖)土分布長65 530 m，占線路總長約46%，考慮到換填填料運輸距離較遠和棄土的堆放問題，部分路堤擬采用膨脹土填筑。擬利用土工格柵對此線路的部分膨脹土路堤邊坡進行加固，通過離心試驗和數(shù)值模擬方法檢驗土工格柵的加固效果，并給出設計參數(shù)，研究結果可為此線路的膨脹土路堤邊坡加固提供參考。

1試驗工點膨脹土特性

試驗工點里程為DK99+065～DK100+660，長度1 595 m，位于面甸盆地，屬(面甸)斷陷盆地低中山剝蝕地貌，地面高程1 327～1 355 m。上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積(Q4dl+el)黏土，下伏上第三系(N)泥灰?guī)r、泥巖夾砂巖。盆地表層第四系全新統(tǒng)坡殘積層與上第三系的巖土均屬膨脹土或膨脹巖。膨脹土主要為第四系坡殘積層及泥巖的全風化帶、部分強風化帶，呈棕黃、灰黃、灰褐色，硬塑狀，黏性較強，一般厚0～2 m，局部厚度大于40 m。

《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB10038—2001)中采用自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量作為膨脹土的評價和分級指標。DK99+065～DK100+660段膨脹土樣的自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量指標如表1所示，依據(jù)上述規(guī)范中的標準，可判定為弱～中膨脹土。

表1　DK99+065～DK100+660段膨脹土測試指標

2離心試驗

2.1試驗方案

以DK99+175段路堤為試驗對象，中心填高10.9 m，橫斷面形式見圖1。

圖1　DK99+175橫斷面(單位：m)

模型填筑用土為工點土，將土樣粉碎烘干，按天然含水率33%配置土樣密度1.89 g/cm3，保證填筑的離心模型路堤密度、含水率與現(xiàn)場的相同。試驗機器為西南交通大學離心機實驗室100gt離心機。根據(jù)離心機模型箱尺寸：長80 cm、寬60 cm、高60 cm，用配置好的土樣填筑路堤。取模型比為1∶50，因原斷面對稱性較好，只需模擬半路堤結構形式。首先在模型箱底部填筑厚6.5 cm、寬60 cm的黏性土地基(圖2)，壓實度0.95，最大干密度1.855 g/cm3，含水量11.7%。然后采用先填筑再削坡的填筑方法，分層填筑路堤以便控制壓實度，路堤模型寬40.68 cm，高21.8 cm，斷面形式與原型基本相同(模型坡面為一級邊坡，而實際為二級邊坡)。

圖2　素填土路堤模型(單位：cm)

文獻[15] 指出在總加筋力相當?shù)那疤嵯?，鋪設適量多層強度適中的格柵比鋪設少層高強度格柵能更好地抑制路基沉降。本次試驗模擬材料選用強度適中的玻纖網，徑向強度4.46 kN/m，橫向強度17.52 kN/m。試驗加筋均按模擬材料的橫向強度布置，每層加筋長度為8 cm，模擬實際加筋長度4.0 m。加筋路堤模型如圖3所示。

圖3　加土工格柵路堤模型(單位：cm)

為研究不同加筋條件下膨脹土邊坡的穩(wěn)定性，共進行3組離心模型試驗。

(1)未加筋

(2)加筋18層

土工格柵垂向上間距為2 cm，每層鋪雙層土工格柵，模擬土工格柵間距0.5 m。

(3)加筋9層

土工格柵垂向上間距為2 cm，每層鋪單層土工格柵，模擬土工格柵間距1.0 m。

2.2試驗結果

(1)第1組試驗結果

以10g、20g、30g、40g、50g、60g、70g、80g加速度每級勻速運行1 000 s。

第一階段試驗后坡腳、坡面中間的水平位移和坡頂沉降的曲線見圖4。當加速度為40g，坡腳水平位移為4.5 mm，換算到原型為18 cm，說明坡腳出現(xiàn)了移動。從60g開始，坡腳水平位移大幅增加且不穩(wěn)定。當加速度為80g時，坡腳水平位移達到30 mm，換算到原型已經達到240 cm，已經失去穩(wěn)定。坡面中間水平位移和坡頂?shù)某两狄灿邢鄳淖兓?guī)律。綜上所述，當加速度為40g時，邊坡已經處于臨界滑動狀態(tài)。

圖4　第一階段邊坡的變形與時間曲線

圖5　素膨脹土路堤模型破壞模式

加速度提高到100 g運行后模型出現(xiàn)明顯的滑動面(圖5)，邊坡表面出現(xiàn)縱向裂縫(圖6)，滑動面位于邊坡中上部，屬于邊坡坍塌。

圖6　第一組試驗后模型俯視

(2)第2組模型試驗

分兩階段，第一階段按10g、20g、30g、40g、50g加速度，每級勻速運行1 200 s；第二階段按加速度10g、20g、40g、60g、80g方式，每級勻速運行1 200 s。

第一階段試驗中加速度從10g到50g的加載過程中，坡頂?shù)某两惦S加載時間增加而增加(圖7)，坡頂沉降在加速度為50g時只有0.38 mm，換算成原型為1.9 cm。坡面中間的水平位移在開始時有微小的向外移動，但在3 000 s后又有減少的趨勢，說明這一階段主要是土體固結引起的路堤沉降。

圖7　第一階段邊坡的位移與時間曲線

試驗第二階段邊坡沉降和水平位移隨加速度的增加而增加，如圖8所示。至80g時，坡面中間水平位移1.2 mm(換算為實際值9.6 cm)，坡頂沉降0.7 mm(換算為實際值5.6 cm)，邊坡基本沒有出現(xiàn)變形破壞，停機后邊坡穩(wěn)定，沒有裂紋與滑坍。加速度提高到100g，模型整體產生破壞，邊坡沿加筋區(qū)與非加筋區(qū)整體滑動，破壞后照片見圖9。

圖8　第二階段邊坡的位移與時間曲線

圖9　加筋模型破壞模式

(3)第3組模型試驗

第3組模型試驗按20g、40g、60g、80g和100g的方式運行，每級運行1 600 s。圖10、圖11分別是邊坡坡腳水平位移和坡頂沉降隨時間的變化曲線。在80g之前邊坡坡面中間的水平位移、坡頂沉降值均較小，加速度為80g時，坡面中間的水平位移為2.0 mm，坡頂沉降為1.0 mm。在100g時，坡頂沉降和坡腳水平位移急劇增加，最后破壞。

圖11　坡頂沉降值

2.3結果分析

(1)高填方素膨脹土路堤穩(wěn)定性

由第1組試驗結果(圖4)可知，高填方素膨脹土路堤在邊坡坡率為1∶1.5，離心加速度大于40g時，坡腳水平位移已達到18.0 cm，說明坡腳已產生移動，自然狀態(tài)下高填方素膨脹土路堤邊坡不穩(wěn)定。加速度為100g運行后，邊坡坡面中上部產生裂縫并沿裂縫形成圓弧形滑動面，邊坡產生淺層破壞。

(2)鋪設土工格柵的路堤穩(wěn)定性

在第2組試驗中，邊坡鋪設18層土工格柵(模擬土工格柵間距0.50 m)。當離心加速度小于50g時，坡面中間水平位移最終為0.15 mm，換算到原型為0.75 cm，邊坡穩(wěn)定。當離心加速度為80g時，邊坡坡面中間水平位移0.7 mm，坡頂沉降為1.2 mm，換算到原型分別為5.6 cm和9.6 cm。當離心加速度為100g時，路堤邊坡出現(xiàn)整體滑動破壞。

第3組試驗中，邊坡鋪設9層土工格柵(模擬土工格柵間距1.0m)，當離心加速度為小于80g時，邊坡坡面中間水平位移和坡頂沉降值均較小，邊坡穩(wěn)定；等于80g時，坡面中間水平位移1.0 mm，坡頂沉降為2 mm，換算到原型為8.0 cm和16.0 cm。在加速度為80g時，比第2組相同情況下的水平位移和沉降分別增加了40%和66.7%。說明其邊坡穩(wěn)定性比第2組低。當離心加速度為100g時，路堤邊坡出現(xiàn)整體滑動破壞。

基于第2組和第3組試驗數(shù)據(jù)可知，對于不存在整體穩(wěn)定性問題的膨脹土路堤邊坡，當土工格柵長度為4 m、間距為0.5～1.0 m時， 在自然狀態(tài)下(加速度為50g)時是穩(wěn)定的。

3數(shù)值模擬

3.1數(shù)值模型

以DK99+150 m處路堤斷面為原型(圖12)，利用數(shù)值模擬方法研究不同加筋長度、間距工況下邊坡的穩(wěn)定性。邊坡中心填筑高度11.5 m，左側邊坡分二級填筑，第一級邊坡坡率1∶1.50，第二級邊坡坡率1∶1.75，右側邊坡坡率1∶1.5。設計采用水平鋪設土工格柵填筑弱膨脹土路堤。

數(shù)值模擬采用FLAC_SLOPE軟件，簡化采用較高的左半邊路堤進行數(shù)值模擬。

圖12　DK99+150段路堤橫斷面(單位：m)

3.2工況及參數(shù)

模型的土體材料由兩部分組成，路堤頂部為級配碎石，選擇系統(tǒng)自帶的參數(shù)賦值；第二層為工點膨脹土，密度取為1.89 g/cm3， 抗剪強度在試驗基礎上進行折減，取C=25 kPa，φ=23°。土工格柵的參數(shù)為：徑向抗拉強度4.46 kN/m，橫向黏結強度17.52 kN/m。 模擬工況如表2所示。

3.3穩(wěn)定性分析結果

邊坡未加筋時，穩(wěn)定系數(shù)為1.12，不滿足穩(wěn)定性要求。邊坡坡率較《鐵路特殊路基設計規(guī)范》(TB10035—2002)中規(guī)定的相應放緩一級，即第一級邊坡坡率為1∶1.75，第二級邊坡坡率為1∶2時，穩(wěn)定系數(shù)為1.22，較未加筋時有所提高，滿足穩(wěn)定性要求。

表2　數(shù)值模擬工況

邊坡加筋后的代表性模型(加筋長度為4、12 m，間距為0.6 m)的剪切應變云圖如圖13所示。從圖中可以看出，邊坡潛在破壞模式為沿著土工格柵邊緣產生整體滑動，路堤上部的土工格柵受力較大，下部尤其是底部的土工格柵受力較?。划斖凉じ駯砰L度為12 m時，邊坡未形成潛在滑動面，整體穩(wěn)定性較好。

圖13　代表性的邊坡剪切應變云圖

不同工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結果如表3所示。

表3　不同工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

從表3可以看出，當土工格柵間距小于0.6 m時，格柵間距變化對邊坡整體穩(wěn)定性基本沒有影響。整體上看，隨著土工格柵間距的增大，邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)減??；土工格柵長度為4～6 m時，隨著土工格柵長度的增加，邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)稍有增大，但不明顯；長度為12 m時，穩(wěn)定系數(shù)明顯增大。

土工格柵采用4 m和6 m相間布置的形式與全部采用4 m或6 m的土工格柵其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化不明顯。

4結論

(1)此線路的弱～中等膨脹土加筋后可作為路堤填料。

(2)采用土工格柵加固路堤邊坡時，對于沒有整體穩(wěn)定性問題僅存在淺層破壞的路堤邊坡，建議鋪設層間間距為0.6～0.8 m，長度為4 m的土工格柵；對于存在整體穩(wěn)定性問題的路堤邊坡，采用較長的土工格柵或通長配筋，能夠較大地提高邊坡安全系數(shù)，加筋長度可以由計算確定。

(3)對小于6 m的膨脹土路堤邊坡，可按照《鐵路特殊路基設計規(guī)范》(TB10035—2002)中相應規(guī)定進行設計及防護；對大于12 m的膨脹土路堤邊坡加固措施，應做專項研究、單獨設計。

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收稿日期：2015-11-25； 修回日期：2015-12-07

作者簡介：渠孟飛(1988—)，女，博士研究生，主要從事巖土工程方面研究，E-mail：793147928@qq.com。 通訊作者：謝強(1957—)，男，教授，博士生導師，E-mail：civil1301@swjtu.cn。

文章編號：1004-2954(2016)07-0009-05

中圖分類號：U213.1+1

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.003

Experimental Analysis of Embankment Slope of Expansive Soil Strengthened by Geogrid

QU Meng-fei1， XIE Qiang1， ZHAO Wen1， CAO Xin-wen2

(1.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering of Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;2.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：Centrifuge tests and numerical simulation method are used to study the stability of embankment of expansive soil strengthened by geogrid and obtain design parameters for different failure modes of the embankment slopes. The research results with different reinforcing programs (vertical interval 0.5 m and 1m) show that (1) where the center banking is 10.9 m with slope ratio 1∶1.5， the non reinforced embankment tends to be unstable under natural conditions; (2) when the slope only has shallow failure problem， the stability can be guaranteed by laying 4 meter length and 0.6～0.8 meter interval geogrid; (3) when the slope has overall stability problem， only the geogrid is extended or in full length， the stability of the embankment slope can meet the requirement. Geogrid is effective in reinforcing the road embankment and will be used in the practical engineering widely．

Key words：Expansive soil embankment; Geogrid; Centrifuge test; Numerical simulation