土工格栅加筋陡坡路堤在新疆地区的现场试验研究*

胡幼常 毛爱民 刘 杰 陈晓鸣

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063)

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院2) 乌鲁木齐 830006)

0 引 言

在我国新疆地区广泛分布着砾石土，这些砾石土的级配良好，最大粒径多在60 mm以下，细粒含量在5%左右，透水性强，水稳定性好，级配连续，易于压实，是非常理想的路基填料，也特别适合于修建土工格栅加筋路堤[1-2].这除了土工格栅对包括砾石土在内的粗粒土有显著的加筋效果外，新疆地区的客观条件也决定着它非常适合于推广加筋路堤.新疆地区山多，且山区地形陡峭，高路堤较多，以往多采用重力式混凝土挡土墙来支撑高路堤边坡.由于新疆是地震多发区，抗震等级高，所以重力式挡土墙断面尺寸大，建造成本高；同时，新疆山区气候寒冷，混凝土的施工季节较短.这些因素都不利于修建混凝土挡土墙.而今，加筋土技术正迅速发展，新疆地区传统的重力式挡土墙在大多数情况下可考虑用加筋土结构来代替，以达到充分利用当地砾石土资源，降低工程造价的目的.当受地形、路堤高度等条件的限制，必须设计成接近直立的边坡时，可采用加筋土挡墙，这比重力式挡墙一般要节约25%～50%[3]；当条件允许适当放坡时，则可采用土工格栅加筋陡坡路堤，不考虑占地面积的因素，加筋陡坡的建造费用约为相同高度加筋土挡墙费用的50%左右，经济性十分明显.此外，土工格栅加筋路堤属柔性结构，其优越的抗震性能已被世界范围内的许多大地震所证实[4-5].对绝大多数的新疆山区而言，公路是唯一的交通方式，一旦强震发生，山区公路是抗震救灾的唯一生命线.

尽管有上述诸多有利条件，但土工格栅加筋路堤在新疆的应用几乎是空白，亟须结合新疆的实际工程条件开展应用研究.为此，在新疆S101线沙湾段公路工程建设项目上修筑了两段土工格栅加筋陡坡路堤试验路.在试验路的施工过程中埋设了土压力、格栅应变观测元件，建立了远程无线自动观测系统，对施工过程中和竣工后加筋路堤中的土压力、格栅应变的变化情况进行了连续监测.对这些数据进行了整理和分析，掌握了在工作状态下，加筋路堤中土压力分布规律和格栅的应力-应变水平，为土工格栅加筋陡坡路堤在新疆的推广应用积累了经验.

1 土工格栅加筋陡坡路堤试验段

1.1 试验段概况

土工格栅加筋陡坡试验路堤建在S101公路沙湾段.该段公路在新疆塔城地区沙湾县境内，路线起点位于沙湾县石场镇，终点位于鹿角湾.路线全长59.864 km，三级公路，路基宽8.5 m，路面宽度7.0 m，沥青混凝土路面.路线经过区域海拔800～2000 m，为国家重点地震监测区，属新疆中部地震区、北天山地震亚区，地震十分活跃，1900年以来共发生4.7级以上的中强地震30余次，8级地震1次(1906年).地震动峰值加速度0.3g，地震设防烈度Ⅷ度.2段试验路堤位于金沟河西岸的山坡上，起止桩号分别为：K226+100-K226+230和K226+600-K226+702，处于山岭重丘区，冲积卵砾石地层，地质条件良好.

1.2 试验段的填料和土工格栅

两段土工格栅加筋试验路堤所用填料和土工格栅完全相同，填料为级配良好的砾石土，其颗粒级配曲线见图1，不均匀系数Cu=38.6，曲率系数Cc=1.55，平均粒径d50=12 mm；最大干密度γd，max=2.3 g/cm3，最佳含水率wop=4.6%.填筑含水率5%左右，路堤压实度不小于95%.在中科院武汉岩土力学研究所进行固结不排水剪大三轴试验(试样直径30 cm、高60 cm)，测得路堤填土的强度指标为：黏聚力c=6.3 kPa，内摩擦角φ=43.4°.土工格栅为某公司生产的TGDG80HDPE单向土工格栅，其力学性能指标见表1.

图1 路堤填料的颗粒级配曲线

/(kN·m-1)2%/(kN·m-1)5%/(kN·m-1)/%TGDG80HDPE86.525.850.210.9

1.3 试验路堤结构方案

1.3.1K226+100-K226+230段试验路堤结构方案

该段路堤全长120 m，路堤边坡坡率1∶1.坡面处筋材反包，并采用混凝土预制构件砌筑形成的方格形骨架防护坡面，方格内填充卵石.其中K226+100断面边坡高度最大，为14.52 m.自坡顶以下9 m的高度范围内，设置主加筋层(简称主筋)和辅助加筋层(简称辅筋).主筋层距60 cm；两层主筋中间设置一层辅筋，每层辅筋总长度都为4 m(其中反包长度2m).距坡顶9 m以下的路堤内只设置主筋，层距为40 cm.主筋和辅筋均为如上所述的TGDG80HDPE单向土工格栅.具体布筋方案见表2.

表2 K226+100—K226+230段加筋路堤土工格栅布置表 m

1.3.2K226+600-K226+702段路堤结构

该段路堤全长102 m，路堤边坡坡率为1∶0.75.坡面处筋材反包，并采用0.8 m×0.6 m×3.0 m镀锌合金格宾石笼防护坡面.其中K226+640断面边坡高度最大，为10.07 m.此段路堤只设置层距60 cm的主加筋层，不设辅筋,见表3.

2 观测方案

2.1 观测内容和观测目的

1) 土工格栅的拉伸应变 选定有代表性的格栅加筋层，在选定的每一格栅层上安装一定数量的专用柔性位移计，测量格栅的拉伸应变.其目的是为了掌握在施工过程中和竣工后，格栅拉伸应变沿格栅长度方向的分布情况.利用实测的格栅拉伸应变，可以计算格栅实际发挥的拉力大小，了解施工过程中和竣工后格栅的实际拉力水平，评价其安全性.通过今后的长期观测，可以掌握格栅蠕变的大小，为今后在设计中合理选择蠕变折减系数提供依据.

表3 K226+600～ K226+702段加筋路堤土工格栅布置表 m

2) 坡面防护结构受到的水平土压力 在石笼内侧和坡面格栅反包体内，埋设一定数量竖直摆放的土压力盒，分别测量石笼与土体接触面上和坡面反包体的水平土压力.其目的是掌握加筋土体实际作用于坡面防护结构上的土压力大小，为护坡方案的设计提供参考(例如，坡面防护是否需要与筋材牢固连接)，同时也可为加筋机理的分析提供参考.

3) 观测加筋路堤内竖直土压力和水平土压力 在加筋路堤中适当位置埋设一定数量水平摆放和竖直摆放的土压力盒，测量加筋土体内部的竖直和水平土压力，其目的是了解加筋对土压力分布的影响.

2.2 观测断面选择和观测元件布设

在上述两段试验路堤中各选1个观测断面.在K226+100-K226+230段中，选择K226+140为观测断面(记为1#断面)，此处虽然不是最高断面(最高断面是该试验段的起始断面)，但刚好避开了加筋路堤与一般路堤衔接处的锥坡，便于观测站的设置，边坡高度也较大(13.05m).在K226+600-K226+702段中，则选择最高断面K226+640作为观测断面(记为2#断面)，其边坡高度为10.07 m.两个观测断面的土压力盒和柔性位移计布设情况分别见图2～3.

图2 1#断面(K226+140)观测元件布置图(尺寸单位：cm)

图3 2#断面(K226+640)观测元件布置图(单位：cm)

采用的JMDL-2405A智能柔性位移计(见图4)，最大量程50 mm，精度0.001 mm；采用的JMZX-5010AT智能土压力盒，最大量程2 MPa，精度1 kPa.利用观测元件生产厂家开发的JMBV-1164自动化综合测试系统，通过GPRS数据传输技术，实现远程自动观测.图5为含数据采集和信号发射系统的现场观测站.

图4 固定在土工格栅上的柔性位移计 图5 现场观测站

3 试验结果及分析

3.1 土工格栅应变观测结果及分析

3.1.1填土施工阶段的格栅应变

试验段路基填土施工时间为2017年8月初—10月中旬.图6为典型填土过程中格栅应变随填土厚度的变化曲线(其他监测曲线与此类似).

图6 填土施工阶段的格栅应变

由图6可知，在填土施工过程中，实测不同层位不同位置的格栅应变均为正值，说明土工格栅在监测点都承受一定拉力.大多数测点的格栅应变在填土较薄(约小于1.5 m)时，随填土厚度的增加而增长较快，应是压路机碾压荷载传至格栅后使其拉伸，并且由于碾压后的土体密实度较高，可以使格栅在土体内被夹紧，在碾压停止后土工格栅不易回缩之故.而在填土厚度增大后，传到格栅的碾压荷载较小，此时格栅应变的增长主要依靠不断增厚的上覆土层之重力作用，但由于土体压实度较高(接近或处于超固结状态)，土体重力的增大引起的土体变形有限，格栅伸长量自然也较小，故在格栅层上的土层厚度达1.5～3 m后，格栅应变随上覆土层厚度的增加而缓慢增长，甚至不变.

3.1.2填土完工后的格栅应变

图7～8为1#和2#断面在填土达到路基顶面后土工格栅应变随时间变化的典型曲线.

图7 1#断面填土完工后的格栅应变

图8 2#断面填土完工后的格栅应变

由图7～8可知，格栅应变绝大多数在填土完成后60～160 d达到稳定或开始下降的状态.此后，格栅应变下降，甚至出现负值.这种现象已被许多工程实例监测到[6]，其主要原因可能包括以下三个方面：①加筋土结构在自重的长期作用下，内部应力应变发生了调整，施工过程中由格栅分担的部分拉力转移给了周围的土体；②格栅铺设时的张紧度在其长度方向不均匀，安装柔性位移计的部位张得较紧，随着时间的推移，格栅的张紧度逐渐趋向均匀；③格栅在拉力作用下产生松驰.监测结果表明，格栅应变除2#断面的R-3-4和R-4-4测点接近1.5%、R-4-3测点为1.1%以外，其他各测点均小于1%.根据所用格栅的拉伸试验数据，可得拉伸应变0%～2%阶段的格栅拉伸模量为E=1 291 kN/m，由此计算出格栅应变为1%和1.5%时对应的格栅拉力分别为12.9 kN/m和19.4 kN/m，分别相当于TGDG80HDPE单向格栅标称抗拉强度80 kN/m的16.1%和24.3%，亦相当于本试验路单向格栅实际极限抗拉强度86.5 kN/m的14.9%和22.4%.所以在工作状态下，格栅的应力水平相对较低.Aschauer等[7-10]的现场试验也得到了相似的结果.这说明一般土工格栅加筋土结构在工作荷载下的格栅实际应变很小，应力水平较低.由此，一方面可以推测格栅的长期蠕变将不大；另一方面也说明加筋路堤的安全性较高，因为格栅拉力的安全储备大.

图9～10为1#和2#断面几个不同层位的格栅在不同上覆土层厚度时的拉伸应变沿格栅长度方向(路基横向)的分布.

图9 不同填土厚度下1#断面格栅应变沿格栅长度方向的分布

图10 不同填土厚度下2#断面格栅应变沿格栅长度方向的分布

各层格栅的拉伸应变沿格栅长度方向一般为波浪形不均匀分布[11-14].在格栅层上填土厚度增加的初始阶段，这种不均匀性随填土厚度的增加而明显增大，而当填土厚度达到一定值(1.5～3 m)后，格栅应变分布曲线的形状大致相似.波浪形的格栅应变分布曲线，是格栅铺设张紧度、U形钉对格栅固定程度、坡面反包格栅张紧度和固定方式及反包体内土的密实程度(1#断面)或与石笼连接方式和松紧度(2#断面)、压路机碾压顺序等多种因素的综合反映，因此，没有固定的规律.如果格栅末端较牢靠地固定在下面的压实土层上，则末端格栅应变就大；如果坡面反包体包裹饱满、密实，则坡面处格栅应变就大.虽然格栅应变沿其长度呈明显的不均匀分布，但从应变的绝对量值上看，相差并不大，因为绝大多数测点的格栅应变都在0.5%以下，所以沿格栅长度方向最大应变与最小应变的差值一般也都在0.5%以下.

3.2 土压力观测结果及分析

图11为1#断面实测土压力随上覆土层厚度变化的典型曲线，其中编号末字母“H”为水平放置的土压力盒，测得的土压力为竖直土压力；编号末字母“V”为竖直放置的土压力盒，测得的土压力为水平向土压力，而Y-V1～Y-V5则为竖直埋于坡面反包体内的土压力盒，以测定坡面反包体所受侧向土压力的大小.由图11可知，一般情况下，实测竖直土压力比按σz=γh(γ=23.4 kN/m3，实测值)计算的理论值要小，特别是当填土高度超过约4 m以后.这主要是格栅加筋层的“张力膜作用”分担了部分上部土重的缘故，也证明了沈珠江关于加筋改变了土体应力场的观点.

图11 1#断面实测土压力

图12是根据1#断面中的Y-3-1测点和Y-3-3测点实测水平和竖向土压力计算出的静止侧压力系数K0，可见实测K0值起初随上覆土层厚度的增加而下降，至上覆土层厚度达约5 m后趋于稳定值.其中Y-3-1测点K0的稳定值约为0.2，Y-3-3测点K0的稳定值约为0.1.由于Y-3-3点更接近路堤的坡面，所以K0比Y-3-1点的小.如果按Jaky经验公式计算，则有K0=1-sinφ′=1-sin 43.4°=0.31.实测的K0一般都小于Jaky公式计算值.

图12 静止侧压力系数

在上覆土层较薄时，实测K0值较大的原因可能是压路机碾压和格栅限制了土体侧胀共同作用的结果.碾压时，被碾压的土体在产生竖向压缩的同时，还会产生侧向膨胀，但由于格栅的侧限作用使土体的侧胀比没有格栅加筋的情况要小，所以水平向的挤压力较后者大.随着填土厚度增大，压路机在土层表面的碾压对测点的影响逐渐减小，上述作用也随之减弱，所以K0值也逐渐下降，直到稳定.

图13为位于反包体内竖直放置的土压力盒实测的侧向土压力曲线，由图13可知，反包体受到的土压力非常小，一般不超过15 kPa.

图13 1#断面坡面反包体内侧向土压力

图14为2#断面实测土压力随上覆土层厚度变化的典型曲线.

图14 2#断面实测土压力

相同上覆土层厚度时，2#断面测得的土压力比1#断面的更小.这可能是由于2#断面中格栅在坡面处与石笼做了绑扎，连接较牢固，铺设的格栅在拉直后绷得更紧，所以“张力膜作用”更加明显的缘故.图14b)中的Y-V1和图14d)中的Y-V4是紧贴坡面石笼竖直埋置的土压力盒测得的侧向土压力曲线，代表了坡面石笼所受侧向土压力的大小，其值不超过4 kPa.另两个同样方式埋置的土压力盒Y-V2和Y-V3测得的侧向土压力基本为0.由此可知，坡面石笼受到的侧向土压力是可以忽略不计的.

坡面反包体或石笼受到的侧向土压力之所以很小，是由于反包体和石笼均为柔性结构，在路堤填筑过程中，当受到压路机的挤压或上部土重的作用后能较容易地产生侧向移动，使侧向土压力随时释放.这种自由的侧向移动体现了加筋陡坡路堤在变形的适应性方面比带刚性面板的加筋土挡墙优越.其次，格栅与土之间的相互作用和土拱效应，使得相邻两层格栅之间的土体受到侧向约束，部分侧向土压力转化为格栅与土之间的摩阻力，进而由格栅分担，只有一小部分侧向土压力由反包体或石笼来承担.这也是加筋对土体侧限作用的另一种表现.格栅层距越小，侧限作用越大，坡面防护结构受到的土压力就越小.

4 结 论

1) 土工格栅加筋砾石土陡坡路堤中实测的格栅应变水平较低，一般在1%以下，大多数不超过0.5%，个别测点接近1.5%，据此计算的格栅实际拉力一般仅为其抗拉强度的15%，极值也仅为22%左右.这说明在工作荷载下，土工格栅的应力应变远小于设计值，安全性完全有保障，格栅的长期蠕变也不会很大.

2) 试验路堤中实测的坡面防护结构所受到的水平土压力很小，大多数接近为0，所以不需要厚重的坡面防护结构，也不需要将其与加筋格栅做牢固连接.

3) 加筋路堤内的实测竖向土压力一般小于理论值，测点越深，实测水平土压力一般都小于Jakay经验公式计算值；且测点越深，实测竖直或水平土压力与理论值或经验公式计算值相差越大.这说明格栅加筋层存在张力膜作用，它分担了部分上部土体的重力，也说明加筋改变了土体的应力应变状态.