模块面板式加筋土路基力学行为试验研究_李东珀.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202207063开放科学（资源服务）标识码（OSID）模块面板式加筋土路基力学行为试验研究李东珀1，王 莉1，景宏君2，龙 坤2（1.延安市公路局，陕西延安716000；2.西安科技大学建筑与土木工程学院，西安710054）摘要：利用加筋土路基室内试验模型，探索模块面板式加筋土路基在顶面局部荷载作用下的受力变形规律。结果显示：侧向和竖向土压力沿格栅布设长度方向均呈中部大、两端小的非线性分布趋势；面板累积侧向位移沿面板高度呈“中央大于首尾”的非线性分布趋势；格栅累积应变在整个填筑-加载过程中经历增加-波动和减小-稳定两个阶段；路基上部附加应力扩散角随外荷载的增加呈先增后减态势；侧向土压力系数沿面板高度分布规律与侧向土压力较为一致。关键词：道路工程；土工格栅；加筋土路基；力学行为；模型试验；扩散角中图分类号：TU411.93文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0107 08 0 引言加筋技术是国内外工程研究领域的热点之一。在加筋土强度作用机制方面，Vidal H1最早试验揭示，掺有筋材的砂土强度显著提升；雷胜友2研究发现黄土铺设不同类型筋材后其强度产生明显差异，明确了加筋复合体强度与筋材类型之间的关系；王钊等3研究格栅拉应力向上分力的张力膜效应及横向水平分力效应，并根据筋材抗拔出极限状态建立了临界筋材长度的计算式；李婷等4基于胡克定律建立加筋结构体因筋材伸长而产生的侧向位移解析式，再引入虚功原理建立加筋区在外荷载下产生的整体侧向位移解析式，实现了对加筋土路基的总体侧向位移理论计算；徐超等5对加筋土界面强度研究方法及手段等研究进展进行阶段性总结；Li J 等6通过常规三轴和界面拉拔试验，阐明了纤维加筋土的剪切强度是否受未加筋处理土体峰值强度或残余强度的控制；杨敏、苏立海等7-8通过界面直剪拉拔试验及大尺寸三轴蠕变试验，揭示土体压实度、围压、布筋方式等对加筋结构体的蠕变及加固机制的潜在影响；刘宽等9-12探讨极端干湿、冻融及水化学等耦合环境下，特殊土动静力学响应规律及强度劣化机制。各类土工合成材料加筋结构体的界面强度演化规律研究日趋严谨。现场试验研究方面，Suzuki M 等13研究熟石灰加筋挡墙的拉拔性能，指出若墙高不超过 15m，筋材长度可适当缩短，且可用熟石灰代替砂土；靳静、Wang H 等14-15研究多种类型加筋土挡墙的受力和变形状态，揭示基底应力、墙背侧向土压力、筋材拉力和墙体侧向位移等分布规律及形成机制。模型试验研究方面，Mhaiskar S Y 等16研究土工格室强度、尺寸等对加筋软土地基工作性能的潜在影响；Shinde A L 等17通过加筋土挡墙在垂直附加条形荷载作用下的室内模型试验，阐明面板变形和拉筋应变的分布规律及内在力学机制；Wu J T 等18采用 SRT 改进后的 FEM 算法，研究弱墙体中间层和双层土工格室加固的挡土墙的稳定性及破坏机制；Wang J Q 等19开展相似模型试验，研究循环荷载作用下土工格栅加筋砂土浅基础的沉降及动力响应；Yoo C 等20对多级加筋土挡墙进行足尺试验和三维有限元数值计算，揭示不同超载工况下筋材应变的分布和衰减情况；EhrlichH M等21开展室内加筋土挡墙模型试验，揭示不同压实条件下加筋土挡墙的力学机制；王家全等22通过多组动载和静载作用下加筋土路基力学行为模型试验，发现动载作用下，加载部位竖向变形在临界荷载变化处随着荷载幅值的增加呈“斜坡阶梯式”增长；高江平等23采用定西黄土填筑加筋土挡墙室内模型，关注其破裂面形成及发展趋势，提出较传统的 0.3H 法及朗肯破裂面更为普遍的加筋土挡墙破坏模式；刘光鹏等24针对高铁路基加筋土挡 收稿日期：2022 09 15基金项目：国家自然科学基金项目（41672305）；陕西省延安公路管理局项目（2017-16k）作者简介：李东珀（1979），男，陕西甘泉人。高级工程师，主要从事公路工程科研及管理工作。E-mail：。李东珀，等：模块面板式加筋土路基力学行为试验研究 107 墙动静荷载变形破坏问题开展模型试验研究，发现高铁列车动载作用下加筋土挡墙最大变形位置为墙底 0.2H 处（H 为挡墙高度），而静载作用下加筋土挡墙极最大变形位置为墙中间 0.5H 处；陈建峰等25在离心模型试验数据基础上，建立了软土地基刚/柔性组合墙面加筋土挡墙离散-连续耦合数值模型，揭示了刚/柔性组合墙面加筋土挡墙的内部破坏机制；唐辉明等26借助离心技术探讨了三峡地区某 57 m 超高加筋土挡墙内部土压力和筋带应力分布规律。以上研究大多集中于加筋土路基或挡墙的整体强度影响规律，未着重考虑路面外荷载对加筋结构体力学行为带来的影响，而公路路面结构形成的静载及行车荷载均是影响加筋土路基工程性能的关键因素。本文构建室内静力加载模型试验，对路基、土工格栅和面板的应力分布、变形规律及荷载在加筋土路基中的扩散特性进行研究。1 试验方案 1.1 试验填料及土工格栅基本特性填料取自延安市某加筋土路基路桥过渡段地基，主要物理力学指标，见表 1。土体的颗粒级配曲线，见图 1。表1填料主要物理力学指标天然含水率/%天然密度/（gcm3）干密度/（gcm3）孔隙比 液限/%塑限/%颗粒比重15.801.451.241.0531.220.62.71 1010.10.010.0010102030405060708090100小于某粒径的质量百分比/%土粒直径/mm图1土体的颗粒级配曲线 TGDG-35 高密度聚丙烯单向土工格栅，采用万能试验机拉拔试验，基本物理力学指标，见表 2。表2土工格栅主要物理力学指标厚度/mm单勒条宽/mm2%应变强度/（kNm1）5%应变强度/（kNm1）抗拉强度/（kNm1）1.005.506.0510.0535.00 1.2 模型箱及路基尺寸依据某加筋土路基工程的实际尺寸及相关规C范，确定相似比=4，模型试验相似常数取值，见表 3。对实验室多功能加载测试系统进行改进，确定路基半幅模型尺寸为长2.1 m、宽1.0 m、高1.5 m，见图 2。表3模型试验相似常数取值物理量尺寸 位移 容重 面力 杨氏模量 泊松比 摩擦角 黏聚力相似常数ClCsCCTCECCCc取值4411/41111 图2搭建模型 1.3 填筑要求及监测方案将所取填土击碎过筛，在最佳含水率下分层填筑，采用人工夯实，每层松铺厚度 14 cm，击实厚度 10 cm，压实遍数 6，压实度不低于 90%。格栅铺设长度 2.00 m，竖向间距 0.30 m，共铺设 4 层，每层格栅底部沿铅垂向和水平向各布设土压力传感器 4 枚，水平向测试竖向土压力，垂直向捕捉侧向土压力，水平间距 0.50 m。电阻式应变片沿受拉方向布设于格栅中间处，每层布设 7 枚，间隔0.25 m。每层混凝土面板的中心部位布设位移传感器以监测路基侧向变形，共 9 枚，竖向间隔0.15 m。加载板短边中心处分别布设两枚位移传感器以监测路基竖向沉降。试验模型设计，见图 3。WY-1WY-2WY-3WY-4WY-5WY-6WY-7WY-8WY-9CT-1CT-4ST-1ST-4CT-5CT-8ST-5ST-8CT-9CT-12ST-9ST-12CT-13CT-16ST-13ST-16YB-1YB-6YB-7YB-12YB-13YB-18YB-19YB-24WY-10WY-11地基21001500500250300位移传感器垂直/水平土压力传感器应变片CT/STYBWY图3加筋土路基尺寸及监测仪器布置（单位：mm）测试元器件参数，见表 4。试验元器件布置，见图 4。模型面板采用预制 C30 混凝土模块筑成，A、B、C 三种结构类型、面板与格栅连接方式，路基工程 108 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）见图 5。表4测试元器件参数名称型号量程精度土压力盒TSV321110.05 MPa0.001 MPa位移计YHD-50300 mm0.01 mm应变片BX120-3AA2000 0.01 应力应变测试仪CML-1H240.01 a 微型土压力传感器埋置 b 单层格栅应变片布置图4试验元器件布置 50150402005015040300 a A类 b B类15050300300 c C类 d 面板与格栅连接方式面板基础土工格栅上层模块前端 压住格栅连接件卡住 格栅横肋图5模型的面板结构及面板与格栅连接方式（单位：mm）1.4 加载方案加载板的位置和尺寸，根据路基原型车辆荷载作用的位置和模型与原型的相似关系确定。根据公路加筋土工程设计规范27和相关研究经验15,19，借助土柱高度换算法确定每级加载幅值，初始荷载 0，分 6 级逐级加载，每级递增 10 kPa直至 60 kPa。承载钢板长 0.50 m、宽 0.40 m、厚0.02 m，荷载作用面积约 0.2 m2。正式加载前，先预压以检测各元器件功能，记录初始读数；而后逐级施加竖向荷载，待每级荷载下采集数据稳定后（每 30 分钟记录 1 次，直至前后两次数据不再变化），再施加下一级荷载，相邻荷载间隔 0.5 小时。2 试验结果及分析 2.1 土压力分布规律 2.1.1 竖向土压力分布分级静载作用下路基竖向土压力沿格栅长度方向的分布曲线，见图 6图 9。整体来看，各层竖向土压力均随着荷载的增加呈非线性分布。00.51.01.52.0101214161820222410 kPa 20 kPa 30 kPa 40 kPa50 kPa60 kPa0.1 m 0.6 m 1.1 m 1.6 m竖向土压力/kPa1020304050601012141618202224竖向土压力/kPa a 沿格栅长度距混凝土面板距离/m b 随荷载增加静荷载/kPa图6层高 0.375m 处竖向土压力分布 00.51.01.52.081012141618202210 kPa 20 kPa 30 kPa 40 kPa50 kPa60 kPa0.1 m 0.6 m 1.1 m 1.6 m竖向土压力/kPa1020304050606912151821竖向土压力/kPa a 沿格栅长度距混凝土面板距离/m b 随荷载增加静荷载/kPa图7层高 0.675m 处竖向土压力分布 00.51.01.52.05101520253010 kPa 20 kPa 30 kPa 40 kPa50 kPa60 kPa0.1 m 0.6 m 1.1 m 1.6 m竖向土压力/kPa10203040506051015202530竖向土压力/kPa a 沿格栅长度距混凝土面板距离/m b 随荷载增加静荷载/kPa图8层高 0.975m 处竖向土压力分布 00.51.01.52.0510152025353010 kPa 20 kPa 30 kPa 40 kPa50 kPa60 kPa0.1 m 0.6 m 1.1 m 1.6 m竖向土压力/kPa10203040506005101520253530竖向土压力/kPa a 沿格栅长度距混凝土面板距离/m b 随荷载增加静荷载/kPa图9层高 1.275m 处竖向土压力分布 竖向土压力在路基中部呈显著增加趋势，靠近面板处及模型箱另一端处增幅相对偏小，这种趋势随着填高增加愈加显著；越靠近加载系统，竖向土压力变化越显著。一般认为靠近面板处的土体会因上部荷载产生的倾覆力形成较为显著的竖向土压力，但实测结果偏小，归结于面板产生了一定的侧向位移，面板周围的倾覆力得以消散，同时也释放掉其周围的部分竖向土压力，随着上部荷载的持续作用，新的倾覆力又在路基中部聚集，进而竖向土压力峰值点相应出现在格栅中部处。李东珀，等：模块面板式加筋土路基力学行为试验研究 109 定量来看，随着外荷载的增加，填土层位较高处（靠近加载板）增加较为显著，较低层填土位置处竖向土压力增加相对缓慢且幅度甚微。距面板x=1.1 m 处，在整个静载梯度下，路基较高处两个监测断面竖向土压力分别增加 9.90、29