傅志斌 劉志華 介玉新

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北武漢 430074；2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；3.水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)），北京 100084）

0 引言

隨著土工合成材料越來越被工程界所熟悉，土工合成材料用于加筋土的案例越來越多。常用的加筋材料有土工織物、土工格柵、土工格室等，用于邊坡、擋土墻和地基加筋，以減小變形，增強(qiáng)穩(wěn)定性[1]。

可以采用三軸試驗(yàn)和模型試驗(yàn)研究加筋土的加筋效果和加筋機(jī)理，模型試驗(yàn)包括1g情況下的模型試驗(yàn)[2-3]和ng（g為重力加速度）情況下的離心模型試驗(yàn)[4-5]。關(guān)于筋材的加筋機(jī)理，一般認(rèn)為三軸試驗(yàn)中加筋相當(dāng)于給土體增加了一個(gè)似黏聚力或等效圍壓[6-7]，在一般應(yīng)力狀態(tài)下則相當(dāng)于提供了一個(gè)等效附加應(yīng)力[8-9]。

加筋作用的發(fā)揮需要筋材發(fā)生一定的變形，也就是說，如果土體處于側(cè)限狀態(tài)，由于側(cè)向沒有變形，那么加筋就沒有多大作用。我們對(duì)這一問題進(jìn)行研究，利用離心模型試驗(yàn)比較加筋和不加筋情況下土體的變形情況，發(fā)現(xiàn)側(cè)限情況下加筋也能夠減小土體的變形。

1 模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

采用清華大學(xué)的50gt土工離心機(jī)進(jìn)行模型試驗(yàn)。模型箱長(zhǎng)60 cm、寬20 cm、高52 cm。模型箱一側(cè)為有機(jī)玻璃。試驗(yàn)過程中，每5g采集一張圖片，每10g時(shí)穩(wěn)定2 min，到80g時(shí)穩(wěn)定5 min之后停止離心機(jī)運(yùn)行。

試驗(yàn)所用土樣為粉土，塑限18.5%，液限25%，最優(yōu)含水率16.9%，最大干密度1.7 g/cm3，黏聚力c=6.06 kPa，內(nèi)摩擦角φ=28.9°。試驗(yàn)土樣的含水率為19%，密度為1.55 g/cm3。加筋材料采用寬度為20 cm的普通醫(yī)用紗布，拉伸模量為20.86 kN/m。

試驗(yàn)共進(jìn)行3組。如圖1，試樣高度均為45 cm，其中試驗(yàn)N-U 為沒有加筋的情況，試驗(yàn)NR-5的加筋間距為5 cm；試驗(yàn)NR-3 的加筋間距為3 cm。圖中①—⑦為土壓力盒放置位置，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壓力測(cè)試結(jié)果不可靠。

圖1 模型斷面示意（單位：cm）

試驗(yàn)過程中，模型箱側(cè)面的攝像頭記錄下土體變形錄像，采用離心場(chǎng)非接觸位移測(cè)量技術(shù)[10]，根據(jù)錄像的圖片來分析相鄰圖片之間的位移差，從而確定土坡上各點(diǎn)的位移及變化，并繪制位移等值線圖。

2 主要試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)N-U 的土體中沒有鋪設(shè)筋材，處于側(cè)限狀態(tài)。試驗(yàn)過程中加速度每增加10g穩(wěn)定兩分鐘，達(dá)到80g時(shí)穩(wěn)定5分鐘，然后停止轉(zhuǎn)動(dòng)離心機(jī)。整個(gè)過程可以觀察到土體沉降量隨著加速度的增加而逐漸增大。試驗(yàn)結(jié)果見圖2—圖5。

圖2 縱斷面上典型點(diǎn)的沉降量隨加速度的變化（N-U）

圖3 縱斷面上典型點(diǎn)沉降與縱坐標(biāo)的關(guān)系（N-U）

圖4 80 g時(shí)橫斷面上典型點(diǎn)沉降與橫坐標(biāo)的關(guān)系（N-U）

圖5 80g時(shí)土體沉降變化云圖（N-U，單位：cm）

圖2是橫坐標(biāo)等于30 cm的縱斷面上典型點(diǎn)的沉降量隨加速度的變化曲線（以圖1中模型右下角為原點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo)），圖3是70g、75g、80g下30 cm處縱斷面上典型點(diǎn)的沉降與縱坐標(biāo)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，縱斷面上所有典型點(diǎn)的沉降量都隨著加速度的增加而增大，在同一加速度下，縱坐標(biāo)越大，沉降量越大。

圖4是80g時(shí)不同高度橫斷面（y=15、25、35、43 cm）上典型點(diǎn)的沉降與橫坐標(biāo)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，雖然高度相同，但各點(diǎn)的沉降仍然有一定差別，同一高度橫斷面的沉降變化并不均勻。圖5是80g時(shí)土體的沉降變化云圖。

試驗(yàn)NR-5中土體加筋間距5 cm，其它試驗(yàn)條件同N-U。試驗(yàn)結(jié)果見圖6—圖9。其中圖6是橫坐標(biāo)等于30 cm的縱斷面上典型點(diǎn)沉降隨加速度的變化曲線；圖7是70g、75g、80g下30 cm 處縱斷面上典型點(diǎn)沉降與縱坐標(biāo)的關(guān)系曲線；圖8是80g時(shí)不同高度橫斷面（y=15、25、35、43 cm）上典型點(diǎn)沉降與橫坐標(biāo)的關(guān)系曲線；圖9是試驗(yàn)NR-5 在80g時(shí)土體的沉降變化云圖。

圖6 縱斷面上典型點(diǎn)的沉降量隨加速度的變化（NR-5）

圖7 縱斷面上典型點(diǎn)沉降與縱坐標(biāo)的關(guān)系（NR-5）

圖8 80 g時(shí)橫斷面上典型點(diǎn)沉降與橫坐標(biāo)的關(guān)系（NR-5）

圖9 80 g時(shí)土體沉降變化云圖（NR-5，單位：cm）

試驗(yàn)NR-3中土體加筋間距3 cm，其它試驗(yàn)條件同上。試驗(yàn)結(jié)果見圖10—圖13。其中圖10—圖12是典型點(diǎn)的沉降量，圖13是80g時(shí)土體的沉降變化云圖。

圖10 縱斷面上典型點(diǎn)的沉降量隨加速度的變化（NR-3）

圖11 縱斷面上典型點(diǎn)沉降與縱坐標(biāo)的關(guān)系（NR-3）

圖12 80 g時(shí)橫斷面上典型點(diǎn)沉降與橫坐標(biāo)的關(guān)系（NR-5）

在圖5、圖9、圖13所示云圖顯示，左側(cè)沉降量較大，右側(cè)沉降量較小，而不是同一高度位置的土體呈現(xiàn)均勻沉降。推測(cè)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因是：離心機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，不同位置對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)半徑不同，加速度稍有不同，左側(cè)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)半徑大于右側(cè)，則左側(cè)對(duì)應(yīng)的加速度大于右側(cè)，最終三個(gè)云圖中試樣左側(cè)沉降量普遍大于右側(cè)。

圖13 80 g時(shí)土體沉降變化云圖（NR-3，單位：cm）

3 加筋對(duì)沉降的影響

為了比較加筋對(duì)沉降的影響情況，將80g時(shí)三個(gè)試驗(yàn)主要橫斷面上典型點(diǎn)的沉降變化曲線繪制于圖14中。從圖中可以看出，每個(gè)橫斷面上典型點(diǎn)沉降大小的順序?yàn)椋篘-U＞NR-5＞NR-3。表明側(cè)限狀態(tài)下加筋仍然能夠減小土體的沉降量，而且加筋間距越小，沉降量減少得越顯著。圖15為試驗(yàn)N-U、NR-5和NR-3橫坐標(biāo)30 cm的縱斷面上典型點(diǎn)的沉降量對(duì)比圖。從圖中也可以得到同樣的結(jié)論。

圖14 80 g時(shí)橫斷面上典型點(diǎn)沉降量的對(duì)比

圖15 縱斷面上不同加速度下典型點(diǎn)沉降量的對(duì)比

按照一般的理解，筋材通過約束土體的側(cè)向變形來增強(qiáng)土的強(qiáng)度和剛度，減小沉降量。所以加筋作用效果的上限應(yīng)該是側(cè)限狀態(tài)，即在側(cè)限狀態(tài)下，土在側(cè)向沒有變形，筋材作用難以發(fā)揮，此時(shí)加筋效果不明顯。但本文的試驗(yàn)表明，側(cè)限情況下加筋仍然能夠減小土的沉降，與常識(shí)不甚一致?？赡艿慕忉屖峭馏w面積較大時(shí)，側(cè)限情況下土的變形也不十分均勻，這種不均勻使得筋材在局部也能夠發(fā)揮一定的約束作用，增強(qiáng)土體的剛度和整體性。從圖5、圖9、圖13的云圖中，也能看出NR-3的變形更為均勻一些。

4 結(jié)論與討論

通常認(rèn)為筋材只在土體發(fā)生變形時(shí)才發(fā)揮作用，因此在有側(cè)限條件下筋材發(fā)揮的作用較小。本文利用離心模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了側(cè)限條件下不加筋和加筋時(shí)土體的沉降情況。發(fā)現(xiàn)同樣情況下，加筋能夠減小土的沉降，而且加筋間距越小，沉降減小的越顯著。這種發(fā)現(xiàn)有利于加深對(duì)筋材加筋作用機(jī)理的理解。由于試驗(yàn)資料比較有限，因此還需要更多的模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果來印證。