黃玉純 吳廷楹 王寧 林志航 耿大新

摘要：土工格室對一般路基的性能影響顯著，但在兩側擋墻高填方填土路基中增加土工格室對路基承載性的提高程度還不明確。通過模型試驗，設置無筋和3種不同加筋間距等4種工況，研究土工格室在兩側擋墻路基中的應用效果、不同層間格室和擋土墻的力學特征。試驗表明：加筋除了對承載力的影響顯著，同時對路基初始模量有較大改善，在達到容許荷載時，其依舊能保持結構自身完整性;筋材所受拉應力與深度呈反比，首層格室所受拉應力和提升速率均遠大于其余層;擋土墻受力呈三角形分布，于0.22H處突然增大。

關鍵詞：土工格室;擋土墻;路基;承載力

中圖分類號：TU443;U416 文獻標志碼：A

本文引用格式：黃玉純，吳廷楹，王寧，等. 土工格室加筋對擋墻填方路基承載性的影響[J]. 華東交通大學學報，2023，40（1）：19-24.

Influence of Geocell on Capacity of Subgrade with Retaining Walls

Huang Yuchun1， Wu Tingying2， Wang Ning3， Lin Zhihang3， Geng Daxin3

（1. Nanchang Railway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Nanchang 330002， China; 2. Jiangxi Communications

Design and Research Institute Co.， Ltd.， Nanchang 330022， China; 3. Jiangxi Key Laboratory of Infrastructure Safety

Control in Geotechnical Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract：The effect of geocell on the performance of ordinary subgrade is significant， but the improvement of the bearing capacity of subgrade by adding geocell to the high fill subgrade with two side retaining walls is not clear. To explore the application of the geocell in this structure and mechanical characteristics of geocells between different layers and retaining walls， three different reinforcement spacings and one unreinforced operating condition are set to model test. The results show that： In addition to the significant influence of reinforcement on bearing capacity， it also greatly improves the initial modulus of subgrade. When the allowable load is reached， it can still maintain the integrity of the structure itself.The tensile stress of reinforcement is inversely proportional to the depth. The tensile stress and the lifting rate of the first layer are much greater than those of the other layers.The stress distribution of retaining wall is triangular and increases suddenly at 0.22H.

Key words： geocell; retaining wall; subgrade; bearing capacity

Citation format：HUANG Y C，WU T Y，WANG N，et al. Influence of geocell on capacity of subgrade with retaining walls[J]. Journal of East China Jiaotong University，2023，40（1）：19-24.

國內外學者對土工格室的性能、應用等進行了大量的研究[1-5]。在邊坡路基中，通過設置不同的加筋層數(shù)與鋪設間距，所得到的加筋效果不同[6]。相比于常規(guī)路基，土工格室加筋墊層路基的破壞模式區(qū)別顯著，其滑裂面未穿過堤身且發(fā)展更深[7]。改變土工格室自身強度或填料屬性，以此來進一步影響加筋效果，已有學者對此進行研究并初步總結出其權重因素[8-12]。此外，將土工格室應用于擋土墻中形成加筋擋墻結構，對穩(wěn)定性提升依然顯著[13-14]。在循環(huán)荷載作用下，加筋顯著降低路基在循環(huán)荷載下的永久變形、提高路堤承受循環(huán)荷載的能力[15]。在邊坡降雨入滲情況下，土工格室的植入依然有效，其防護效果隨降雨的持續(xù)愈發(fā)明顯。

余信貴大道是連接貴溪—信江新區(qū)—余江三地的都市區(qū)主干道，其中象山大橋附近采用了9.0～14.0 m的超高擋土墻，其底部荷載可達250 kPa以上。本文以現(xiàn)場為原型進行模型試驗。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，研究土工格室的加入對超高擋土墻填土路基受力性能上的影響，探索土工格室+柔性擋土墻的超高填土路基優(yōu)化方案。

1 試驗方案

1.1 相似準則及試驗模型

根據(jù)模型箱尺寸選取1∶20的相似比，模型試驗所用主要材料為實際工程材料，其泊松比μ、重度γ、彈性模量E等參數(shù)固定。試驗所涉及物理量由量綱分析法確定。

應力σ，位移S表達式分別為

σ=f（F，E，μ，l） （1）

S=f（F，E，μ，l） （2）

式中：l為幾何尺寸;F為集中力。

采用指數(shù)分析法，得到以下量綱關系

[σ]=f（Fa，Eb，μc，ld） （3）

經(jīng)量綱分析

[σ]=Fl-2·

·μc （4）

即

=

·μc （5）

得到判斷方程

=φ

·μc（6）

最后，得出相似依據(jù)

π1=，π2=μ，π3=（7）

綜上推導得到試驗所涉相似關系如表1所示。所采用的模型箱尺寸為1000 mm×500 mm×1000 mm（長×寬×高），模型箱壁采用10 mm厚透明有機玻璃面板，以便觀察模型的變形情況。

通過粘貼在擋土墻和土工格室上的應變片，采集試驗過程中擋土墻和土工格室的應變特征，進一步分析擋土墻和不同層間土工格室的力學變化特征。應變片的布設如圖1所示。

1.2 試驗材料

模型擋土墻采用40 mm厚木板，高度450 mm，木板彈性模量。所用土工格室為HDPE土工格室，其高度和焊距分別為h=20 mm和l=120 mm，經(jīng)室內拉伸試驗所得其伸長率不大于35%，拉伸模量約為442 Mpa。填土采用南昌贛江地區(qū)河砂，其物理力學參數(shù)見表2。

1.3 試驗裝置

加載裝置采用量程為20 t的千斤頂，將其安裝于反力架下端，并通過壓力傳感器作用在150 mm×200 mm的承壓板上。在承壓板兩側安裝百分表，以觀測路面沉降。

地基土：處理過后的河砂加水振動放入模型箱內，再靜置48 h。

擋土墻：為了盡可能模擬路基平面應變的狀態(tài)，擋土墻寬度與模型箱寬度相近。

填筑方式：路基按照50 mm 每層進行分層填筑，再用振實機進行夯實。為了將各個工況的密實度控制在95%左右，通過填筑體積和填料密度計算出需要填筑的砂土質量為184 kg左右。

1.4 試驗步驟

試驗工況：本試驗共設置4種工況。工況變量為土工格室在豎直方向上的間距，用b表示。根據(jù)工程現(xiàn)場采用的土工格室的尺寸和填筑的間距，設定b=2h，3h，4.5h和無筋4種工況（h為土工格室高度）。

加載方式：各種工況在填筑完成，以40 kPa的初始值和40 kPa的加載增量模擬單車道加載，每級加載記錄t=0，10，20，30，45，60 min時的沉降，之后半個小時記錄一次數(shù)據(jù)，當連續(xù)兩個小時內，每小時的沉降量小于0.05 mm時即可進行下一級加載。

破壞準則：參考《公路路基設計規(guī)范》，當沉降大于15 mm時，即視為破壞。若沉降還未達到15 mm時加載出現(xiàn)峰值，則認為路基已達到最大容許承載力。

2 試驗結果及分析

2.1 荷載-沉降位移曲線

圖3所示為本次試驗4種工況的荷載-沉降位移曲線?？芍?，加筋層數(shù)增加對擋土墻路基承載力的提高依然顯著。相比于無筋路基，4.5h、3h、2h間距加筋路基在沉降達到15 mm時所受荷載分別提高了32.5%、60%、100%。土工格室發(fā)揮其三維“網(wǎng)兜”效應，一方面通過約束土體的橫向變形，提高豎向承載力，另一方面鄰近單元格室相互平衡，加之土工格室壁上的粗糙紋理，使得土-筋界面的摩阻力有效抑制室內土體移動，從而有效地控制了豎向變形。在初始的40 kPa作用下，只有無筋路基和4.5h間距加筋路基產(chǎn)生沉降，分別為0.653 mm和0.454 mm。荷載達200 kPa以后，b=2h和b=3h工況路基沉降方才達到1 mm以上，說明高密度加筋路基顯著提高路基的初始模量。

荷載的施加位置為單側車道加載，4種工況在加載到規(guī)范中的容許承載力時，均為路面發(fā)生沉降，擋土墻未出現(xiàn)明顯的整體破壞。僅在無筋工況下，擋土墻發(fā)生轉動，轉動角度約為0.012 2 rad。說明土工格室起到了束縛土體橫向移動的作用，以此減小墻背土壓力。

2.2 土工格室上的應力

圖4為3種不同工況下，不同層間土工格室拉應力隨加載值演化的規(guī)律曲線，其中，H表示擋土墻高度。

從圖4可以看出，在荷載作用下應力的分布隨深度成反比遞減，所以由淺層到深層格室所受拉應力越來越小。觀察發(fā)現(xiàn)隨加載等級提高，首層格室拉應力在增加速率上明顯大于其余層，這是由于首層直接接受上部荷載所傳遞的應力，而其余層均有上層格室為其弱化這一應力，可見對于首層格室的強度把控具有極大的工程意義。在加載后期淺層格室拉應力提升速率要大于前期，分析原因，在加載初期，僅淺層路基有明顯變形，而在變形較低處，上部荷載僅對格室起到填料的致密化作用，此時格室壁上存在的應變極少。而隨著荷載的增大，水平壓力分布導致格室中拉應力的移動。

圖5為兩種不同工況在前6級荷載下0.4H和0.8H處筋材受力對比。其中，隨著加筋密度的提高，單個筋材所受力均有減少。具體表現(xiàn)為在240 kPa作用下，b=3h相比于b=4.5h在s=0.8H和s=0.4H處所受拉應力分別減小了24.7%和34.6%?？梢娡凉じ袷宜芾瓚梢韵拗拼怪狈至窟M一步往下移動，從而各層格室所受拉應力均有衰減，衰減效果與加筋密度呈正相關。

2.3 擋土墻上的應力

圖6為此結構作用在局部荷載情況下，擋土墻彎矩沿墻高分布規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn)，擋墻受力整體呈三角形規(guī)律分布，而在2/9H處，彎矩發(fā)生突變。這是因為土中的應力擴散作用將頂部的荷載所產(chǎn)生的土體應力主要輻射在2/9H周邊，其余部位所受頂部荷載的影響較小。這一現(xiàn)象與一種計算頂部作用荷載時的墻背土壓力的近似方法結論相吻合（圖7），該近似方法認為當路面作用均布荷載q時，該荷載只對一定范圍內的墻背土壓力分布產(chǎn)生影響。該范圍兩端點與局部荷載兩端點連線的角度為φ/2+45°，通過計算得出其角度為57°，與理論值相近，與Chen[20]所得出結論類似，即加筋土與未加筋土主要存在粘聚力的差異，加筋前后的內摩擦角不會引起較大變化。

圖8為200 kPa作用下不同工況間擋墻彎矩。對比發(fā)現(xiàn)，4種工況在相同荷載作用下，土體對擋土墻的作用所產(chǎn)生的彎矩值不同。以最大處2/9H為例，2h，3h，4.5h間距加筋下作用200 kPa荷載時，其所產(chǎn)生彎矩相比于無筋路基分別減小8.28%，16.43%，29.97%?？芍畈牡匿佋O提高了土體抗剪強度。

3 結論

1） 在擋土墻路基中鋪設土工格室除了對路基承載力有明顯提升以外，其對于路基的初始模量的提升也十分明顯。

2） 基于正常使用極限狀態(tài)下，路面沉降達到了容許值，無筋路基僅墻體發(fā)生轉動，而加筋路基仍能保持結構的整體性，證實植入土工格室的優(yōu)越性。

3） 格室所受拉應力由淺層到深層越來越小，首層格室從拉應力和提升速率上均遠大于其余層。隨著加筋層數(shù)越密集，相同荷載下單層筋材受到的應變就越低。

4） 試驗所得擋土墻受力呈三角形分布，在0.22H處有突變。所得結果與頂部作用荷載時的土壓力計算結論類似，說明加筋并不會顯著改變砂土路基的內摩擦角，但對于填土抗剪強度提高明顯。

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