土工格栅加筋土高边坡现场试验研究.doc

土工格栅加筋土高边坡现场试验研究匡柯柯(石家庄铁道学院 土木分院，河北 石家庄 050043)摘要：以云南楚雄变电站高填方加筋土边坡工程为依托,选取其中一个试验断面,通过现场原位试验,进行了包括加筋土边坡侧向垂直土压力、坡面水平土压力、孔隙水压力等内容的现场试验,研究发现：加筋土中的垂直土压力实测值小于理论值，拉筋改变土体结构，具有减小垂直土压力的作用；不同高度位置的边坡水平土压力随填土厚度的增加呈非线性分布，开始迅速增加而后来回振荡；土工格栅加筋土的应力扩散作用使得上部的填土荷载产生的附加应力衰减较快，从而引起的孔隙水压力较小。结果可为土工格栅加筋结构的后续研究和工程实践提供参考.关键词：垂直土压力；坡面水平土压力；孔隙水压力；现场试验。中图分类号: TU432 文献标志码: A加筋土边坡在荷载土体自重和土压力作用下会发生侧向位移。由于拉筋的存在和拉筋与填料间的摩擦阻力约束了坡体的位移，又因加筋土挡边坡属柔性结构，使得其工作特性变得复杂，由于其理论还不完善,相关的试验研究包括有限元分析还在不断进行，都不能取得一个为众人接受的研究成果。本次研究以返包式土工格栅加筋土高边坡为例，进行了现场原位试验。测试项目包括加筋土边坡垂直土压力、边坡坡面包裹体后侧向土压力、坡体内孔隙水压力等。分析了从施工开始到竣工以后一年半时间的测试数据，比较全面、系统、深入地对返包式土工格栅加筋土边坡垂直土压力、坡面水平压力、坡体孔隙水压力等工作性能进行了研究。Research on high fill geogrid reinforced soil slope by field testThe field test of high fill reinforced soil slope in Chuxiong Substation of Yunnan is done on one test section .including the measurement of the vertical lateral soil pressure of the slope, the lateral horizontal pressure of slope and pore water pressure, etc. the study found: the value of reinforced soil vertical pressure measured is less than the theoretical one, geogrids change the soil structure and reduce the vertical soil pressure; the lateral horizontal pressure of slope in different heights is in nonlinear distribution after the increase in the thickness of soil, which increased rapidly and then oscillate back and forth; stress diffusion of geogrids reinforced soil make additional stress decay rapidly generated by the upper fill load, so that it cause the pore water less stressful. The results will provide reference for geogrids reinforced structural engineering practice and follow-up study1 试验方案楚雄换流站工程场地位于云南楚雄市禄丰县和平乡境内,距县城东北约20km。为中低山丘陵地貌, 受风化剥蚀作用形成宽缓的山丘相间地形,斜坡为旱地和林木。场地地面标高为1 787 1844m,最大高差达57m, 东、西侧自然坡度为8 20, 北侧自然坡度为20 35。总的地势为北东高、南西低。土工格栅加筋土边坡采取分台阶施工,土工格栅拉筋垂直间距为0. 5m, 其长度视边坡回填宽度取为12 38m。根据试验目的和要求,反映高填方加筋土边坡的稳定性, 并结合施工进度, 选取具有代表性的断面进行试验: 断面一为K0+ 140 断面,是高27m的三级加筋土边坡，在选定的试验断面上埋设测试元件, 并进行如下项目观测:（1）土压力试验采用ZX-506A钢弦式土压力盒，放置位置见图1.1，在K0+140断面每级台阶底层埋设土压力盒，测试垂直土压力；在边坡不同高度位置埋设垂直埋设土压力盒，测试水平土压力。（2）孔隙压力试验采用KYJ-30孔隙水压力计，在K0+140断面不同的高度位置安装孔隙水压计，用来反映孔隙水压力的变化情况。图1.1 K0+140断面测试元件埋设布置图2.垂直土压力分布规律测试工作从施工之初开始，施工过程回填一层土，读取数据一次。根据测试结果绘制了距坡面不同位置的垂直土压力和填土高度的关系曲线如图1.2：图1.3 K0+140断面第一级第1层部分土压力盒数值随填填土高度的变化曲线图1.4 垂直土压力理论值与实测值对比对多级加筋土边坡中垂直土压力分布图进行分析，可得出如下结论：(1)施工期间，各层垂直土压力沿远离边坡的水平方向均呈非线性分布，同一层的垂直土压力分布形式基本上是不变的。这可能是土工格栅产生了“薄膜”或“网兜”效应（即土拱效应，为了区别未加筋土的土拱效应，这里简称为加筋土拱效应），在土工格栅中形成托举力，使得土中垂直土压力产生了重新分配，从而土拱效应中间垂直土压力小，边缘垂直土压力大的现象出现。从图1.3还可以看出，距边坡2m内的垂直土压力基本上都较小，且变化不大。这可能是因为坡面附近土体自重应力比远离边坡处的小，主要靠上部土体产生的附加应力提供垂直土压力，以及边坡附近土体不能用大型机械设备碾压，距边坡1.5m范围内土体用振动式平板夯等轻型机械压实，这样一来坡面附近土的容重就会比其他地方低。(2)从图1.4可以看出，施工期间不同位置处的垂直土压力实测值基本上是随着填土厚度的增加而增加，增率是先快后慢，达到一定厚度后土压力基本上不变。但个别测试点的土压力有随着填土厚度的增加而减少，或者是中间有减小的现象。这主要是因为土层压实度不一致导致的，埋设的水平土压力盒在荷载作用不水平，以及加筋土拱效应不是静止的，而是动态的，这就导致了水平土压力盒所测的垂直土压力随填土厚度增加而减小的现象。(3)图1.4为随机选出的二个试验点的垂直土压力实测值与理论值的对比，从图中可知，加筋土中的垂直土压力实测值都小于理论值，这更加说明了拉筋改变土体结构，加筋后行成的加筋土结构的受力情况不同于未加筋土体，同时说明加筋土结构具有减小垂直土压力的效果。3 坡面处水平土压力分布规律为了测试坡面处的水平土压力，本试验在两个断面不同的层位坡面附近垂直埋设土压力盒。根据测试结果绘制了水平土压力随填土高度的关系曲线，见图1.5。图1.5 不同断面的不同层位坡面处水平土压力随填土厚度的变化曲线图分析坡面处水平土压力图1.5，可以得到以下结论：(1)不同高度位置的边坡处水平土压力随填土厚度的增加呈非线性分布，开始迅速增加而后来回振荡。这主要是土工格栅拉筋存在的缘故，在初始填土时，机械碾压对边坡产生较大的力而使加筋土向外变形较大，之后边坡受力比内部小，且拉筋的摩擦作用，使得边坡处的外推力变小，这就出现实测水平土压力值变小。(2)从图中还可以看出，在振荡过程甚至出现负值的现象。当施工期间，反包麻袋土没有夯实且麻袋内部土的空隙过大，当雨水浸泡后，就会导致原来在反包麻袋后面的竖直土压力盒实际受力为零，而我们安装这种土压力盒时是把其周围土压实后设为零的，因此，当竖直土压力盒周围土压实度小于设为零时的时候，采集到的水平土压力数据就会出现为负值。边坡处水平土压力为负，还可能是施工时反包格栅没有张拉到位。(3)边坡附近填土受力非常复杂，填土空隙变小水平土压力也变小，但在上部荷载作用下，填土有向外运动的趋势，这就使边坡处的水平土压力增大，但土工格栅在填土向外运动趋势下发生拉伸而使填土受到向外的推力得到一定的释放，这些现象在施工期间是不断的交替出现，从而导致边坡处水平土压力在施工期间随填土厚度成曲线分布(振荡现象)。(4)从图中还可以看出，边坡处水平土压力值都很小。这主要是因为边坡坡度比较缓，且边坡是台阶形式的，上部载荷实际传递到边坡处的较小。4 加筋土中的孔隙水压力分布规律根据孔隙水压计的测试结果绘制曲线见图。图1.5 K0+140断面第一级第7层孔隙水压力和时间的关系图1.6 K0+140断面第二级第4层孔隙水压力和时间的关系分析坡面处水平土压力图5.18，可以得到以下结论(1) 除了第一级第7层，其他各个试验点的孔隙水压力大小差不多，都在1015KPa范围内。第一级第7层当填土高度达到8m时，孔隙水压力出现了明显的增量，而后随着时间的推移孔压消散，这是由于填土高度施工到8m时，出现了一次强降雨，持续了一个星期左右，雨水渗入填土中使得孔隙水压力变大。 (2)实测孔压值反映了孔压的增加和消散过程，但其变化程度比较小，除了第一级第7层和第12层受到降雨的影响，其他试验位置基本上在2kPa范围内窄幅波动。这是由于本工程的填料为渗透性能较差的粘性土，使得土体中的孔隙水压力不容易消散。另外，土工格栅加筋土的应力扩散作用使得上部的填土荷载产生的附加应力衰减较快，从而引起的孔隙水压力较小。(3)在测试过程中个别试验点孔压值出现负值，这是由于孔压计在埋设之前没有完全浸水饱和，或者试验点周围土体由于挖坑后较长时间没有将仪器埋好压实，经过较长时间的晾晒比较干燥，产生了吸水现象，这样孔隙水压力会下降，甚至出现负值。由以上图中可以看出，这种现象只出现在测试初期。(4)回填土中的孔隙水压力随填土高度和时间的变化均不明显。在施工完成60天后的观测值和施工期间的观测值几乎没有变化，孔隙水压力没有出现增长或消散。由此可见以渗透性较差的粘性土作为填料的填方工程中，对孔隙水压力的控制关键是在施工阶段，严格控制填料的含水量。含水量过大可以掺杂碎石或者经过晾晒，这样在控制孔隙水压力的同时也有利于填料碾压，防止弹簧土的出现。(5)在同一层但距坡面距离不同的试验点上的孔隙水压力大小略有差异。距坡面距离近的试验点的孔隙水压力比远离坡面试验点的大一些。由于本工程地处云南楚雄州，次地区常年潮湿多雨，距坡面较近的位置有雨水浸入，而本工程填料为粘性土，孔隙水压力消散不明显，这样就造成近坡面处的孔压要稍大一些。5小 结通过对不同施工断面的现场观测，分析了加筋土体垂直和水平土压力的分布规律及加筋土体中孔隙水压力的变化情况。验证了该加筋土边坡结构完全满足强度、变形和稳定的要求，并得出以下有益结论：(1)施工期间不同位置处的垂直土压力实测值基本上是随着填土厚度的增加而增加，增率是先快后慢。加筋土中的垂直土压力实测值小于理论值，加筋土结构具有减小垂直土压力的效果；(2)边坡处水平土压力值都很小，随填土厚度的增加呈非线性分布，开始迅速增加而后来回振荡。土工格栅拉筋的摩擦作用以及反包法施工，有效的限制了边坡处的外推力； (3)本工程填料为粘性土，孔隙水压力消散不明显。由此可见渗透