土工格室在黄土边坡公路中的试验研究及应用

1、第25卷 增1岩石力学与工程学报 Vol.25 Supp.12006年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2006土工格室在黄土边坡公路中的试验研究及应用晏长根12，杨晓华2，石玉玲2，祁生文1，(1. 中国科学院 工程地质力学重点实验室，北京 100029；2. 长安大学，陕西 西安 710064)摘要：土工格室作为一种新型柔性防护材料，在公路防护中的应用十分广泛。室内冲刷模型试验表明，在黄土边坡中添加土工格室后，可以降低平均累计冲蚀率达48%，并可减弱冲沟的发育和形成，从而防止路基的坍塌；在饱和黄土地基承载力试

2、验表明，在加土工格室后，可以将其承载力提高23倍，并使其破坏方式只有局部剪切破坏和整体剪切破坏2种。关键词：土力学；冲刷模型试验；承载力试验；土工格室；防护中图分类号：TU 43 文献标识码：A 文章编号：10006915(2006)增1323504TESTING AND APPLICATION OF GEOCELLIN LOESS SLOPES OF HIGHWAYYAN Changgen12，YANG Xiaohua2，SHI Yuling2，QI Shengwen1，(1. Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Institute of G

3、eology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；2. Changan University，Xian，Shaanxi 710064，China)Abstract：As a type of new flexible protective material，geocell has broad application in slopes of highway. Eroding model experiment shows，by adding geocell，not only can the total av

4、erage erosion rate be decreased to 48% but also gulches development and evolution are weakened，thus the collapsing of roadbed is avoided. Foundation bearing capacity of saturated loess test indicates，by the same way，that loess slopes of highway will double or treble its capacity and limit its failur

5、e to local or slobaal shear failure. Many practical engineering examples have proved，as a type of flexible protective material，that geocell has good effects on slopes of highway. Key words：soil mechanics；eroding model test；bearing capacity test；geocell；protection冲刷能力，达到黄土抗冲刷和绿化环境的目的。用土工格室对饱和地基进行局部换填

6、加固，形成水平向加筋复合结构体，能提高地基承载力，达到加固饱和地基之目的。目前土工格室在公路上的实际应用已经十分广泛，但是在这方面的试验和规程则相对落后。本文主要通过土工格室对黄土边坡抗冲刷模型试验和饱和黄土地基格室加固承载力模型试验，对其防护效果进行初步的分析探讨。1 引 言土工格室是20世纪80年代开发研制出的新型土工合成材料，它由高密度聚乙烯或聚丙烯共聚物片材经超声波焊接而成，具有三维网格结构，整体强度高、耐老化、抗腐蚀性能好等优点。用土工格室对黄土路堤边坡进行表层的防护加固，形成表层一定厚度的复合结构体系，能有效地提高边坡的抗收稿日期：20050822；修回日期：20050902基金项

7、目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412700)；中国青年科学基金项目(40302032) 3236 岩石力学与工程学报 2006年2 土工格室在黄土路堤边坡中的防护作用在黄土地区，植被恢复很慢，由于黄土本身的特性以及突发性的暴雨，对路堤边坡的冲蚀作用十分明显，甚至造成路基的坍塌。目前对于黄土路堤边坡冲刷防护的方法主要有混凝土、片石等1，对于土工格室和土工织物的边坡防护，一般为有关稳定性分析和防护步骤等方面的研究2，3，而没有具体的效果和试验研究，防护设计时也无规范可依。为此，笔者做了一系列土工格室在黄土路堤边坡冲刷防护的对比试验。 2.1 试验参数和条件试验在长安大学公

8、路学院水力实验室进行，模型箱尺寸为5.4 m×1.5 m(长×宽)，上部深1.2 m，下部深0.6 m(见图1)。上部进水采用流量计控制，并有一水池，保持水流形成均匀坡面流，在水池和土接触处用纱布联接。图1 边坡冲刷试验系统简图(单位：cm) Fig.1 Testing system sketch for slope erosion(unit：cm)图2 土工格室示意图(40 cm×40 cm) Fig.2 Sketch of geocell(40 cm×40 cm)则采用黄土地区路堤边坡最常见的11.75和11.5两种坡比。考虑到试验时的条件难于掌握，

9、如压实度、湿度、坡面平整程度、水、气候、土的平整度、室内温度的变化等，故采用对比试验。也就是一半进行填埋格室的冲刷，另一半则没有格室进行冲刷，中间用木板隔开。由于是相同条件下进行夯实，对于同样的土，同一时间进行试验，这样可以避免许多因素的干扰而直接对比出有无格室的效果。试验时每120 s采集冲刷水样1次，对有无格室两边同时取样。在每次试验前测量每个量瓶的空瓶质量，加水(没有冲刷前的水)质量以及冲刷后的水瓶质量。根据土工试验规程中的密度法，即可计算出每次的含砂量，进而根据流量计算出总的冲蚀量。2.2 试验主要结论试验结果表明由于格室的作用随着时间的延长，累计冲蚀量总体呈现降低的趋势(见图3)。开

10、始的600 s，有格室的比无格室的冲蚀量大4，在 1 2002 400 s时段有格室的比无格室的冲蚀量明显降低。40 cm×40 cm格室的在接下来的时段由于格室降低的冲蚀量分别为：19.060，21.393，29.017 kg；而80 cm×80 cm格室降低的冲蚀量分时段分别为：12.071，11.990，23.332 kg，总体有随着时间降低的趋势，而40 cm×40 cm格室比80 cm×80 cm格室效果稍好(见图4)。 2.3 工程实例土工格室对于黄土地区的路堤边坡防护效果比较明显，图5所示为甘肃某高速公路桥头路堤格室防护效果。采用土工格室后

11、既可以防止水流冲刷还可以做到生态绿化。第25卷 增1 晏长根等. 土工格室在黄土边坡公路中的试验研究及应用 3237 gk/量蚀冲段时各时间 /min图3 各时段冲蚀量随时间变化图(坡比：11.75，流量：1.5 m3/h)Fig.3 Erosion amount varying with time (slope ratio：11.75，flux：1.5 m3/h)gk/量蚀冲计累40 cm格室80 cm格室 时间/min图4 不同格室累计冲蚀量比较图(坡比：11.75，流量：1.5 m3/h)Fig.4 Accumulated erosion amount under different g

12、eocells(slope ratio：11.75，flux：1.5 m3/h)图5 高速公路桥头路堤格室防护效果Fig.5 Protection effect of a bridge embankment with geocell3 土工格室加固饱和黄土公路路基近年来，采用土工合成材料处理软弱地基，已取得了较好效果5，而用土工格室加固饱和黄土地基，则是一种新的加固方法。室内模型试验主要是测试土工格室加固饱和黄土的地基承载力，以土工格室规格、格室填料类型、填料压实度为主要影响因素，同时考虑承载板尺寸大小的影响，分析加固体地基性状，对该种方法的加固效果进行评价。模型试验在大型试槽中进行，模型尺寸

13、为3 m×2 m (长×宽)，模型布置如图6所示。注：H为土工格室高度图6 模型布置示意图 Fig.6 Model test sketch3.1 测试方法及控制地基承载力测试采用承载板静载试验方法。考虑承载板大小对沉降的影响，承载板直径分别为D = 30 cm和D = 70 cm。加荷系统为液压式千斤顶(500 kN)，反力系统为砂袋堆载(32 kN)，竖向位移用百分表和杠杆式弯沉仪(5.4 m)进行测量。加载等级视被测对象的刚度不同即时调整，终止试验的标准为：(1) 试验荷载大于实际可能的最大荷载(700 kPa)；(2) 相对沉降量(S/D)超过0.06。试验共完成13

14、组(其中D = 30 cm承载板9组，D = 70 cm承载板4组)，见表1。试验中地基承载力取值标准为：对D = 30 cm承载板，按相对沉降法，取S/D = 0.02所对应的荷载为承载力基本值；对D = 70 cm承载板，按极限荷载法，即承载力基本值f0 = 1/2 Pu。表1 试验组合设计及编号 Table 1 Test design and number黄土格室规格K = 0.90K = 0.80格室1(高度×焊距)(100400) T11 T21格室2(高度×焊距)(100510) T12 T22 格室3(高度×焊距)(1504001.2) T13 T2

15、3 格室4(高度×焊距)(1505101.2) T14 T24注：(1) 每组做2次平行试验；(2) 压实度控制误差±2%。3.2 试验结果及主要结论试验首先对饱和黄土不加格室进行了D = 30 cm的试验，再根据表1进行试验组合，试验结果见图7，8。 3238 岩石力学与工程学报 2006年P/kPamm/S图7 不同格室试验曲线(D = 30 cm)Fig.7 Test curves under different geocells(D = 30 cm)P/kPamm/S图8 承载板直径D = 70 cm荷载试验曲线Fig.8 Load test curves(D =

16、70 cm)由图7，8可知：(1) 处理后的饱和黄土地基承载力均得到了提高。特别是在保证格室填料压实度的情况下(K = 0.90)，地基承载力提高3倍左右，达到202255 kPa。(2) 土工格室填料的压实度对地基承载力的提高影响显著。试验表明，当填料压实度K为0.800.90，地基承载力从120160 kPa提高到202255 kPa。(3) 承载板直径的大小对地基沉降影响较大，试验结果表明，承载板直径的增大与地基沉降量的增加成正比。当承载板直径为30 cm时，P-S曲线无明显拐点，地基破坏表现为局部剪切破坏；当承载板直径为70 cm时，P-S曲线有明显的拐点，地基破坏表现为整体剪切破坏；

17、另外，试验中发现，地基破坏时未发生土工格室被剪断的现象。因此，土工格室加固饱和黄土地基破坏为局部剪切破坏和整体剪切破坏两种类型。4 结 论土工格室模型试验和实际工程结果表明： (1) 用土工格室可以改变水流冲刷的路径，并且削减水流的冲蚀能量，从而起到抗冲蚀的效果。(2) 对于边坡这种侧向需要防护的边界，用土工格室既可以起到防止冲刷和提高整体稳定性的作用，又可以同时绿化边坡。(3) 土工格室主要是作为土体的侧向约束，起到增加土体视黏聚力的作用，从而减少土体变形量和增加其承载力的作用，由此改变土体的破坏模式。参考文献(References)：1 金祥秋，解赴东，崔凌秋，等. 路基防护类型的选择及加

18、固方案J.吉林交通科技，2001，(4)：1215.(Jin Xiangqiu，Xie Fudong，Cui Lingqiu，et al. Choice of reinforcement method for road embankmentJ. Jilin Science and Technology of Communications，2001，(4)：1215.(in Chinese)2 王广月，王银山，杨建顺. 土工格室在边坡防护中的应用J. 中国水土保持，2003，(2)：3334.(Wang Guangyue，Wang Yinshan，Yang Jianshun. Geocells applied in enforcement of