土工格栅加筋土路基的现场对比试验研究

贾斌，徐超，贾敏才，蒋堃

（同济大学，岩土工程与地下结构教育部重点实验室，上海 200092）

0 引言

土工合成材料加筋土挡墙/路基具有建造费用低、对施工场地及施工设备要求不高、与环境协调性好等特点，已广泛应用于我国公路、铁路及水利等工程领域，并取得了良好的经济效益和社会效益。

目前，对加筋土技术研究主要集中在加筋土的筋土相互作用机理的试验研究、加筋土结构模型（缩尺、原型、离心）试验研究和加筋土结构数值计算三方面，并取得了大量的科研成果。由于现场试验可以真实反应加筋土挡墙/路基的实际情况，有利于加深对加筋机理的认识，因此国内外很多学者采用现场试验对加筋土挡墙/路基工作机理进行研究。雷胜友[1]对1座台阶式钢筋混凝土串联拉筋加筋土挡墙进行研究认为筋带上不但分布着压应力，局部还分布着拉应力，且最大应力位置在距离面板0.286 H处；高江平[2]对大型加筋土挡墙模型的土压力进行测试研究，提出土压力系数应区分为填土自重土压力系数和超载土压力系数；YOO[3，5]对已完成建造6 a，长300 m的加筋土挡墙进行研究，认为墙体发生较大变形是由于施工质量较差的原因，并采取了相关的补救措施，同时认为超载对挡墙上部格栅的影响要大于下部；KAZIMIREOWICZ-FRANKOWSKA[4]通过对反包式加筋土挡墙长达33个月的监测，认为挡墙的最大位移靠近挡墙顶部，最小位移位于挡墙的底部；周世良[6]对某高速公路台阶式加筋土挡墙进行了研究，认为其变形特征不同于单级直立式挡墙，墙后土压力受台阶卸载影响而较小，潜在破裂面与0.3 H的假定有较大差异；张发春[7]对3个不同的土工格栅加筋土挡墙进行研究，认为墙底土压力存在单峰分布，且大于γ·H，筋材变形沿横断面出现双峰分布；杨广庆[8]认为刚性基础上的加筋土挡墙墙底垂直土压力沿筋长方向由均匀等值分布到呈曲线分布，最大值靠近墙面位置，柔性基础上的加筋土挡墙墙底垂直土压力沿筋长方向呈线性分布，最大值靠近拉筋尾部，格栅应变最大值小于0.4%。

其实，加筋土挡墙/路基的工作性能和变形特征受加筋材料力学特性的影响。在同一试验段，对比分析2种不同土工格栅加筋土挡墙/路基的研究尚未见报道，而且目前的加筋土挡墙/路基中，很少使用PET（聚酯）土工格栅作为加筋材料。为此，本文在已有研究经验基础上，以十房高速公路加筋土路基试验段为依托，设计建造了HDPE（高密度聚乙烯）土工格栅和PET格栅加筋土路基，通过监测加筋土路基内的垂直土压力、格栅末端水平土压力、格栅应变及路基水平位移，比较全面地研究两种不同加筋材料的加筋土路基的变形特征和工作机理。

1 工程概况

十房高速公路试验段的里程桩号为GK0+308~GK0+463，长145 m。该路段下部由于受基岩边坡限制，先修筑圬工重力式挡墙，墙趾嵌入基岩；然后在圬工挡墙之上建造土工格栅加筋土路基。这种组合式挡土结构可以很好地适应山区复杂地形条件下加筋路基施工。加筋土路基高10.0 m，坡率为1∶0.25，路基顶部有坡率1∶1.5、高1.0 m的路基填土。

为了对比，在试验段GK0+308~GK0+383采用HDPE格栅作为加筋材料，路基坡面由土工格栅反包土袋形成，由加筋层间距决定土袋码砌高度，由路基坡率决定土袋错台距离，格栅反包土袋后与上层筋材通过连接棒连接；在GK0+383~GK0+463采用PET格栅作为加筋材料，设置钢筋笼固定墙面，然后铺设三维土工网及土工格栅。2种加筋材料加筋土路基的筋材长度均为9 m，层间距为0.5 m。2种筋材加筋土路基如图1所示，试验段所用2种土工格栅的性能指标见表1。

图1 两种土工格栅加筋土挡墙墙面照片Fig.1 Photo of wall facing reinforced with two kindsof geogrid

表1 土工格栅试验参数Table 1 Measured parametersof geogrids

土工格栅加筋土路基采用碎石土填筑，填土最大颗粒直径不大于15 cm，且细粒土含量不大于10%。每层填土虚铺厚度不小于30 cm，然后采用20 t压路机进行机械碾压（靠近墙面1 m范围内采用人工平板夯夯实）。经现场检测，压实后的填土密实度均不低于93%。根据本项目的岩土工程勘察报告和公路路基规范[9]，综合确定路基填土的黏聚力为0 kPa，内摩擦角取38°。

为了对比研究2种筋材加筋土路基的差异，分别在2种格栅加筋土路基段各选择1个断面，A断面（HDPE格栅）桩号为GK0+379，B断面（PET格栅）桩号为GK0+394。每个断面均布设了土工格栅拉伸变形、垂直土压力、水平土压力、加筋土深层水平位移、加筋土分层沉降等。测试仪器布置见图2。

图2 试验路基传感器布置图Fig.2 Arrangement of instrumentsin reinforced soil embankment

加筋土路基试验段的现场监测工作从2013年4月6日开始，至2013年7月15日结束，历时101 d。在施工结束后，于2013年12月8日（路基竣工后146 d）返回现场进行了量测。基于这些监测工作，获得了第一手关于加筋土路基变形和筋材变形等基础资料。

2 试验结果分析

2.1 加筋土路基深层水平位移

结合加筋土路基填筑施工，采用测斜管量测施工期路基的水平变形。由于路基完工后在路基顶施工路面结构层，测斜管无法保留，因此由测斜获得的数据仅为填筑施工期路基的水平位移。图3和图4分别为A、B断面施工期实测的加筋土路基不同高度的水平位移。

图3和图4的监测结果显示，随着填筑高度的增加，路基不同高度处的水平位移均有一定程度的增长，而且越靠近上部水平位移发展速度越快，至填筑施工结束时，A断面（GK0+379）的最大水平位移为76.13 mm，约为路基高度的0.69%；B断面（GK0+394）测点的最大水平位移为63.95 mm，约为路基高度的0.58%。可见PET格栅加筋路基的水平位移小于HDPE格栅加筋路基。

图3 A断面深层水平位移曲线Fig.3 Horizontal displacement at section A

图4 B断面深层水平位移曲线Fig.4 Horizontal displacement at section B

2.2 垂直土压力

试验段A、B断面垂直土压力沿路基高度的分布曲线如图5和图6所示。

对比图5和图6可知，加筋材料不同（HDPE格栅或PET格栅），土压力沿路基高度的分布并无明显不同，路基某一高度处的垂直土压力随填土高度的增加而近似成线性增大，说明筋材力学特性对路基内土压力分布规律影响不大。但是，在同一断面路基同一高度处，距离路基坡面距离不同的地方，垂直土压力存在一定差异。距路基坡面3.5 m处的垂直土压力大于上覆填土重量，而距路基坡面7.5 m处的垂直土压力小于上覆填土重量。说明土工格栅加筋后对加筋土路基内的垂直土压力分布具有明显的调整作用，同时，垂直土压力沿水平方向上的分布还会受到路基临空面的影响。

图5 A断面垂直土压力分布曲线Fig.5 Distribution of vertical earth pressureat section A

图6 B断面垂直土压力分布曲线Fig.6 Distribution of vertical earth pressure at section B

2.3 水平土压力

在加筋土路基坡面后，即土工格栅加筋土体后不同高度布置了3个水平土压力计，在墙趾布置1个水平土压力计，图7和图8分别为剖面A和剖面B的水平土压力随填土高度的变化曲线。路基竣工后，2断面水平土压力沿路基高度分布曲线见图9。由图中路基后土压力分布可知，无论是HDPE还是PET格栅，墙后土水平压力沿路基高度的分布规律相同，呈非线性分布；中上部水平土压力均接近且小于朗肯主动土压力，下部偏离朗肯主动土压力；对比A、B两个断面处墙后水平土压力大小及分布，采用PET格栅的土压力要大于HDPE格栅的土压力。

图7 断面A不同路基高度水平土压力变化曲线Fig.7 Lateral earth pressure along different embankment height at section A

图8 断面B不同路基高度水平土压力变化曲线Fig.8 Lateral earth pressure along different embankment height at section B

图9 不同路基高度水平土压力曲线Fig.9 Lateral earth pressure distribution along different embankment height

2.4 土工格栅变形

加筋土路基中土工格栅拉伸应变分为施工期和竣工后两个阶段。加筋土路基施工完成后，再在路基顶部填筑1 m厚的路基填土，至2013年12月8日进行了最后一次监测，加筋土路基休止时间为146 d。图10和图11分别为2个监测断面加筋土挡墙的土工格栅拉伸应变随时间的变化曲线，其中，最上面一根曲线为竣工后5个多月的测试结果。

根据图10和图11所示，无论是施工期还是竣工后休止期，也无论是采用HDPE还是PET材料，格栅应变存在相同的变化规律，即在路基施工过程中，随着上覆填土厚度和作用时间的增加，各层土工格栅拉伸变形也逐渐增大，相应的格栅受力也相应增大。各层土工格栅的拉伸变形一般在刚开始填土时的增加速率较大，之后随填土高度的增加变形速率略有减小；HDPE格栅实测的拉伸应变在0.38%~1.22%之间，说明土工格栅受到的最大荷载不超过20 kN/m，小于设计抗拉强度30 kN，PET格栅实测的拉伸应变范围在0.29%~0.83%之间，说明受到的最大荷载不超过27 kN/m，小于设计抗拉强度40 kN，均远小于土工格栅的极限抗拉强度，筋材抗拉伸具有足够的安全储备。施工刚结束时，虽然筋材拉伸应变发展的速率随时间增加有所下降，但竣工后筋材的拉伸应变仍有一定幅度增加，加筋土路基上部筋材竣工后的拉伸应变增幅甚至大于施工期的拉伸应变，但各层土工格栅最大拉伸应变均没有超过1.3%。

图10 监测断面A不同层位筋材应变曲线Fig.10 Strain of reinforcement in different layersat section A

图11 监测断面B不同层位筋材应变曲线Fig.11 Strain of reinforcement in different layersat section B

对比图10和图11，可以发现2种土工格栅应变规律又有所不同：总体上每层格栅的应变值HDPE材料均大于PET材料，说明PET格栅在发挥很小的格拉力时就能限制加筋土体的变形；HDPE格栅应变沿筋材长度方向逐渐减小，且格栅应变随埋置深度的增大而增大；PET格栅应变在底部呈现出双峰值分布，第一个峰值出现在距路基坡面2.5 m处，第二个峰值出现在距路基坡面6.5 m处，中部表现出单峰值分布，峰值出现在距墙面4.5 m处，上部格栅应变沿筋材长度方向逐渐减小，这一点和HDPE格栅应变相似。

本次在十房高速公路加筋土路基试验段的现场监测结果与前期文献[3-5，7]报道的结果在墙体水平变形、墙后土压力分布规律、加筋材料应变大小等类似，也证明本文研究成果的可靠性。通过两种不同性能（主要指筋材延伸率或模量）的土工格栅加筋土挡墙断面的监测结果对比，还可发现：1）采用延伸率小的加筋材料（本文试验段PET格栅的延伸率远小于HDPE格栅），在相同条件下，加筋土路基在施工期的侧向变形小，加筋体的整体性好，路基坡面后水平土压力则较大；2）两种筋材的最大应变均小于1.3%，加筋土路基远未达到临界状态，在工作状态下，延伸率大的筋材要平衡加筋土体内的剪应力，势必要比延伸率小的筋材产生更大的应变，其应变符合从面板逐步向加筋体内端部逐渐减小的特征。而PET格栅的应变特征有待进一步研究。

3 结语

通过在十房高速公路加筋土路基试验段进行的采用2种不同延伸率土工格栅加筋土路基的现场试验研究，可得到以下几点结论：

1） 无论是PET格栅加筋土路基还是HDPE格栅加筋土路基，均能有效地限制路基填土不同高度处的水平位移，避免了路基发生较大侧向变形，保证了高填方路基的整体稳定。

2）填土施工结束时，加筋土路基最大水平位移多发生在路基顶部附近。施工期路基累计深层水平位移最大值与路基高度的比值不大于0.70%。格栅拉伸应变均小于1.3%，小于土工格栅设计抗拉强度的允许应变，筋材具有足够的安全储备。

3）水平土压力沿加筋土路基高度呈非线性形式分布，且水平土压力在中上部接近朗肯土压力值，下部小于主动土压力值。4）试验段监测表明，延伸率低的土工格栅加筋土路基的整体性更好，路基侧向变形小，路基坡面后土压力更大。

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