加筋宽度与间距对膨胀土特性影响研究

许英姿，廖旭航，苏超，颜日葵

(1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁 530004)

膨胀土的胀缩性、裂隙性等特性一直严重困扰着各类工程。根据膨胀土的特性，许多防护措施被提出，如格构、锚杆、挡墙等刚性支护[1]。随后诸多学者针对刚性支护的不足，提出了柔性支护[2−3]，土工格栅加筋处理膨胀土便是柔性支护的一种。经试验发现土工格栅加筋处理后的膨胀土的膨胀变形与裂隙发育情况优于未处理的膨胀土[4]，主要原因是膨胀过程中土工格栅与膨胀土之间存在界面摩擦力，土颗粒与土工格栅之间的咬合力与间接加筋作用也有一定的限制能力[5−6]，许多学者对土工格栅的机理进行了深入研究，比如进行宏细观分析、提出拉拔力计算公式、得到拉拔安全系数等[7−9]。研究土工格栅时，小型的室内试验很难反映实际工程的情况，而现场试验的成本很高，故模型试验成为研究土工格栅最好的方式。诸多学者也通过模型试验对土工格栅进行了研究，周健等[10]通过模型试验与数值模拟研究包裹式加筋土挡墙的变形特性；苏丕辉等[11]通过模型试验研究了钢管格栅膨胀土挡墙防护边坡的作用机理；AL-OMARI等[12]通过小尺寸模型试验研究了掺入不同直径的土工格栅柱的限制效果。实际的膨胀土工程中，考虑到成本、施工难度等多方面的因素，需要对土工格栅的各种参数进行选择，一般考虑土工格栅的材料、加筋宽度与密度等方面。土工格栅的材料有许多类型，近十来年有不少学者进行研究，PHANIKUMAR等[13]通过膨胀土的固结试验研究尼龙纤维对膨胀土固结特性的影响；邓友生等[14−15]研究了聚丙烯纤维增强膨胀土对膨胀土的改良作用；ABBASPOUR等[16−17]从环保角度出发，研究废弃材料或者植物纤维对膨胀土改良效果[16−17]。加筋宽度和间距与膨胀土工程的成本、难度密切相关，从该角度通过模型试验研究土工格栅对膨胀土影响的成果很少。本文通过自制模型箱模拟刚性挡墙，进行模型试验，研究挡土墙背后加筋宽度与间距对膨胀土变形特性及侧向压力的影响规律，为土工格栅加筋处理的膨胀土工程提供一定参考价值。

1 试验材料

1.1 膨胀土的基本物理性质

本次试验土样取自广西壮族自治区南宁市兴宁区三塘镇。土样颜色呈灰黄色，试验土样的基本物理试验与颗分试验的结果如表1和图1所示。

表1 膨胀土的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of expansive soil

土样的胀缩总率为5.33%，50 kPa膨胀率为0.52%，本次试验土样为中等膨胀性膨胀土。

1.2 土工格栅

试验采用的土工格栅(单向)如图2所示，屈服力为110 kN/m，屈服伸长率少于12%。

图2 单向塑料土工格栅Fig.2 One-way plastic geogrid

2 模型试验方案

2.1 模型箱设计

本次模型试验参考6 m高的挡土墙工程，根据相似理论分析，结合试验所需，选择相似比为1:6，模型箱的尺寸为2 m×2 m×1 m(长×宽×高)。模型箱设计图如图3所示。模型填土的压实度达到90%以上，初始含水率为最佳含水率，均与实际工程相似。考虑到挡土墙的纵向长度大，因此简化为平面应变问题，根据边界条件相似理论，模型箱四周用角钢固定6 mm的钢板模拟刚性挡土墙，模型箱底部用6 mm的钢板模拟持力层。为了缩短注水与排水时间，模型箱内设置9根直径2 cm填满砂粒的砂井管，按井字型布置，加快渗透速度。模型箱底部铺设一层8 mm厚的砂垫层，并覆盖土工布，在四周安装直径为5 cm的排水管。

图3 试验用模型箱示意图Fig.3 Schematic diagram of test model box

2.2 监测内容

本次试验采用土壤水分传感器、振弦式土压力计、应变片及百分表监测体积含水率、土压力、应变及膨胀变形数据。在50 cm深处布设土壤水分传感器、土压力计，模型表面布设百分表。监测仪器每30 min自动采集一次数据，并实时远程传输至电脑端保存。监测项目布设图如图4所示。

图4 土工格栅加筋处理的膨胀土模型示意图Fig.4 Schematic diagram of expansive soil model reinforced by geogrid

2.3 实验过程

按最优含水率19%配置试验土样，采用质量控制法将压实度控制为90 %左右，在模型箱中分层填筑与夯实土料，每一层厚度为30 cm，填筑过程中按监测布设图埋设监测仪器。由于前期试验发现模型箱表面注水方式的效果较差，故利用水压从模型底部注水，水头压力保持与模型箱高度相同，当模型体积含水率在一段时间内保持相对稳定状态，停止注水，打开排水管让模型箱自行排水。

2.4 实验方案

本次试验通过控制加筋宽度与间距研究对膨胀土的影响，设立5组模型试验，各组模型的加筋宽度与间距如表2所示。加筋宽度与间距为0时是纯膨胀土模型；加筋间距为15 cm时，土工格栅铺设5层；加筋间距为30 cm时，土工格栅铺设3层。

表2 模型试验分组Table 2 Model test grouping

3 试验结果

3.1 体积含水率与侧向压力

绘制纯膨胀土模型与加筋土模型的体积含水率及侧向压力随时间变化关系曲线，如图5所示。

图5 体积含水率与侧向压力随时间变化关系Fig.5 Relationship between volume water content and lateral pressure with time

由图5可知，注水一段时间后，水分从底部达到监测仪器的位置需要一段时间，随后土体的体积含水率先增加，侧向压力的增加存在一定延迟，但是增加速度非常快，随后与体积含水率变化保持同样的趋势，这说明膨胀土在吸收水分后膨胀速度非常快，但前期需要一定时间让水渗透到膨胀土层。膨胀土是一种黏性土，渗透性很差，对土的膨胀速率有着极大的影响，所以在研究实际工程中，降雨入渗是很重要的一部分研究[18]。当停止注水后，加筋土与纯膨胀土存在较大区别。纯膨胀土模型在停止注水后，体积含水率开始逐步下降，但降低速度很慢，而侧向压力与体积含水率密切相关，由于排水速度较慢，侧向压力的降低速度也比较慢。加筋土模型在加水后，均出现了体积含水率的骤降，极快地达到稳定状态，膨胀土也因此迅速收缩，侧向压力也在极短时间内大幅度降低。土工格栅与膨胀土属于完全不同的2种材料，两者接触的界面是水分最容易通过的地方，因此土工格栅在膨胀土中有着导水作用，增加了排水通道[19]，使得膨胀土的体积含水率在停止注水后迅速下降，侧向压力也随之迅速降低。

3.2 膨胀变形量

不同的加筋宽度会影响到膨胀变形监测点的布置，为避免偶然误差，加筋区域至少设置2个监测点，因此对0.5 m宽度加筋模型的膨胀变形监测点进行适当调整。不同加筋模型的膨胀变形监测点布置及膨胀变形量随时间变化关系曲线，如图6所示。

由图6可知，模型开始注水后一小段时间，由于水的渗透需要一定时间，所以该时间段的膨胀变形量变化较小，随后模型不同位置的膨胀变形量迅速增加到一定值，然后膨胀变形量在该值附近小幅度变化，该值的范围为30～50 mm。图中还可以看出，各模型中位于模型边缘的膨胀变形量要比模型中部小，这是由于膨胀土这种黏性土与钢板边缘接触时，两者之间存在一定的黏力，而且膨胀土吸水膨胀后，膨胀土向上位移，钢板会对膨胀土产生摩擦力，同时四周的钢板限制了膨胀土的侧向膨胀，产生了侧向膨胀力，使得摩擦力会更大，在2种力的作用下，边缘膨胀土的膨胀作用会被限制，从而膨胀量相对较小。2种模型中加筋区域的膨胀变形量均小于未加筋的区域，证明膨胀土进行土工格栅加筋处理后，膨胀变形会受到一定程度的约束。土工格栅埋设到膨胀土中后，加筋土吸水发生膨胀变形，土工格栅与膨胀土2种材料的性质相差较大，两者之间会出现相对位移趋势，出现界面静摩擦力，随着膨胀的继续进行，两者之间发生相对位移，静摩擦力转变为滑动摩擦力与2种材料之间的咬合力，在界面以外一定范围内会存在间接加筋作用，通过土工格栅与膨胀土之间一系列的作用下，膨胀土的移动会受到阻碍，膨胀作用被限制，从而使得加筋膨胀土的膨胀变形小于纯膨胀土。土工格栅在限制膨胀变形时也承受了界面摩擦力，则土工格栅也会出现变形，具体土工格栅的应变变化可见下文。

图6 不同加筋模型的膨胀变形量随时间变化的关系Fig.6 Relationship between time and expansion deformation of different reinforced models

3.3 土工格栅应变

绘制不同加筋模型的土工格栅应变随时间变化关系曲线，如图7所示。

由图7可知，模型开始注水之后，土工格栅应变变化并不稳定，在小范围内出现上下波动，但总体呈应变增加的趋势，结合图4中体积含水率变化情况，可知土工格栅的应变与膨胀情况有关。当模型开始注水时，土体的体积含水率开始增加，膨胀土发生膨胀变形，土工格栅与膨胀土之间产生界面摩擦力，土工格栅在力的作用被拉紧，所以土工格栅的应变呈增加趋势。土工格栅应变最终值与加筋的宽度和间距之间的关系并不明显，1.0 m宽间距15 cm与0.5 m宽间距30 cm模型的应变值远高于其他2个模型，结合图6中的加筋模型的膨胀变形情况发现，该2个模型的加筋区域与纯膨胀土区域的膨胀变形量相差较大，土工格栅的应变也比较大，说明土工格栅的变形与膨胀变形有关，限制的膨胀变形越多，膨胀土与土工格栅之间的界面摩擦力越大，所以土工格栅的应变越大。图中土工格栅的应变出现波动有2个方面的原因：一是膨胀土与土工格栅之间的相互作用是一个复杂的过程，试验过程中也不可能达到完全理想的状态，所以会导致应变出现微小的变化；二是加筋土中因为土工格栅具有导水作用，水分极易被排出，注水过程中因为一些人为因素并没有及时进行下一次的注水，导致土体含水率降低，膨胀土开始失水收缩，土工格栅是嵌入膨胀土中的，会随着膨胀土的收缩出现应变降低，重新注水后应变又会增加。加筋密度较大时，土工格栅产生的导水通道更多，排水会更快，导致加筋膨胀土胀缩的时间更短，所以模型加筋间距为15 cm的土工格栅应变出现波动的次数与幅度比加筋间距为30 cm的更多。

图7 不同加筋模型的土工格栅应变随时间变化的关系Fig.7 Relationship between strain and time of geogrids with different reinforcement models

4 讨论与分析

4.1 加筋宽度与间距对膨胀变形的影响

为研究膨胀土变形与加筋宽度及间距的变化规律，绘制膨胀土的最大膨胀变形量与不同加筋宽度及间距的关系曲线，如图8所示。

由图8可知，最大膨胀变形量随着加筋宽度增大而降低，在加筋间距为15 cm模型中，加筋宽度增加，限制膨胀变形的效果更明显，加筋宽度从0增加到1.0 m，最大膨胀变形量降低了11.5 mm；在加筋间距为30 cm模型中，加筋宽度0.5 m后，最大膨胀变形量的降低速度明显放缓，说明土工格栅密度较低时，仅加宽加筋宽度的限制效果有限。

图8 模型最大膨胀变形量与加筋宽度的关系Fig.8 Relationship between maximum expansion deformation and reinforcement width

由前文的分析可得到，膨胀土铺设土工格栅后，膨胀变形被约束，当加筋宽度一定时，加筋间距越小，铺设的土工格栅越多，每层土工格栅都起到一定的限制作用，土工格栅层数越多，限制膨胀的层数就越多，限制膨胀的能力叠加后，效果就会越明显，故最大膨胀变形会随着加筋间距的减小而减小；相同加筋间距下，限制膨胀的效果随加筋宽度增加而更加明显，这是因为加筋宽度越大，土工格栅限制膨胀土的范围更广，纯膨胀土区域的膨胀也会受到影响，而加筋宽度较小时，影响能力有限。根据实验数据可知，土工格栅较密时，增加加筋宽度能明显增加限制效果，但在土工格栅较稀疏时，加筋宽度的增加对膨胀土的变形影响不大，说明增加加筋宽度的限制作用比减小加筋间距小。

4.2 加筋宽度与间距对侧向压力的影响

为研究膨胀土侧向压力与加筋宽度及间距的变化规律，绘制膨胀土模型的最大侧向压力与不同加筋宽度及间距的关系曲线，如图9所示。

图9 模型最大侧向压力与加筋宽度关系Fig.9 Relationship between maximum lateral pressure and width of reinforcement

由图9可知，最大侧向压力随着加筋宽度增大而降低，加筋间距15 cm降低的速度更快，加筋宽度从0增加到1.0 m，最大侧向压力降低了2.7 kPa；加筋间距为30 cm时，加筋宽度从0增加到1.0 m，最大侧向压力降低了2.2 kPa。两者差距较小，且相比于纯膨胀土，加筋后对侧向压力的限制能力有限。

膨胀土的侧向压力与变形有关，当膨胀变形被限制时就会产生侧向压力，当变形被限制的越小，侧向压力就越大。加筋土在膨胀时是由土工格栅承受膨胀力，所以会产生土工格栅的应变。加筋土限制了部分变形后承受了部分膨胀力，剩余的侧向压力才会作用到压力计上，所以加筋土的最大侧向压力会低于纯膨胀土，随着加筋宽度与密度的增加，土工格栅所承受到的侧向压力就会越多，则压力计上受到的侧向压力就会越少。

5 结论

1)侧向压力的变化趋势与体积含水率的变化趋势相同。在加筋土中，土工格栅有导水作用，增加了排水通道，停止注水后水分经土工格栅迅速排出，体积含水率迅速下降，模型的侧向压力大幅度减小。

2)膨胀土边缘膨胀量较小，中部膨胀较大，膨胀后的土面呈弧形，由于受到土工格栅与膨胀土之间的界面摩擦力，土工格栅被拉紧，产生应变，同时限制了膨胀土的膨胀。

3)随着加筋密度与宽度的增加，膨胀土的膨胀变形与侧向压力减小，减小加筋间距提升的限制效果比增加加筋宽度更加明显。

4)当加筋密度较低时，在加筋宽度较小的范围内，加筋宽度的增加能有效限制膨胀土的变形与侧向压力，但是加筋宽度超过某一值后限制作用提升不明显。