第29卷，第3期
2 0 0 4年9月
中 南 公 路 工 程
Central South Highway Engineering
Vo1．29．No．3
Sept．，2004
土工格室加筋邊坡大模型試驗(yàn)研究
萬(wàn)劍平
(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410015)
[摘要】對(duì)土工格室加筋邊坡，進(jìn)行了考慮加筋量變化的大模型對(duì)比試驗(yàn)研究，對(duì)邊坡變形、加筋邊坡中土
體受力特征以及加筋體中土工格室本身的受力等問(wèn)題，進(jìn)行了探討。研究表明，與一般平面型土工合成材料通過(guò)
材料與土的摩擦力來(lái)提高邊坡的穩(wěn)定性不同，土工格室加筋邊坡主要是依靠土工格室對(duì)土體的約束作用來(lái)提高邊
坡穩(wěn)定性，加筋區(qū)復(fù)合土體整體性較強(qiáng)。
[關(guān)鍵詞]土工格室；模型試驗(yàn)；加筋邊坡
[中圖分類(lèi)號(hào)]u 416．1 4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1002—1205(2004)03—0007—04
Large M odel Test of Geocell Reinforced Slope
W AN Jianping
(Hunan Communications Research Institute，Changsha，Hunan 410015，China)
[Abstract]A large model test of slope reinforced with geocells was conducted for investigation of the de
formation of the slope，the behavior of the soil，and the perform ance of the geocell in the slope．Results of the
study indicate that，different from other geotextiles that enhance the slope stability by friction with the soil，the
reinforcement of geocell to slope is realized by restriction to the soil．
[Key words]geocell；model test；reinforced slope
現(xiàn)代加筋土概念是在1960年由法國(guó)工程師H．
Vidal首先提出的，從此，出現(xiàn)了各種形式的加筋結(jié)
構(gòu)和加筋加固處理方法。上世紀(jì)80年代我國(guó)開(kāi)始
使用土工合成材料運(yùn)用于加筋土工程，但總結(jié)數(shù)十
年來(lái)土工合成材料加筋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用狀態(tài)和研究，仍
是工程實(shí)踐強(qiáng)勢(shì)，而理論研究明顯落后，計(jì)算方法和
設(shè)計(jì)方法不成熟。尤其是土工格室作為一種新型的
土工合成立體材料，與通常使用的平面型土工合成
材料在加筋機(jī)理方面存在明顯的差異，其邊坡的破
壞模式一直是尚未解決的問(wèn)題。土工結(jié)構(gòu)物中，土
的自重產(chǎn)生的自重荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的性態(tài)的影響十分突
出，一般的模型試驗(yàn)，其自重應(yīng)力水平很低，毛細(xì)現(xiàn)
象的影響突出，因此，一般的小模型試驗(yàn)結(jié)果并不能
逼真地重現(xiàn)原型的特性，本試驗(yàn)的目的就是通過(guò)1：
l的大模型試驗(yàn)來(lái)探討土工格室加筋邊坡破壞模式
這個(gè)問(wèn)題。
1 試驗(yàn)概況
試驗(yàn)在長(zhǎng)3．5 m ×1．25 m×2．0 m的模型槽內(nèi)
進(jìn)行(見(jiàn)圖1)。模型填土高1．9 m，其中地基厚0．4 m，
圖1 模型槽斜視圖(試后)
Figure 1 View of model trench at an angle(after test)
坡高1．5 m。寬1．15 m，坡頂部長(zhǎng)2．3 m，下部坡角長(zhǎng)
3．5 m，坡度為1：0．75。填土按格室的分層情況而分
[收稿日期]2004—04—16
[基金項(xiàng)目]交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(200131878528)
[作者簡(jiǎn)介]萬(wàn)劍平(1962一)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，副研究員，主要從事道路工程研究與管理。
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8 中南公路工程 第29卷
層填筑，土工格室的高度為5 cm。試驗(yàn)分兩組，兩組
的填料均為粘性填料，填料的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表l。
填筑時(shí)主要控制含水量和密實(shí)度，兩組試驗(yàn)的土工
格室布置和模型尺寸，見(jiàn)圖2。
試驗(yàn)時(shí)在填土表面和坡上布置了5個(gè)百分表測(cè)
變形。其中，3個(gè)百分表布置在坡面的坡頂、中部和
坡角，以測(cè)試坡面的水平向變形。使用4個(gè)土壓力
盒測(cè)試加筋區(qū)和非加筋區(qū)的土壓力值。百分表與土
壓力盒的編號(hào)及位置，見(jiàn)圖2和圖3。此外，在每一
層土工格室布置7個(gè)變形測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形通
表1 填料的基本物理力學(xué)性質(zhì)
Table 1 Physical and mechanical proprieties of filling materials
一 三 耍三_E三；三 分表一】
§ ：
邊坡填}
百分表一2
．
’
．
’
．
’
．’地罄’．’．’．’．
(a)第一組
圖2 試驗(yàn)示意圖(單位：cm)
Figure 2 Illustration of model test(unit：cm)
圖3 土工格室測(cè)點(diǎn)布置
Figure 3 Distribution of measurement points
過(guò)細(xì)鋼絲由模型槽外的變形計(jì)測(cè)試。
垂向加載采用柔性加載方式，通過(guò)氣袋來(lái)完成。
垂向壓力采用分級(jí)加載，加載方法是，從0開(kāi)始，每
級(jí)壓力差為0．025 MPa。每級(jí)壓力穩(wěn)定時(shí)間8 h，每
間隔l h讀1次數(shù)。試驗(yàn)說(shuō)明，加載l h土壓力基本
穩(wěn)定，加載3～4 h后，所有的變形基本穩(wěn)定。
2 試驗(yàn)分析
2．1 垂向變形和坡面水平變形
對(duì)于第一組(圖4a)而言，當(dāng)壓力增大到0．125
MPa時(shí)，百分表一4基本保持不變，但百分表一1和百
分表一5的變化較突出，邊坡從坡中部往外變形，邊
坡已經(jīng)處于破壞極限狀態(tài)，因此，可以判別0．125
MPa為第一組試驗(yàn)的極限荷載。對(duì)于第二組(圖
4b)而言，變形隨壓力變化的特點(diǎn)可以分為三個(gè)壓力
范圍來(lái)分析。第一范圍模型邊坡變形變化��；第二
壓力范圍是不論是水平變形還是垂向變形都有較大
的變化，說(shuō)明在該壓力范圍邊坡發(fā)生了較大的變化，
一是由于壓密作用，引起填土的壓密變形，同時(shí)由于
壓力作用，產(chǎn)生了水平變形。第三個(gè)壓力范圍是大
于0．15 MPa，該范圍變形隨壓力增加，但增加速度明
顯放緩，直到0．225 MPa，從整體的變形來(lái)看，第二組
邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。
兩組試驗(yàn)設(shè)置的差別主要在于邊坡中土工格室
加筋量不同，對(duì)比試驗(yàn)曲線(xiàn)，可以看出，對(duì)應(yīng)同一級(jí)
加載，兩組加筋邊坡水平變形相差較大，而垂向變形
相差不大，即由于土工格室對(duì)加筋土體的約束作用，
導(dǎo)致加筋量的改變對(duì)加筋體的水平位移影響較大，
但對(duì)減少加筋體沉降或差異沉降的貢獻(xiàn)不大。
2．2 土壓力
4個(gè)土壓力盒測(cè)得的土壓力可以反映加筋邊坡
不同位置所受荷載的大小。某一壓力下，不同位置
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第3期 萬(wàn)劍平：土工格室加筋邊坡大模型試驗(yàn)研究 9
目
U
圖4 百分表測(cè)量的變形值
Figure 4 Me~ured deformations
的土壓力大小不同。對(duì)于第一組而言(見(jiàn)圖5)，以
土一3測(cè)點(diǎn)的土壓力最大，土一1測(cè)點(diǎn)的土壓力最小，
而且兩者相差達(dá)3倍。對(duì)于第二組而言，以土一2測(cè)
點(diǎn)的土壓力最大，以土一1測(cè)點(diǎn)為最小，兩者相差約
15％，且除土一2測(cè)點(diǎn)外，其它3個(gè)測(cè)點(diǎn)較接近。以
上現(xiàn)象可作如下解釋?zhuān)?個(gè)土壓力測(cè)點(diǎn)分布在4個(gè)
不同位置。其中土一1是最靠近邊坡坡面的，土一2是
加筋區(qū)內(nèi)，土一3是過(guò)渡區(qū)，土一4是非加筋區(qū)。它們
的剛度不同是它們大小不同的根本原因。對(duì)于第一
5O 1 OO 1 5O
距離／cIll
(a)第一組
組而言，由于采用4層土工格室，土工格室與土的復(fù)
合體的強(qiáng)度有限，在外部壓力作用下，要產(chǎn)生水平變
形，而水平變形以邊坡坡面為最大，土一1測(cè)點(diǎn)最靠
近坡面，此處的剛度自然最小，因此，土一1測(cè)點(diǎn)的土
壓力最小(見(jiàn)圖6)。土一2和土一3兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處于加
筋區(qū)和過(guò)渡區(qū)，其剛度相對(duì)于土一4的非加筋區(qū)自然
大，因此，土一2和土一3測(cè)點(diǎn)的土壓力較大。對(duì)于第
二組而言，由于采用6層土工格室，土工格室與土的
復(fù)合體的強(qiáng)度高，能夠保持復(fù)合體的整體完整性，在
5O 1 OO 1 5O
位置／cm
(b)第二組
圖5 加筋體不同位置土壓力分布曲線(xiàn)
Figure 5 Earth pressure distributions in diferent positions of reinforced soil
O O5 O．1O O．1 5 O．2O
荷載／MPa
(a)第一組
圖6 土壓力與荷載關(guān)系曲線(xiàn)
Figure 6 Relationship between earth pressure and loading
荷載／MPa
(b)第二組
0
0
5
● a
組
0腫二
第
筒
0
0
a
組
0
腫 ．
第
筒
5
0
0
H m ∞ ∞ ∞
O O O O O O O O O
日 =＼R
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10 中南公路工程 第29卷
外部壓力作用下產(chǎn)生的水平變形較小，4個(gè)測(cè)點(diǎn)位
置的剛度較接近，因此，4個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的土壓力也較
接近。相對(duì)而言，加筋區(qū)的剛度較大，因此，土一2測(cè)
點(diǎn)的土壓力較大。由此可見(jiàn)，加筋體的“剛度”對(duì)改
變豎向土壓力分布的影響較大，加筋復(fù)合體剛度增
大，在同一水平面，土壓力分布曲線(xiàn)趨于平緩。
2．3 土工格室的變形
兩組試驗(yàn)均獲得了土工格室各測(cè)點(diǎn)的變形數(shù)
據(jù)，該數(shù)據(jù)反映了每一加筋層土工格室上的測(cè)點(diǎn)變
形在不同壓力作用下沿土工格室長(zhǎng)度的分布。相鄰
兩測(cè)點(diǎn)的變形差反映土工格室的受力情況，同層相
鄰?fù)凉じ袷覝y(cè)點(diǎn)差值為正、負(fù)和零分別表示兩測(cè)點(diǎn)
0 20 40 60 80 1 00 1 20
坡高／Cm
(Et)第 組
日
0
間的土工格室受拉、受壓或不受力。而根據(jù)觀測(cè)結(jié)
果，兩組試驗(yàn)中，除少數(shù)格室加筋層相鄰測(cè)點(diǎn)的變形
差較大外，其它變形差值均較小(一般為0～3 mm)，
可以認(rèn)為處于非受拉狀態(tài)�？梢�(jiàn)，土工格室加筋邊
坡的穩(wěn)定機(jī)理不同于一般平面土工合成材料以受拉
來(lái)產(chǎn)生摩擦力來(lái)達(dá)到加強(qiáng)邊坡¨ J，而是通過(guò)土工
格室的約束來(lái)提高土工格室與土體復(fù)合體的整體的
強(qiáng)度，從而提高邊坡的穩(wěn)定性的。
兩組試驗(yàn)的靠近坡面的格室測(cè)點(diǎn)的變形情況見(jiàn)
圖7。第一組的變形坡頂大，坡腳小，壓力大于
0．125 MPa后，坡頂?shù)淖冃问瞧陆亲冃蔚?0倍以上，
邊坡向外傾斜，達(dá)到破壞。對(duì)于第二組，雖然變形仍
50 1 00 1 50
坡高／Cm
(b)第■ 組
圖7 邊坡不同坡高處坡面水平變形與豎向加載壓力的關(guān)系曲線(xiàn)
Figure 7 Relationship between horizontal deformation and vertical loading at diferent heights of slope
是坡頂大，坡角小，但兩者的差值沒(méi)有超過(guò)2倍，同 土復(fù)合的強(qiáng)度較小，邊坡的上部沿兩層土工格室之
時(shí)，最上三層土工格室的變形基本一致。這說(shuō)明若 間的土體滑動(dòng)，導(dǎo)致邊坡中部破壞。
使用的土工格室層數(shù)小，層厚較大，邊坡可能從兩層 ③ 在土工格室加筋邊坡中，垂向土壓力分布特
土工格室之間的土體滑出。若使用的土工格室層數(shù) 點(diǎn)是，靠近邊坡坡面范圍內(nèi)的土壓力最小，加筋區(qū)中
多，邊坡的穩(wěn)定性和整體提高，當(dāng)壓力超過(guò)其所能承 部最大，非加筋區(qū)次之。當(dāng)土工格室布置較密，土工
受的能力，邊坡破壞將沿地基作整體滑動(dòng)。 格室與土復(fù)合體的剛度越大，土壓力在邊坡內(nèi)的分
1 姑{五 越均勻。
④ 土工格室加筋邊坡中，土工格室主要受壓或
通過(guò)上述兩組模型試驗(yàn)結(jié)果分析，可得出如下 處于不受力狀態(tài)，只有小數(shù)部位受拉。因此，土工格
結(jié)論： 室加筋邊坡主要是依靠土工格室約束土體來(lái)提高加
① 土工格室加筋邊坡的穩(wěn)定邊坡機(jī)理是通過(guò) 筋土體的強(qiáng)度。
提高土工格室與土體復(fù)合體的強(qiáng)度來(lái)完成，這一點(diǎn)
完全不同于一般平面型土工合成材料通過(guò)材料與土 [參考文獻(xiàn)]
的摩擦力來(lái)提高邊坡的穩(wěn)定性。 ⋯ 徐少曼，洪昌華．土工織物加筋堤壩軟基的非線(xiàn)性分析⋯ ．巖
② 當(dāng)?shù)鼗鶙l件較好時(shí)，土工格室加筋邊坡的破 土工程學(xué)報(bào)，。999，( )：438～443·
壞模式有兩種，當(dāng)土工格室布置較密，土工格室與土 三 。釗·國(guó)外土工合成材料的應(yīng)用研究 M ·香港：現(xiàn)代知識(shí)出
復(fù)合體的強(qiáng)度較大，在外部荷載作用，邊坡可能沿地 [3]徐林榮
，胡紹海，華祖煜I夏增明．加筋土陡坡破裂面位置和形
基作整體滑動(dòng)。當(dāng)土工格室層間較厚，土工格室與 態(tài)試驗(yàn)研究⋯ ．長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，(3)：6～10．
13205382092
