加筋膨脹土邊坡土工格柵的導水作用研究

趙 亮，龔壁衛(wèi)，李青云，丁金華，胡 波

（長江科學院a.水利部巖土力學與工程重點實驗室；b.流域水環(huán)境研究所，武漢 430010）

加筋膨脹土邊坡土工格柵的導水作用研究

趙 亮a，龔壁衛(wèi)a，李青云b，丁金華a，胡 波a

（長江科學院a.水利部巖土力學與工程重點實驗室；b.流域水環(huán)境研究所，武漢 430010）

通過4組湖北力特生產(chǎn)的BOP系列小尺寸單向格柵不同加筋方式的膨脹土三軸固結(jié)排水試驗，研究了土工格柵的導水作用，并在現(xiàn)場試驗中得到驗證。研究結(jié)果表明：低圍壓下土工格柵的導水作用顯著，且隨著圍壓的增大，導水作用減小；加筋膨脹土中土工格柵不僅提高了土體強度，還增添了導水通道。因此，在加筋土坡設(shè)計中，要充分考慮格柵加筋后加筋土層滲流狀態(tài)的變化，合理地發(fā)揮加筋土層的優(yōu)勢。

南水北調(diào)；土工格柵；膨脹土；拉拔試驗；筋土界面；導水作用

1 研究背景

土工格柵是采用高密度聚乙烯（HDPE）或聚丙烯（PP）經(jīng)擠壓后，在聚合物板上沖孔，然后拉伸形成的新型土工合成材料，它在巖土工程中的應用主要是加筋作用［1］。國內(nèi)外有很多關(guān)于土工格柵加筋膨脹土方面的研究，并取得了許多重要成果［2－4］。但對于處理層土工格柵的導水作用研究還很少。由于土體與土工格柵的接觸方式為點面接觸，滲透系數(shù)明顯大于土體，也就是說，在筋土界面上形成了一條導水通道，因此，采用土工格柵加筋邊坡在增加邊坡整體強度的同時也給邊坡添加了一條導水通道。橫向加筋時，相當于減小了土體的豎向固結(jié)排水距離，在相同條件下使土體排出的水量更多；豎向加筋時，相當于添加一條直接的固結(jié)排水通道。土工格柵會改變邊坡土體中水分的重分布，而膨脹土體中含水量的改變對界面摩擦系數(shù)的影響很大［5］，這就使得膨脹土邊坡加筋設(shè)計中格柵與土體界面摩擦系數(shù)的確定變得更為復雜。本文通過4組不同格柵加筋方式的三軸固結(jié)排水試驗中的固結(jié)排水量來研究土工格柵在加筋膨脹土邊坡中的導水作用，試驗成果的規(guī)律性在南水北調(diào)工程現(xiàn)場試驗中得到驗證。

2 室內(nèi)試驗

2.1 試驗土樣及材料特性

2.1.1 土樣的物理性質(zhì)

試驗采用南水北調(diào)中線現(xiàn)場取回的膨脹土，其物理性質(zhì)指標如表1所示。由表1可以看出，試驗采用膨脹土的自由膨脹率為69%，屬于中偏弱膨脹土，膠粒含量達到29.6%。

表1 試驗土樣的物理特性指標Table 1 Physical parameters of soil specimen

2.1.2 土工格柵

本試驗中采用的三軸試樣直徑為101 mm，高度為200 mm。由于常規(guī)的單向土工格柵網(wǎng)格尺寸較大，不能作為本試驗的加筋材料，因此本次試驗中采用湖北力特土工合成材料有限公司的BOP系列小尺寸單向格柵，表2所示為該土工格柵的幾何尺寸以及力學性能指標。

表2 小尺寸土工格柵的技術(shù)指標Table 2Technical indexes of the small-size geogrid

2.2 試驗儀器

試驗采用意大利Control公司生產(chǎn)的30－T0601／P全自動三軸剪切儀，如圖1所示。該儀器是巖土抗剪強度測試的主要儀器設(shè)備。整套系統(tǒng)由壓力機、三軸壓力室、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。主機軸向壓力達100 kN，壓力室最大工作壓力1 700 kPa，其軸向力、位移、試樣體變、孔壓均通過傳感器進行測量，并且通過8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行自動采集。

圖1 Control－30－T0601／P三軸剪切儀Fig.1 Triaxial shear apparatus Control－30－T0601／P

2.3 試樣制備

本試驗試樣直徑為101 mm，高為200 mm。填料采用現(xiàn)場取回的膨脹土，自由膨脹率為69%。為最大限度地保證每個試樣固結(jié)前的狀態(tài)相同，設(shè)置試樣目標干密度為1.524 g／cm3，目標含水率為23%；每個樣分8層擊實，每層擊實高度為2.5 cm。試樣有4種不同的加筋方式，分別為不加筋、水平加一層筋、水平加三層筋、豎向全斷面加筋，如圖2所示。水平加一層筋時，擊實完第四層土后，將土體表面刮毛，放置剪好的直徑為100 mm的BOP小尺寸土工格柵，然后再擊實上面的土樣；水平加三層筋類似；豎向全斷面加筋時，先分8層擊實制作出同等規(guī)格的不加筋三軸樣，然后將中心位置直徑約為62mm范圍內(nèi)的土體切出，放入側(cè)向已綁扎好的圓柱形土工格柵，按照同樣的干密度和起始含水量擊實中心位置土樣。為了防止試驗中水平加筋土工格柵刺破乳膠膜，同時為了保證所有試驗中體變測量的精確性，全部試樣采用雙層乳膠膜包裹。試驗中每4個試樣為一組，分別在50，100，200，400 kPa圍壓條件下進行三軸固結(jié)排水剪切試驗，量測各試樣在圍壓下固結(jié)24 h后排出水的體積。

2.4 試驗結(jié)果分析

圖3所示為未加筋、水平一層、水平三層和豎向加筋膨脹土試樣固結(jié)排水量的情況。從圖3可以看出：相同圍壓下，隨著加筋層數(shù)的增加，排出的水量也增加，且豎向加筋排出的水量最多。這主要是因為土工格柵有導水作用，水平加一層筋與不加筋相比，相當于增加了一個導水通道，減小了膨脹土的豎向排水距離，故相同的條件下排出的水量要多；同樣的道理，水平加三層筋要比水平加一層筋排出的水量要多；豎向加筋相當于在試樣中添加了一條直接的環(huán)形導水通道，減小了橫向的排水距離，其導水作用比水平三層加筋稍強。圖3中還可以看出：同一加筋形式下固結(jié)排水量曲線隨著圍壓的增大而增加，且在低圍壓下的斜率比高圍壓下大，這說明：低圍壓下土工格柵的導水作用更明顯，隨著圍壓的增大，水平一層加筋的固結(jié)排水量跟不加筋的越來越接近，而水平三層加筋的固結(jié)排水量跟豎向加筋的差別也越來越小。由上述分析可以得出：低圍壓下土工格柵的導水作用顯著，且隨著圍壓的增大，導水作用逐漸減小。

圖2 不同加筋方式示意圖Fig.2 Different reinforcement types

圖3 不同加筋方式固結(jié)排出水量Fig.3 Drainage discharges of expansive soil specim ens w ith different geogrid-reinforcement types

3 現(xiàn)場試驗驗證

3.1 現(xiàn)場條件

現(xiàn)場試驗段位于河南新鄉(xiāng)，該地段地下水埋藏較深，工程區(qū)多年最高地下水位一般位于渠底板以下。勘察期間僅部分鉆孔揭露到上層滯水，主要賦存于第四系松散層和上第三系成巖較差的泥灰?guī)r中，下部黏土巖為相對的隔水層。場區(qū)地下水主要接受大氣降水入滲和側(cè)向徑流補給，以側(cè)向徑流方式排泄。試驗段第6、第8兩個試驗區(qū)渠坡是以土工格柵包裹弱膨脹土為換填處理層，處理層厚度（垂直于坡面）分別為2.0，1.5 m，層間距為0.5 m，在長達2年的現(xiàn)場試驗過程中，分別采用人工降雨、渠道蓄水等手段，模擬了渠道運行工況，并對渠坡的含水率、變形進行了連續(xù)觀測，未發(fā)現(xiàn)土工格柵處理層渠坡有破壞的現(xiàn)象。在試驗完成后進行了處理層的拆除，分別在第6、第8區(qū)左岸開槽，觀察了渠坡及其土工格柵處理層的完整性，選擇局部渠段的處理層進行取樣，以土工格柵為零點，在其上下表面及上、下離土工格柵每隔0.1，0.2，0.3 m處分別取土樣，測其含水率。如圖4所示。

3.2 材料特性

現(xiàn)場采用湖北力特土工材料有限公司的單向拉伸高密度聚乙烯（HDPE）土工格柵HDPE50，其幾何尺寸和材料拉伸試驗下的力學性能如表3所示。土工格柵處理層回填料采用現(xiàn)場就地開挖料，其物理特性指標如表4所示。

圖4 現(xiàn)場取樣示意圖Fig.4 Field sampling

表3 現(xiàn)場試驗土工格柵技術(shù)指標Table 3 Technical indexes of geogrids used in field test

表4 新鄉(xiāng)泥灰?guī)r物理性質(zhì)指標Table 4 Physical parameters of Xinxiangmarl

3.3 試驗分析

分別在第6、第8區(qū)左岸按前述方法取樣，測其含水率，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，加筋處理層含水率在土工格柵界面上下有突變，界面以下0.01 m的含水率比界面以上0.01 m含水率增大約25%；土工格柵界面以上的含水率基本不變，界面以下0.1 m范圍內(nèi)含水率的變化比較大。也就是說在土工格柵的位置含水率都比其他地方大，證明土工格柵在加筋土體中形成了導水通道，具有良好的導水效果，同時還可以看出，土工格柵界面以下0.1 m外，導水作用影響較小。

3.4 對工程影響的討論

加筋土中土工格柵導水作用明顯，其對工程的影響既有有利的一面，也有不利的一面。首先，格柵加筋層增大了加筋土層的滲透系數(shù)，加速了加筋土體中水份的排出，降低了孔隙水壓力，增強了整體穩(wěn)定性，對于加筋擋墻、加筋土坡等工程建筑物的穩(wěn)定性有利；其次，加筋土層加速了被保護土層中水的排出，避免被保護土層遇水膨脹，使膨脹土坡更為穩(wěn)定；但是，對于渠道渠水位以下渠坡，由于土工格柵的導水作用，渠道中的水也更容易滲入渠坡中，一方面降低了渠坡的穩(wěn)定性，另一方面造成了渠水的流失；而筋土界面上形成的導水通道，會降低土工格柵與土體之間的摩阻力，從而降低加筋土體的強度。因此，在加筋土坡設(shè)計中，要充分考慮格柵加筋后加筋土層滲流狀態(tài)的變化，合理地發(fā)揮加筋土層的優(yōu)勢，減少負面的影響。

圖5 加筋土中含水率沿豎向分布Fig.5 Vertical distributions of water content in reinforced soil

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

通過不同加筋方式的室內(nèi)三軸CD試驗，研究了土工格柵對加筋膨脹土體的導水作用，并通過現(xiàn)場試驗驗證了其導水作用的存在，得出以下結(jié)論：

（1）土工格柵對加筋膨脹土體的導水作用明顯，加筋相當于在土體中增加了導水通道，減小了排水距離，從而使加筋土體的導水作用增強。加筋層數(shù)越多，導水作用越明顯，豎向全斷面加筋排出的水量最多。

（2）圍壓對土工格柵加筋膨脹土的導水作用也有影響：低圍壓下土工格柵的導水作用更明顯，隨著圍壓的增大，水平一層加筋與不加筋的固結(jié)排水量越來越接近，而水平三層加筋與豎向加筋的固結(jié)排水量差別也越來越小，導水作用逐漸減小。

4.2 展 望

本文通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗得出土工格柵加筋膨脹土渠坡處理層中土工格柵的導水作用明顯及一些相關(guān)的結(jié)論，但未對土工格柵的導水作用機理做深入分析，沒有對土工格柵的導水作用對處理層及渠坡工程特性的影響進行定量的研究與討論，這是以后這方面工作的重點，只有認識了土工格柵的導水作用機理，才能夠用它來解決實際工程中的問題。

［1］ 包承綱.土工合成材料應用原理與工程實踐［M］.北京：中國水利水電出版社，2008：11－12.（BAO Chenggang.The Principle and Application of Geo-synthetics in Engineering［M］.Beijing：China Water Power Press，2008：11－12（in Chinese））

［2］ 汪明元，施戈亮，丁金華，等.土工格柵與壓實膨脹土的界面模型及其參數(shù)［J］.吉林大學學報（工學版），2010，40（3）：688－693.（WANG Ming-yuan，SHI Ge-liang，DING Jin-hua，et al.Interface Model and Its Parameters Between Geogrids and Compacted Expansive Soil［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology E-dition），2010，40（3）：688－693.（in Chinese））

［3］ 丁金華，包承綱，丁紅順.南水北調(diào)中線工程土工格柵——膨脹巖的拉拔試驗研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2008，6（1）：52－56.（DING Jin-hua，BAO Chenggang，DINGHong-shun.Pullout Test Study on the Interaction between Geogrid and Swelling Rock［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆Technology，2008，6（1）：52－56.（in Chinese））

［4］ 丁萬濤，譚新.加筋膨脹土的三軸試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（增1）：2367－2370.（DING Wan-tao，TAN Xin.Study on Reinforced Expansive Soil by Triaxial Tests［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（Sup.1）：2367－2370.（in Chinese））

［5］ 《土工合成材料工程應用手冊》編委會.土工合成材料工程應用手冊（第二版）［M］.北京：中國建筑出版社，2000：218－232.（Editorial Committee.Manual of the Engineering Application of Geo-synthetics（Second Edition）［M］.Beijing：Chinese Construction Industry Press，2000：218－232.（in Chinese））

［6］ 楊和平，萬 亮，郭 明，等.用拉拔試驗研究膨脹土中格柵加筋的界面作用［J］.湖南大學學報：自然科學版，2008，35（11）：235－239.（YANG He-ping，WAN Liang，GUO Ming，et al.Research on the Interface Interaction Between Expansive and Geogrids by Pullout Test［J］.Journal of Hunan University（Natural Sciences），2008，35（11）：235－239.（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

W ater Diversion in Geogrid in Reinforced Expansive Soil Slope

ZHAO Liang1，GONG Bi-wei1，LIQing-yun2，DING Jin-hua1，HU Bo1
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Water Environment Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Weak expansive soil reinforced by geogrid，as a protective layer on the slope，is one of the side slope treatments in South-to-North Water Transfer.We performed triaxial consolidated drain tests on expansive soils reinforced by 4 groups of small size unidirectional grids to research their water diversion effect.Results show that geogrid’s capacity of diverting water increases under low confining pressure，while reduces with the rise of confining pressure.It’s concluded that geogrid improves the soil strength and works as awater routewhich accelerates drainage，particularly by vertical reinforcement in thewhole section.The results are verified by field tests.Seepage variation in expansive soil reinforced with geogrid should be considered to give full display to geogrid’s advantages.

South-to-North Water Transfer；geogrid；expansive soil；pull-out test；interface between geogrid and soil；water diversion effect

TU443

A

1001－5485（2012）06－0044－04

2011－11－04

國家自然科學基金資助項目（50808024，51008035）；“十二五”國家科技支撐計劃課題（2011BAB10B00）

趙 亮（1986－），男，湖南長沙人，碩士研究生，主要從事環(huán)境巖土工程等方面的研究，（電話）027－82927522（電子信箱）zhaoliangwh.87＠163.com。