側限條件下加筋對土體沉降的影響

傅志斌 劉志華 介玉新

（1.中國地質大學（武漢），湖北武漢 430074；2.建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京 100007；3.水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室（清華大學），北京 100084）

0 引言

隨著土工合成材料越來越被工程界所熟悉，土工合成材料用于加筋土的案例越來越多。常用的加筋材料有土工織物、土工格柵、土工格室等，用于邊坡、擋土墻和地基加筋，以減小變形，增強穩定性[1]。

可以采用三軸試驗和模型試驗研究加筋土的加筋效果和加筋機理，模型試驗包括1g情況下的模型試驗[2-3]和ng（g為重力加速度）情況下的離心模型試驗[4-5]。關于筋材的加筋機理，一般認為三軸試驗中加筋相當于給土體增加了一個似黏聚力或等效圍壓[6-7]，在一般應力狀態下則相當于提供了一個等效附加應力[8-9]。

加筋作用的發揮需要筋材發生一定的變形，也就是說，如果土體處于側限狀態，由于側向沒有變形，那么加筋就沒有多大作用。我們對這一問題進行研究，利用離心模型試驗比較加筋和不加筋情況下土體的變形情況，發現側限情況下加筋也能夠減小土體的變形。

1 模型試驗簡介

采用清華大學的50gt土工離心機進行模型試驗。模型箱長60 cm、寬20 cm、高52 cm。模型箱一側為有機玻璃。試驗過程中，每5g采集一張圖片，每10g時穩定2 min，到80g時穩定5 min之后停止離心機運行。

試驗所用土樣為粉土，塑限18.5%，液限25%，最優含水率16.9%，最大干密度1.7 g/cm3，黏聚力c=6.06 kPa，內摩擦角φ=28.9°。試驗土樣的含水率為19%，密度為1.55 g/cm3。加筋材料采用寬度為20 cm的普通醫用紗布，拉伸模量為20.86 kN/m。

試驗共進行3組。如圖1，試樣高度均為45 cm，其中試驗N-U 為沒有加筋的情況，試驗NR-5的加筋間距為5 cm；試驗NR-3 的加筋間距為3 cm。圖中①—⑦為土壓力盒放置位置，但試驗發現土壓力測試結果不可靠。

圖1 模型斷面示意（單位：cm）

試驗過程中，模型箱側面的攝像頭記錄下土體變形錄像，采用離心場非接觸位移測量技術[10]，根據錄像的圖片來分析相鄰圖片之間的位移差，從而確定土坡上各點的位移及變化，并繪制位移等值線圖。

2 主要試驗結果

試驗N-U 的土體中沒有鋪設筋材，處于側限狀態。試驗過程中加速度每增加10g穩定兩分鐘，達到80g時穩定5分鐘，然后停止轉動離心機。整個過程可以觀察到土體沉降量隨著加速度的增加而逐漸增大。試驗結果見圖2—圖5。

圖2 縱斷面上典型點的沉降量隨加速度的變化（N-U）

圖3 縱斷面上典型點沉降與縱坐標的關系（N-U）

圖4 80 g時橫斷面上典型點沉降與橫坐標的關系（N-U）

圖5 80g時土體沉降變化云圖（N-U，單位：cm）

圖2是橫坐標等于30 cm的縱斷面上典型點的沉降量隨加速度的變化曲線（以圖1中模型右下角為原點計算坐標），圖3是70g、75g、80g下30 cm處縱斷面上典型點的沉降與縱坐標的關系曲線。從圖中可以看出，縱斷面上所有典型點的沉降量都隨著加速度的增加而增大，在同一加速度下，縱坐標越大，沉降量越大。

圖4是80g時不同高度橫斷面（y=15、25、35、43 cm）上典型點的沉降與橫坐標的關系曲線。從圖中可以看出，雖然高度相同，但各點的沉降仍然有一定差別，同一高度橫斷面的沉降變化并不均勻。圖5是80g時土體的沉降變化云圖。

試驗NR-5中土體加筋間距5 cm，其它試驗條件同N-U。試驗結果見圖6—圖9。其中圖6是橫坐標等于30 cm的縱斷面上典型點沉降隨加速度的變化曲線；圖7是70g、75g、80g下30 cm 處縱斷面上典型點沉降與縱坐標的關系曲線；圖8是80g時不同高度橫斷面（y=15、25、35、43 cm）上典型點沉降與橫坐標的關系曲線；圖9是試驗NR-5 在80g時土體的沉降變化云圖。

圖6 縱斷面上典型點的沉降量隨加速度的變化（NR-5）

圖7 縱斷面上典型點沉降與縱坐標的關系（NR-5）

圖8 80 g時橫斷面上典型點沉降與橫坐標的關系（NR-5）

圖9 80 g時土體沉降變化云圖（NR-5，單位：cm）

試驗NR-3中土體加筋間距3 cm，其它試驗條件同上。試驗結果見圖10—圖13。其中圖10—圖12是典型點的沉降量，圖13是80g時土體的沉降變化云圖。

圖10 縱斷面上典型點的沉降量隨加速度的變化（NR-3）

圖11 縱斷面上典型點沉降與縱坐標的關系（NR-3）

圖12 80 g時橫斷面上典型點沉降與橫坐標的關系（NR-5）

在圖5、圖9、圖13所示云圖顯示，左側沉降量較大，右側沉降量較小，而不是同一高度位置的土體呈現均勻沉降。推測出現這種現象的可能原因是：離心機旋轉時，不同位置對應的旋轉半徑不同，加速度稍有不同，左側對應的旋轉半徑大于右側，則左側對應的加速度大于右側，最終三個云圖中試樣左側沉降量普遍大于右側。

圖13 80 g時土體沉降變化云圖（NR-3，單位：cm）

3 加筋對沉降的影響

為了比較加筋對沉降的影響情況，將80g時三個試驗主要橫斷面上典型點的沉降變化曲線繪制于圖14中。從圖中可以看出，每個橫斷面上典型點沉降大小的順序為：N-U＞NR-5＞NR-3。表明側限狀態下加筋仍然能夠減小土體的沉降量，而且加筋間距越小，沉降量減少得越顯著。圖15為試驗N-U、NR-5和NR-3橫坐標30 cm的縱斷面上典型點的沉降量對比圖。從圖中也可以得到同樣的結論。

圖14 80 g時橫斷面上典型點沉降量的對比

圖15 縱斷面上不同加速度下典型點沉降量的對比

按照一般的理解，筋材通過約束土體的側向變形來增強土的強度和剛度，減小沉降量。所以加筋作用效果的上限應該是側限狀態，即在側限狀態下，土在側向沒有變形，筋材作用難以發揮，此時加筋效果不明顯。但本文的試驗表明，側限情況下加筋仍然能夠減小土的沉降，與常識不甚一致。可能的解釋是土體面積較大時，側限情況下土的變形也不十分均勻，這種不均勻使得筋材在局部也能夠發揮一定的約束作用，增強土體的剛度和整體性。從圖5、圖9、圖13的云圖中，也能看出NR-3的變形更為均勻一些。

4 結論與討論

通常認為筋材只在土體發生變形時才發揮作用，因此在有側限條件下筋材發揮的作用較小。本文利用離心模型試驗，對比分析了側限條件下不加筋和加筋時土體的沉降情況。發現同樣情況下，加筋能夠減小土的沉降，而且加筋間距越小，沉降減小的越顯著。這種發現有利于加深對筋材加筋作用機理的理解。由于試驗資料比較有限，因此還需要更多的模型試驗和現場監測結果來印證。