软土地基加筋石灰土路堤离心模型试验研究

第27卷第2期岩石力学与工程学报V ol.27 No.2 2008年2月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2008软土地基加筋石灰土路堤离心模型试验研究

陈建峰1，2，俞松波1，叶铁锋1，石振明1，2

(1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

摘要：对打设竖向排水体的软土地基加筋石灰土路堤进行离心模型试验，并同时进行了1组不加筋石灰土路堤的对照试验。在地基土中及其表面埋设和安装了位移计、孔隙水压力计和土压力计，并在模型土工格栅上黏贴了应变片以测试加筋拉力。试验结果表明：(1) 加筋减少了沉降量，其减少量8%左右，加筋路堤呈现较明显的地面隆起，而不加筋路堤主要表现为沉降；(2) 加筋和不加筋路堤地基中两者的孔隙水压力基本接近，在每一堆载休止期，孔隙水压力都呈较明显的消散；(3) 加筋后，路堤堆载压力可明显扩散，加筋路堤中心下地基土压力比不加筋路堤要小6%～10%，而坡脚下土压力前者比后者大40%左右；(4) 模型格栅拉力随加速度的增大变化规律较好，在休止期拉力持续增大，与沉降规律一致。在堆载高度0～2 m期间，格栅拉力较均匀分布，其后格栅中心处拉力明显比两侧增大；(5) 加筋对提高石灰土路堤的稳定性作用明显，可考虑在石灰土中加筋以提高其抗拉强度，并可进一步提高路堤的稳定性。

关键词：土力学；路堤；软土地基；石灰土；土工格栅；塑料排水板；离心试验

中图分类号：TU 44 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)02–287–07

CENTRIFUGAL TEST ON REINFORCED EMBANKMENT WITH LIME-STABILIZED SOIL AS BACKFILL ON SOFT CLAY

CHEN Jianfeng1，2，YU Songbo1，YE Tiefeng1，SHI Zhenming1，2

(1. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；2. Key Laboratory of Geotechnical

and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai200092，China)

Abstract：Two centrifugal tests of reinforced and unreinforced embankments with lime-stabilized soil as backfill on soft clay with vertical drains were performed to investigate the reinforcement mechanisms and effects. The instruments used to measure displacement，pore water pressures and earth pressures were installed；and the strain gauges were glued with epoxy resin on the surface of the model with geogrid. The following test results are achieved. (1) Compared with the unreinforced embankment，the settlement of reinforced embankment is reduced approximately by 8%；and the heave of the reinforced embankment foundation is observed，whereas unreinforced embankment dominantly shows settlement. (2) Pore water pressures in the foundations of reinforced and unreinforced embankments are basically similar；and during each loading break，pore water pressures are obviously dissipated. (3) Earth pressures under embankment base are distributed uniformly due to geogrid reinforcement. Earth pressures under central part of the reinforced embankment are 6%–10% less than those of unreinforced embankment，whereas earth pressures under the slope toes of the former are approximately 40% greater than those of the latter. (4) Tensile forces in the model geogrid have a good changing law with the

收稿日期：2007–09–06；修回日期：2007–10–21

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50508030)

作者简介：陈建峰(1972–)，男，博士，1995年毕业于西安地质学院(今长安大学)水文地质与工程地质专业，现任副教授，主要从事岩土工程加筋土理论、技术等方面的教学与研究工作。E-mail：jf_chen@https://www.360docs.net/doc/323816688.html,

? 288 ? 岩石力学与工程学报 2008年

acceleration increasing. During loading break，tensile forces increase，which is consistent with the settlement changing law. The distribution of the tensile forces shows uniform until the reinforced embankment is loaded up to 2 m in height. Afterwards，the tensile forces at the central part obviously increase more than those at two sides. (5) An idea to add geosynthetics to the embankment′s lime-stabilized soil is proposed so as to improve its tensile strength，which also makes the embankment more stable.

Key words：soil mechanics；embankment；soft foundation；lime-stabilized soil；geogrid；plastic drainage boards；centrifugal test

1 引言

加筋对提高土工构筑物的稳定性已为人们熟知，但理论研究成果落后于工程实践。对于加筋路堤或堤坝，目前国内外已进行了一些离心模型试验展开研究。M. D. Bolton和J. S. Sharma[1]用离心模型试验研究了软土地基上加筋路堤的性状，对加筋类型、地基深度和地基竖向排水影响等作了探讨。J. N. MandaL和A. A. Joshi[2]用离心模型试验观测软土地基上棉和麻土工织物加筋路堤的短期稳定性，获得了地基内部沉降和水平位移分布。丁金华和包承纲[3]对软土地基及吹填土上土工织物加筋堤进行离心模型试验，研究不同排水条件、不同织物布置方式对堤坝稳定和变形的影响。J. S. Sharma等[4，5]采用离心模型试验和有限元分析了软土地基上设置和未设置塑料排水板加筋路堤加筋应力的分布。陈胜立等[6，7]对土工织物加筋斜坡式防波堤的固结过程进行了离心模型试验，分析了地基土体固结过程中防波堤–加筋垫层–地基体系的位移场和应力场的发展以及织物拉应力的分布和发展。B. V. S. Viswanadham和R. Mahajan[8]做了土工织物加筋的路堤砂土边坡的离心模型试验，对水平位移、沉降及加筋层的应变分布作了分析。

石灰土路堤在我国北方和南方公路建设中已得到较多的应用[9～12]，其便于就地取材，降低建设成本。对高液限、高含盐量和高压缩性的黏土和亚黏土，经石灰改性后，能达到规范要求的物理力学性能。如江苏沿长江南北的高速公路，地基土为含水量较高、塑性指数为10～25的黏土和亚黏土，施工中对现场取土经晒干粉碎，掺5%～8%的石灰进行路堤填筑，取得良好效果[12]。

目前对软土地基石灰土路堤、特别是加筋后的变形性状及稳定性方面的研究还鲜见报道。本文对打设竖向排水体的软土地基加筋石灰土路堤进行离心模型试验，并同时进行了1组不加筋石灰土路堤的对照试验。

2 离心模型试验

2.1试验设备

本次试验是在同济大学TLJ–150岩土离心试验机(见图1)上进行的。其最大容量为150 g·t，最大离心加速度为200 g，有效半径为3.0 m，拖动功率为250 kW。

图1 TLJ–150岩土离心试验机

Fig.1 Geotechnical centrifuge machine TLJ–150

2.2 模拟对象及模型尺寸

模拟对象为高度6 m、顶宽13 m、坡率1∶1石灰土路堤，25 m厚淤泥质粉质黏土地基，50 cm 厚砂垫层，砂垫层中布设双向塑料土工格栅，地基中打设有间距2 m、梅花形布置的塑料排水板。试验采用的模型率=

n100，模型箱尺寸为0.9 m×0.7 m× 0.7 m(长×宽×高)。按模型率n = 100缩小原型的模型尺寸如图4所示。

2.3模型材料及制备

模型地基土和制备路堤灰土的土采用上海地区第③层淤泥质粉质黏土。将土样风干、粉碎，并过孔径φ2 mm的筛子。风干后土的相对密度为2.73，含水率3%，孔隙比为1.71。

将风干淤泥质粉质黏土掺5%生石灰，采用重型击实仪进行击实试验，击实试验曲线见图2。测得最优含水率为18%，最大干密度为1.75 g/cm3。

第27卷 第2期 陈建峰，等. 软土地基加筋石灰土路堤离心模型试验研究 ? 289 ?

图2 石灰土击实试验曲线

Fig.2 Curve of compaction test for lime-stabilized soil

参照规范

[13]

要求，下路堤压实度≥93%，上路堤压

实度≥94%，本次试验取石灰土路堤压实度为93%。将计算好质量的石灰土装入55 cm ×15 cm ×15 cm 模具中，置于万能试验机压实至93%的压实度。然后，用刀将压实后的石灰土削成试验路堤形状和尺寸。砂垫层为过孔径φ 1.25 mm 筛子的黄砂，其堆积密度为1.24 g/cm 3。

模型土工格栅的选择是一个难点，需同时满足力学相似和几何相似条件，但前者起控制作用。笔者分别对塑料纱窗布、医用纱布、土工格网、玻璃纤维网和三维土工网夹层进行了拉伸试验，选出了由南阳杰达土工材料有限公司生产的三维土工网夹层作为模型土工格栅，其原料为高密度聚乙烯(HDPE)，与实际黏焊塑料土工格栅原料一致，网格间距8 mm 。按规范

[14]

裁取5个试样进行宽条拉伸

试验，试验曲线见图3。剔除5#

试样异常数据，各试样试验参数及平均值，以及原型双向黏焊土工格栅试验参数

[15]

见表1。可见模型土工格栅标称抗拉

强度下的伸长率和原型基本一致，其抗拉强度和2%，5%伸长率的拉伸力乘以模型率100后，也与原型接近。

图3 模型土工格栅拉伸试验曲线 Fig.3 Curves of tensile test for model geogrid

表1 模型格栅试验参数

Table 1 Experimental parameters of geogrid used in model

试样编号

每延米极限

抗拉强度

/(kN ·m －1

)

标称抗拉 强度下的 伸长率/%

2%伸长率

时的拉伸力 /(kN ·m －1) 5%伸长率

时的拉伸力

/(kN ·m －1

)

1 1.25 16.0 0.39 0.64

2 1.45 15.4 0.46 0.74

3 1.21 14.6 0.39 0.66

4 1.37 14.4 0.57 0.81 平均值 1.32 15.1 0.4

5 0.71 原型GSZ100

≥100.00

≤13.0

≥55.00

≥65.00

关于塑料排水板离心模型材料的选择，J. S. Sharma 和M. D. Bolton [4]采用直径φ 1.5 mm 的聚酯纤维绳来模拟，卢国胜[16]用直径φ 2 mm 的普通毛线模拟。笔者将塑料排水板换算成等效直径的砂井，根据模型砂井地基与原型砂井地基平均固结度相等的原则，确定模型砂井的直径为φ 5 mm 、间距32 mm ，梅花形布置。砂井充填材料为过孔径φ 1.25 mm 筛子的黄砂。 2.4 仪器埋设及布置

在地基制备过程中和路堤加载前，埋设和安装由中国物理研究院总体工程研究所传感器研究室研制的6个孔隙水压力传感器、6个土压力传感器和4个差动式位移传感器。孔隙水压力传感器的型号为KYB –300，测量范围为300 kPa ，系统精度为2级，传感器渗水材料孔隙为0.3 μm ，渗水材料能承受压力200 kPa 。土压力传感器型号TYB –500，量程为500 kPa ，系统精度为2级。4个差动式位移传感器中，2个型号为CW –30，量程3 cm ；2个型号为CW –50，量程5 cm 。为测试模型土工格栅受力情况，在格栅表面不同位置用环氧树脂黏贴了4个应变片，并对其进行了标定。图4所示为量测仪器平面和正立面布置图；图5所示为模型格栅表面黏贴的应变片。

在地基初始固结完成后，卸去模型箱侧面有机

玻璃板，用大头针将彩色硬封面纸剪成的标记点布置在地基土侧面上，以观测路堤加载过程地基土的位移。 2.5 试验过程

本次试验过程如下：

(1) 在模型箱四周贴双层聚四氟乙烯，以消除侧壁摩阻力。在模型箱4个角上各放置1个高35 cm 、直径φ 7.6 cm 的不锈钢管，用于储存地基固结过程中排出的水。

拉伸率/%

0.0

0.20.40.60.81.01.21.41.6拉伸力/(k N ·m －

1)

试样1试样2试样3试样4试样5

? 290 ? 岩石力学与工程学报 2008年

(a) 平面图

(b) 正立面图

图4 量测仪器布置图(单位：mm)

Fig.4 Arrangement of instruments(unit：mm)

图5 模型格栅表面黏贴的应变片

Fig.5 Strain gauges glued on the surface of model geogrid

(2) 将淤泥质粉质黏土干土与水以5∶3的质量比配置地基土，分10层在模型箱中制成30 cm厚度的地基土。在地基土制备过程中埋设土压力计和孔隙水压力计。

(3) 将地基土在100 g离心力作用下运转2.5 h，模拟3 a的正常固结，以使模型地基土达到与原型相近的应力状态和密实度。

(4) 卸去模型箱侧面有机玻璃板布置位移标记点，用直径φ5 mm的薄壁不锈钢钢管在路堤基底地基土中成孔并灌黄砂制备砂桩，在其上铺5 mm厚度的砂垫层，模型土工格栅布置在砂垫层中间位置，再在砂垫层上放置预制的石灰土路堤，最后安装位移计。

(5) 采用变加速度方法模拟路堤的3级堆载，加速度分别为33.3，66.7和100 g，以模拟路堤堆载2，4和6 m高度，每1级堆载完成后休止1个月时间，加速度–时间关系曲线如图6所示。

图6 加速度–时间关系曲线

Fig.6 Relationship curve between acceleration and time

(6) 加筋路堤试验完成后，再按同样条件做一组不加筋路堤试验。

3 试验成果

表2为路堤石灰土及固结完成后地基土物理力学指标。

表2 路堤石灰土及固结完成后地基土物理力学指标Table 2 Physico-mechanical properties of embankment and foundation lime-stabilized soils after consolidation

名称

密度ρ

/(g·cm－3)

含水率

w/%

塑性指

数I P

压缩系数

a0.1–0.2

/MPa－1

压缩模量

E s0.1–0.2

/MPa

黏聚力

c/kPa

内摩擦

角?/(°)路堤土 1.91 20 ––475.00 109.035.0地基土 1.73 44 16.10.86 2.63 8.023.0

图7为加筋路堤100 g加载结束时位移情况，图8～11分别为加筋路堤沉降、孔隙水压力、土压力和土工格栅拉力随时间变化关系。试验中1#和6#孔隙水压力计(k1，k6)、1#和6#土压力计(t1，t6)以及1#应变片(y1)出现故障。

图12为不加筋路堤100 g加载结束时位移情况，图13～15分别为不加筋路堤沉降、孔隙水压力和土压力随时间变化的关系。试验中1#，4#和5#孔隙水压力计(k1，k4，k5)出现故障；2#土压力计(t2)出现故障。表3为加筋和不加筋路堤沉降、孔隙水压力和土压力值的比较(因在路堤顶面量测的沉降量s1和s2很接近，故只列出s1值)，各比较阶段为3个模拟堆载加速度33.3，66.7和100.0 g起始时刻和终止时刻。

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图7 加筋路堤100 g 加载结束时位移情况

Fig.7 Displacement of markers at the end of construction of

reinforced embankment with 100 g

图8 加筋路堤沉降–时间关系

Fig.8 Settlement vs. time during construction of reinforced

embankment

图9 加筋路堤孔隙水压力–时间关系

Fig.9 Pore water pressure vs. time during construction of

reinforced embankment

图10 加筋路堤土压力–时间关系

Fig.10 Soil pressures vs. time during construction of

reinforced embankment

图11 模型格栅拉力–时间关系

Fig.11 Tensile forces in model geogrid vs. time during

construction of reinforced embankment

图12 不加筋路堤100 g 加载结束时位移情况 Fig.12 Displacement of markers at the end of construction

of unreinforced embankment with 100 g

图13 不加筋路堤沉降–时间关系 Fig.13 Settlement vs. time during construction of

unreinforced embankment

图14 不加筋路堤孔隙水压力–时间关系

Fig.14 Pore water pressures vs. time during construction of

unreinforced embankment

－－－－－－沉降量/m m

－－－－－－沉降量/m m

时间/min 孔隙水压力/k P a

时间

/min 0.0

20

4060

80

土压力/k P a

－时间

/min 拉力/(N ·m －

1)

时间/min 孔隙水压力/k P a

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图15 不加筋路堤土压力–时间关系 Fig.15 Soil pressures vs. time during construction of

unreinforced embankment

由图7～15以及表3可以看到，加筋路堤和不加筋路堤沉降、孔隙水压力、土压力随加速度的增大有很好的变化规律，两者变化趋势相似。

加筋减少了沉降量，100 g 加载结束时加筋路堤中心s1点沉降量比不加筋路堤减少2.35 mm ，相当于原型加筋路堤减少沉降235 mm ，减少沉降量8%左右；离路堤中心150 mm 、也即离坡脚25 mm 处的s3点沉降量，前者比后者减少4.26 mm ；离路堤中心200 mm 处的s4点，前者呈现较明显的地面隆起，而后者主要表现为沉降。从沉降量–时间关系曲线看，加筋路堤和不加筋路堤在休止期随孔隙水压力的消散沉降持续增大，特别是到100 g 结束时，沉降还呈明显的上升趋势，总沉降量较大。这些沉降特征系与试验中重塑土结构性较差有关。

加筋路堤和不加筋路堤地基中两者的孔隙水压力基本接近，在每一堆载休止期，孔隙水压力都呈较明显的消散。从离心机拍摄的照片和停机后的观测，打设砂桩的地基排水效果很好，路基底面有较多的水渗出，而路基外地基表面没有渗水。

加筋路堤t4，t5土压力比不加筋路堤相同位置的土压力要小6%～10%，而t3土压力前者比后者大40%左右。t3位于路堤坡脚下地基中，t4位于路堤中心下地基中，t5位于路堤坡肩下地基中，t3位置比t4，t5高50 mm 。加筋路堤t3土压力比t4相应值小20.2%，而不加筋路堤前者比后者小49.1%。这说明加筋明显扩散了路堤堆载压力，使路基下地基应力趋向均布。

从图11模型格栅拉力–时间关系曲线看，格栅拉应力随加速度的增大变化规律较好，在休止期拉力持续增大，与沉降规律一致。y3，y4距中心95 mm 对称布置，两者的拉力基本一致，中心线上的y1在加速度33.3 g 结束前拉力与y3和y4一致，但33.3 g 以后拉力明显增大，到100 g 结束时，格栅中心线上的拉力是两侧y3，y4均值的1.5倍。

从图7，12可以看到，加筋和不加筋路堤在堆载后期都出现裂缝，这是由于石灰土呈脆性，抗拉强度很小，可以考虑在石灰土中加筋以提高其抗拉强度，并可进一步提高路堤的稳定性。另外发现，加筋路堤裂缝开度稍大于不加筋路堤，这是由于，尽管加筋同时减小了路堤中心s1点和坡脚附近s3点的沉降量，但从表3中看到，两者之间的沉降差稍大于不加筋路堤。

表3 加筋和不加筋路堤测量值比较

Table 3 Comparison of the measured values between reinforced and unreinforced embankments

沉降量/mm

孔隙水压力/kPa

土压力/kPa

阶段 s1 s3 s4 k2 k3 t3 t4 t5

33.3 g 始 －8.88 －0.13 1.08 41.75 35.79 59.47 81.77 76.82 33.3 g 末

－14.45 －2.52 －0.18

28.33 28.33 61.95 81.77 76.82

66.7 g 始 －17.86 －1.00 2.48 80.52 67.10 126.37 158.59 148.67 66.7 g 末 －21.50 －2.08 1.92 71.58 65.61 128.85 163.54 163.54 100.0 g 始 －23.75 －1.21 3.05 125.26 105.87 195.75 245.31 235.40 加筋路堤

100.0 g 末 －25.34 －1.73 2.70 119.29 105.87 195.75 245.31 232.92 33.3 g 始 －9.47 －0.66 0.71 41.75 34.30 44.60 89.20 81.77 33.3 g 末

－14.91 －3.63 －0.94 32.81 28.33 49.56 94.16 86.73 66.7 g 始 －19.36 －3.54 －1.04 73.07 71.58 91.68 178.41 168.50 66.7 g 末 －22.52 －4.93 －1.91 65.61 65.61 91.68 178.41 170.98 100.0 g 始

－26.24 －5.39 －2.28 111.84 105.87 133.81 262.66 252.75 不加筋路堤

100.0 g 末

－27.69

－5.99

－2.72

107.36 104.38 133.81 262.66 252.75

0.0

时间/min

土压力/k P a

类型

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4 结论

通过对加筋和不加筋石灰土路堤离心模型试验，得出如下结论：

(1) 加筋减少了沉降量，在试验结束时加筋路堤中心沉降量比不加筋路堤减少2.35 mm，相当于原型加筋路堤比不加筋路堤减少沉降235 mm，减少8%左右的沉降量；加筋路堤呈现较明显的地面隆起，而不加筋路堤主要表现为沉降。加筋和不加筋路堤在休止期随孔隙水压力的消散沉降持续增大，到试验结束时，沉降量仍呈明显上升趋势。

(2) 加筋和不加筋路堤地基中两者的孔隙水压力基本接近，在每一堆载休止期，孔隙水压力都呈较明显的消散。打设砂桩的地基排水效果很好。

(3) 加筋路堤中心附近以下地基中的土压力比不加筋路堤相同位置的土压力要小6%～10%，而坡脚下土压力前者比后者大40%左右。加筋明显扩散了路堤堆载压力，使路基下地基应力趋向均布。

(4) 格栅拉力随加速度的增大变化规律较好，在休止期拉力持续增大，与沉降规律一致。在堆载高度0～2 m期间，格栅拉力较均匀分布，其后格栅中心处拉力明显比两侧增大。

(5) 加筋对提高石灰土路堤的稳定性作用明显，但试验中加筋和不加筋路堤在堆载后期都出现裂缝，这是由于石灰土呈脆性，抗拉强度很小，可以考虑在石灰土中加筋以提高其抗拉强度，并可进一步提高路堤的稳定性。

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