土工格栅加筋膨胀土的三轴试验研究

Abstract: The engineering technology that expansive soil embankment, cutting and canal slope were reinforced with geogrids has been successfully applied to highway, railway and hydraulic projects in the recent years. But the strength and deformation characteristics of reinforced expansive soil are not yet researched thoroughly. This paper presents the results of CD triaxial tests of a middle-class rxpansive soil under different confining pressures and different reinforcing patterns (horizontal reinforcing with one layer/three layers, vertical reinforcing and un-reinforcing) for evaluating the reinforcing effects. The test results indicate that: (1) Reinforced-geogrids in expansive soil provide the drainage passageways, which accelerate the consolidation of expansive soil and are conducive to the stability of expansive soil slope. (2) Reinforced-geogrids reduce the strain softening of expansive soil, so the stress-strain curves of expansive soil possess strain hardening characteristics. (3) Reinforced-geogrid restrains the development of shear zone, which results in the changing of failure models of soil sample. (4) The internal friction angle of the reinforced expansive soil only changes a little under different reinforcing patterns, but the cohesion obviously increases. (5) Evaluating according to coefficient of reinforcing effect(R), reinforcing effects are all enhanced except horizontal reinforcing with one layer, among them, the effect of vertical reinforcing pattern is the best. Key words: expansive soil; horizontal reinforcing; vertical reinforcing; stress-strain characteristics; strength index; coefficient of reinforcing effect
收稿日期：2010-06-11
基金项目：“十一五”科技支撑计划重大项目资助（No. 2006BAB04A10）；武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金项目资助（No.
2010B074）。 第一作者简介：王协群，女，1971 年生，博士，副教授，主要从事土工合成材料应用、地基处理等方面的教学和科研工作。E-mail：xqscwang@
（2）土工格栅加筋膨胀土一般呈应变硬化特征；（3）土工格栅的植入使剪切带的发展受到抑制，导致破坏模式变化；（4）
加筋使膨胀土的内摩擦角变化不大，而黏聚力则有明显提高，其提高程度从小到大依次为水平 1 层加筋、水平 3 层加筋和竖
向加筋；（5）采用加筋效果系数 R 评价，除了水平 1 层加筋方式的效果有所降低外，其余加筋方式都表现出加筋比不加筋的
第 32 卷第 6 期 2011 年 6 月
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.32 No.6 Jun. 2011
文章编号：1000－7598 (2011) 06－1649－05
土工格栅加筋膨胀土的三轴试验研究
王协群 1，郭 敏 1，胡 波 2
（1. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，武汉 430072；2.长江科学院 土工研究所，武汉 430010）
摘 要：土工格栅加筋膨胀土路堤或路堑、渠坡已在公路、铁路与水利工程中获得成功应用，但目前对加筋膨胀土的强度与
变形特性的研究还较少。对不同方案加筋（水平 1 层加筋、水平 3 层加筋、竖向加筋）与不加筋的膨胀土样在不同围压下的
三轴排水剪切试验结果的分析表明，（1）土工格栅加筋膨胀土形成排水通道，加速土体的排水固结，有利于膨胀土坡的稳定；
每种加筋方案以 4 个样为 1 组，分别施加围压 50、100、200、400 kPa 进行固结排水剪切。按照 《土工试验规程》[12]，剪切速率为 0.02 mm/min。
4 试验成果及分析
50 50 50 50 200 200
(c)
(d)
图 1 试样加筋方案（单位: mm） Fig.1 Arrangement of geogrids in expansive soil
效果要好，其中以竖向加筋的效果最好。
关 键 词：膨胀土；水平加筋；竖向加筋；应力-应变特征；强度指标；加筋效果系数
中图分类号：TU 443
文献标识码：A
Triaxial testing study of expansive soil reinforced with geogrid
WANG Xie-qun1, GUO Min2, HU Bo3
型号
2
5
10
/ (kN / m)
BOP
系列
1.98
3.24
4.57
5.78
3.2 试验方法 按含水率为 23%、干密度为 1.524 g/cm3 制备膨
胀土试样，试样尺寸直径 d = 101 mm，高度 h = 200 mm，分 8 层击实，每层厚 25 mm，接触面刮毛。 水平筋材分别在制样到相应高度处时放入事先剪 成的直径为 101 mm 的圆形格栅；竖向筋材的制备 方法为：先制成一个素膨胀土试样，再用专门制作 的直径为 61.8 mm 的钢筒将试样中部掏空，然后放 入预先绑扎好的直径为 61.8 mm，高 200 mm 的格 栅，采用直径为 61.8 mm 的击实锤在格栅笼中继续 击样。试样制成后进行抽气饱和。
（1. School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430072, China; 2. Geotechnical Division,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China）
第6期
王协群等：土工隔栅加筋膨胀土的三轴试验研究
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时，水平 1 层加筋的排水量仅与不加筋基本相当， 水平 3 层加筋和竖向加筋的排水量也仅分别是不加 筋的 1.20 和 1.22 倍。
加筋后土体的固结排水量增大，是因为土工格
栅具有排水功能，相当于在土体中设置了排水通 道。层数越多，排水通道越多，而竖向加筋与试样 同高，排水作用更为明显；围压对试样固结排水量 有显著的影响，围压越高，水越容易沿着格栅形成
表 3 不同加筋方案三轴 CD 试验的固结排水量 Table 3 Drainage volumes under different reinforcing patterns
加筋方案
不加筋 水平 1 层加筋 水平 3 层加筋
竖向加筋
50 1.12 4.42、 3.95 a 23.26、20.77a、5.26 b 29.12、26.0 a、1.25 b
samples(unit: mm)
3 试验材料、设备及方法
3.1 试验材料、设备 试验采用的土样为南阳中膨胀土(过 5 mm 筛)，
（1）固结排水量 从表 3 可以看出，①同一加筋方案下加筋都比 不加筋的固结排水量要大；围压越大，固结排水量 越多；②相同围压下加筋层数增加，固结排水量增 大，其中以竖向加筋的排水量为最大，但排水量相 比于不加筋的增幅随围压的增大而迅速减小，如围 压为 50 kPa 时，水平 1 层加筋、水平 3 层加筋和竖 向加筋的排水量分别是不加筋的 4、21、26 倍，但 围压为 100 kPa 时，上述 3 种方案的排水量仅分别 是不加筋的 1.11、1.64、1.73 倍；围压为 400 kPa
本文在前人研究的基础上，以南水北调膨胀土 渠坡格栅加筋稳定技术研究为依托，通过排水三轴 剪切试验，研究膨胀土在不同围压下采用不同加筋 层数（水平 1 层加筋、水平 3 层加筋）和不同加筋 方式方式（水平加筋和竖向加筋）的强度与变形特 性。
2 试样加筋方案
试样尺寸为直径为 101 mm，高 200 mm，其中 不加筋的素膨胀土试样见图 1(a)；水平 1 层加筋膨 胀土试样见图 1(b)(筋材位于试样中部)；水平 3 层 加筋试样见图 1(c)(各层沿试样高度等分布置，筋材 分别位于试样 50、100、150 mm 高处)。竖向加筋 膨胀土试样是在试样径向的中部加入格栅笼(直径 为 61.8 mm，高 200 mm)，见图 1(d)。各图中阴影 部分表示加筋格栅。