基础刚度对加筋边坡稳定性影响的离心试验研究

陈凌伟; 李波; 李从安; 刘伟; 彭卫平

doi:10.11779/CJGE2022S2013

基础刚度对加筋边坡稳定性影响的离心试验研究 English Version

陈凌伟^1,,
李波^2, ,,
李从安²,
刘伟¹,
彭卫平¹

1.
广州市城市规划勘测设计研究院, 广东广州 510060
2.
长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室, 湖北武汉 430010

基金项目:

国家重点研发计划资助项目 2017YFC1501201

国家自然科学基金青年基金项目 51709017

广东省城市感知与监测预警企业重点实验室项目 2020B121202019

广州市城市规划勘测设计研究院科技基金项目 RDP2220204022

广州市城市规划勘测设计研究院科技基金项目 RDI2220204037

详细信息

作者简介:
陈凌伟(1990—），男，江西宜春人，博士，高级工程师，主要从事土的特性试验研究方面的工作。E-mail: lingweichan@163.com

通讯作者:
李波, E-mail: libo_auliso@126.com

中图分类号: TU47
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2022-12-06
- 网络出版日期: 2023-03-26
- 刊出日期: 2022-11-30

Centrifugal model tests on influences of foundation stiffness on stability of reinforced slopes

1.
Guangzhou Urban Planning Survey and Design Institute, Guangzhou 510060, China
2.
Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China

摘要

摘要: 山区采用加筋边坡设计时经常依据现场情况选择基础形式，而基础刚度直接影响到加筋边坡的稳定性。通过开展离心模型试验，研究不同基础刚度条件下加筋边坡变形和筋材受力分布规律以及边坡稳定性。研究结果表明：边坡基础刚度越大，加筋边坡沉降和水平位移相对较小，且筋材拉力分布更为均匀，边坡稳定性更高；当基础刚度较小时，边坡底部区域的筋材拉力较大，容易导致加筋边坡整体产生较大变形甚至破坏；试验中采用高精度柔性应变片监测得到筋材拉力分布规律，基础刚度较小时，边坡下部的筋材拉力显著增大，比边坡中部的筋材拉力增幅更大，而基础刚度较大时，边坡中部和下部筋材拉力更为均匀。
- 加筋边坡 /
- 离心模型试验 /
- 基础刚度 /
- 筋材拉力
Abstract: The foundation form is often chosen according to the site condition when the reinforced slope is designed in mountainous areas. The foundation stiffness directly affects the stability of the reinforced slope. The centrifugal model tests were carried out to study the deformation and stress distribution of the reinforced slope as well as its stability under different foundation stiffness conditions. For the slope with larger foundation stiffness, the settlement and horizontal displacement of the reinforced slope are relatively small, and the distribution of reinforcement tension is more uniform, so the slope has higher stability. For the slope with small foundation stiffness, the reinforcement tension at the bottom area of the slope is larger, which is easy to cause the whole reinforced slope to produce large deformation or even damage. The high-precision flexible strain gauge is used to monitor the distribution of reinforcement tension. When the foundation stiffness is small, the tensile force of the reinforcement in the lower part of the slope increased significantly, which is larger than that in the middle part of the slope. When the foundation stiffness is large, the tension of the reinforcement in the middle and lower part of the slope are smaller and more uniform.
- reinforced slope /
- centrifugal model test /
- foundation stiffness /
- tensile force of reinforcement

HTML全文

非常感谢肖红菊对“应用于基坑围护结构变形计算的非线性土体弹簧模型及参数研究”^[1]（以下称“原文”）一文的关注,原文在表述上的确存在不严谨的地方,导致读者理解偏离原文本意。下面针对肖教授提出的3个问题^[2],一一给出答复。

（1）原文研究的主要目的：在基坑的弹性地基梁计算模型的应用中,在围护结构主动区一侧施加增量土水压力荷载,增量荷载由土层水文地质参数和开挖工况确定；在基坑被动区,用满足双曲函数关系的非线性土弹簧代替传统的线弹性弹簧。原文中式（2）即为非线性弹簧所满足的关系,并不存在讨论稿中的问题。

（2）讨论稿中给出的式（2）是基于对问题（1）中所述的误解。诚然,被动区土体的基床系数与主动区土压力确实存在一定的关系,但在传统的基坑竖向弹性地基梁算法中,这种关系通过假定计算模型方式被回避了。在原文中,由于对p的说明不准确,导致了理解上的歧义。在此,进行补充说明。首先,应明确的是,原文采用的计算模型为原文图1所示^[1]的增量法模型。在该模型中,在基坑主动区一侧采用的是矩形增量荷载,则被动区土弹簧的土压力强度应为实际水平土压力强度与静止水平土压力强度之差。原文没有对此说明且采用了字母“p”,并用“土压力强度”说明“p”导致了读者的误解。如用下式表达原文中的式（2）,更能让人理解笔者的本意（如图1所示）：

图 1

$p^{'}$ -s关系

Figure 1. Relationship between

$p^{'}$ ands

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$Δ p = p^{'} - p_{0} = \frac{s}{a + b s}$ ,

(1)

式中, $p^{'}$ 为被动区土体的实际水平土压力强度, $p_{0}$ 为被动区土体的静止水平土压力强度。

原文中的p实际上是式（1）中的 $Δ p$ 。应该补充说明的是,在围护墙水平位移不断较大时,被动区土弹簧的土压力强度并不能无限接近p_ult； $p^{'}$ 的上限是被动土压力p_p。所以,应用非线性弹簧时, $Δ p$ -s关系应为图1中的实线A—B—C。

（3）在基坑设计时,首先采用土层原位测试结果获得非线性计算参数再进行计算分析的思路是正确的。但实际情况是,土层原位测试方法采用的应力路径与基坑开挖时的应力路径不同；另外,由于原位试验测试时的探头尺寸过小,由此导致的尺寸效应会使试验结果不能直接应用于基坑计算。笔者在研究初期,也尝试采用原位测试成果直接获取非线性参数,但由测量值直接计算的参数并不合理。为此,采用了原位测试方法与基于现场围护结构变形监测值反分析法相结合的方法。应用基于现场监测数据的反分析结果,对基于原位测试的成果进行修正,就可以得到基于原位测试成果的非线性弹簧参数,从而在实际基坑设计计算中在被动区采用非线性土弹簧。在讨论稿中,肖教授认为影响基坑围护结构变形的因素还包括基坑的平面尺寸、围护结构的刚度和插入比、支撑的形式及布置方式等,这一点在反分析时已经充分考虑了。比如,基坑宽度、支撑形式和布置方式通过支撑刚度值来反映；围护结构刚度和插入比也已经考虑在计算模型中了。通过原位测试和反分析两种方式获取的参数值物理意义是相同的,并不存在肖教授所言的问题。

实际上,笔者已经尝试采用非线性土弹簧对有原位测试成果的基坑进行了计算对比。针对田林路下穿隧道的基坑工程,采用土层的旁压试验成果,应用原文中的修正方法确定了被动区土弹簧参数,计算得到的各施工工况的围护变形计算结果见图2。图中同时给出了采用线弹性土弹簧的计算结果。显然,采用非线性弹簧的成果更接近工程监测结果,采用线弹性土弹簧的计算结果表现出不符合实际的“踢脚”变形。这是由于没有考虑小变形时土体“更刚”这个土体非线性特征导致的。

图 2 计算与实测对比

Figure 2. Comparison between calculated and measured results

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上述分析表明,采用有两个参数的非线性土弹簧代替仅有一个参数的线性土弹簧,计算得到的结果更能反映工程实际情况。在积累一定工程经验基础上,结合一定原位测试,可以得到一个地区典型土层的参数指标范围。

图 1 模型尺寸及监测布置图（以T-2为例）

Figure 1. Model sizes and monitoring layout of Test T-2

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图 2 模型格栅应变布置图

Figure 2. Dtails of strain gauge on model geogrid

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图 3 拉伸轴力–应变关系图

Figure 3. Relationship between tensile stress and strain

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图 4 试验20g~60g位移矢量图

Figure 4. Displacement vectors under 20g~60g

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图 5 试验T-1地基失稳破坏

Figure 5. Foundation failure at 60g for Test T-1

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图 6 试验60g时筋材内力（T-1）

Figure 6. Internal forces of reinforcement at 60g(T-1)

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表 1 离心模型试验方案

Table 1 Schemes of centrifugal model tests

试验编号	上部	下部	试验内容
T-1	填料二加筋	填料一	研究下部填料软弱下边坡稳定性及筋材应力分布
T-2	填料二加筋	填料二未加筋	研究下部回填料未加筋时边坡稳定性及筋材应力分布
T-3	填料二加筋	填料二加筋	研究下部回填料加筋边坡稳定性及筋材应力分布

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表 2 模型填筑材料物理力学参数表

Table 2 Physical and mechanical parameters of model filling materials

填料	压实度	ρ_干 /(g·cm^-3)	w/%	c/kPa	φ/(°)	E/MPa
填料一	0.80	1.56	12.1	32.3	18	8.0
填料二	0.88	1.71	12.1	35.3	22	9.1

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表 3 模型筋材拉伸强度参数

Table 3 Expremental parameters of geogrid used in model

试验编号	每延米极限抗拉强度 /(kN·m^-1)	2%应变拉伸强度	5%应变拉伸强度	延伸率
1	5.35	0.79	1.70	108.9
2	5.12	0.68	1.59	90.4
3	5.16	0.66	1.58	94.1
4	5.36	0.80	1.73	100.1
5	5.00	0.63	1.50	84.8
平均值	5.25	0.69	1.60	96.92

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表 4 不同加速度下坡顶竖向位移

Table 4 Vertical displacements of slope top under different accelerations (mm)

试验编号	20g	40g	60g	80g
试验T-1	0.85	11.30	22.62	—
试验T-2	0.35	1.18	3.23	7.77
试验T-3	0.30	1.13	2.80	6.60

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参考文献(6)

[1]	任洋, 李天斌, 杨玲, 等. 基于离心模型试验与数值计算的超高陡加筋土填方边坡稳定性分析[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(5): 836–844. doi: 10.11779/CJGE202205006 REN Yang, LI Tian-bin, YANG Ling, et al. Stability analysis of ultra-high-steep reinforced soil-filled slopes based on centrifugal model tests and numerical calculation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(5): 836–844. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE202205006
[2]	李立, 曹文昭, 刘洋, 等. 桩承式加筋土结构拓宽路基工作特性离心模型试验[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(增刊2): 3357–3366. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2021S2035.htm LI Li, CAO Wen-zhao, LIU Yang, et al. Centrifugal model test on the performance of pile-supported reinforced-earth structure for subgrade widening[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2021, 40(S2): 3357–3366. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2021S2035.htm
[3]	ZHANG R, LONG M, LAN T, et al. Stability analysis method of geogrid reinforced expansive soil slopes and its engineering application[J]. Journal of Central South University, 2020, 27(7): 1965–1980. doi: 10.1007/s11771-020-4423-x
[4]	张琬, 许强, 陈建峰, 等. 加筋土边坡筋材拉力分布与分区[J]. 交通运输工程学报, 2017, 17(6): 28–35. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JYGC201706007.htm ZHANG Wan, XU Qiang, CHEN Jian-feng, et al. Distribution and zoning of reinforcement loads for reinforced soil slopes[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2017, 17(6): 28–35. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JYGC201706007.htm
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[6]	李波, 徐丽珊, 龚壁卫, 等. 加筋高陡边坡离心模型试验与数值模拟[J]. 长江科学院院报, 2014, 31(3): 65–68, 76. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CJKB201403010.htm LI Bo, XU Li-shan, GONG Bi-wei, et al. Centrifugal tests and numerical modeling of high and steep geosynthetic-reinforced slope[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2014, 31(3): 65–68, 76. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CJKB201403010.htm