局部开挖条件下土工织物加固边坡的离心模型试验研究

刘曜; 刘素嘉; 张嘎

doi:10.11779/CJGE2024S20017

局部开挖条件下土工织物加固边坡的离心模型试验研究 English Version

清华大学水利水电工程系, 北京 100084

基金项目:

国家重点研发计划课题 2023YFC3007001

详细信息

作者简介:
刘曜（2004—），女，本科，主要从事边坡工程方面的研究。E-mail: liuyao22@mails.tsinghua.edu.cn

中图分类号: TV22
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出版历程
- 收稿日期: 2024-06-20
- 刊出日期: 2024-09-30

Centrifuge modeling of geotextile reinforced slope under partial excavation

Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

摘要

摘要: 土工织物加筋是工程中加固土体的有效方式。进行了坡脚开挖条件下素土坡与土工织物加筋土坡的离心模型试验，测量了边坡的位移变化，分析了土体的变形破坏过程与土工织物的作用。试验结果表明土工织物加筋减小了滑动体的位移，提高了土坡的稳定性，改变了滑裂面的形态。土工织物加筋使边坡变形均匀化，牵拉外侧土体，从而延迟并减轻了边坡破坏。
- 边坡 /
- 土工织物 /
- 开挖 /
- 加筋 /
- 离心模型试验
Abstract: The geotextile reinforcement is an effective way to strengthen soils in engineering. The centrifuge modeling of plain soil slope and geotextile-reinforced slope under excavation of slope foot is carried out, the displacement change of slopes is measured, and the deformation and failure process of soils and the action of geotextile are analyzed. The test results show that the geotextile reinforcement reduces the displacement of the sliding body, improves the stability of the soil slopes and changes the shape of the slip surface. The geotextile reinforcement homogenizes the slope deformation and pulls the outer soil, thus delaying and reducing the slope failure.
- side slope /
- geotextile /
- excavation /
- reinforcement /
- centrifuge modeling

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0.   引言

非饱和状态是影响土体力学特性的重要因素。基质吸力的增加直接降低了土体的含水率，提高了土体的抗剪强度和模量，进而对岩土工程的稳定性产生显著影响。因此，土水特征研究一直是非饱和土研究的热点。

过去，人们对细粒土（如黏土、粉质黏土、砂土等）的土水特征进行了大量研究，但对大颗粒粗粒堆积土的土水特征研究较少，主要是受限于现有测试设备的尺寸，它们只能对小尺寸的土样进行测试。然而，粗粒堆积土含较多10~60 mm的颗粒，因此小尺寸试验设备不能满足大颗粒土体试验的基本要求（试样土样的直径需大于或等于土样最大粒径的5倍）。因此，目前鲜有报道粗粒堆积土土-水特征的研究成果。

而且，人们普遍认为，粗粒堆积土的持水能力较弱，对土体的变形和强度几乎没有影响，然而，目前的研究结果表明，土体的SWCC受许多因素的影响，如密度、干湿循环、应力历史、细粒土含量等^[1-2]。其中，细粒土的含量对土体SWCC有更显著的影响。粗粒堆积土中不仅含有大颗粒，而且含有大量细粒土。随着细粒土含量的增加，土体的SWCC不可避免地会发生变化，土体的力学特性将逐渐受到影响。因此，在细粒土含量增加的条件下，对粗粒堆积土土水特性的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

土水特性试验是一种耗时的试验，因为在每个阶段的气体压力下，土体中的气液平衡时间较长。因此，一般来说，研究土体SWCC的快速方法是建立SWCC的经验公式^[3]，例如Van Genuishen公式和Fredlund公式属于这种预测方法。这些模型只需要使用少量的试验数据来拟合经验公式中的关键参数，就可以得到完整的SWCC。然而，使用经验公式获得SWCC也是基于一些试验数据。为了进一步简化SWC的应用，一些学者在总结了大量土体的SWCC后，建立了与土颗粒分布相关的SWCC预测模型。例如，Arya等^[4]、Tyler等^[5]、Sweijen等^[6]都建立了许多基于土颗粒级配的SWCC预测模型。这些模型基于细粒土的SWCC预测，其对粗粒堆积土的适用性仍需进一步研究。

针对粗粒堆积土SWCC研究的不足，本文首先介绍了一种新开发的非饱和粗粒堆积土三轴试验系统，该系统可以对粗粒堆积土进行大尺寸SWCC试验。在此基础上，总结了粗粒堆积土的SWCC试验方法和吸力平衡标准，研究了细粒土含量增加条件下粗粒堆积土SWCC的变化规律。最后，利用经典的AP模型，分析并得出了适用于粗粒堆积土SWCC的预测方法。

1.   非饱和粗粒堆积土三轴仪

大型非饱和粗粒堆积土动静态三轴试验系统由压力控制系统、轴压加载系统、数据采集系统以及软件控制与分析系统组成。其中，涉及粗粒堆积土SWCC试验的主要系统和部件包括：陶土板底座、气压控制装置和排水测量系统，见图 1。大型非饱和三轴仪试样尺寸为150 mm×300 mm，该试验系统允许的最大颗粒粒径最大可达30 mm，这就大大消除了试验时替代大颗粒土所带来的偏差，试得试验结果更加符合实际。陶土板底座由3个具有高进气值的小陶土板构成，在有效隔绝土样气体排放的同时，避免了装样过程中陶土板受冲击破裂。

图 1 非饱和粗粒堆积土三轴仪

Figure 1. Triaxial apparatus for unsaturated coarse-grained soil

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2.   非饱和粗粒堆积土SWCC试验方案

2.1   非饱和粗粒堆积土试样制备

试验土样取自某高铁站粗粒堆积土高填方边坡。为了研究不同细粒料含量（颗粒粒径小于0.075 mm）对粗粒堆积土土水特征曲线的影响，设计了3组细粒料含量不同的试样，细粒料质量含量分别为4.525%，9.05%，13.575%，试样的土颗粒级配见图 2。3组试样在粒径为5~30 mm的占比几乎相同，颗粒级配差异主要体现在5 mm粒径以下部分，并重点关注0.075 mm以下部分的含量。3组试样的干密度均控制为1.8 g/cm³。将配置好的试样搅拌均匀，分5次平均加入制样桶中。每次加样后应压实试样，控制单次加样高度为60 mm。

图 2 土样颗粒级配曲线

Figure 2. Grain-size distribution curves of soil particles

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2.2   试验步骤与吸力平衡标准

粗粒土SWCC试验步骤参考细粒土试验步骤，不同的是，由于粗粒堆积土样品尺寸大、饱和含水率高，试验期间的气液平衡标准不同于细粒土试验。

小颗粒土壤水分特征试验的基质吸力平衡准则大致可分为两类：第一类是根据排水量与样本量的比例进行控制。例如，在褚进晶等^[7]对黏土水的特性试验中，平衡标准是每2 h排水量小于样品体积的0.05%。第二类是控制排水量。例如，Pham^[8]采用的平衡标准是，24 h内土壤样品的排水质量小于0.1 g。

由于粗粒堆积土样本的含水率相对较高，第二类控制标准对于大样本粗粒堆积土来说过于严格，因此根据第一类平衡标准来判断粗粒堆积土吸力平衡更合适。经过多次试验，发现以1 mL/h的出水速率作为吸力平衡的控制标准更为合理，即每1 h的排量小于样品体积的0.04%。

3.   细颗粒含量对粗粒堆积土SWCC影响

3.1   不同细颗粒含量试样试验结果

图 3给出了不同细颗粒含量试样的SWCC试验结果。由于试验数据点略少，采用经典VG模型对测得的试验数据进行拟合，以研究土壤水分特征参数，实测数据及拟合曲线见图 3（a）~（c）。

图 3 实测数据及VG模型拟合的SWCC曲线

Figure 3. SWCCs fitted by measured data and VG model

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从图 3可以看出，与粉质黏土等细粒土相比，粗粒堆积土的持水能力相对较弱，土体中的水可以在较小的气压下排出，土体中的基质吸力相对较小。然而，随着细粒土含量的增加，粗粒堆积土的持水能力不断增加，土壤的进气值也相应增加，即S_a3 > S_a2 > S_a1，S_a1趋于0，未在图中展出。此外，随着细土含量的增加，土体的残余基质吸力也在增加，即ψ₃ > ψ₂ > ψ₁，这也表明土壤的持水能力在增加，土体持水能力的提高必然会影响土体的变形和强度特性。

3.2   试验设备及方法可靠性验证

目前，关于粗粒堆积土土水特征的研究很少，仅通过前人极其有限的研究结果^[9]作为对比数据，验证本文试验数据的合理性。对比试验数据见图 4。

图 4 试验可靠性对比

Figure 4. Comparison of test reliability

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通过对比可以发现，尽管土颗粒的分布不同，但粗粒堆积土的土水分布特征曲线具有明显的相似性，基质吸力范围基本相同。随着粗粒堆积土不均匀系数的增加，相同基质吸力下的饱和度逐渐升高，表明土体持水能力不断提高。上述对比结果说明了实验数据的合理性，证明了利用该三轴仪器进行试验的可靠性。

4.   基于AP模型的粗粒堆积土SWCC曲线预测方法

4.1   Arya-Paris模型

Arya-Paris模型^[4]从土样土水特征曲线与颗分曲线的相似性出发，将土样视为由圆球状颗粒以及圆柱状孔隙组成的多孔介质，按照试样颗粒组成划定不同的粒组。将不同的颗粒分组视为若干等效粒径为R_i的相互独立的独立体，假设各独立体孔隙比与试样整体的孔隙比相同。各个独立体内的孔隙均为开口孔隙，并简化为毛细管通道。经此划分和简化后，结合一定合理化假设，即可求解土水特征曲线。具体过程可归纳为两条关键步骤：①通过求各组孔隙体积V_vi与总孔隙体积V_p的比值，推算各组孔隙充满水后的体积含水率θ_vi；②通过各组独立体颗粒个数n_i和独立体孔隙半径r_i，推算各级孔隙充满水后的基质吸力ψ_i。

综上所述，根据AP理论，在确定好试样颗粒级配后，就可以预测试样的土水特征曲线进行。具体过程可参见文献[17]。

4.2   Arya-Paris模型关键参数与预测效果分析

基于AP模型预测SWCC的过程中，考虑到土样理想孔隙和实际孔隙结构之间的差异，引入了一个经验参数 $\alpha$ ，将每个独立体中的理想球形颗粒数n_i转化为更真实的 $n_i^\alpha$ 。这一参数是决定AP模型预测土样土水特征曲线实际效果的关键，现对其进行探讨。

关于 $\alpha$ 值，Arya^[4]进行了大量测试后得出结论， $\alpha$ 值在1.31~1.43，并建议取值为1.38，适用于大多数土体。随着对AP模型越来越深入的研究发现， $\alpha$ 取恒定值并不合理。一些研究人员认为， $\alpha$ 的值应符合土颗粒粒径越大， $\alpha$ 值越大的规则。为了更加准确地预测土-水分布特征曲线，研究者提出了3种确定经验参数值的方法^[10-11]，即线性拟合方法、非线性拟合方法及 $\theta$ 函数法。

比较了基于非线性拟合方法、线性拟合方法以及 $\theta$ 函数法所确定的试样的SWCC曲线，对比结果总结如下：①通过 $\theta$ 函数法确定经验参数 $\alpha$ 的方式，最终预测得到的试样土-水特征曲线与实测值偏差最大。②对于常数 $\alpha$ ，当细粒土含量较低时，预测效果相对较好，但当细粒土含量增加时，常数取值的预测曲线与试验数据偏差较大，细粒土含量越高，偏差越大。③对于线性拟合方法得到的 $\alpha$ ，当细粒土含量较低时，预测效果并不理想。但当细粒土含量增加时，预测效果相对理想，细土含量越高，预测曲线越好。④对于非线性拟合方法得到的 $\alpha$ ，无论细粒土含量多少，预测曲线的方法都与试验数据吻合良好。因此，建议使用该方法预测粗粒堆积土的SWCC。

图 5 基于不同α取值的SWCC预测

Figure 5. Prediction of SWCCs based on different values of α

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5.   结论

针对目前粗粒堆积土SWCC测试设备的缺乏和SWCC研究的不足，本文首先介绍了新开发的大型非饱和粗粒堆积土力学特性测试系统，并总结了粗粒堆积土SWCC的测试方法。然后分析了不同细粒土含量的粗粒堆积土SWCC的变化规律。最后，分析了不同α测定方法的AP模型对粗粒堆积土SWCC预测的影响，得到以下3点结论。

（1）对于粗粒堆积土，建议以1 mL/h的出水速率作为更合理的吸力平衡控制标准，即每1 h排水量小于样品体积的0.04%。

（2）对于粗粒堆积土，细粒土含量越高，迫使试样排水所需的空气压力越高（进气值越高），土体的残余基质吸力越高。这一规律意味着细粒土含量越高，粗粒堆积土的保水性能越好。

（3）AP模型中关键参数 $\alpha$ 的确定方法，由非线性值得到的粗粒堆积土的SWCC曲线与试验数据最为吻合。建议使用该方法，预测粗粒堆积土的SWCC曲线。

图 1 加筋土坡模型照片

Figure 1. Photo of reinforced slope model

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图 2 加筋土坡模型示意图

Figure 2. Schematic view of reinforced slope model

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图 3 素土坡与加筋土坡典型点位移时程

Figure 3. Displacement process of typical points of plain soil slope and reinforced soil slope

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图 4 素土坡与加筋土坡典型点水平、竖向位移时程

Figure 4. Horizontal and vertical displacement process of typical points of plain soil slope and reinforced soil slope

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图 5 加筋土坡滑裂面形态

Figure 5. Morphology of crack surface of reinforced slope

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图 6 素土坡与加筋土坡滑裂面示意图

Figure 6. Schematic diagram of slip surface of plain soil slope and reinforced soil slope

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图 7 素土坡与加筋土坡点对相对位移时程（图 6 A—A’）

Figure 7. Relative displacement process of point pairs between plain soil slope and reinforced soil slope

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图 8 y=150 mm水平应变的水平分布

Figure 8. Horizontal distribution of horizontal strain at y=150 mm

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图 9 各高程素土坡与加筋土坡水平应变的水平分布

Figure 9. Horizontal distribution of horizontal strain of plain soil slope and reinforced soil slope at different elevations

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图 10 加筋土坡破坏前土工织物水平位移分布

Figure 10. Distribution of horizontal displacement of geotextile before failure of reinforced slope

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图 11 加筋土坡破坏前土工织物水平应变分布

Figure 11. Distribution of horizontal strain of geotextile before failure of reinforced slope

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