排水土工格柵的研究進(jìn)展及工程應(yīng)用

徐超， 馬黃祥， 楊陽(yáng)

(1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海市 200092； 2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海市 200092)

土工合成材料加筋土結(jié)構(gòu)在交通工程中得到了廣泛的應(yīng)用。粗粒土由于有較好的力學(xué)特性及滲透系數(shù)，加筋土結(jié)構(gòu)中通常使用細(xì)粒含量較少的粗粒土作為加筋土填料，然而在工程實(shí)踐中，有時(shí)不得不就地取材使用細(xì)粒含量較高的填料。在使用細(xì)粒土作為填料的加筋土結(jié)構(gòu)中，施工碾壓或后期加載時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，導(dǎo)致土的抗剪強(qiáng)度降低，土與加筋材料之間的摩阻力減少，從而降低加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并引起加筋土結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)量形變。Fukuoka[1]對(duì)擋土墻的相關(guān)研究表明，當(dāng)采用細(xì)粒土作為填料時(shí)，加筋土結(jié)構(gòu)如能及時(shí)排水，仍可以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，控制加筋土結(jié)構(gòu)變形，可見(jiàn)，提高排水能力十分重要。

加筋土結(jié)構(gòu)中存在的超孔隙水壓力大小不僅與施加的荷載有關(guān)，還與排水系統(tǒng)的排水能力有關(guān)。如果加筋土結(jié)構(gòu)沒(méi)有相應(yīng)的排水設(shè)施，則會(huì)產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力[2]。Jones認(rèn)為[3]，在加筋土結(jié)構(gòu)中采用具有排水功能的加筋材料，能夠提供水平排水層，可以快速消散施工過(guò)程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力，防止加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部因產(chǎn)生過(guò)量的超孔隙水壓力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

Heshmati(1993)[4]研究了有排水及加筋作用的復(fù)合土工合成材料，通過(guò)對(duì)復(fù)合土工合成材料加筋土的三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土工合成材料的排水與加筋作用對(duì)加筋土的抗剪強(qiáng)度是同等重要的，兩種材料的結(jié)合方式會(huì)影響其排水作用和加筋作用的發(fā)揮。

在早期探索的基礎(chǔ)上，一種兼具排水和加筋功能的復(fù)合材料——“排水土工格柵(draining geogrid)”應(yīng)運(yùn)而生(圖1)。排水土工格柵實(shí)質(zhì)上為單向格柵，主肋經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，形成凹形排水槽，排水槽由無(wú)紡?fù)凉た椢锔采w，土工織物發(fā)揮反濾作用，避免排水通道淤堵[5]。

圖1 排水土工格柵

1 土-排水土工格柵的相互作用

Zornberg等[6-7](2013)研究了排水土工格柵在細(xì)粒土中的拉拔特性，并與常規(guī)土工格柵進(jìn)行了對(duì)比。兩種土工格柵在主肋方向上的極限抗拉強(qiáng)度同為100 kN/m，極限延伸率為12%。排水土工格柵在100 kPa法向壓力下，水力梯度為1.0時(shí)，導(dǎo)水率為1.06×10-6m2/s。拉拔試驗(yàn)用的填土為低液限黏土，在13.8 kPa壓力下的滲透系數(shù)為1×10-8m/s。

試驗(yàn)裝置如圖2所示，將排水土工格柵放置于試驗(yàn)箱中部?？讐簜鞲衅鞣謩e布置于距土工格柵上下表面1 cm高度處，記錄上下填土中孔壓的變化；位移傳感器(LVDT)設(shè)置于土工格柵表面，用以監(jiān)測(cè)其拉拔位移。

圖2 拉拔試驗(yàn)示意圖

在法向應(yīng)力分別為20、38和86 kPa下，完成排水土工格柵和常規(guī)土工格柵在黏性土中的拉拔試驗(yàn)，拉拔速率為2 mm/min，記錄了拉拔位移與拉拔阻力，如圖3所示。圖4為法向應(yīng)力為38 kPa時(shí)土中孔壓隨土工格柵拉拔位移的變化情況。

圖3 不同豎向壓力下拉拔阻力隨位移變化

圖4 孔隙水壓力-拉拔位移變化曲線(法向應(yīng)力：38 kPa)

試驗(yàn)研究證明：土工格柵在一定法向應(yīng)力下受拉拔時(shí)(類似于加筋土結(jié)構(gòu)中)會(huì)產(chǎn)生超孔壓，排水土工格柵通過(guò)排水消減了孔壓峰值，并可持續(xù)消散孔隙水壓力，而常規(guī)土工格柵拉拔時(shí)初始孔隙水壓力明顯增大。正因?yàn)榇?，在相同法向?yīng)力下，拉拔位移相同時(shí)，排水土工格柵在土中的錨固力均大于普通土工格柵的錨固力(圖3)。

Kelly等(2008)進(jìn)行了排水土工格柵和常規(guī)土工格柵界面直剪試驗(yàn)的對(duì)比研究[8]。兩種土工格柵具有相同的抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)所用土為低液限黏土，最優(yōu)含水率為13%，試驗(yàn)時(shí)土的含水率控制為16.5%。

試驗(yàn)中，將土工格柵固定在光滑鋁板上，置于下盒，排水土工格柵的縱向排水槽與直剪方向一致，上盒填土。通過(guò)上部承載板施加法向應(yīng)力(111～222 kPa)，使填土預(yù)固結(jié)18～24 h，然后進(jìn)行界面剪切試驗(yàn)，剪切速率為0.25 mm/min。兩種格柵在不同法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度如圖5所示，縱坐標(biāo)為界面強(qiáng)度與填土強(qiáng)度的比值。

圖5 正則化不排水界面剪切阻力

圖5顯示：在一定法向應(yīng)力下土工格柵-黏性土發(fā)生剪切時(shí)，有排水功能的土工格柵比常規(guī)土工格柵具有更高的界面抗剪強(qiáng)度。排水土工格柵-黏土界面的不排水抗剪強(qiáng)度與黏土接近，而常規(guī)土工格柵-黏土的界面抗剪強(qiáng)度只達(dá)到了黏土不排水抗剪強(qiáng)度的82%～85%。

由此可見(jiàn)，無(wú)論是拉拔試驗(yàn)還是直剪試驗(yàn)，均證明在法向應(yīng)力作用下細(xì)粒土產(chǎn)生超孔壓時(shí)，排水土工格柵因具有排水、快速消散孔壓的功能，因而比常規(guī)土工格柵具有更高的界面強(qiáng)度。

2 排水土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用具有排水功能的筋材建造加筋土結(jié)構(gòu)，特有的排水設(shè)計(jì)為加筋土設(shè)計(jì)的組成部分。Naughton等[9](2001)針對(duì)排水土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)施工碾壓過(guò)程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力這一情形，提出了包括排水設(shè)計(jì)在內(nèi)的設(shè)計(jì)方法。設(shè)定加筋層間距為0.5 m，根據(jù)土的固結(jié)系數(shù)計(jì)算超孔隙水壓力消散時(shí)間，依據(jù)不同土層的豎向壓力和體積壓縮系數(shù)，計(jì)算每層土的沉降量，得到土層的排水量；然后，通過(guò)極限平衡法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性。在穩(wěn)定性滿足要求的前提下，校驗(yàn)所用排水土工格柵的導(dǎo)水率是否滿足工程排水所需的導(dǎo)水率。如果排水土工格柵的容許導(dǎo)水率小于所需導(dǎo)水率，則應(yīng)進(jìn)一步調(diào)減加筋的層間距，作進(jìn)一步的分析驗(yàn)算，直到滿足要求為止。

Giroud等(2014)[10]在Naughton設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，建議排水土工格柵加筋長(zhǎng)度應(yīng)等于邊坡寬度，通過(guò)在墻后設(shè)置碎石排水體，使排水路徑變短，并防止加筋土結(jié)構(gòu)外側(cè)的水流入滲(圖6)。

圖6 排水土工格柵加筋邊坡滲流方向及排水系統(tǒng)

Rimoldi等[11](2018)針對(duì)鄰近河水位快速變化、墻后地下水入滲、墻頂降雨垂直入滲3種滲流條件，提出排水土工格柵加筋土擋墻的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)比了排水土工格柵和常規(guī)土工格柵的加筋效果，發(fā)現(xiàn)使用排水土工格柵時(shí)，可以減少加筋層數(shù)與加筋長(zhǎng)度。

縱觀現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)兼顧到了各種重力排水和施工過(guò)程中填土產(chǎn)生超孔壓的情形。通過(guò)對(duì)比排水土工格柵的導(dǎo)水率與工程實(shí)際導(dǎo)水需求，以滿足工程要求。但是，在設(shè)計(jì)計(jì)算中，并未考慮排水土工格柵上土工織物的淤堵效應(yīng)，也難以量化排水對(duì)填土和界面力學(xué)性能的影響。因此目前的設(shè)計(jì)方法還是初步的，有待進(jìn)一步研究和完善。

3 工程應(yīng)用

目前，已有一些工程中利用排水土工格柵作為加筋材料修建加筋土擋墻和加筋土邊[12]。如2016年德文郡Palmerston公園的加筋土擋墻、2015年倫敦BellGreenRetail公園加筋土擋墻以及2017年班伯里市M40加筋土隔音堤等都采用了排水土工格柵。在這些工程中，填料均為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的工程性質(zhì)較差的土，摩擦角為24°～26°，滲透系數(shù)為1×10-6m/s左右。施工產(chǎn)生的孔隙水壓力在24～48 h內(nèi)消散了90%，證明排水土工格柵在滲透性較差的土中仍有較好的排水能力。

圖7為2016年修建的位于英國(guó)Devon市Palmerston公園內(nèi)加筋土擋墻，墻高3.3～17.0 m，填料采用的是現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的中低塑性黏土質(zhì)砂。圖8為正在施工中的位于英國(guó)East Sussex加筋土邊坡(路基)，坡率為1V∶2H，全長(zhǎng)300 m，填料為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的黏質(zhì)粉土。從圖8可以看出:由于土工格柵的排水作用，在每層填土分界面有水滲出，較周圍填土顏色更深。

圖7 英國(guó)Palmerston公園的加筋土擋墻

圖8 英國(guó)East Sussex路堤(加筋土邊坡)

排水土工格柵作為一種新型的兼具排水和加筋功能的復(fù)合材料，其工程應(yīng)用剛剛開(kāi)始，工程案例還很少。盡管通過(guò)采用排水加筋材料，節(jié)約了造價(jià)，但缺乏長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料和工程經(jīng)驗(yàn)的積累，目前還難以對(duì)其做出科學(xué)的評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

已有研究和工程應(yīng)用表明：排水土工格柵可以比較快速地消散填土中產(chǎn)生的超孔隙水壓力，提高填土的固結(jié)度，從而使排水土工格柵有較高的界面強(qiáng)度。使用排水土工格柵作為加筋材料，不僅能夠利用現(xiàn)場(chǎng)細(xì)粒土作為填料，節(jié)約工程投資，而且相對(duì)常規(guī)土工格柵，可以提高加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具有很好的經(jīng)濟(jì)收益和環(huán)境效益。但也需要看到，關(guān)于排水土工格柵研究成果仍偏少，設(shè)計(jì)方法也不完善，工程應(yīng)用和效果需要進(jìn)一步驗(yàn)證?；趯?duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的分析和總結(jié)，今后可在以下幾個(gè)方面做更深入的研究：

(1) 可采用合適的試驗(yàn)裝置，在排水土工格柵消散填土超孔壓過(guò)程中，不僅研究格柵消散孔壓的效果，而且考察填土在非飽和狀態(tài)下格柵是否還具有排水能力。

(2) 在排水土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和分析計(jì)算中，研究如何定量考慮排水對(duì)界面強(qiáng)度、加筋作用的影響，并通過(guò)大尺寸模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。

(3) 需要關(guān)注排水土工格柵上土工織物的淤堵問(wèn)題。土工織物淤堵將影響排水土工格柵的導(dǎo)水率，進(jìn)而影響排水土工格柵在加筋土結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)期性能。