第29卷，第3期
2 0 0 4年9月
中 南 公 路 工 程
Central South Highway Engineering
Vo1．29．No．3
Sept．，2004
土工格室加筋边坡大模型试验研究
万剑平
(湖南省交通科学研究院，湖南长沙410015)
[摘要】对土工格室加筋边坡，进行了考虑加筋量变化的大模型对比试验研究，对边坡变形、加筋边坡中土
体受力特征以及加筋体中土工格室本身的受力等问题，进行了探讨。研究表明，与一般平面型土工合成材料通过
材料与土的摩擦力来提高边坡的稳定性不同，土工格室加筋边坡主要是依靠土工格室对土体的约束作用来提高边
坡稳定性，加筋区复合土体整体性较强。
[关键词]土工格室；模型试验；加筋边坡
[中图分类号]u 416．1 4 [文献标识码]A [文章编号]1002—1205(2004)03—0007—04
Large M odel Test of Geocell Reinforced Slope
W AN Jianping
(Hunan Communications Research Institute，Changsha，Hunan 410015，China)
[Abstract]A large model test of slope reinforced with geocells was conducted for investigation of the de
formation of the slope，the behavior of the soil，and the perform ance of the geocell in the slope．Results of the
study indicate that，different from other geotextiles that enhance the slope stability by friction with the soil，the
reinforcement of geocell to slope is realized by restriction to the soil．
[Key words]geocell；model test；reinforced slope
现代加筋土概念是在1960年由法国工程师H．
Vidal首先提出的，从此，出现了各种形式的加筋结
构和加筋加固处理方法。上世纪80年代我国开始
使用土工合成材料运用于加筋土工程，但总结数十
年来土工合成材料加筋结构的应用状态和研究，仍
是工程实践强势，而理论研究明显落后，计算方法和
设计方法不成熟。尤其是土工格室作为一种新型的
土工合成立体材料，与通常使用的平面型土工合成
材料在加筋机理方面存在明显的差异，其边坡的破
坏模式一直是尚未解决的问题。土工结构物中，土
的自重产生的自重荷载对结构的性态的影响十分突
出，一般的模型试验，其自重应力水平很低，毛细现
象的影响突出，因此，一般的小模型试验结果并不能
逼真地重现原型的特性，本试验的目的就是通过1：
l的大模型试验来探讨土工格室加筋边坡破坏模式
这个问题。
1 试验概况
试验在长3．5 m ×1．25 m×2．0 m的模型槽内
进行(见图1)。模型填土高1．9 m，其中地基厚0．4 m，
图1 模型槽斜视图(试后)
Figure 1 View of model trench at an angle(after test)
坡高1．5 m。宽1．15 m，坡顶部长2．3 m，下部坡角长
3．5 m，坡度为1：0．75。填土按格室的分层情况而分
[收稿日期]2004—04—16
[基金项目]交通部西部交通建设科技项目(200131878528)
[作者简介]万剑平(1962一)，男，湖南湘乡人，副研究员，主要从事道路工程研究与管理。
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8 中南公路工程 第29卷
层填筑，土工格室的高度为5 cm。试验分两组，两组
的填料均为粘性填料，填料的基本物理性质见表l。
填筑时主要控制含水量和密实度，两组试验的土工
格室布置和模型尺寸，见图2。
试验时在填土表面和坡上布置了5个百分表测
变形。其中，3个百分表布置在坡面的坡顶、中部和
坡角，以测试坡面的水平向变形。使用4个土压力
盒测试加筋区和非加筋区的土压力值。百分表与土
压力盒的编号及位置，见图2和图3。此外，在每一
层土工格室布置7个变形测点，每个测点的变形通
表1 填料的基本物理力学性质
Table 1 Physical and mechanical proprieties of filling materials
一 三 耍三_E三；三 分表一】
§ ：
边坡填}
百分表一2
．
’
．
’
．
’
．’地罄’．’．’．’．
(a)第一组
图2 试验示意图(单位：cm)
Figure 2 Illustration of model test(unit：cm)
图3 土工格室测点布置
Figure 3 Distribution of measurement points
过细钢丝由模型槽外的变形计测试。
垂向加载采用柔性加载方式，通过气袋来完成。
垂向压力采用分级加载，加载方法是，从0开始，每
级压力差为0．025 MPa。每级压力稳定时间8 h，每
间隔l h读1次数。试验说明，加载l h土压力基本
稳定，加载3～4 h后，所有的变形基本稳定。
2 试验分析
2．1 垂向变形和坡面水平变形
对于第一组(图4a)而言，当压力增大到0．125
MPa时，百分表一4基本保持不变，但百分表一1和百
分表一5的变化较突出，边坡从坡中部往外变形，边
坡已经处于破坏极限状态，因此，可以判别0．125
MPa为第一组试验的极限荷载。对于第二组(图
4b)而言，变形随压力变化的特点可以分为三个压力
范围来分析。第一范围模型边坡变形变化小；第二
压力范围是不论是水平变形还是垂向变形都有较大
的变化，说明在该压力范围边坡发生了较大的变化，
一是由于压密作用，引起填土的压密变形，同时由于
压力作用，产生了水平变形。第三个压力范围是大
于0．15 MPa，该范围变形随压力增加，但增加速度明
显放缓，直到0．225 MPa，从整体的变形来看，第二组
边坡处于稳定状态。
两组试验设置的差别主要在于边坡中土工格室
加筋量不同，对比试验曲线，可以看出，对应同一级
加载，两组加筋边坡水平变形相差较大，而垂向变形
相差不大，即由于土工格室对加筋土体的约束作用，
导致加筋量的改变对加筋体的水平位移影响较大，
但对减少加筋体沉降或差异沉降的贡献不大。
2．2 土压力
4个土压力盒测得的土压力可以反映加筋边坡
不同位置所受荷载的大小。某一压力下，不同位置
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第3期 万剑平：土工格室加筋边坡大模型试验研究 9
目
U
图4 百分表测量的变形值
Figure 4 Me~ured deformations
的土压力大小不同。对于第一组而言(见图5)，以
土一3测点的土压力最大，土一1测点的土压力最小，
而且两者相差达3倍。对于第二组而言，以土一2测
点的土压力最大，以土一1测点为最小，两者相差约
15％，且除土一2测点外，其它3个测点较接近。以
上现象可作如下解释：4个土压力测点分布在4个
不同位置。其中土一1是最靠近边坡坡面的，土一2是
加筋区内，土一3是过渡区，土一4是非加筋区。它们
的刚度不同是它们大小不同的根本原因。对于第一
5O 1 OO 1 5O
距离／cIll
(a)第一组
组而言，由于采用4层土工格室，土工格室与土的复
合体的强度有限，在外部压力作用下，要产生水平变
形，而水平变形以边坡坡面为最大，土一1测点最靠
近坡面，此处的刚度自然最小，因此，土一1测点的土
压力最小(见图6)。土一2和土一3两个测点处于加
筋区和过渡区，其刚度相对于土一4的非加筋区自然
大，因此，土一2和土一3测点的土压力较大。对于第
二组而言，由于采用6层土工格室，土工格室与土的
复合体的强度高，能够保持复合体的整体完整性，在
5O 1 OO 1 5O
位置／cm
(b)第二组
图5 加筋体不同位置土压力分布曲线
Figure 5 Earth pressure distributions in diferent positions of reinforced soil
O O5 O．1O O．1 5 O．2O
荷载／MPa
(a)第一组
图6 土压力与荷载关系曲线
Figure 6 Relationship between earth pressure and loading
荷载／MPa
(b)第二组
0
0
5
● a
组
0肿二
第
筒
0
0
a
组
0
肿 ．
第
筒
5
0
0
H m ∞ ∞ ∞
O O O O O O O O O
日 =＼R
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10 中南公路工程 第29卷
外部压力作用下产生的水平变形较小，4个测点位
置的刚度较接近，因此，4个测点测得的土压力也较
接近。相对而言，加筋区的刚度较大，因此，土一2测
点的土压力较大。由此可见，加筋体的“刚度”对改
变竖向土压力分布的影响较大，加筋复合体刚度增
大，在同一水平面，土压力分布曲线趋于平缓。
2．3 土工格室的变形
两组试验均获得了土工格室各测点的变形数
据，该数据反映了每一加筋层土工格室上的测点变
形在不同压力作用下沿土工格室长度的分布。相邻
两测点的变形差反映土工格室的受力情况，同层相
邻土工格室测点差值为正、负和零分别表示两测点
0 20 40 60 80 1 00 1 20
坡高／Cm
(Et)第 组
日
0
间的土工格室受拉、受压或不受力。而根据观测结
果，两组试验中，除少数格室加筋层相邻测点的变形
差较大外，其它变形差值均较小(一般为0～3 mm)，
可以认为处于非受拉状态。可见，土工格室加筋边
坡的稳定机理不同于一般平面土工合成材料以受拉
来产生摩擦力来达到加强边坡¨ J，而是通过土工
格室的约束来提高土工格室与土体复合体的整体的
强度，从而提高边坡的稳定性的。
两组试验的靠近坡面的格室测点的变形情况见
图7。第一组的变形坡顶大，坡脚小，压力大于
0．125 MPa后，坡顶的变形是坡角变形的10倍以上，
边坡向外倾斜，达到破坏。对于第二组，虽然变形仍
50 1 00 1 50
坡高／Cm
(b)第■ 组
图7 边坡不同坡高处坡面水平变形与竖向加载压力的关系曲线
Figure 7 Relationship between horizontal deformation and vertical loading at diferent heights of slope
是坡顶大，坡角小，但两者的差值没有超过2倍，同 土复合的强度较小，边坡的上部沿两层土工格室之
时，最上三层土工格室的变形基本一致。这说明若 间的土体滑动，导致边坡中部破坏。
使用的土工格室层数小，层厚较大，边坡可能从两层 ③ 在土工格室加筋边坡中，垂向土压力分布特
土工格室之间的土体滑出。若使用的土工格室层数 点是，靠近边坡坡面范围内的土压力最小，加筋区中
多，边坡的稳定性和整体提高，当压力超过其所能承 部最大，非加筋区次之。当土工格室布置较密，土工
受的能力，边坡破坏将沿地基作整体滑动。 格室与土复合体的刚度越大，土压力在边坡内的分
1 姑{五 越均匀。
④ 土工格室加筋边坡中，土工格室主要受压或
通过上述两组模型试验结果分析，可得出如下 处于不受力状态，只有小数部位受拉。因此，土工格
结论： 室加筋边坡主要是依靠土工格室约束土体来提高加
① 土工格室加筋边坡的稳定边坡机理是通过 筋土体的强度。
提高土工格室与土体复合体的强度来完成，这一点
完全不同于一般平面型土工合成材料通过材料与土 [参考文献]
的摩擦力来提高边坡的稳定性。 ⋯ 徐少曼，洪昌华．土工织物加筋堤坝软基的非线性分析⋯ ．岩
② 当地基条件较好时，土工格室加筋边坡的破 土工程学报，。999，( )：438～443·
坏模式有两种，当土工格室布置较密，土工格室与土 三 。钊·国外土工合成材料的应用研究 M ·香港：现代知识出
复合体的强度较大，在外部荷载作用，边坡可能沿地 [3]徐林荣
，胡绍海，华祖煜I夏增明．加筋土陡坡破裂面位置和形
基作整体滑动。当土工格室层间较厚，土工格室与 态试验研究⋯ ．长沙铁道学院学报，1998，(3)：6～10．