土工合成材料加筋桩支护边坡路堤整体性能的离心试验研究
摘 要：用三个离心模型试验研究了土工合成材料层数和桩净间距对土工合成材料加筋桩承（GRPS）路堤整体性能的影响。本研究发现土工格栅数量的变化对于地基基础、土工格栅选择和垂直应力影响不大。对于具有单个土工格栅层的土工格栅，基底上的土工格栅还是那分布沿横向呈“M”形，最大应变应在基底上。当使用两个中间带夹层的土工格栅层时，上下两层分别在靠近上下层的路堤路肩和路堤中心处有不同的应变分布。上部土工格栅的颗粒比下部土工格栅的颗粒小。较小的桩净距减小了土工格栅的挠度和地基沉降。尽管桩的净间距发生了变化，但土拱的逐渐发展以及路堤基底处的归一化位移遵循了类似的趋势，而没有明显的应力恢复阶段。
关键词；土工合成材料 离心机试验 路堤 桩 沉降 土拱 应变
- 引言
土工合成材料加筋桩承(GRPS)路堤是一种复杂的土结构，由地基土、桩(有时还有承台)、单层或多层土工合成材料加筋和路堤填料组成。这些成分之间的相互作用影响路堤的荷载分布和变形。Han和Gabr (2002)确定了路堤中的三种荷载传递机制:土拱效应(Terzaghi，1943)、张拉膜效应(Giroud等人，1990)和应力集中效应(opi-soil modulus difference)。
在过去的几十年里，不同的试验方法被用于研究重力沉降的性能，如比例模型试验、离心模型试验和现场试验。研究人员利用了二维(2D)模型(例如：Low等人，1994；Jenck等人，2007；Chen等人，2008；Hong等人，2011)和三维(3D)模型(例如：Hewlett和Randolph，1988；van Eekelen等人，2012a；Xu等人，2016)在他们的比例模型试验中演示文件支持的数据库。可压缩材料经常被用来模拟软基油，如泡沫(例如：Low等人，1994；Jenck等人，2007；Ellis和Aslam，2009a，b；Hong等人，2011；;van Eekelen等人，2012a；Holickova等人，2019)和水袋(Chen等人，2008；Miao等人，2014)。一种特别设计的移动托盘装置也被许多研究者使用(Blanc等人，2013，2014；Fagundes等人，2017年；Girout等人，2018)在其离心模型试验中模拟桩间软土的沉降。使用模拟真实软土地基的替代材料可以缩短试验的准备时间，并用大量试验使其得以进行。
已经进行了大量的研究来调查垂直斜坡(通常没有路堤边坡)下的土拱效应和膨胀土膜效应。已经提出了定义明确的极限平衡模型来计算拱应力(Hewlett和Randolph，1988；Zaeske，2001；van Eekelen等人，2013)。还提出了不同的分析方法来计算土工合成材料的最大张力和最大选择(van Eekelen等人，2013；Blanc等人，2014；Chen等人，2016；Fagundes等人，2017；Shen等人，2018；Filz等人，2019)。此外，最近的研究强调了拱形应力和稳定元件与运动元件之间的位移差之间的耦合关系(Al-Naddaf等人，2019；Bi等人，2019；Iglesia等人，2014；Hand等人，2017；King等人，2017，2019；Rui等人，2018a，b；Filz等人，2019年；Xu等人，2019)。上述研究大大提高了目前对GRPS路堤荷载传递机理的认识。近年来，越来越多的研究强调了路堤填料的横向扩展对GRPS路堤性能的影响。在Chen等人(2016)进行的全尺寸路堤模型试验中，有意分离横向扩展引起的土工格栅拉力与竖向荷载引起的拉力。Yu和Bathurst(2017)指出，如果不考虑横向扩展，计算的土工合成材料加筋中的拉力将小得多。
综上所述，可以得出结论，过去进行的大部分小型模型试验都包括有外部边坡的路堤，这可能不代表有边坡的GRPS路堤的现场情况。由于张力膜和横向扩展效应的结合，路堤的梯形几何形状会影响荷载传递机制和土工合成材料加筋中的应变和张力的整体分布。此外，使用人工材料或特殊装置来模拟底土的沉降，可能无法准确地反映地基土的固结特性以及桩和土之间的相互作用或摩擦。
在本研究中，在中国同济大学进行了三次GRPS路堤离心模型试验，采用的路堤模型为软土上的边坡。在试验过程中，对路堤内部的垂直应力、地基土的沉降以及土工格栅的挠度和拉伸应变进行了监测。本研究旨在研究GRPS软土路基边坡的整体性状。离心模型中包含边坡不仅会引起垂直荷载，还会引起横向荷载，这将影响GRPS路堤的性能，尤其是拉伸应变沿土工合成材料加筋的整体分布。在本研究中，桩与地基土之间的相互作用被考虑在内。GRPS堤防有几个影响因素，这些因素中的大部分已经被其他人研究过。承台的净间距是GRPS路堤的重要因素之一；因此，它被选中了。土工合成层的数量被选为本研究中考虑的另一个影响因素，因为有限的研究集中在这方面。还研究了路堤荷载下土工格栅上方土拱的发展。
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离心机建模
- 测试设置
在离心机建模中，模型(缩小比例)和原型(全比例)之间条件的相似性由比例因子N(Garnier等人，2007)确定。离心机试验的选定加速度g水平为21g，其比例因子N为21。试验是使用中国同济大学的TLJ-150复合土工离心机进行的，最大离心加速度为200 g，有效旋转半径为3.0m。模型箱中建造的比例GRPS路堤的试验装置将在后面展示和讨论。离心机试验中使用的模型箱的内部尺寸为0.9m长times;0.7m宽times;0.7m高。
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