, 罗方悦 , 刘扬 , 王爱霞 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084
收稿日期：2016-05-30
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51479096）；清华自主科研计划项目（20161080105，20161080166）
作者简介：张嘎(1976—), 男, 教授。E-mail:zhangga@tsinghua.edu.cn
摘要：土工织物是土石坝堤和土坡的常用加固手段，其在水位骤降环境下对土坡的加固机理尚未阐明。该文进行了水位骤降离心模型试验，观测了土工织物加固土坡与素土坡的变形破坏过程。试验结果表明：土工织物显著减小了土坡的位移并提高了土坡稳定性；土工织物存在着与水位变化无关的分界点，其内侧和外侧分别表现为约束土坡变形和被土坡约束的不同性质；土工织物通过其与土坡的相互作用，将土坡内部的约束传递到坡外部，使土坡的变形分布更均匀，阻碍了“变形局部化发展到一定程度”这一滑裂面形成的前提条件的发生。
关键词：土坡水位骤降土工织物加固离心模型试验
Centrifuge model test of geotextile-reinforced soil slopes during drawdown
ZHANG Ga
, LUO Fangyue, LIU Yang, WANG AixiaState Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: Geotextiles are widely used to reinforce embankments and soil slopes. However, the geotextile reinforcement mechanism during drawdown is not well understood. Centrifuge model tests were conducted to observe the deformation and failure of geotextile-reinforced and unreinforced slopes during drawdown. The test shows that the geotextile significantly reduces the deformation and increases the slope stability. The slope deformation is restricted by the geotextile for water levels lower then a critical point and anchored by the geotextile at higher levels. The geotextile transmitted the interior restriction to the exterior of the slope via the soil-geotextile interaction. Thus, the deformation was more uniformly distributed. The geotextile delayed deformation localization, the precondition for slope failure.
Key words: soil slopedrawdowngeotextilereinforcementcentrifuge model test
土石坝堤边坡、水库区及河流边坡等常经历频繁水位变动。已有灾害调查和研究[1-2]表明，水位骤降会导致边坡稳定性降低，可能会出现破损、滑坡等灾害。文[3-5]已经采用模型试验、数值模拟等方法开展了研究，探讨了水位变动条件下边坡变形破损特性和机理。
土工织物是土石坝堤和土坡的常用加固手段，在工程中应用广泛。土工离心模型试验能够有效模拟原型的自重应力，已被用来研究多种加载条件下土工织物加固土坡的变形破坏特性和加固机理[6-10]。但是，关于水位骤降条件下土工织物加固边坡的离心模型试验研究还不多见。同时，目前尚缺乏合理评价水位骤降条件下土工织物加固边坡稳定性的分析方法，影响了土工织物加固措施的推广应用。
本文针对土工织物加固土坡和相应的素土坡进行了水位骤降离心模型试验，观测了土坡的变形破坏过程，通过对比两类土坡的响应分析了土工织物的加固效果，从变形局部化与破坏耦合分析的角度探讨了土工织物加固边坡的机理。
1 试验条件土坡模型高350 mm，坡度为1：1，如图 1所示。在模型箱两侧与土坡的接触面涂抹硅油，并在土坡底部设置50 mm厚的地基，从而显著降低了模型箱对土坡变形破坏的影响。模型用土为粉土，其颗粒比重为2.7，液限和塑限分别为25%和18.5%。制样时控制土的干密度和含水量分别为1.55 g/cm3和18%。根据试验确定土的渗透系数约为3×10-5 cm/s，强度参数为黏聚力33 kPa、内摩擦角27°。
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| 图 1 土工织物加固土坡模型示意图 |
| 图选项 |
采用一种厚0.14 mm的医用纱布来模拟土工织物[10]。该纱布的弹性模量为40 kN/m。根据模型相似律，在离心加速度为50g时，该纱布可以模拟实际工程中厚度为数毫米且弹性模量为数百千牛顿每米的土工织物。土工织物在土坡中通常共铺设6层，间距为50 mm，如图 1所示。素土坡不放置土工织物，其他条件与土工织物加固土坡相同。
采用清华大学有效半径为2 m的50g·t土工离心机进行试验。边坡模型置于铝合金模型箱内。该模型箱尺寸为600 mm×200 mm×500 mm，在其长度方向一侧安装有机玻璃以观测试验过程中土坡的变形破坏情况。在模型箱侧壁靠近底部附近开孔，并分别连接自主研发的水位保持系统及降水系统[11]，以模拟试验过程中的水位上升和下降过程。
为了描述方便，在土坡上建立如图 1所示的直角坐标系。该坐标系以坡脚为原点，x轴和y轴分别以水平向右和竖直向上为正。土坡的水位通过置于坡脚高程处的孔压传感器测量。试验过程中土坡的变形破坏情况通过离心场图像采集与位移测量系统记录为图像系列[12]。针对图像序列进行相关分析，从而测定土坡上任意一点的位移，测量精度为0.03 mm。土坡的水平和竖直位移则分别以向右和向下为正。本文均给出基于模型尺度的测量结果，长度、位移均可通过乘以模型比尺(1：50) 换算为原型尺度，降水速率通过除以模型比尺(1：50) 换算为原型尺度，应变即是原型结果。
土坡降水离心模型试验的步骤为：1) 在不蓄水条件下逐级增加离心加速度到5g的倍数，待土坡变形稳定后再施加下一级荷载，直至50g；2) 保持离心加速度50g不变，待土坡变形稳定后开始逐渐蓄水至270 mm高程；3) 保持水位不变，待土坡变形稳定后，水位以约1 mm/s的速率降至40 mm高程，试验结束。
2 加固特性分析图 2分别给出了水位下降过程中素土坡和土工织物加固土坡坡肩沉降的时程曲线。可以看出，两类土坡的坡肩沉降均随着水位下降而增大。但是，土工织物加固显著减小了土坡的沉降。例如，当水位下降到150 mm时，素土坡坡肩沉降达到25 mm，而土工织物加固后则减小为2 mm。这表明水位下降引起土坡发生了显著变形，而土工织物显著减小了这一变形。
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| 图 2 水位骤降过程中土坡坡肩沉降时程曲线 |
| 图选项 |
当水位下降至140 mm时，素土坡发生了明显的滑动破坏。基于试验测量系统得到的图像系列可以确定素土坡的滑裂面，如图 3虚线所示。土工织物加固土坡直到水位降至坡脚仍保持整体稳定。这表明土工织物加固阻止了素土坡发生的滑动破坏，显著提高了水位骤降条件下土坡的稳定性。
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| 图 3 素土坡破坏面与土工织物分界面示意图 |
| 图选项 |
3 加固机理分析图 4分别给出了水位骤降过程中素土坡与土工织物加固土坡的水平应变的水平分布。可以看出，两类土坡的应变均随着水位下降而增加，表明水位骤降增大了土坡的变形。在水位骤降初期，素土坡的应变很小，表明此时的变形微弱。随着水位降低，应变增长较快，而且在一定区域内显著增大，在水平分布曲线上出现了一个峰值(见图 4a)。这表明水位骤降引起了明显的变形局部化。土坡的滑裂面出现在变形局部化显著的区域，而且在出现滑裂面之后，其附近区域的变形局部化程度继续增强。因此可以推断，素土坡滑裂面形成与变形局部化存在着显著的耦合特性。水位骤降引起坡体出现显著的变形局部化。该变形局部化逐渐增强并导致了滑裂面，滑裂面出现后进一步加剧了其附近变形局部化程度。这一特性也已经被其他加载条件的离心模型试验所证实[13]。
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| 图 4 土坡水平位移梯度的水平分布(高程y=140 mm) |
| 图选项 |
从图 4b可以看出，土工织物加固土坡的水平应变远小于同样水位的素土坡，而且并未出现较为明显的变形集中。这表明土工织物不仅减小了变形，而且使得变形分布更为均匀，显著减小了土坡的变形局部化，从而阻止了滑裂面的出现。因此可以推断，水位骤降条件下土工织物加固边坡的机理不是简单提供了抵抗滑动的抗力，而是使得土坡的变形分布均匀，阻碍了变形局部化达到一定程度这一滑裂面形成的前提条件的发生。
为了进一步探讨土工织物加固机理，基于图像分析测量了土工织物的水平位移分布，如图 5所示。可以看出，该水平位移从坡内向坡外逐渐增大，而且随着水位下降而增大。已有研究表明，可以采用如下公式来拟合土工织物位移的水平分布[10]：
| $U = \frac{A}{{1 + a{{\left( {x + 475} \right)}^b}}} + B.$ | (1) |
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| 图 5 土工织物位移的测量与公式拟合结果(高程y=250 mm) |
| 图选项 |
其中：U是土工织物水平位移；A、B、a、b是参数，通过拟合试验点确定。对式(1) 求导，可以得出土工织物的拉应变ε如下：
| $\varepsilon = \frac{{ - Aab{{\left( {x + 475} \right)}^{b - 1}}}}{{{{\left[{1 + a{{\left( {x + 475} \right)}^b}} \right]}^2}}}.$ | (2) |
图 6给出了根据式(2) 得出的不同水位对应的土工织物应变分布。可以看出，土工织物的拉应变在坡中部达到峰值，向坡内和坡表均逐渐减小。可以推断，土工织物拉应变峰值点是一个特征点。从该点到坡表的区域内，土工织物对土坡产生约束，使得土坡的变形减小；从该点到坡内部的区域内，土坡对土工织物提供“约束”作用。土工织物对土坡的加固并不是通过对土坡外部施加约束力实现的，而是通过调整土坡变形分布实现的。也就是说，土工织物与土坡的相互作用将土坡内部的约束传递到坡表，限制了坡表附近区域的变形和破坏。对比不同水位条件，虽然土工织物的拉应变随着水位下降而增大，但峰值点的位置基本不变。由于土工织物受力特性在峰值点两侧的差异，本文将土工织物拉应变分布的峰值点定义为土工织物与土坡相互作用的“分界点”。可以看出，该分界点只与土工织物位置有关，而与水位无关。
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| 图 6 土工织物拉应变分布 |
| 图选项 |
图 3将各层土工织物的分界点用实线连接起来，给出了土工织物在土坡内部的分界面。可以看出，该分界面位于相应条件素土坡滑裂面的内侧，说明土工织物提供了变形约束，阻止了滑裂面的出现。
4 结论针对土工织物加固土坡与素土坡进行了水位骤降离心模型试验，观测了土坡的变形破坏过程和土工织物变形，分析了土工织物加固特性和加固机理。得到关于水位骤降环境下土坡的主要结论如下。
1) 土工织物显著减小了土坡的位移并提高了土坡稳定性。
2) 素土坡变形局部化的发展导致局部破坏，而局部破坏又加剧了变形局部化。变形局部化累积发展是素土坡最终破坏的原因。
3) 土工织物存在着分界点，表现出其内侧被土坡约束和其外侧约束土坡变形的不同性质。该分界点只与土工织物位置有关，而与水位无关。
4) 土工织物本身对土坡并未提供额外的约束力，而是通过其与土坡的相互作用，将土坡内部的约束传递到坡表，使得土坡的变形分布更均匀，阻碍了变形局部化的累积发展，使其难以达到破坏阈值。
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