土工格栅加筋膨胀土柔性支护结构形式及设计方法

1、边坡加筋结构形式
加筋膨胀土柔性支护结构由土工格栅加筋体、加筋体背部排水层、加筋体基础、基底排水垫层、基底渗沟、坡面防护层以及坡顶隔水层组成，如图2所示。为降低膨胀土边坡发生浅层滑移的风险，将土工格栅向上回折反包，直至与上层格栅部分重叠，采用连接棒将反包格栅与上层格栅连接成为整体共同工作，并利用U型钉将张紧的格栅固定于压实成型的土层上，以增强其对侧向膨胀变形的约束。同时，在土工格栅加筋膨胀土边坡坡面和顶部回填耕植土覆盖，以此避免加筋边坡土体中土工格栅的紫外线老化。

2、基于筋土作用分析的设计方法
传统的土工格栅加筋边坡设计中缺乏侧向膨胀对局部稳定性的影响，因此在加筋膨胀土边坡设计中应充分考虑土体增湿膨胀引起的筋土相互作用变化，以保障边坡局部和整体稳定性。考虑膨胀土因膨胀和下滑引起的拉拔力以及界面摩擦引起的拉拔阻力，计算各层土工格栅的抗拔稳定安全系数。该设计方法的关键在于准确获取膨胀土侧向膨胀特性参数、土工格栅拉伸特性参数及筋土界面特性参数。
（1）侧向膨胀特性参数
计算因膨胀引起的拉拔力的关键在于获得侧向膨胀特性参数。为此，以93%压实度为控制，制备6个初始湿密状态一致的膨胀土试样，初始干密度取1.60g/cm3，初始含水率取最佳含水率17.9%。将试样放入二维膨胀仪中开展侧向膨胀特性试验，使其分别在0，12.5，25，50，100和243kPa竖向荷载下产生差异化竖向膨胀变形，获得完全侧限条件下的侧向膨胀力，其中竖向无膨胀约束下的侧向膨胀力ph0min为48kPa，恒体积膨胀下的侧向膨胀力ph0max为101kPa。为表征侧向膨胀力随侧向膨胀变形的变化规律，通过二维膨胀仪实现对侧向应变的控制，获得了不同初始侧向膨胀力下侧向膨胀力比(ph/ph0)随侧向应变比(εh/εhf)的变化。
（2）格栅拉伸特性参数
加筋膨胀土增湿膨胀稳定后，膨胀土与格栅达到变形协调，且土体膨胀引起的拉拔力Tsw由上下层格栅各承担一半，因而需要建立格栅承担的拉拔力与格栅应变之间的关系，从而与侧向膨胀力联立进行迭代求解，得到因土体膨胀引起的拉拔力Tsw。为此，选取型号为TDGD-35的聚丙烯(PP)单向土工格栅开展拉伸试验，选取土工格栅计量长度的20%/min为拉伸速率，记录拉伸应变分别为2%、5%、10%、12.67%时对应的拉伸强度，拟合得土工格栅拉伸强度T与拉伸应变ε′h关系。
（3）筋土界面特性参数
基于摩尔−库仑理论，计算由筋土界面摩擦引起的拉拔阻力Te时，主要考虑界面强度指标及上覆荷载产生的影响。因此，通过大型数控拉拔试验系统(CS-LB01)对土工格栅加筋膨胀土施加5组不同上覆荷载，以1mm/min的恒定速率开展拉拔试验，获取了不同法向应力下界面剪应力与剪切位移的变化关系，分析得筋土界面似黏聚力ce为5.6kPa，似摩擦角φe为4.8°。
（4）格栅抗拔稳定安全系数
结合上述特性参数对膨胀土边坡进行加筋设计，由试验区段大气影响深度和边坡坡率确定自由区长度为3.0m，拟定加筋长度为4.5m，加筋间距Sv为0.5m。参考文献的计算方法获取因土体膨胀引起的拉拔力Tsw、因土体下滑引起的拉拔力Ts以及界面摩擦引起的拉拔阻力Te，并通过式(3)对格栅抗拔稳定性进行验算。其中，由下滑引起的水平拉拔力Ts可根据《公路土工合成材料应用技术规范》(JTG/TD322017)求得。计算结果表明，每层土工格栅的抗拔稳定系数Fsi均大于规范要求2.0，该加筋方案合理可行。