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【摘要】土工离心模型试验揭示了土工材料柔性桥台的变形特性，即未加筋桥台产生的位移明显大于土工材料柔性桥台产生的位移；同时，未加筋桥台产生整体滑移，而土工格室柔性桥台因微裂缝的阻断和错位，台背未见破坏。进一步分析了土工材料的加筋机理。
【关键词】离心模型试验；土工材料；柔性桥台；变形特性
1、引言
土工材料柔性桥台作为一种新的土体稳定和加固技术，其结构类似于一般的加筋挡土墙。由于该技术发展时间比较短，加之其构造复杂，所以迄今为止，国内外研究人员对土工材料的研究主要是针对具体工程应用而进行的一些试验和一般的理论研究，并且非常有限，借助离心模型试验来研究土工材料柔性桥台的变形特性更是少见。本文通过土工离心模型试验进一步分析了土工材料柔性桥台的变形特性和破坏机理，为相关的
设计与施工提供参考依据。
2、土工格室柔性桥台离心模型试验
2.1 试验模型设计
2.1.1 模型比尺
土工离心模型试验是将模型置于特制的离心机中，使1/n的模型在ng离心加速场中进行试验。本次试验所用的模型比尺n=20。
2.1.2 结构模拟
（1）地基与填料的模拟
由于本试验主要是针对台背填料在交通荷载与回填材料自重作用下的变形特性与破坏机理进行定性分析，所以在试验过程中假设地基是稳定的，不产生下沉变形。台背填料选用现场的红砂岩碎石土，采用去掉大颗粒法进行填料模拟，通过筛分使最大粒径不超过1mm，按密实度93%控制。
（2）土工材料的模拟
土工材料的厚度较薄，弹性模量高，如按相似率将尺寸缩小，根本无法实现，因此，必须采用替代材料。根据朗肯土压力理论，考虑土体任意深度单元体的稳定平衡，一个结点拉筋所受的拉应力应等于填土产生的侧向应力，得出等应变原则：
（St）m/（St）p=1/n （1）
εm/εp=1 （2）
公式（1）中St为单位宽度拉拔强度，KN/m（通过拉拔试验测定）；n为缩尺比率；公式（2）中ε为土工材料的应变。上述二公式中下标“m”、“p”分别表示模型与原型。
为此，本试验采用5mm×5mm×10mm的塑料网格代替土工材料，从上往下埋设7层，间距为30mm。
（3）台背结构模拟
一般用铝板作为结构物的替代材料，但铝板的弹性模量与混凝土相差太远，因此，必须选用合适厚度的铝板，即应使两者抗弯刚度相等。按照离心模型试验相似率，所需铝板厚度为：
δm=（δp/n）×（Ep/Em）1/3 （3）
公式（3）中：Em、Ep分别为模型与原型的弹性模量，MPa；δm、δp分别为模型与原型的厚度，m。
经计算，本次试验选用3mm厚的铝板代替混凝土台背，而铝板的长、宽按相似率设计。
2.2 试验过程及其分析
本试验分加筋和未加筋2种工况。参照常规方法，在模型一侧划分网格，选择观测点埋设大头针，考察背墙水平位移与离心加速度的关系。
本试验将2种工况的模型放在同一模型箱中进行同步试验。试验结果如图1-2。
图1 未加筋桥台水平位移曲线
图2土工材料柔性桥台水平位移曲线
图2曲线显示，离心加速度 0～20g（g为重力加速度）主要为竖向沉降，20～40g之间模型中逐渐的出现微小裂缝，背墙顶部向前倾移承受主动土压力，而底部土体承受被动土压力，在图中表示为负值。随着离心加速度的增大，微裂缝变大并相互贯通，到60g时开始出现整体滑动，接近100g时，模型破坏，墙体最大位移为0.73cm。
与图1相比，图2曲线变化平缓，墙背顶部最大位移为0.57cm，而墙脚位移几乎为零；并且各层之间的微裂缝在加筋界面相互“错位”而未贯通。同时还进一步发现，加筋后使裂缝逐渐“远离”背墙，未见整体滑移现象。
3、土工材料柔性桥台变形特性
离心模型试验揭示，虽然上述2种工况的背墙顶部水平位移均随离心加速度增加而增大，变化速率也随之增加，且沿非线性分布，但未加筋桥台产生的位移明显大于土工材料柔性桥台产生的位移；同时，未加筋桥台产生整体滑移，而土工材料柔性桥台由于微裂缝的阻断和错位，台背未见破坏。
各种相关试验揭示，土工材料柔性桥台大致呈现如下变形特性：
1）、 在离心模型试验过程中，土工材料柔性桥台既有竖向变形，也有水平变形，但当离心加速度较少时，以竖向变形为主，水平变形并不明显。
2）、随着离心加速度的增加，相当于填土高度或车辆荷载的增加，水平位移逐渐增大，土体内部出现拉应力，从而产生竖向裂缝。
3）、随着离心加速度的进一步增加，竖向裂缝不断扩大，导致在土体内部产生局部塑性区，并随之增大而扩散，从而产生了局部剪切破坏，最后加速了桥台的滑移。
4、结论
（1）通常背墙顶部水平位移均随离心加速度增加而增大，变化速率也随之增加，且沿非线性分布；
（2）未加筋桥台产生的位移明显大于土工材料柔性桥台产生的位移，同时，未加筋桥台产生整体滑移；而土工材料柔性桥台由于微裂缝的阻断和错位，台背未见破坏
（3）随着筋材的弹性伸长变形，给土体内部一个预加压力来抵消外部荷载引起的土压力，从而有效的减少了桥台的侧向位移，抑制了竖向裂缝的产生并阻断其扩大和贯通，大大提高了土工材料柔性桥台的稳定性。
参考文献：
[1] 李健.柔性挡土墙技术的应用及改进[J].建筑技术开发，2002.11
[2] 包承纲等.土工离心模型试验原理[J]. 长江科学院院报，1998.4
[3] 葛折圣，黄晓明. 含EPS夹层台背回填材料的离心模型试验[J].交通运输工程学报，2004.3
【关键词】离心模型试验；土工材料；柔性桥台；变形特性
1、引言
土工材料柔性桥台作为一种新的土体稳定和加固技术，其结构类似于一般的加筋挡土墙。由于该技术发展时间比较短，加之其构造复杂，所以迄今为止，国内外研究人员对土工材料的研究主要是针对具体工程应用而进行的一些试验和一般的理论研究，并且非常有限，借助离心模型试验来研究土工材料柔性桥台的变形特性更是少见。本文通过土工离心模型试验进一步分析了土工材料柔性桥台的变形特性和破坏机理，为相关的
设计与施工提供参考依据。
2、土工格室柔性桥台离心模型试验
2.1 试验模型设计
2.1.1 模型比尺
土工离心模型试验是将模型置于特制的离心机中，使1/n的模型在ng离心加速场中进行试验。本次试验所用的模型比尺n=20。
2.1.2 结构模拟
（1）地基与填料的模拟
由于本试验主要是针对台背填料在交通荷载与回填材料自重作用下的变形特性与破坏机理进行定性分析，所以在试验过程中假设地基是稳定的，不产生下沉变形。台背填料选用现场的红砂岩碎石土，采用去掉大颗粒法进行填料模拟，通过筛分使最大粒径不超过1mm，按密实度93%控制。
（2）土工材料的模拟
土工材料的厚度较薄，弹性模量高，如按相似率将尺寸缩小，根本无法实现，因此，必须采用替代材料。根据朗肯土压力理论，考虑土体任意深度单元体的稳定平衡，一个结点拉筋所受的拉应力应等于填土产生的侧向应力，得出等应变原则：
（St）m/（St）p=1/n （1）
εm/εp=1 （2）
公式（1）中St为单位宽度拉拔强度，KN/m（通过拉拔试验测定）；n为缩尺比率；公式（2）中ε为土工材料的应变。上述二公式中下标“m”、“p”分别表示模型与原型。
为此，本试验采用5mm×5mm×10mm的塑料网格代替土工材料，从上往下埋设7层，间距为30mm。
（3）台背结构模拟
一般用铝板作为结构物的替代材料，但铝板的弹性模量与混凝土相差太远，因此，必须选用合适厚度的铝板，即应使两者抗弯刚度相等。按照离心模型试验相似率，所需铝板厚度为：
δm=（δp/n）×（Ep/Em）1/3 （3）
公式（3）中：Em、Ep分别为模型与原型的弹性模量，MPa；δm、δp分别为模型与原型的厚度，m。
经计算，本次试验选用3mm厚的铝板代替混凝土台背，而铝板的长、宽按相似率设计。
2.2 试验过程及其分析
本试验分加筋和未加筋2种工况。参照常规方法，在模型一侧划分网格，选择观测点埋设大头针，考察背墙水平位移与离心加速度的关系。
本试验将2种工况的模型放在同一模型箱中进行同步试验。试验结果如图1-2。
图1 未加筋桥台水平位移曲线
图2土工材料柔性桥台水平位移曲线
图2曲线显示，离心加速度 0～20g（g为重力加速度）主要为竖向沉降，20～40g之间模型中逐渐的出现微小裂缝，背墙顶部向前倾移承受主动土压力，而底部土体承受被动土压力，在图中表示为负值。随着离心加速度的增大，微裂缝变大并相互贯通，到60g时开始出现整体滑动，接近100g时，模型破坏，墙体最大位移为0.73cm。
与图1相比，图2曲线变化平缓，墙背顶部最大位移为0.57cm，而墙脚位移几乎为零；并且各层之间的微裂缝在加筋界面相互“错位”而未贯通。同时还进一步发现，加筋后使裂缝逐渐“远离”背墙，未见整体滑移现象。
3、土工材料柔性桥台变形特性
离心模型试验揭示，虽然上述2种工况的背墙顶部水平位移均随离心加速度增加而增大，变化速率也随之增加，且沿非线性分布，但未加筋桥台产生的位移明显大于土工材料柔性桥台产生的位移；同时，未加筋桥台产生整体滑移，而土工材料柔性桥台由于微裂缝的阻断和错位，台背未见破坏。
各种相关试验揭示，土工材料柔性桥台大致呈现如下变形特性：
1）、 在离心模型试验过程中，土工材料柔性桥台既有竖向变形，也有水平变形，但当离心加速度较少时，以竖向变形为主，水平变形并不明显。
2）、随着离心加速度的增加，相当于填土高度或车辆荷载的增加，水平位移逐渐增大，土体内部出现拉应力，从而产生竖向裂缝。
3）、随着离心加速度的进一步增加，竖向裂缝不断扩大，导致在土体内部产生局部塑性区，并随之增大而扩散，从而产生了局部剪切破坏，最后加速了桥台的滑移。
4、结论
（1）通常背墙顶部水平位移均随离心加速度增加而增大，变化速率也随之增加，且沿非线性分布；
（2）未加筋桥台产生的位移明显大于土工材料柔性桥台产生的位移，同时，未加筋桥台产生整体滑移；而土工材料柔性桥台由于微裂缝的阻断和错位，台背未见破坏
（3）随着筋材的弹性伸长变形，给土体内部一个预加压力来抵消外部荷载引起的土压力，从而有效的减少了桥台的侧向位移，抑制了竖向裂缝的产生并阻断其扩大和贯通，大大提高了土工材料柔性桥台的稳定性。
参考文献：
[1] 李健.柔性挡土墙技术的应用及改进[J].建筑技术开发，2002.11
[2] 包承纲等.土工离心模型试验原理[J]. 长江科学院院报，1998.4
[3] 葛折圣，黄晓明. 含EPS夹层台背回填材料的离心模型试验[J].交通运输工程学报，2004.3