一种主动调控湿度与精准判识灾变的土工格栅及其应用

技术领域

本发明属于低填方路基工程领域，具体是一种主动调控湿度与精准判识灾变的土工格栅及其应用。

背景技术

土工格栅作为加筋材料可有效减少填方路基差异沉降，提高路基强度及稳定性，因此在公路和铁路路基工程中得到了广泛的应用。实际工程中，土工格栅通常与渗透性较好的粗粒土配合使用以达到最佳工程效果。然而，在平原地区(如黄河冲积平原)，细粒含量较高的土体是不得不采用的路基填料。由于细粒土毛细现象显著、水稳定性差，在降雨及地下水上升等自然活动交替作用下，服役路基(尤其是低填方路基)常年处于过湿状态，导致土体的刚度和强度显著衰减，筋土界面摩阻力减少，加筋土结构稳定性降低，致使大范围路基出现变形失稳破坏问题，进而引起路面开裂和局部塌陷等一系列路面病害，经济损失严重。可见，服役路基内部湿度状态的主动调控和变形灾变特征的精准判识是路基工程的建设、维护、养护中亟待解决的两个问题。

首先，为解决路基湿化软化问题，已有学者进行了物理排水加固(碎石层、排水织物等)和改性材料固化(水泥、石灰等)方法的研究。其中，排水土工格栅作为一种兼具横向排水和加筋双重功能的土工材料已成为该方向的研究热点和焦点。目前的研究成果中，含有排水槽、排水管以及排水网垫等传统排水土工格栅材料只能对处于饱和或接近饱和状态的土体进行重力作用下的被动排水，然而排水后的土体仍处于饱和状态，无法实现路基土体的主动排水和主动控制路基填料的含水率，使之长期处于健康湿度状态。可见，上述研究成果并没有在路基工程中取得较好的应用效果，难以治本。

其次，湿度状态变化被认为是各类路基潜在变形失稳的直接影响因素，为获得服役路基在全断面湿度重布和循环交通荷载耦合作用下的变形特征，学者们多以铺筑单点位移传感器和沉降测试装置开展室内缩尺模型试验和现场足尺试验研究。但是研究结果表明：现有的各类高精度位移计和测试装置只能实现路基内部散点式的监测与评价，所获得的变形特征难以与路基内部湿度状态建立全面可靠的关系，且成本高、易损坏，理论指导意义不足、工程应用意义不大。可见，目前仍缺乏一种可靠的考虑路基湿度状态的路基全断面变形实时监测材料与方法。

上述研究成果未涉及一种兼具主动排出非饱和路基内部多余水分和实现路基全断面变形实时监测的新型复合土工材料理念与研究，这也将是路基工程甚至岩土工程研究方向亟需突破的重要理论和技术。此外，上述研究成果未涉及筋土界面水分迁移机制和水分迁移对筋土界面强度特性的影响研究，无法为工程设计单位提供科学的理论基础；亦未建立科学合理的土工格栅设计应用与评价方法，工程建设多以经验为主，极易造成施工过于保守、建设成本大大提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种主动调控湿度与精准判识灾变的土工格栅及其应用。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种主动调控湿度与精准判识灾变的土工格栅，其特征在于，该土工格栅由若干个格栅单元体构成；每个格栅单元体均包括第一主肋、第二主肋、连接肋、高吸力芯吸纤维束和分布式传感光纤；

第一主肋、第二主肋和连接肋呈行列布置，第一主肋和第二主肋沿路基宽度方向布设，连接肋沿路基长度方向布设；第一主肋和第二主肋的一端均与一个连接肋连接，另一端均与另一个连接肋连接；相邻两个第一主肋之间均匀布置有若干个第二主肋；第一主肋和第二主肋的上表面均开有沿路基宽度方向延伸的通槽，并且通槽的两端均贯穿连接肋，且穿透连接肋并与相邻的格栅单元体的通槽连通；通槽内放置有高吸力芯吸纤维束；高吸力芯吸纤维束的顶面用来吸收土体中的多余水分，两端暴露于外界自然环境中；第一主肋和连接肋的内部沿各自的轴向均开有圆形通孔；圆形通孔内放置有分布式传感光纤；分布式传感光纤密封设置于圆形通孔，用于路基变形灾变的精准判识。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本发明的土工格栅中内嵌有芯吸纤维，在自然降雨及地下水位上升等外界水分侵入时，土工格栅可通过埋置于路基内外部分之间的吸力梯度主动排出路基内部多余水分，实现路基土在非饱和状态下的主动排水，保持原有筋土界面剪切强度，同时可以一定程度预防运营期路基因内部水分迁移在路基与路面交界处引起的锅盖效应和在路基与地基交界处引起的水囊效应，保证路基内部含水率始终处于健康湿度状态，有效解决运营期加筋路基湿化软化难题，避免加筋路基水毁现象的发生。

(2)本发明的土工格栅可全方位实时捕捉运营期路基在复杂环境条件和交通荷载共同作用下的变形量及变形位置，实现路基全寿命健康监测与灾变实时预警，降低运营期路基的养护与维修费用、保证行车和生命安全。

(3)本发明结合工程当地年平均降雨量和地下水位波动情况，针对不同路基土类型合理设计土工格栅的层数、间距及布设位置，通过室内路基全断面缩尺模型试验对比分析建立土工格栅设计应用方法，科学指导工程应用。

(4)本发明借助非饱和土渗流理论明确土工格栅的主动排水机理，揭示多余水分排出对筋土界面剪切特性的强化效应，阐明土工格栅的灾变预警机制，最终建立系统性、综合性的土工格栅设计方法。

附图说明

图1为本发明实施例1的土工格栅的主视图；

图2为本发明实施例1的土工格栅的左视图；

图3为本发明实施例1的土工格栅的俯视图；

图4为本发明实施例1的土工格栅的仰视图；

图5为本发明实施例1的芯吸纤维的剖面图；

图6为本发明实施例1的分布式传感光纤的结构图；

图7为本发明的两层土工格栅的主动排水原理图；

图8为本发明的单根第一主肋或第二主肋的受力图；

图9为本发明的具有两层土工格栅的复杂环境模拟箱的结构示意图。

图中，第一主肋1、第二主肋2、连接肋3、通槽4、高吸力芯吸纤维束5、圆形通孔6、分布式传感光纤7、芯吸纤维8、排水通道9、玻璃纤维10、二氧化硅包层11、丙烯酸树脂涂敷层12、聚弹性酯护套13、天然地基14、压实路基15、基层和底基层16、沥青路面17、土工格栅18、降雨入渗19、地下水位20、地下水位上升21、水分蒸发22、水分迁移23、复杂环境模拟箱24、碎石层25、压实路基土26、水分传感器27、激光位移计28、洒水喷头29、进水水箱30、阀门31、流量表32、进水管33、交通荷载模拟装置34。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本发明权利要求的保护范围。

本发明提供了一种主动调控湿度与精准判识灾变的土工格栅(简称土工格栅)，其特征在于，该土工格栅18由若干个格栅单元体构成；每个格栅单元体均包括第一主肋1、第二主肋2、连接肋3、高吸力芯吸纤维束5和分布式传感光纤7；

第一主肋1、第二主肋2和连接肋3呈行列布置，第一主肋1和第二主肋2沿路基宽度方向布设，连接肋3沿路基长度方向(即行车方向)布设；第一主肋1和第二主肋2的一端均与一个连接肋3连接，另一端均与另一个连接肋3连接；相邻两个第一主肋1之间均匀布置有若干个第二主肋2(本实施例为3个)；第一主肋1和第二主肋2的上表面均开有沿路基宽度方向延伸的通槽4，并且通槽4的两端均贯穿连接肋3，且穿透连接肋3并与相邻的格栅单元体的通槽4连通；通槽4内放置有高吸力芯吸纤维束5；高吸力芯吸纤维束5的顶面用来吸收土体中的多余水分，两端暴露于外界自然环境中；第一主肋1和连接肋3的内部沿各自的轴向均开有圆形通孔6；圆形通孔6内放置有分布式传感光纤7；分布式传感光纤7密封设置于圆形通孔6，不暴露于外界自然环境中，用于路基变形灾变的精准判识。

优选地，第一主肋1、第二主肋2和连接肋3的原料采用高密度聚乙烯(HDPE)材料，经高温挤压、冲网拉伸制成。

优选地，每个格栅单元体中，相邻两个第一主肋1之间的距离为12～16cm，相邻两个第二主肋2之间的距离为3～4cm；第一主肋1和第二主肋2的宽度均为10～12mm(优选10mm)，连接肋3的宽度为15～18mm(优选15mm)；第一主肋1、第二主肋2和连接肋3的厚度均为5～7mm(优选5mm)；通槽4的宽度为5～6mm、深度为1.5～2mm(优选1.5mm)。

优选地，高吸力芯吸纤维束5由若干根芯吸纤维8编织而成；每根芯吸纤维8的横截面均由N个方向一致的十字型形状连接而成，横截面的连接方向的长度为30～50μm；该形状的横截面使得芯吸纤维8具有更大的比表面积和毛细力，从而具备更强的吸湿性；芯吸纤维8具有排水通道9；芯吸纤维8吸附的水分聚集在排水通道9处，在吸力梯度的牵引作用下将水分通过排水通道9进行水分迁移23，从而将土体内部的多余水分排出；相邻排水通道9的轴间距为5～12μm；高吸力芯吸纤维束5的应变为2％时的抗拉强度为7～15.8kN/m。

优选地，圆形通孔6位于第一主肋1和连接肋3的中轴线上。圆形通孔6的直径为1～2mm，与分布式传感光纤7的外径一致。

优选地，分布式传感光纤7由从内到外的玻璃纤维10、二氧化硅包层11、丙烯酸树脂涂敷层12和聚弹性酯护套13组成；采用光信号进行信息传输，具有空间分辨能力强、抗干扰能力强、体积小、接线简单、远距离数据传输稳定等优点；外接布里渊光时域反射计(BOTDR)可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测，进而得到路基内部因湿化软化产生的不均匀变形。

优选地，土工格栅18加筋路基主动排水的机理是：

道路结构自下而上依次为天然地基14、压实路基15、基层和底基层16以及沥青路面17；若干个格栅单元体组成土工格栅18；根据工程需求，将若干层土工格栅18均匀间隔铺设于压实路基15的内部，第一主肋1和第二主肋2的两端直接暴露于外界自然环境中；

当降雨入渗19或地下水位上升21时，土工格栅18能够吸附土体中的多余水分；路基内部土工格栅18的含水率升高导致自身吸力逐渐减小，而暴露于外界自然环境中的土工格栅18由于水分蒸发22，吸力逐渐增大，导致内外土工格栅18之间形成吸力梯度(吸力梯度即吸力差)；在吸力梯度的牵引作用下发生向两端方向的水分迁移23，从而实现路基内部多余水分的侧向主动排出。

本发明同时提供了一种所述土工格栅18在主动调控路基湿度方面的应用，具体步骤如下：

步骤A1、确定拟建路基工程所用土样在最大干密度条件下的最优含水率及其对应的基质吸力，通过室内压力板仪试验测定该基质吸力条件下土工格栅18的含水率，即为其铺设时的含水状态；

步骤A2、开展室内水分迁移试验：在最优含水率和最大干密度条件下制备若干个立方体试样(边长200～300mm)，然后增湿至不同含水率作为试样初始含水率，其中每两个试样的初始含水率相同；将相同初始含水率的试样进行叠放，中间夹有步骤A1所述土工格栅18，并保证三者良好接触；测定土工格栅18对不同初始含水率试样的平均排水速率和排水总量，建立土工格栅18面积、试样初始含水率、平均排水速率及排水总量的关系，同时建立排水结束后立方体试样初始含水率与最终含水率的关系；

步骤A3、根据压实路基15易受外界水分侵害的部位，确定土工格栅18的布设位置；根据施工当地路基土的常年含水状态和步骤A2建立的关系，确定土工格栅18的尺寸、层数和间距；

步骤A4、通过室内界面剪切试验得到不同含水率条件下的筋土界面剪切位移曲线，再根据筋土界面剪切位移曲线的演化趋势来判定界面剪切类型，界面剪切类型分为界面剪切硬化模型或界面剪切软化模型；再利用式(1)拟合试验数据得到筋土界面参数a、b或p、q、r：

式(1)中，τ为筋土界面剪切应力；u为筋土界面剪切位移；

步骤A5、根据不同含水率下的筋土界面参数，拟合得到界面土体含水率与各个筋土界面参数之间的经验关系，得到土工格栅18的主动排水功能对筋土界面剪切特性的贡献作用，用于加筋路基工程设计。

本发明同时提供了一种所述土工格栅18在实时监测路基灾变方面的应用，具体步骤如下：

步骤B1、在分布式传感光纤7的一端注入脉冲光，当分布式传感光纤7发生轴向应变时，位于同一端的BOTDR接收背向自然布里渊散射信号，得到散射光的布里渊频率漂移(即布里渊频移)，同时通过式(2)计算得到分布式传感光纤7的变形发生位置(即路基变形发生的位置)到BOTDR的距离Z：

式(2)中，c为真空中的光速，T为发出脉冲光至接收到散射光的时间间隔，n为分布式传感光纤7的折射系数；

步骤B2、根据步骤B1得到的布里渊频移，通过式(3)计算得到分布式传感光纤7的应变量ε：

式(3)中，ε

步骤B3、根据分布式传感光纤7的变形量ε和变形发生位置，能够判定路基湿化软化后的破坏模式，即局部破坏或整体垮塌。

优选地，所述土工格栅18在路基灾变实时监测方面的应用，还包括以下步骤：

步骤B4、湿化后的压实路基15在交通荷载作用下发生大变形时，土工格栅18可能会被拔断或拔出，从而进入失效模式：

失效模式一、对于同一应力状态，当拔断失效模式处于临界状态时，土工格栅18需满足式(4)的力学平衡：

式(4)中，σ

失效模式二、对于同一应力状态，当拨出失效模式处于临界状态时，根据摩尔库伦准则，筋土界面剪切破坏强度满足式(5)的力学平衡：

式(5)中，τ

本发明同时提供了一种所述土工格栅18的失效模式的判定方法，具体步骤如下：

步骤C1、当土工格栅18的临界状态下的有效长度l

步骤C2、相同压实度、含水率及应力状态条件下，存在某一临界有效长度以判定土工格栅18的拔断和拔出失效模式，该临界有效长度l

步骤C3、根据主肋l(主肋包括第一主肋1和第二主肋2)与l

本发明同时提供了一种所述土工格栅18在路基工程实践中设计参数选取方面的应用，其特征在于，设计参数选取借助室内模型试验，包括以下步骤：

步骤D1、搭建复杂环境模拟箱24：

(D1.1)搭建土工格栅加筋路基模型，开展路基全断面缩尺模型试验(本实施例中以1:6的缩尺比例搭建土工格栅加筋路基模型)：搭建路基模型所用填料自下而上依次为：0.2～0.3m(优选0.3m)的碎石层25、0.6～0.8m(优选0.8m)的压实路基土26和0.2～0.3m(优选0.3m)的碎石层25，上下碎石层的设置是为了分别防止降雨入渗19和地下水位上升21对路基土的直接侵蚀破坏，最终控制目标压实度为96％；搭建过程中，在压实路基土26内部均匀布置若干个水分传感器27，以测定路基土含水状态的变化；在复杂环境模拟箱24的顶部安装若干个激光位移计28，以捕捉循环动荷载作用下路基的变形量；搭建后的土工格栅加筋路基模型的尺寸为：上底1.2～1.4m、下底5.4～6.0m、高度1.4～1.5m、边坡坡度1:1.5～1:1.6(优选，上底1.2m、下底5.4m、高度1.4m、边坡坡度1:1.5)；

(D1.2)搭建模拟环境荷载的外部装置：

为了模拟降雨，在复杂环境模拟箱24的顶部配置适量的洒水喷头29，可覆盖整个路基结构；

为了模拟地下水位变化，在复杂环境模拟箱24的底部配置地下水模拟装置；地下水模拟装置包括进水水箱30、阀门31、流量表32和进水管33；进水水箱30内具有水，进水管33的一端与进水水箱30的出水口连通，另一端伸入底层的碎石层25中，用于模拟地下水位的升降变化，进水管33上按照水流方向依次设置有阀门31和流量表32；

为了模拟交通荷载，在复杂环境模拟箱24的顶部配置交通荷载模拟装置34；

结合工程当地年平均降雨量和地下水位波动情况设置复杂环境模拟箱24的具体参数；

步骤D2、根据我国《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)和路基模型的缩尺比例，设置循环动荷载幅值；待土工格栅18排水结束后，对路基施加动荷载以得到土体的弹性及累积塑性行为，可利用分布式传感光纤7校核加载过程中路基土的弹塑性变形量；

优选地，步骤D2中，设置循环动荷载幅值为60kPa。

步骤D3、设计不同的工况，即针对不同路基土类型设计土工格栅18的层数、间距及布设位置，重复步骤D1和D2；

优选地，步骤D3中，路基土类型为砂土、粉土或黏土；土工格栅18的层数可为1层、2层或3层；间距可为0.3、0.6、0.9m；布设位置可为三种方式：(1)路基顶部和底部，(2)路基顶部、底部内部，(3)路基顶部、底部及临近边坡位置。

步骤D4、对步骤D3得到的所有工况结果进行归纳总结，在路基全断面湿度空间分布特征、路基顶部刚度和变形演化规律的基础上，优化原有设计方案，得出土工格栅18的设计方法。

实施例1

土工格栅18为单向土工格栅；第一主肋1、第二主肋2和连接肋3的原料采用高密度聚乙烯(HDPE)材料，经高温挤压、冲网拉伸制成。

每个格栅单元体中，相邻两个第一主肋1之间均匀布置有三个第二主肋2；相邻两个第一主肋1之间的距离为12～16cm，相邻两个第二主肋2之间的距离为3～4cm；第一主肋1和第二主肋2的宽度均为10mm，连接肋3的宽度为15mm；第一主肋1、第二主肋2和连接肋3的厚度均为5mm；通槽4的宽度为5～6mm、深度为1.5mm。网孔尺寸为220mm×30mm。

圆形通孔6位于第一主肋1和连接肋3的中轴线上。圆形通孔6的直径为2mm，与分布式传感光纤7的外径一致。

分布式传感光纤7的最大量程为5000με，由从内到外的直径10μm的玻璃纤维10、直径300μm的二氧化硅包层11、直径800μm的丙烯酸树脂涂敷层12和直径1mm的聚弹性酯护套13组成。

本发明未述及之处适用于现有技术。