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    云南紅土加筋效應(yīng)研究

    2011-09-06 10:28:04符必昌王海軍金克盛張祖蓮
    水利水電科技進展 2011年6期
    關(guān)鍵詞:筋材孔壓紅土

    黃 英,符必昌,王海軍,金克盛,張祖蓮

    (昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,云南 昆明 650500)

    一般認為,在砂土等粗顆粒的土中加入各種土工合成材料可以顯著改善土體性能,提高強度,減小變形,其加筋效果隨不同土質(zhì)、不同筋材而異。目前國內(nèi)外學(xué)者主要研究不同加筋材料對砂土、碎石土抗剪強度特性的影響,如Moroto[1]、吳景海[2]、保華富等[3]、顧培等[4]利用三軸壓縮試驗研究了砂土、碎石土的加筋特性,試驗結(jié)果表明,加筋提高了砂土和碎石土的抗剪強度,減小了變形,筋材對土體具有側(cè)向約束作用。而對黏性土的加筋問題研究較少,黏性土由于顆粒細小,與筋材作用的界面摩擦力小,不符合早先工程界提出的,粒徑小于0.015mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)應(yīng)在15%以下且內(nèi)摩擦角應(yīng)在25°以上的土體才能加筋的要求[5],這實際上排除了黏性土的加筋問題。但Ingold[6]通過用多孔塑料、纖維氈、非編織纖維及鋁片等多種材料加筋黏土進行三軸不排水剪切試驗,發(fā)現(xiàn)加筋黏土的不排水強度低于未加筋時的值,而用熱黏織物加筋的高嶺土試樣進行排水三軸剪切試驗,則發(fā)現(xiàn)其強度高于未加筋時的值。趙愛根[7]研究表明,加筋黏土在不排水條件下抗剪強度下降,而在完全排水條件下抗剪強度提高;為了提高加筋黏土的不排水強度,采用在織物兩側(cè)各鋪1層密砂的復(fù)合加筋黏土方法,效果顯著。梁波等[8]、魏紅衛(wèi)等[9]、唐朝生等[10]都研究了黏性土的加筋問題。對加筋機理的解釋,一種是由Yang[11]提出來的等效圍壓原理,另一種是準黏聚力原理[3],這2種原理實質(zhì)上等價。目前許多人通過模型試驗和有限元計算來分析加筋機理:喻澤紅等[12]研究了土工網(wǎng)加筋土結(jié)構(gòu)在工作時的應(yīng)力變化;張興強等[13]研究了交通荷載作用下加筋路基的應(yīng)力變化;周志剛等[14]基于Biot固結(jié)理論和鄧肯-張模型的有限元法研究了土工格柵加固碎石樁復(fù)合地基抵抗變形破壞的能力;王偉等[15]從加筋的內(nèi)聚力效應(yīng)、波紋效應(yīng)、隔離效應(yīng)以及拱效應(yīng)等幾個方面解釋了土與機織土工織物相互作用的機理。

    試驗結(jié)果表明,黏性土的加筋效果取決于排水條件,只要結(jié)合實際工程條件對黏性土進行加筋,可以保證黏性土的加筋效果。作為一大特殊土類的紅土,在云南的基礎(chǔ)設(shè)施工程中廣泛應(yīng)用,其加筋效果及加筋機理值得探討。為此,筆者結(jié)合云南典型紅土在不同排水條件、不同筋材種類、不同加筋層數(shù)工況下的三軸試驗結(jié)果[16],對比研究排水條件、筋材種類、加筋層數(shù)等因素對云南紅土加筋效果的影響,進而闡明云南紅土的加筋機理,以作為黏性土加筋問題研究的補充,為紅土加筋問題的深入研究奠定基礎(chǔ)。

    1 云南紅土加筋效果分析

    1.1 紅土加筋試驗結(jié)果

    以云南典型紅土作為填料,選用 2種不同的玻璃纖維(1號、2號)和1種土工布(3號)作為加筋材料,分別進行不同排水條件下紅土不加筋(試樣編號0-0)、加1層筋(試樣編號1-1,2-1,3-1)和加 3層筋(試樣編號1-3,2-3)的三軸剪切試驗。試樣編號的第1個數(shù)據(jù)表示加筋材料代號,第 2個數(shù)據(jù)表示加筋層數(shù)。試樣尺寸為?61.8 mm×150mm。其中,1號玻璃纖維厚0.25mm,網(wǎng)格較大、較粗糙;2號玻璃纖維厚0.15mm,網(wǎng)格較小、較平滑;3號土工布厚0.25mm,較緊密、較粗糙。

    試驗結(jié)果表明[16]:在完全排水(CD)試驗條件下,加筋紅土的破壞主應(yīng)力差qf增大,破壞軸向應(yīng)變 ε1f、破壞體應(yīng)變 εvf、破壞側(cè)向應(yīng)變 ε3f減小,上述各應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)隨加筋層數(shù)的增加而增大,加筋提高了紅土的抗剪強度,減小了變形。在固結(jié)不排水(CU)試驗條件下,加筋紅土的qf和 ε1f減小,但隨著加筋層數(shù)的增加而增大;加筋后破壞孔壓uf和破壞孔壓系數(shù)Af增大,但隨著加筋層數(shù)的增加而減小,說明紅土在不排水條件下剪切,當(dāng)加筋層數(shù)較少時,加筋反而會降低紅土的抗剪強度,只有增加加筋層數(shù),紅土的抗剪強度才會提高,在這種情況下應(yīng)慎重考慮紅土加筋問題。

    1.2 紅土加筋效果

    引入加筋效果系數(shù)來衡量紅土的加筋效果,加筋效果系數(shù)是指加筋后紅土各項應(yīng)力參數(shù)、應(yīng)變參數(shù)與加筋前各項應(yīng)力參數(shù)、應(yīng)變參數(shù)之比。由于加筋前后紅土各應(yīng)力參數(shù)、應(yīng)變參數(shù)、圍壓的變化以及排水條件的影響,紅土的加筋效果系數(shù)可大于1,也可小于1,相應(yīng)地也就決定了加筋對紅土強度和變形的影響。表 1給出了不同筋材、不同加筋層數(shù)以及不同排水條件下紅土強度及變形加筋效果的比較,表2給出了紅土的抗剪強度指標(biāo)加筋效果系數(shù)。

    表1表明,紅土的強度加筋效果系數(shù),變形加筋效果系數(shù)以及孔壓加筋效果系數(shù)和隨圍壓 σ3變化而變化??傮w來說,在 CD條件下,大于1,且隨加筋層數(shù)的增加而增大;但有時 大于 1,有時小于 1,規(guī)律性不明顯。在CU條件下,加1層筋時和都小于1,且均隨加筋層數(shù)的增加而增大;而,隨加筋層數(shù)的增加而減小。在不完全排水(UU)條件下,和都小于或等于 1 。

    表2表明,加筋引起紅土的黏結(jié)力加筋效果系數(shù)Rc和內(nèi)摩擦角加筋效果系數(shù)Rφ發(fā)生變化。紅土在CD條件和CU條件下加筋,Rc均隨加筋層數(shù)的增加逐漸增大,1號筋材的Rφ隨加筋層數(shù)的增加而增大,2號筋材的Rφ隨加筋層數(shù)的增加而減小,這是由于1號筋材比 2號筋材粗糙;在UU條件下加筋,Rc,Rφ均小于 1。表明紅土在不同排水條件下加筋,加筋效果不同,黏聚力和內(nèi)摩擦角二者綜合作用的結(jié)果改變了加筋紅土的抗剪強度特性。

    1.3 紅土歸一化加筋效果

    表1 不同筋材、不同加筋間距以及不同排水條件下紅土強度及變形加筋效果比較

    表2 紅土的強度加筋效果系數(shù)和加權(quán)加筋效果系數(shù)

    圖1 圍壓對紅土CU試驗 的影響

    圖2 圍壓對紅土CU試驗 的影響

    圖3 圍壓對紅土CU試驗的影響

    圖4 圍壓對紅土CD試驗 的影響

    1.4 紅土加權(quán)加筋效果

    紅土加筋前后的應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)隨圍壓的不同而變化。紅土的加筋效果系數(shù)反映了紅土加筋前后各應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)的變化,紅土歸一化加筋效果系數(shù)則反映了紅土的加筋效果隨圍壓的變化,相應(yīng)地,加筋效果系數(shù)以及歸一化加筋效果系數(shù)也隨圍壓變化而變化。為排除圍壓的影響,引入加權(quán)加筋效果系數(shù)P,它是考慮各級圍壓的影響后得到的加筋效果系數(shù)的加權(quán)平均值:

    式中:Ri為對應(yīng)于各級圍壓下的加筋效果系數(shù);σ3i為各級圍壓。

    2 云南紅土加筋機理分析

    加筋改變了紅土的抗剪強度特性,紅土的加筋機理可以根據(jù)筋材與紅土的相互作用來解釋,具體可以歸結(jié)為加筋紅土所具有的隔離效應(yīng)、阻力效應(yīng)、拱效應(yīng)、壓密效應(yīng)、孔壓效應(yīng)等幾個方面綜合作用的結(jié)果。

    2.1 加筋紅土的隔離效應(yīng)

    加筋紅土的隔離效應(yīng)也稱為不均勻效應(yīng),指在紅土體中加入筋材,破壞了原有紅土體的整體性、連續(xù)性和不均勻性,把紅土體分成幾個相對獨立的部分,筋材起到把各部分紅土體隔離開來的作用。由于筋材的隔離作用,在紅土體中構(gòu)成了分界面,在分界面處是筋材與紅土作用,而不是紅土之間相互作用,從而導(dǎo)致加筋紅土的不均勻性增強。一方面,筋材的存在,人為地破壞了原有紅土體內(nèi)部顆粒之間的黏結(jié)力和摩擦力;另一方面,由于外荷載的作用,在筋材與紅土體分界面處又形成了新的黏結(jié)力和摩擦力,這些力的大小取決于筋材的粗糙度、厚度、透水性、網(wǎng)格大小以及土樣的含水情況等因素的綜合影響。不論排水條件如何,土體中加筋層數(shù)越多,分界面多,筋材的隔離作用越強,加筋紅土體越不均勻。就本試驗的筋材種類而言,3號土工布的隔離效應(yīng)最強,導(dǎo)致加筋紅土的不均勻性最差;1號玻璃纖維的隔離效應(yīng)最弱,導(dǎo)致加筋紅土的不均勻性相對較好;2號玻璃纖維的隔離效應(yīng)居中,導(dǎo)致加筋紅土的不均勻性介于前兩者之間。

    2.2 加筋紅土的阻力效應(yīng)

    加筋紅土的阻力效應(yīng)也稱為嵌固效應(yīng),包括內(nèi)摩擦效應(yīng)和黏結(jié)力效應(yīng)。加筋紅土的內(nèi)摩擦效應(yīng)是指加筋紅土在剪切過程中紅土顆粒與筋材發(fā)生相互摩擦作用的特性;黏結(jié)力效應(yīng)是指由于外荷載的作用,紅土顆粒與筋材之間發(fā)生相互咬合的特性。

    土體在剪切過程中沿著其剪切面發(fā)生破壞。對于不加筋紅土,在整個試驗過程中只需克服紅土體內(nèi)部顆粒之間的黏結(jié)力和摩擦力;而對加筋紅土,由于筋材的存在,它不僅要克服紅土體內(nèi)部顆粒之間的黏結(jié)力和摩擦力,還要克服筋材的阻力。對每一部分紅土體而言,需克服的是紅土體內(nèi)部顆粒之間的黏結(jié)力和摩擦力;當(dāng)剪切面到達分層處,由于筋材的彈性模量大于紅土的彈性模量,筋材在分層面處起著阻擋的作用,剪切面要到達下一部分紅土就必須克服筋材的阻力,而筋材的阻力取決于外荷載作用下紅土顆粒與筋材之間相互咬合、相互摩擦的能力,筋材與紅土特性的差異又決定了筋材的破壞形式(筋材是被拉斷還是被拔出),這一界面作用特性與試驗的排水條件密切相關(guān),由此決定了新產(chǎn)生的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦力的大小。在排水條件下,紅土顆粒與筋材之間相互咬合、相互摩擦的能力強,筋材阻力大,克服筋材阻力就需要較大的外荷載,加筋新產(chǎn)生的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦力的綜合效果比不加筋時強,因而加筋提高了強度;在不排水條件下,紅土顆粒與筋材之間由于含水較多,相互咬合、相互摩擦的能力較弱,筋材阻力相對較小,克服筋材阻力只需要較小的外荷載,這時加筋引起的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦力的綜合效果比不加筋時弱,因而加筋降低了強度。就筋材而言,1號玻璃纖維的阻力效應(yīng)最強,2號玻璃纖維的阻力效應(yīng)居中,3號土工布的阻力效應(yīng)最弱。

    2.3 加筋紅土的拱效應(yīng)

    加筋紅土的拱效應(yīng)也稱為側(cè)約束效應(yīng),指加筋紅土在外荷載的作用下側(cè)向產(chǎn)生的變形沿軸向呈拱形分布,由于筋材的隔離作用,導(dǎo)致相同條件下加筋紅土的側(cè)向變形比不加筋前有所減小。隔離作用越強,拱效應(yīng)越弱,所以,1號玻璃纖維的拱效應(yīng)最強,2號玻璃纖維的拱效應(yīng)居中,3號土工布的拱效應(yīng)最弱。不加筋時,試樣沿軸向只有1個拱形;加筋后,筋材將完整試樣沿軸向分成幾個相對獨立的部分,各部分的試樣高度比不加筋時的小,軸向荷載作用產(chǎn)生的拱形多,側(cè)向約束作用加強,各拱形側(cè)向產(chǎn)生的變形明顯小于加筋前的側(cè)向變形;加筋層數(shù)越多,分成的獨立部分越多,各部分的試樣高度越小,拱形數(shù)越多,側(cè)向約束作用越強,各拱形產(chǎn)生的側(cè)向變形越小,加筋紅土的完整性越差。相同條件下加筋紅土達到與不加筋紅土相同強度時的側(cè)向變形減小。筋材的存在削弱了試樣側(cè)向變形的能力,約束了試樣的側(cè)向變形。但由于在排水條件下加筋提高了紅土的抗剪強度,實際達到破壞時加筋紅土的側(cè)向變形比不加筋時的大。

    2.4 加筋紅土的壓密效應(yīng)

    加筋紅土的壓密效應(yīng)也稱為排水排氣效應(yīng),指加筋紅土在整個試驗過程中由于水和氣的排出,引起各部分試樣體積減小、整個試樣密實程度提高的性能。對三軸試驗而言,由于試樣飽和,壓密效應(yīng)也就是排水效應(yīng)。

    不加筋紅土中水的排出主要依靠水沿試樣縱向向下和橫向的滲透,由于不加筋紅土的完整性好,水的排出速度慢。對加筋紅土而言,由于筋材與紅土是異種介質(zhì)的分界面,試樣中的水可沿試樣縱向向上和向下以及橫向進行滲透,是一個人為軟弱面,水分聚集在分層處,沿層面水平徑向流動,有利于水分沿試樣側(cè)面排出,水的排出速度較快。隨著試樣中水分不斷排出,試樣的體積減小,試樣的密實程度越來越大。加筋層數(shù)越多,各部分的徑高比越小,越有利于水的排出,試樣的密實程度增大。如果排水,試樣內(nèi)部、分層處以及試樣側(cè)面的水較少;如果不排水,水分主要集中在分層處以及試樣的側(cè)面。

    在完全排水條件下,不論是圍壓階段或剪切階段,加筋紅土排出的水量比不加筋紅土多,加筋試樣的含水比不加筋時少,導(dǎo)致加筋紅土的密實程度比不加筋紅土的密實程度高,各部分承受外荷載的能力增大,因而整個加筋紅土的承載力增大,強度提高。加筋層數(shù)越多,排出的水量越多,加筋紅土的密實程度越高,承受外荷載的能力越大,強度越高。

    對于固結(jié)不排水試驗,在圍壓階段,加筋紅土比不加筋紅土排出的水量多,加筋紅土的密實程度高;在剪切階段,由于不排水,不加筋試樣的含水較均勻,而加筋土體各部分的水向筋材處聚集,雖然各部分試樣中的密實程度相對提高,但造成筋材處的軟弱面承受外荷載的能力減弱,強度減小。隨著加筋層數(shù)的增多,在圍壓階段排出的水量更多,試樣中含水量比不加筋或加筋層數(shù)較少時低,加筋土體的密實程度提高。在不排水條件下剪切,試樣的加筋層數(shù)越多,分層處集聚的水越少,分層的軟弱面特性減弱,試樣的含水越接近均勻,承受外荷載的能力增大,強度提高。

    在完全不排水條件下,由于整個試驗過程都不排水,聚集在加筋試樣分層處的水明顯多于不加筋試樣的水,筋材處的軟弱面特性更加顯著,只能承受較低的外荷載,導(dǎo)致強度降低。

    就筋材而言,1號玻璃纖維的排水效應(yīng)最強,2號玻璃纖維的排水效應(yīng)居中,3號土工布的排水效應(yīng)最弱。

    2.5 加筋紅土的孔壓效應(yīng)

    加筋紅土的孔壓效應(yīng)也稱為潤滑效應(yīng),指加筋紅土在不排水條件下由于水分聚集在分層處,導(dǎo)致分層處的孔壓增大、紅土體與筋材之間的潤滑作用增強的效應(yīng)。

    紅土在不排水條件下剪切時,不管加筋材料的透水性大小,由于筋材在紅土體中起隔離作用,因而紅土體中的水主要集中在加筋材料附近。如果加筋材料的透水性較大,則水主要集中在筋材處;如果加筋材料的透水性較小,則水主要集中在筋材的兩側(cè)。但都會使分層處的含水量增大,而距離分層處較遠的紅土體中含水較少,這樣,就會使整個加筋紅土體的含水不均勻,因而孔壓分布也不均勻,在分層處的孔壓較大,距離分層處較遠的孔壓較小。由于筋材水平鋪設(shè),在同一分層面上的含水較均勻,孔壓也較均勻,使筋材與紅土體的潤滑作用增強,界面摩擦阻力減小,傳遞外荷載的能力減弱,相應(yīng)的強度減小。實際上,分層面就是一個人為的應(yīng)力薄弱面,由于不加筋紅土的整體性好,含水較均勻,孔壓分布也較均勻,不存在界面摩擦阻力問題,傳遞外荷載的能力取決于整個紅土體的應(yīng)力情況。

    如果加筋層數(shù)增多,加筋間距減小,整個加筋紅土體中的水就會集中在各個分層處,與分層較少時比較,各分層處的含水相應(yīng)較少,孔壓也較小,傳遞外荷載的能力有所增強,強度相應(yīng)增大。如果加筋層數(shù)足夠多,減小了加筋紅土的拱效應(yīng),加筋紅土體的含水趨于均勻,孔壓較均勻,傳遞外荷載的能力增強,使加筋紅土的抗剪強度增大。這是因為筋材的存在導(dǎo)致加筋紅土的潤滑作用和緊密程度改變。加1層筋材時,筋材位于試樣的中部位置,破壞了試樣的完整性,在外荷載作用下筋材兩邊試樣中的水向筋材附近集聚,導(dǎo)致筋材處的水分增多,潤滑作用增強,承受外荷載的能力減弱,因而加筋試樣的破壞主應(yīng)力差比不加筋時減小,試樣產(chǎn)生的軸向變形也小,由于不排水,且水分多,則水承擔(dān)的外荷載大,因而孔隙水壓力增大。但隨著加筋層數(shù)的增加,加筋間距減小,各部分試樣中的水向各筋材處靠攏,由于層數(shù)多,試樣中的排水比加 1層筋時更充分、更徹底,導(dǎo)致加筋樣的緊密程度提高,承受外荷載的能力增強,因而加筋時的破壞主應(yīng)力差比不加筋時增大,試樣產(chǎn)生的軸向變形也相應(yīng)增大;由于各分層處的水比只加1層時筋材處的水少,水承擔(dān)的外荷載小,因而孔隙水壓力減小。

    不同排水條件下,加筋紅土各個加筋效應(yīng)的內(nèi)在表現(xiàn)體現(xiàn)了紅土加筋的微觀機理,而各個加筋效應(yīng)綜合作用的結(jié)果在宏觀上體現(xiàn)出加筋改變了試樣的側(cè)向約束條件,相當(dāng)于改變了作用于試樣的周圍壓力,在本質(zhì)上可以用廣義等效圍壓[17]的概念來具體描述。

    3 結(jié) 論

    a.加筋改變了紅土的抗剪強度特性,排水條件和筋材種類不同,加筋效果也不同。云南紅土的加筋效果可以用加筋效果系數(shù)、歸一化加筋效果系數(shù)以及加權(quán)加筋效果系數(shù)來衡量。加筋效果系數(shù)反映不同圍壓下加筋對紅土強度及變形的影響,歸一化加筋效果系數(shù)反映圍壓對紅土加筋效果的影響,加權(quán)加筋效果系數(shù)反映加筋前后紅土強度及變形特性的變化。紅土的加筋效果系數(shù)隨圍壓的變化規(guī)律不顯著,但歸一化加筋效果系數(shù)的絕對值隨圍壓的增大逐漸減小并趨向于零,強度和變形的加權(quán)加筋效果系數(shù)隨加筋層數(shù)的增加而增大,孔壓的加權(quán)加筋效果系數(shù)隨加筋層數(shù)的增加而減小。

    b.紅土的加筋效果隨排水條件而變化。紅土在完全排水條件下加筋,強度加筋效果系數(shù)大于1,并隨加筋層數(shù)的增加而增大;變形加筋效果系數(shù)的規(guī)律性不明顯。在固結(jié)不排水條件下,加1層筋時強度和變形加筋效果系數(shù)小于1,隨著加筋層數(shù)的增加,強度和變形加筋效果系數(shù)逐漸增大;孔壓加筋效果系數(shù)隨加筋層數(shù)的增加而減小。在完全不排水條件下加筋,強度加筋效果系數(shù)和變形加筋效果系數(shù)都小于或等于1。說明實際工程應(yīng)用紅土加筋時,應(yīng)考慮不同排水條件對紅土加筋效果的影響。

    c.紅土的加筋機理可以從筋材在土體中所具有的隔離效應(yīng)、阻力效應(yīng)、拱效應(yīng)、壓密效應(yīng)以及孔壓效應(yīng)等幾個方面的綜合作用來解釋。

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