水平筋形式對水平-豎向加筋砂土強度的影響

魏 偉, 張孟喜, 張朕磊

(上海大學 土木工程系,上海 200072)

水平筋形式對水平-豎向加筋砂土強度的影響

魏 偉, 張孟喜, 張朕磊

(上海大學 土木工程系,上海 200072)

選用有機玻璃作為加筋材料,針對不同的水平筋形式 (帶孔、滿布)、豎筋高度以及不同圍壓下的水平-豎向(horizontal-vertical,H-V)加筋砂土,進行 100多組平面應變試驗.研究不同的水平筋形式對 H-V加筋砂土強度的影響,同時驗證豎筋高度和圍壓對強度的影響.試驗結果表明,水平筋帶孔時,H-V加筋砂土的強度優(yōu)于滿布情況下的強度.這主要是因為孔洞能夠將軸向荷載傳遞給下部土體,使豎筋不會過早破壞,孔洞自身也形成了一種格室效應,增強了土體的強度.同時,孔洞的大小對加筋土體強度也有一定的影響,驗證了豎筋高度存在最優(yōu)值.

水平-豎向加筋;平面應變試驗;水平筋形式;豎筋高度

能夠提高土體的強度和結構的穩(wěn)定性是加筋土的一個顯著優(yōu)勢,因此,許多學者對加筋土的強度特性及其影響因素進行了研究.Schlosser等[1]用三軸試驗研究金屬條加筋砂土,發(fā)現(xiàn)加筋土的破壞強度與加筋最大抗拉強度成正比,與加筋層間距成反比.Ingold[2]通過對多孔塑料加筋的飽和黏性土進行不排水試驗,發(fā)現(xiàn)了當 D/ΔH≥4時 (D為試樣的直徑,ΔH為加筋層厚度),加筋效益大于 1.趙愛根[3]以針刺無紡織物為加筋材料,進行了飽和黏土的固結不排水剪試驗,結果表明加筋土的強度有所降低.李國祥等[4]對影響加筋土強度特性的加筋率、伸長應變2個主要因素進行了探討,認為加筋率越高,加筋土體強度越大.吳景海等[5]以 5種國產(chǎn)土工合成材料為加筋材料,用三軸試驗比較不同加筋材料對砂土的加筋效果,得到一些有益的結論.魏紅衛(wèi)等[6]研究了不同排水條件下的加筋效果,認為排水條件下加筋土的強度高于不排水條件下的強度,主要是受孔隙水壓力的影響.

加筋土目前被廣泛應用于擋土墻、大壩、路堤等工程領域,部分學者也以工程為背景對加筋土的應用進行了系列研究.楊廣慶等[7]進行了加筋土擋墻的變形檢測.羅慶裕等[8]分析了土工織物加筋土擋墻的設計計算、施工要點、原型觀測和穩(wěn)定分析.

可以看出,目前的試驗研究采用三軸試驗且加筋方式大多為傳統(tǒng)的水平筋,而加筋土結構常處于平面應變狀態(tài),因此,采用平面應變試驗進行加筋土強度特性的研究應該更為合理.Tatsuoka等[9]對不同筋材的加筋土進行了大量的平面應變試驗,認為當楊氏模量 E值很大,或楊氏模量很小且泊松比ν很小的情況下,加筋效果最佳.Roh等[10]通過土工織物加筋的平面應變試驗得出,在不固結不排水條件下的加筋效果不明顯,主要是因為孔隙水壓力過高.此外,Tatsuoka等[11]還針對平面應變狀態(tài)下加筋土在循環(huán)載荷下的特性進行了研究.馬險峰等[12]對幾種主要類型的平面應變儀的優(yōu)缺點作了闡述,同時開發(fā)改良型平面應變儀,進行了砂土的平面應變試驗,推導出平面應變條件下的砂土強度參數(shù)與三軸條件下參數(shù)的換算關系,并與類似的關系式進行比較.張孟喜等[13-14]提出了立體加筋的概念,并且進行了一系列的試驗研究,驗證了立體加筋土的強度優(yōu)于傳統(tǒng)水平筋的強度,并且初步探討了不同的圍壓、豎筋高度和筋材材料對加筋土強度特性的影響,對水平-豎向 (horizontal-vertical,H-V)加筋土的研究起到了推動作用.

H-V加筋是一種立體加筋體系,水平筋和豎筋的共同作用使得加筋效果更佳.本研究以有機玻璃為材料制作 H-V加筋,進行平面應變試驗,探討平面應變條件下加筋土的應力-應變曲線特性,研究水平筋的形式對加筋土強度的影響,驗證豎筋高度和圍壓對強度的影響,初步探討了 H-V加筋土的強度特性.

1 試驗方法

1.1 試驗準備

試驗儀器采用江蘇溧陽永昌試驗儀器有限公司生產(chǎn)的 PY-10型平面應變儀.試樣尺寸為 100 mm×100 mm ×50 mm,其受力形式如圖 1所示,σ2為平面應變方向.應變儀在σ2作用平面設置一對剛性側板,σ3作用平面為柔性水囊加壓,通過上下對銷螺栓(共 8個)將柔性加壓系統(tǒng)和側向約束鋼板固定.由于側向鋼板對銷螺栓提供的固定作用,約束了σ2方向的變形,即提供了平面應變條件.應變儀采用應變控制式加壓方式,設置σ3大小后,啟動電機,下部的升降臺自動上升.在試驗過程中,σ1和σ2的大小一直在變化并最終達到破壞,其中σ2=μ(σ1+σ3).

圖 1 試樣受力示意圖Fig.1 Force d iagram of sample

目前,加筋土的試驗研究大多采用標準砂.為了和已有的傳統(tǒng)水平筋材試驗結果作對比,本次試驗采用福建廈門產(chǎn)的標準砂.為減小試驗的離散性,砂土選用干砂,其顆粒的級配分布曲線如圖 2所示,經(jīng)計算其物理特性參數(shù)如表1所示,屬于級配不良的砂;筋材采用 2 mm厚有機玻璃;標準砂和有機玻璃之間的摩擦系數(shù)經(jīng)直剪試驗測定為 0.35;水平筋材形式分為 4種情況,滿布時尺寸為 95 mm×46 mm,其他 3種情況是在滿布的基礎上帶孔制成的,具體情況如表2所示;豎向筋條寬均為 95 mm,高度ΔH分別取 5,10,15和 20 mm,用三氯甲烷將筋條粘結起來形成 H-V加筋 (見圖3).H-V加筋與傳統(tǒng)水平加筋的不同之處在于豎向筋條的存在.為充分發(fā)揮豎向筋條的作用,并考慮到豎筋過高時易過早發(fā)生傾倒,因此,當豎筋高度超過 10 mm時,在豎筋兩側加上 5 mm高的肋條.這里的筋材采用有機玻璃,實驗室易于操作,但因玻璃的脆性,在試樣破壞時強度有可能會產(chǎn)生陡降.此外,筋材制作采用三氯甲烷粘結劑,因為粘結質量影響試驗結果,可能會使試驗結果的離散性加大.

圖 2 試驗所用砂土顆粒的級配曲線Fig.2 Gra in size d istr ibution curve of sand used in tests

表1 砂樣的物理特性參數(shù)Table 1 Physical proper ties parameter s of sand

表2 水平筋形式Table 2 Form s of hor izontal inclusions

1.2 試驗過程

圖 3 試驗所用筋材(mm)Fig.3 Reinforcement used in tests(mm)

試驗時,將筋材放置在試樣高度一半的位置,(見圖 3(a)).在試驗過程中應使每個試樣具有相同的密實度,這里通過采用在相同質量 (790±10 g)情況下分層擊實的方法來實現(xiàn).為保證試樣能夠站立成型,在裝樣完畢后使用真空泵進行抽真空,使試樣具有一定的負壓.待圍壓和軸壓加載系統(tǒng)后,撤去負壓進行試驗,其中試驗的剪切速率控制在0.016 mm/min.以 15%應變作為試驗結束的界定,共制定工況A～工況 D 4個工況 (見表2),每個工況按照不同圍壓 (50,100,150,200 kPa)和豎筋高度 (0,5,10,15,20 mm)分別進行 20組試驗,最終選取 84組有效的試驗結果.

2 試驗結果及其分析

2.1 加筋土破壞的變形分析

無筋土和 H-V加筋土破壞時的試樣變形情況以及試樣破壞時筋材的典型破壞形式如圖 4所示,可以看出:

(1)無筋土破壞時,試樣整體發(fā)生了較均勻的側向變形,這主要是因為土體中未放置筋材,外部傳遞過來的荷載可以由土體較均勻地承擔,故最終發(fā)生的變形也比較均勻.

(2)H-V加筋土破壞時,水平筋上部土體發(fā)生較明顯的側向變形,而下部土體發(fā)生較小的均勻變形,這主要是由于水平筋材的存在割斷了土體的整體性.由于 H-V筋材的存在,上部土體中被豎筋包圍的土體在軸向力的作用下會形成一個擠密區(qū).擠密區(qū)土體在軸力作用下發(fā)生側向膨脹,而豎筋的存在約束了土體的變形,這在一定程度上提高了上部土體的強度,使得上部土體能夠承受較大的荷載.同時,正是因為有水平筋材的存在,下部土體主要承受水平筋材傳遞下來的比較均勻的荷載.因此,軸向荷載主要被 H-V加筋的上部土體所承受,故變形主要發(fā)生在上部土體,下部土體只發(fā)生了很小的均勻變形.

(3)筋材的破壞形式主要有 2種:傾覆 (見圖4(c))和斷裂 (見圖 4(d)).傾覆表現(xiàn)為豎向筋條向兩側傾倒,主要發(fā)生在擠密區(qū)土體對豎筋的外推作用不是很大時;斷裂是由于外推作用較大時,使得在豎筋與水平筋的交界處水平筋發(fā)生斷裂.筋材的破壞形式也可以解釋 H-V加筋試樣破壞時上部土體發(fā)生側向變形的現(xiàn)象.

圖 4 破壞狀態(tài)Fig.4 Situation of fa ilure

2.2 H-V加筋土的應力-應變曲線特性

對試驗結果進行綜合分析得知,同一圍壓下不同加筋形式土體的應力-應變曲線有著近乎相同的規(guī)律,這里僅選取其中的一組進行詳細分析.試樣的水平筋材采用工況D的形式,圍壓取 50 kPa.圖 5為無筋以及不同豎筋高度下該組試樣的偏應力-應變曲線.可以看出,加筋土的強度高于無筋土的強度,大致在應變?yōu)?4%～8%時達到峰值強度.當豎筋高度較低時,H-V加筋土的強度接近傳統(tǒng)水平筋的強度,豎筋不會發(fā)生傾覆,故在后期出現(xiàn)一定的弱強化趨勢.而隨著豎筋高度的繼續(xù)增加,加筋土的強度卻是先增高后降低,這表明豎筋高度存在一個最優(yōu)值,此時 H-V加筋土的強度最高.當豎筋高度超過這個最優(yōu)值時,強度反而會降低.這主要是因為豎筋高度過高時,豎筋會過早的發(fā)生傾覆,在應力-應變曲線上表現(xiàn)為強度的陡降,該現(xiàn)象大致發(fā)生在 11%應變處.

圖 5 典型的應力-應變曲線(σ3=50 k Pa)Fig.5 Typ ical stress-strain curve(σ3=50 k Pa)

圖 6為當豎筋高度為 5 mm時工況 D的應力-應變曲線.可以看出,應力-應變曲線呈雙曲線的形狀,隨著圍壓的增大,H-V加筋土的強度也在不斷地增大,并呈現(xiàn)出一定的硬化特性.

圖 6 應力-應變曲線(ΔH=5 mm)Fig.6 Typ ical stress-stra in curve(ΔH=5 mm)

2.3 水平筋形式對強度的影響

2.3.1 峰值應力對比

為了研究水平筋形式對強度的影響,本研究取不同工況下的峰值應力進行對比,結果如圖 7所示.

圖 7 不同工況下的峰值應力與豎筋高度曲線Fig.7 Peak stress-ver tical height curve in d ifferent cases

(1)水平筋材滿布布置時,H-V加筋土體的強度低于水平筋材帶孔時加筋土體的強度.這是因為滿布的水平筋徹底割裂了土體,使上下部土體成為各自獨立的兩部分,而上部土體承受了外部傳來荷載的絕大部分,因此,當上部土體發(fā)生破壞時整個試樣也就失去了承載能力,加筋土發(fā)生破壞.而打洞之后,上部土體所承擔的軸向荷載的一部分可以傳遞給下部土體,從而使擠密區(qū)對豎筋的水平推力有一個緩解的過程,豎筋不至于過早破壞,并且孔洞的存在會形成類似于土工格柵的格室效應,這也在一定程度上提高了土體的強度.

(2)水平筋材帶孔時可以提高加筋土體的強度,但孔洞也并非越大越好.從圖 7可以看出,無論低圍壓還是高圍壓,均是具有 10 mm×10 mm孔洞水平筋形式下的 H-V加筋土強度最高.這主要是因為水平筋材上的孔洞能夠及時將荷載傳遞到下部土體,使得擠密區(qū)的強度增長緩慢,豎筋不至于過早地發(fā)生破壞,可以比較穩(wěn)定地發(fā)揮約束作用,從而使得土體的強度提高.但是孔洞同時會造成水平筋強度的折減,當孔洞過大時,強度折減也就越厲害.當其強度折減超過了對土體強度提高所起的正面作用時,加筋土體的強度就會降低,因此,對于帶孔的水平筋同樣存在一個最佳的形式.

(3)豎筋高度存在一個最佳值.從峰值圖上可以看出,豎筋高度過低,難以發(fā)揮 H-V加筋土體的優(yōu)勢,而豎筋過高時,又會過早發(fā)生傾覆破壞,從而也導致了加筋土體強度的降低,故而認為豎筋高度存在一個最佳值.本次試驗得出豎筋高度的最佳值為 15 mm.

(4)H-V加筋是一種立體空間加筋體系,水平筋和豎筋對土體強度的提高不是一種簡單的疊加,而是相互影響、相互制約的,并且存在一種最佳的結合形式.本次試驗中的最佳結合形式為,水平筋采用10 mm×10 mm的孔洞形式,豎向筋高度取 15 mm的 H-V加筋形式.

2.3.2 H-V加筋砂土的強度參數(shù)

使用應力路徑法,將試驗結果整理在 p-q坐標系下,可求得強度參數(shù) c和φ,結果如表3所示.

表3 H-V加筋土體的強度參數(shù)Table 3 Strength parameter s of H-V reinforced sand

從表3可以看出,水平筋滿布情況下,H-V加筋砂土的粘聚力 c和內摩擦角φ較之純砂均有所提高.在水平筋帶孔的情況下,當豎筋高度較小時,c值增幅不大甚至有所降低,φ值有所提高,主要是因為孔洞所造成的強度折減大于豎筋所起的側向約束作用和孔洞引起的格室作用,從而使得加筋土體整體表現(xiàn)出強度的降低.當豎筋高度較高時,c,φ值均有所提高,主要是因為此時豎筋的約束作用和孔洞的格室作用大于水平筋帶孔造成的強度折減,故加筋土體的整體強度得到了提高,這也說明了 H-V加筋存在一個最佳的搭配形式.

從前面的破壞分析中可知,筋材的破壞也存在斷裂破壞的形式.根據(jù)傳統(tǒng)水平加筋的研究結果[15],斷裂破壞時只提高土體的黏聚力,對內摩擦角沒有影響.而表3并未體現(xiàn)出這個規(guī)律,主要是因為 H-V加筋與傳統(tǒng)水平筋的不同之處在于豎筋的存在.為充分發(fā)揮豎筋的作用,當豎筋高度過高時,采用肋條加固.豎筋及其所包圍的土體在軸向荷載的作用下,形成擠密區(qū)對豎筋產(chǎn)生很大的水平推力.在豎筋的根部和水平筋的交接處,水平筋就表現(xiàn)為斷裂破壞.但是,筋材的斷裂是在試驗后期,一般是在應變達到 11%之后才出現(xiàn)的,之前筋材已經(jīng)很好地發(fā)揮了作用,故其破壞并不像傳統(tǒng)的水平筋那樣在斷裂破壞時只提高黏聚力.為驗證這一點,也進行了一組對比試驗.以滿布情況下為例,豎筋兩側無肋條加固,試驗結果如表4所示.

表4 試驗結果對比Table 4 Com par ison of exper iment results

從表4可以看出,在豎筋高度過低時,如在 0,5,10 mm的情況下,與純砂相比,c,φ值都有所提高,此時發(fā)生摩擦型破壞.當豎筋高度過高,如在15,20 mm的情況下,c值有很大提高,φ值變化不大.這是因為豎筋過高時,沒有肋條加固,就會在擠密區(qū)土體的外推作用下過早破壞,即還沒有充分發(fā)揮作用就已經(jīng)破壞,類似于斷裂破壞,故只提高了 c值,對φ值影響不大.這和已得到的斷裂破壞和摩擦破壞的規(guī)律一致.本試驗中的筋條采取加短肋加固的方法,試驗結果和傳統(tǒng)的規(guī)律不太一致,這也是H-V加筋與傳統(tǒng)加筋的不同之處,其加筋破壞機理尚需進一步研究.

3 結 論

通過平面應變試驗,研究了水平筋的形式、豎筋高度以及圍壓對 H-V加筋砂土強度的影響,得出以下結論:

(1)H-V加筋是一種空間立體加筋體系,與水平筋材和豎向筋材強度的發(fā)揮有著密切的聯(lián)系,二者處于一種最佳的搭配方式時,能夠使 H-V加筋土強度有較大提高.

(2)水平筋帶孔時的 H-V加筋土的強度高于水平筋滿布時的強度,分析是從孔洞強度的折減、孔洞傳遞上部土體所承受的荷載、豎筋的側向約束作用 3個方面進行考慮的.當后二者所起的作用大于孔洞的強度折減時,H-V加筋土強度增加.

(3)驗證了在平面應變條件下,豎筋高度存在一個最佳值.本研究試驗條件下得到的最佳值為15 mm.

(4)當豎筋作用充分發(fā)揮時,H-V加筋土體的粘聚力和內摩擦角相對于無筋土均有所提高,與傳統(tǒng)水平筋不太一致,其原因尚需繼續(xù)深入研究.

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Influence of Hor izontal Reinforcem ent Form s on Strength of Sand Reinforced w ith Hor izon tal-Ver tical Inclusion s

WEIWei, ZHANGMeng-xi, ZHANG Zhen-lei
(Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai200072,China)

More than 100 sets of p lane stress testswere carried out on sand reinforced w ith horizontalvertical(H-V)inclusions of perspex with different forms of horizontal inclusions(hole and coverage)and different height of vertical inclusions and cell pressure. Effects of the form of horizontal reinforcementson the strength of sands reinforced w ith horizontal-vertical inclusions were studied.The influence of heightof vertical inclusionsand confining pressureson strength isvalidated.The results show that strength of the form with hole is better than that of coverage because the axis load can be transferred to the lower soil,the vertical inclusions did not break earlier,and the form with hole has a cancellus effectwhich can improve the soil strength.The hole size has some influenceon strength.It isverified that height of the vertical inclusion has an optimal value.

horizontal-vertical(H-V)inclusion;p lane stress test;form of horizontal inclusion;height of vertical inclusion

TU 443

A

1007-2861(2011)02-0196-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.02.016

2009-10-30

國家自然科學基金資助項目(50678100,40972192)

張孟喜(1963～),男,教授,博士生導師,博士后,研究方向為新型土工加筋技術及環(huán)境巖土工程.E-mail:mxzhang@shu.edu.cn

(編輯:劉志強)

法國工程師 H.Vidal于 1965年提出加筋土設計理念,修筑了世界上第一座公路加筋土擋墻,這引起了世界各國對加筋土的關注.之后,國內外許多學者圍繞加筋土進行了一系列的試驗和理論研究.