加筋粗粒土強度的試驗研究

朱海龍，邢義川，張愛軍，張少宏

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100）

1 研究背景

加筋土結(jié)構(gòu)在我國民間建筑歷史上已有上千年的應(yīng)用經(jīng)驗。目前發(fā)現(xiàn)的建于漢代的長城、建于明代的古城墻、建于清代的帝后陵寢均是加筋土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的雛形。從這些歷史遺留下來的加筋土結(jié)構(gòu)看，其加筋材料已和填土體溶為一個整體，共同承擔(dān)著結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定的作用。

由文獻(xiàn)[1]收集到的資料可以看出，加筋土結(jié)構(gòu)雖由不同材料組合而成，但實際上通過加筋和填筑碾壓作用已形成為系統(tǒng)性的整體結(jié)構(gòu)[1]。丁金華等[2]通過拉拔試驗研究土工格柵與膨脹巖的界面相互作用發(fā)現(xiàn)，加筋格柵與膨脹巖界面作用力引起了土體的附加剪切應(yīng)力，并在法向方向上按一定規(guī)律衰減，在加筋材料與土體作用面以外的一定范圍內(nèi)形成了“間接影響帶”。在“間接影響帶”內(nèi)的土顆粒的位置、形狀受界面作用力的影響發(fā)生錯位或破碎、擠密，從而使土體的強度得以提高?！伴g接影響帶理論”的提出，進(jìn)一步說明加筋土結(jié)構(gòu)不是單純的筋、土組合結(jié)構(gòu)，組合后的加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力和變形不是單純的土體應(yīng)力（變形）和筋材應(yīng)力（變形）的簡單疊加，它們之間存在著一定程度的耦合作用，經(jīng)過加筋材料加固后的“加筋土”成了一種新的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有不同于原土體的應(yīng)力和變形特點。

而我國目前應(yīng)用的關(guān)于加筋土的規(guī)程、規(guī)范基本上將加筋材料和被加筋的土體視為兩種獨立的作用對象，分別考慮受力特點，按極限平衡的辦法處理加筋土體的穩(wěn)定問題，未考慮兩種材料復(fù)合后的整體作用，從而導(dǎo)致墻越高，坡越陡，潛在破裂面距離自由面臨空面越遠(yuǎn)，起錨固作用的筋材長度就越長、強度越高。最終導(dǎo)致加筋土結(jié)構(gòu)的工程成本大幅上升，失去其特有的成本優(yōu)勢，尤其是對高度較高的加筋土擋墻和加筋土邊坡，其經(jīng)濟(jì)性已很不明顯。為了在結(jié)構(gòu)上滿足高邊坡和高擋墻的建設(shè)要求，同時節(jié)約工程建設(shè)的成本，迫切需要對加筋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性研究，研究作為整體結(jié)構(gòu)的加筋復(fù)合體的力學(xué)特征、強度特征，為充分利用和發(fā)揮其自身強度提供基礎(chǔ)。

本文分析了加筋土強度的形成機理，并通過大型三軸試驗的方法驗證了分析結(jié)果。

2 加筋土強度試驗研究的現(xiàn)狀

加筋土體實質(zhì)上仍然是一種土體。它是將具有一定抗拉強度的加筋材料置放于土體中，憑借加筋材料與土體的相互作用力，提高土的模量，使土的整體性得到增強，從而改善土中的應(yīng)力分布，提高了土體的外在力學(xué)性能。從這一點上來看，研究加筋土強度的方法就與研究土體強度的方法密不可分。

用于測試土體抗剪強度的試驗方法有多種，其中，直剪試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗及三軸試驗是較為常用的試驗方法。人們最早是從枝葉摻雜于泥濘道路中可以提高道路通行性的生活實踐中發(fā)現(xiàn)，土體在加筋后自身強度可得到明顯提高。這種實踐其實就是早期的加筋土無側(cè)限抗壓強度試驗的雛形。近年來，研究人員通過規(guī)范地?zé)o側(cè)限抗壓強度試驗研究發(fā)現(xiàn)，使用加筋材料對土體加筋，相同土體可以承受更高的負(fù)載能力[3-4]。

為了更量化地了解加筋土強度與變形的特征，國內(nèi)外不少學(xué)者做了許多有益的研究。1974年Schloser和Long首先用采三軸壓縮試驗研究金屬加筋砂土[5]，國內(nèi)學(xué)者吳景海[6]、保富華[7-8]、張孟喜[9]、雷勝友[10]等分別通過三軸試驗研究了加筋砂、加筋碎石土的強度特點，并引入加筋強度效果系數(shù)來定量評價加筋后土體相對不加筋土體強度提高的程度。魏紅衛(wèi)等[11]及王琛等[12]采用三軸試驗研究了黏性加筋土（加筋紅土）的強度特點，并用加筋后的峰值強度對比加筋前的黏性土峰值強度，量化研究加筋黏性土強度提高效果。也有不少學(xué)者采用大型直剪試驗研究加筋土體的強度特征，如魏紅衛(wèi)等[13]通過直剪試驗研究了加筋含砂低液限粉土的強度特征，并用峰值強度對比加筋前后土體剪切強度提高的程度。

多數(shù)直剪試驗中加筋材料的受力條件和加筋土結(jié)構(gòu)在實際工況下加筋材料的受力條件有較大差距。對于直剪試驗，尤其是沿加筋材料面進(jìn)行的直剪試驗僅能反映筋材與加筋土體的界面強度，并不代表整個復(fù)合土體的強度，因而采用類似的直剪試驗成果反映加筋土體強度的可靠性有待于商榷。

由于加筋土結(jié)構(gòu)具有整體性的特點，對其強度的研究應(yīng)不局限于筋土作用面，而應(yīng)該包括加筋材料影響范圍內(nèi)的被加固土體。相對于直剪試驗而言，三軸試驗中土體和加筋材料的受力條件與實際工程中比較接近，且能反映加筋土作為整體材料的力學(xué)特性。雖然常規(guī)三軸試驗中圍壓相等（σ2=σ3），與實際工程中加筋土結(jié)構(gòu)通常一面臨空的條件不完全相符合（σ2≠σ3，且可能存在σ4＞σ3），但在一定程度上仍能反映其強度和變形特征。因而在現(xiàn)階段利用三軸試驗對加筋土強度進(jìn)行研究還是不錯的選擇。本次研究就采用大型三軸試驗進(jìn)行。

3 加筋土強度的形成和特征

普遍認(rèn)為，在加筋土中，筋材對土體的約束作用增強了土體的抗剪強度。但筆者認(rèn)為，加筋材料的形式不同對加筋土體強度提高的貢獻(xiàn)是不同的。尤其是用拉筋帶等帶狀材料和土工格柵等網(wǎng)孔類材料加筋，對被加筋土體強度提高的大小有著明顯不同。不管是網(wǎng)孔狀的土工格柵，還是條帶狀的拉筋帶，關(guān)于它們與土體界面作用的研究成果有很多，在本文中不再詳細(xì)展開論述，這里只提及界面作用力對被加筋土體強度的影響。

條帶狀的拉筋帶和土體只發(fā)生界面摩擦作用，僅對與條帶接觸的土體的變形產(chǎn)生約束，間接對附近小范圍內(nèi)土體變形產(chǎn)生約束，變形約束的結(jié)果是條帶加筋附近范圍內(nèi)的土體強度得以提高。而網(wǎng)孔狀土工格柵水平鋪設(shè)于土體中，開孔四周的縱、橫向肋條約束了孔內(nèi)土體的變形，對這部分土體強度產(chǎn)生影響。受加筋材料孔內(nèi)土體變形約束的影響，土工格柵材料作用面兩側(cè)法向一定范圍內(nèi)的土體的變形也受到了約束。

以上這種觀點得到了相關(guān)研究成果的證實。孫麗梅等[14]通過三軸試驗研究了不同布筋方式對加筋復(fù)合土體強度的影響，認(rèn)為不同加筋材料的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式對加筋土強度的影響是不同的。同時認(rèn)為，單向加筋基本不提高加筋土的強度，只有雙向加筋約束才能提高復(fù)合土體的強度。楊錫武、鐘以明[15]通過大型三軸試驗加筋土夾石，也發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律。

下面重點研究用網(wǎng)孔狀土工格柵進(jìn)行加筋的加筋結(jié)構(gòu)體的強度特點。

我們知道，自然土體在外力（σ1）作用下有向四周變形的趨勢，在周圍土體可以提供足夠約束條件（σ3較大）下，其變形主要在外力（σ1）作用方向發(fā)生，側(cè)向（垂直外力方向）變形（剪切變形）很少。而當(dāng)周圍土體不能提供足夠的約束時（σ3較?。?，側(cè)向變形（剪切）將會比較大，就有發(fā)生剪切破壞的可能。如圖1示。

圖1 自然土體的受力狀態(tài)

圖2 加筋影響層

圖3 土工格柵約束作用

我們把受加筋材料直接約束作用的土層稱為層1，與層1相接觸的小薄土層稱為層2，見圖2。當(dāng)土體中加入了網(wǎng)孔狀的土工格柵材料后，在外力（σ1）作用下時，土工格柵網(wǎng)孔四周的肋條（有一定高度和剛度）對穿入網(wǎng)孔中的土體（層1）的側(cè)向變形產(chǎn)生了一個阻礙作用，這就相當(dāng)于給這一部分土體（層1）增加了一部分額外的約束（Δσ3，見圖3示），加上土體受周圍原有土體的約束（σ3），層1周圍約束增強了（σ3+Δσ3），這部分約束增強的土體（層1）的變形就較為困難了。換句話說，這部分土體（層1）的強度得到了加強（如圖4示）。

圖4 土工格柵約束力

圖5 影響層的約束力

由圖2中可以看到，層2的土體與層1相連接，并且不再受到土工格柵網(wǎng)孔的約束。按照Coulomb強度準(zhǔn)則，層1的土體和層2的土體之間是通過土顆粒之間的黏聚力和靜摩擦力連接在一起的，這種顆粒之間的連接力在宏觀上表現(xiàn)為咬合力。當(dāng)加筋土結(jié)構(gòu)受到外力作用時，土體中受加筋約束作用影響的土層其側(cè)向變形較小或尚未發(fā)生，而不受筋材約束部分的土體（層2，層3，層4，……，層N）在圍壓較小的情況下，就會發(fā)生側(cè)向變形。由于受被約束部分土體（層1）連接作用力的影響（圖5），層2的變形不能充分發(fā)揮，其變形將小于自然土體受相同外力作用而引起的變形。同樣，在層2和層3之間咬合力作用下，層3的側(cè)向變形也受到了限制，其變形也將小于同等作用力下未受約束土體的變形。以此類推，在一定影響范圍內(nèi)的土層，其變形均受到一定程度的影響，如圖6所示。

圖6 加筋單元土體的變形

圖7 加筋土體的變形

現(xiàn)在，假定自然土體在外力（σ1）作用下其側(cè)向變形是均勻的，產(chǎn)生的側(cè)向變形量為ΔU。

受加筋材料約束的影響，層1的土體的側(cè)向變形量ΔU1=0，假定層1以上土體的側(cè)向變形如圖7所示，在高度為H的范圍內(nèi)，土體的側(cè)向變形受加筋的影響，呈拋物線狀。加筋對土體產(chǎn)生的約束力為F1，對應(yīng)于各影響層土體，因加筋影響而產(chǎn)生的抵抗變形的抗力（剪阻力）分別為F2、F3、F4和F5。

加筋約束力F1所做的功為：W=F1×ΔU?？沽λ龅墓σ来螢閃2=F2×(ΔU-ΔU2)；W3=F3×(ΔU-ΔU3)；W4=F4×(ΔU-ΔU4)；W5=F5×(ΔU-ΔU5)。

按照虛功原理關(guān)于內(nèi)力所做功相等的原則，加筋約束力所做的功應(yīng)當(dāng)?shù)扔诳沽λ龉?，因此有：W=W2+W3+W4+W5。

由于ΔU2＜ΔU3＜ΔU4＜ΔU5，因而有F2＞F3＞F4＞F5。由于約束力逐次減小，則隨著遠(yuǎn)離加筋材料，未加筋部分土體的強度將逐漸恢復(fù)（減小）到自然狀態(tài)。

由此可推斷，在另一相鄰層加筋的影響下，當(dāng)兩個加筋層之間的間距適合，保持加筋影響區(qū)域適當(dāng)重疊時，完全可以使未加筋部分土體（如層4、層5）的側(cè)向變形保持在與受加筋約束土層（層1）的同樣水平。也就是說，可以使加筋結(jié)構(gòu)體各處的強度保持一致。此時的加筋結(jié)構(gòu)體就成為一個強度增強了的、各處強度均一的、新的復(fù)合土體。

對層1而言，在加筋約束狀態(tài)下，當(dāng)土體處于極限狀態(tài)時，其破壞面上的最大剪應(yīng)力

對其它部分土體來說，在正常狀況下，當(dāng)土體瀕臨破壞時，其破壞面上的最大剪應(yīng)力

很明顯，有τ′＞τ。

由上述加筋強度形成過程分析可知，加筋土的強度是由被加筋土體強度與所用加筋材料強度耦合的結(jié)果，是土體與加筋材料共同作用形成的這種結(jié)構(gòu)的整體強度。加筋土的極限強度既不是土的極限強度，也不是加筋材料的屈服強度，而是與加筋材料對與其接觸土體的約束作用大小密切相關(guān)。當(dāng)這種約束作用強，則加筋強度高，約束作用弱，則加筋強度低。

4 應(yīng)用三軸試驗研究加筋煤矸石的強度

本次試驗研究，以加筋煤矸石為對象，研究其加筋復(fù)合結(jié)構(gòu)的強度特征。

試驗采用飽和固結(jié)排水剪，周圍壓力分級為0.1、0.2、0.4和0.8MPa。試驗采用YSZ-200型高壓大型三軸儀進(jìn)行，試樣直徑為300mm，試樣高度為600mm。試樣結(jié)構(gòu)如圖8所示。

工程現(xiàn)場一般填筑層的厚度為40cm，而室內(nèi)大型三軸試驗一般試樣的高度為60cm，考慮試樣的端部約束特性，認(rèn)為在試樣中間加入一層土工格柵比較合理，因此，試驗中只加了一層筋材進(jìn)行試驗，加筋格柵布置在試樣中間位置。

4.1 試樣級配試驗所用試樣的顆粒組成和級配情況如表1、圖9所示。

4.2 試驗密度煤矸石的室內(nèi)試驗密度按試驗料樣最大干密度（1.97g/cm3）的95%控制，最終確定的煤矸石試驗控制密度為1.87g/cm3。

4.3 試驗過程與原理本次試驗首先對煤矸石材料本身進(jìn)行了三軸壓縮（CD）試驗，另對加入土工格柵加筋后的煤矸石也進(jìn)行了三軸壓縮（CD）試驗。

試驗筋材選用了4種強度規(guī)格的土工格柵：TGG100-50、TGG80-80、CATTX180-50、CATTX150-50，其力學(xué)特性如表2所示。各規(guī)格土工格柵網(wǎng)孔外輪廓尺寸分別為：15cm×15cm、15cm×15cm、22.2cm×12.5cm、19.0cm×11.0cm。

圖8 三軸試驗試樣結(jié)構(gòu)

表1 試樣顆粒組成

圖9 試驗顆粒組成曲線

表2 加筋土工格柵力學(xué)指標(biāo)

與本研究相關(guān)的三軸壓縮試驗，總共進(jìn)行了7組。一組不加筋，僅對煤矸石進(jìn)行三軸試驗，還有4組在煤矸石中加不同規(guī)格土工格柵（TGG100-50、TGG80-80、CATTX180-50、CATTX150-50）進(jìn)行試驗，另有2組試驗為煤矸石加筋材等面積縮尺及煤矸石加筋材等面積縮尺加約束試驗。試驗采用工況相同，制樣干密度為1.87g/cm3，含水率均為飽和，試驗全部采用固結(jié)排水剪（CD）的方法進(jìn)行。

按等面積縮尺及等面積縮尺加約束對粗粒土加筋進(jìn)行試驗，主要是考慮到三軸試驗顆?？s尺效應(yīng)的影響。

等面積縮尺的方法與原理為：如工程現(xiàn)場實際填料的最大粒徑為300mm，以3倍最大粒徑距離作為其影響范圍，因此考慮對現(xiàn)場90cm×90cm填料范圍內(nèi)的加筋煤矸石進(jìn)行試驗。以網(wǎng)孔尺寸為15cm×15cm的加筋土工格柵為例進(jìn)行試驗。按此網(wǎng)孔尺寸計算，在研究范圍內(nèi)加筋材料的6個網(wǎng)格將約束煤矸石的變形；試樣尺寸為30cm，其模擬的是現(xiàn)場90cm×90cm范圍的力學(xué)性能，相當(dāng)于縮尺比例為3。因此，試驗時將加筋土工格柵的網(wǎng)孔尺寸也縮小3倍，改變?yōu)?cm×5cm的加筋材料加入試樣中，另外，考慮到縮尺后應(yīng)保持單位面積筋材本身的強度不發(fā)生變化，所以又將實際應(yīng)用的土工格柵每根肋條一分為三后重新按5cm×5cm的網(wǎng)孔尺寸用強力粘合劑進(jìn)行重新粘合。

等面積縮尺加約束是在上述等面積縮尺的基礎(chǔ)上在加筋材料每個肋條的端部固定一個約束。這樣做的目的，主要是考慮到在現(xiàn)場實際工程中，當(dāng)發(fā)生滑坡或土體局部錯動時，筋材由于鋪設(shè)范圍大，不易隨土體錯動而動，而室內(nèi)試驗的試樣由于尺寸較小，當(dāng)試樣在壓縮過程中發(fā)生錯動時，筋材會隨著試樣移動，從而會降低筋材的作用。

4.4 試驗成果試驗成果按摩爾—庫倫強度公式進(jìn)行整理，試驗結(jié)果見表4。經(jīng)試驗，所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖10，各級壓力下的極限強度值見表3。

表3 各級壓力下的極限強度值

表4 摩爾-庫倫抗剪強度成果

圖10 試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.5 成果分析

（1）土工格柵網(wǎng)孔尺寸對加筋煤矸石強度的影響。從煤矸石三軸壓縮（CD）試驗結(jié)果看，相同試樣密度下，加筋后的土樣強度差異的大小與土工格柵的網(wǎng)孔尺寸有關(guān)。

從4種規(guī)格的筋材試驗結(jié)果看，規(guī)格為15cm×15cm的筋材，其加筋煤矸石的強度指標(biāo)分別為：c=185.45kPa、φ=40.2°和c=186.32kPa、φ=39.7°，加筋結(jié)構(gòu)的強度差別不大。而規(guī)格為22.2cm×12.5cm的筋材，加筋煤矸石的強度指標(biāo)為：c=195.91kPa、φ=37.4°；規(guī)格為19.0cm×11.0cm的筋材，加筋煤矸石結(jié)構(gòu)的強度指標(biāo)為：c=224.51kPa、φ=37.4°。二者之間存在明顯差異。等面積縮尺和等面積縮尺加約束工況下，加筋材料網(wǎng)孔尺寸均為5cm×5cm，對應(yīng)的三軸試驗強度指標(biāo)分別為：c=184.92kPa、φ=40.2°，c=215.36kPa、φ=39.7°。二者強度基本一致。

（2）土工格柵強度對加筋煤矸石強度的影響。由表3可以看出，對于煤矸石加土工格柵而言，在低圍壓情況下，無論加筋格柵的強度高低，加筋土結(jié)構(gòu)的極限強度不僅沒有提高，反而有所降低（這可能與低圍壓下煤矸石變形較小，加筋材料的約束作用尚未揮有關(guān)）。當(dāng)圍壓逐漸增高時，加筋的效用才開始顯現(xiàn)出來。同時可以看出，加筋材料本身的強度對加筋土復(fù)合強度的貢獻(xiàn)并不隨筋材強度提高而提高。在同一圍壓下，用土工格柵加筋，不論材料拉伸強度高低，加筋土結(jié)構(gòu)的強度基本上保持在同一水平。

5 結(jié)論

通過以上研究，可以得出如下結(jié)論：（1）用網(wǎng)孔狀加筋材料進(jìn)行加筋的加筋土結(jié)構(gòu)是整體性結(jié)構(gòu)，其強度具有整體性。自然土體經(jīng)過加筋約束后，既使未加筋層的土體強度也得到了提高；對于同一種均質(zhì)土體，當(dāng)加筋層間距選擇合適時，加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部強度具有均一性。用拉筋帶作加筋材料的加筋土結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部強度與此是不同的。（2）當(dāng)被加筋土體側(cè)向變形不大，未達(dá)到破壞變形時，加筋材料的強度對加筋土結(jié)構(gòu)的整體強度沒有影響；只有當(dāng)被加筋土體側(cè)向變形受到加筋材料網(wǎng)孔肋條制約時，加筋材料的作用才開始發(fā)揮，加筋材料的強度才能為加筋土整體強度的增長提供幫助。（3）土工格柵網(wǎng)孔的開孔尺寸、結(jié)構(gòu)形式、肋條和結(jié)點的剛度對加筋土結(jié)構(gòu)的強度有重要影響。加筋材料網(wǎng)孔尺寸的大小和被加筋土的級配組成密切相關(guān)。選擇合適的網(wǎng)孔尺寸，與被加筋土形成良好的互鎖結(jié)構(gòu)，可以更大程度發(fā)揮加筋材料的作用。

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