筋材-砂-黏土層狀體系接觸面剪切特性試驗研究

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(同濟大學 a.巖土及地下工程教育部重點實驗室；b.地下建筑與工程系，上海 200092)

1 研究背景

自從20世紀60年代初，法國工程師Vidal首先提出加筋土概念和原理, 有關加筋土機理試驗在國內(nèi)外相繼展開[1]。土工合成材料與填料之間的界面摩擦特性是加筋土工程中最為重要的技術指標，在加筋土工程中, 土工合成材料與填料土的界面作用特性直接決定加筋土工程的穩(wěn)定性, 并且二者之間的界面作用特性是關鍵的技術指標,因此，國內(nèi)外的許多學者對該特性均進行了大量的試驗研究，大多通過直剪試驗與拉拔試驗，并且已經(jīng)取得了很多有效的成果[2-6]。Dietz和Lings[7](2006年)使用改良的能穩(wěn)定測量摩擦和膨脹的直剪儀，進行了室內(nèi)砂-筋材界面試驗；單煒等[8](2008年)研究發(fā)現(xiàn)，在土體達到最佳含水量附近時，剪切強度達到最大，含水量過大或者過小都會降低筋土之間的剪切強度；徐超和孟凡祥[9](2008年)研究表明，當剪切速率不超過一定界限(如7.0 mm/min)時，剪切速率對直剪試驗結(jié)果的影響可以忽略。

由于筋材-砂土之間的剪切特性要明顯好于同等條件下的筋材-黏土之間的剪切特性。然而，不少工程中多采用筋材-黏土這種加筋形式。為了能夠改善這種體系的筋土之間的剪切特性，張波和石明磊[10]通過在筋材-黏土之間夾入砂層，構成筋材-砂-黏土層狀體系，通過對該體系中不同含水量的黏土層在4種正應力下的直剪試驗，研究砂對于黏土加筋土工程中筋土界面剪切特性的改善情況，得出了筋材-砂-黏土層狀體系對黏土加筋土結(jié)構具有顯著改善剪切性能的結(jié)論。

本文以直剪試驗為主，拉拔試驗為輔，采用黏性土填筑的加筋土工程，通過在筋材-黏土之間加入砂層，進一步探討筋土接觸面剪切特性的改善情況；同時，深入探討該體系中，不同的砂土層厚度以及不同粒度成分的砂土層對于該體系筋土之間相互作用的影響情況。

2 試驗設備與試驗方法

直剪試驗所使用試驗設備為自行研制的土工合成材料剪切儀，如圖1所示。通過懸掛砝碼來施加法向荷載，通過位移傳感器量測水平位移，由力的傳感器量測剪切力。直剪試驗采用的是應變控制方式，試驗過程中剪切面的相對位移和所施加的剪切力由電腦自動記錄。直剪箱由上、下2個剪切盒組成，上剪切盒的尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，下剪切盒的尺寸為190 mm×140 mm×50 mm。

圖1 土工合成材料剪切儀(直剪模式)

采用上述儀器進行試驗，分別對純黏土、粗砂、細砂層厚度分別為1，2,3 cm，各自在25，50,75 kPa 3個正應力下進行直剪試驗，測出相應的剪切強度值，然后將試驗結(jié)果點繪成剪應力-相對位移曲線, 從而求得似黏聚力和似摩擦因數(shù)值。

為了進一步分析有關砂層厚度的影響，采用研制的土中拉伸試驗儀，對細砂層厚度為1,2 cm在50，75,100 kPa的正壓力下進行了拉拔試驗。

拉拔試驗中，采用自行研制的多功能土工合成材料土中拉伸試驗機(簡稱MGT)，如圖2所示。MGT主要由主體框架、試驗箱及氣壓袋、夾具套筒及相應移動支撐梁、氣壓控制系統(tǒng)、驅(qū)動位移系統(tǒng)、試驗控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)構成,其中試驗箱長、寬、高各40 cm。

圖2 多功能土工合成材料土中拉伸試驗機

3 試驗材料

試驗所采用的土為上海某地的黏性土，經(jīng)過曬干、粉碎以及過篩等工序，再添加適量的水攪拌均勻制成，含水量為21%。

試驗用砂為2種：細砂和粗砂，各自的粒度成分見表1。本試驗所用土工合成材料為熱軋化纖無紡土工織物，其技術指標見表2。

表1 試驗用粗砂和細砂的粒度成分

表2 土工合成材料的主要指標

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 直剪試驗

采用熱軋化纖無紡土工織物作為筋材，填料僅為黏性土、純細砂、純粗砂，裝填料時分層壓實，剪切速率為4.0 mm/min，分別進行試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同填料時的直剪試驗結(jié)果

當采用筋材-砂-黏土層狀體系進行試驗時，筋材在最下方，中間為砂土層，上方為黏性土，通過改變中間砂土層的厚度來進行試驗，厚度分別為1，2,3 cm。而砂土層的類型也分為粗砂和細砂分別進行試驗。具體試驗結(jié)果見圖4。

從圖4中可以明顯地看出，無論哪種直剪試驗，剪切力的增長并非是線性的，25～ 50 kPa正應力范圍內(nèi)的增長率要明顯大于50～75 kPa直剪的增長率，這一結(jié)果與張波和石明磊[10]的試驗研究結(jié)論是一致的。

圖4 筋材-砂-黏土層狀體的直剪試驗結(jié)果

對比不同厚度的粗砂或細砂直剪試驗即圖4中的(a)，(b)，(c)或(d)，(e)，(f)結(jié)果可以看出，不同厚度砂層對于整個筋材-砂-黏土層狀體系的影響并不太大，各個峰值強度都比較接近，但隨著砂層厚度增大，達到峰值的相對位移在逐漸減小。從圖3(a)中可看出：純黏土的直剪試驗是沒有峰值的，而砂土和筋材-砂-黏土層狀體系均會出現(xiàn)峰值，然后趨于穩(wěn)定，這與砂土的剪脹性有關，剪脹性使得筋材移動時帶動了砂土顆粒的重排列，使之達到一個峰值，然后待重排列趨于穩(wěn)定，則剪切力也趨于穩(wěn)定。

將圖4中3組相同厚度的粗、細砂(a)與(d)，(b)與(e)，(c)與(f)進行對比，發(fā)現(xiàn)相同厚度的粗、細砂之間的區(qū)別不大，這是因為本次試驗選用的純粗砂與純細砂的試驗結(jié)果在25～75 kPa的正應力作用下，剪切力也同樣差別不大，見圖3(b)和圖3(c)。

根據(jù)在不同正應力下測得的剪切力，可以繪出抗剪強度包絡線，如圖5所示。

圖5 不同體系下的抗剪強度結(jié)果對比

從圖5可以看出，在本次試驗的正應力范圍內(nèi)，無論粗砂、細砂，砂層厚度對于似摩擦因數(shù)的影響都較小，但是相對于筋材與純黏土而言，增加砂夾層后，筋土界面的似摩擦因數(shù)均提高了1倍多，因此盡管砂層厚度的影響不大，砂夾層的存在對于筋土之間的剪切特性的提高有一定的幫助，這也與張波和石明磊[10]的研究結(jié)論相一致。粗砂或細砂在25～75 kPa正應力作用下，筋土之間的剪切特性相差并不大。

4.2 拉拔試驗

為了全面分析砂層厚度的影響，采用多功能土工合成材料土中拉伸試驗機，完成了細砂層1，2 cm厚度的拉拔試驗，其中筋材的尺寸變?yōu)榱?0 cm×20 cm，正應力變?yōu)?0，75，100 kPa，具體試驗結(jié)果見圖6。

圖6 筋材-砂-黏土層狀體系的拉拔試驗結(jié)果

根據(jù)拉拔試驗結(jié)果，繪制出的筋土界面的抗剪強度曲線，如圖7所示。同樣，可以發(fā)現(xiàn)砂層厚度的變化對于整個層狀體系的界面剪切特性影響并不大。

圖7 筋土界面的抗剪強度曲線對比

無論直剪試驗，還是拉拔試驗，從試驗結(jié)果可直觀看出，在筋材-黏土之間增加一定厚度的砂層，可以較大幅度地提高界面的抗剪強度，而且界面抗剪強度增幅與砂層厚度和砂的組構關系不大。由定性分析可知：①在筋材-黏土之間增加砂層并不能改變原來黏土的性質(zhì)；②直剪試驗和拉拔試驗都是在預設剪切面上進行的。因此對于筋材-砂-黏土這種體系，試驗得到的是筋材與砂土之間的界面強度，其薄弱面由于受試驗箱的限制而不會發(fā)生剪切破壞。針對這種筋材-砂-黏土體系，以及通過增設砂層來改善加筋黏性土的力學特性，仍需要通過改進試驗裝置做進一步的研究。

5 結(jié) 論

(1) 相對于筋材-黏土界面，試驗測得的筋材-砂-黏土層狀體系中接觸面的剪切強度有了顯著的提高，且剪切力與正應力之間并非是線性關系，剪切力增長率隨著正應力的增大而減小。

(2) 筋材-砂-黏土層狀體系中的砂層厚度(1～3 cm)和砂土組構(粗砂和細砂)對于似摩擦因數(shù)的影響較小，在25～75 kPa正應力下，筋土界面的剪切特性相差不大。

(3) 直剪試驗和拉拔試驗對于筋材-砂-黏土層狀體系的研究存在著一些缺陷，由于試驗箱或試驗盒的側(cè)限，使得砂層與黏土層之間可能存在的剪切面被限制住了，強制使剪切破壞發(fā)生在砂層與筋帶之間，這點與實際情況并不符合。

在以后研究中，需要改進試驗方法甚至試驗儀器，使得破壞面能符合實際情況，以全面認識夾砂層對加筋黏性土的改善效果。

參考文獻：

[1] PRABAKAR J, SRIDHAR R S. Effect of Random Inclusion of Sisal Fiber on Strength Behavior of Soil[J]. Construction and Building Materials，2002，16(2)：123-131.

[2] RAJU D M, FANNIN R J. Load-Strain-Displacement Response of Geosythetics in Monotonic and Cyclic Pullout[J]. Canadian Geotechnical Journal，1998, 35(2):183-193.

[3] BERGADO D T, VOOTTIPREX P, STRIKONGSRI A,etal. Analytical Model of Interaction Between Hexagonal Wiremesh Silty and Sand Backfill[J]. Canadian Geotechnical Journal，2001，38(4): 782-795.

[4] 徐林榮，呂大偉，顧紹付，等. 筋土界面參數(shù)的拉拔試驗過程劃分研究[J]. 巖土力學，2004，25(5)：709-714.(XU Lin-rong, LV Da-wei, GU Shao-fu,etal. Experimental Research on Pullout Tests Process-Separation for Reinforcement/Soil Interface Parameters Selection[J]. Rock and Soil Mechanics，2004，25(5):709-714.(in Chinese))

[5] 馬存明，周亦唐，廖海黎，等. 塑料土工格柵加筋土抗拉拔特性試驗研究[J]. 中國鐵道科學，2004，25(3):36-39.(MA Cun-ming, ZHOU Yi-tang, LIAO Hai-li,etal. Experimental Study on Interface Friction of Plastic Geogrid Reinforced Earth[J]. China Railway Science，2004，25(3):36-39.(in Chinese))

[6] 張 鵬，王建華，陳錦劍. 土工織物拉拔試驗中筋土界面力學特性[J]. 上海交通大學學報，2004，38(6):999-1002.(ZHANG Peng, WANG Jian-hua, CHEN Jin-jian，etal. Mechanical Behavior of The Interface Between Reinforcement and Soil in Pull-out Tests on Geotextiles[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University，2004，38(6):999-1002.(in Chinese))

[7] DIETZ M S，LINGS M L. Postpeak Strength of Interfaces in a Stress-Dilatancy Framework[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2006, 132 (11) :1474- 1484.

[8] 單 煒,劉紅軍,楊 林，等. 含水量對加筋復合土筋土界面摩擦特性影響研究[J]. 湖南大學學報(自然科學版)，2008, 35(11): 311-317.(SHAN Wei, LIU Hong-jun, YANG Lin,etal. Study on the Effect of Soil Water Content on the Friction Characteristics of Reinforced Earth Interface[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences)，2008，35(11)：311-317. (in Chinese))

[9] 徐 超，孟凡祥. 剪切速率和材料特性對筋-土界面抗剪強度的影響[J]. 巖土力學，2010，31(10)：3101-3106.(XU Chao, MENG Fan-xiang. Effects of Shear Rate and Material Properties on Shear Strength of Geosynthetic-Soil Interface[J]. Rock and Soil Mechanics，2010, 31(10): 3101-3106.(in Chinese))

[10] 張 波,石明磊. 筋帶-砂-黏土層狀體系直剪試驗研究[J]. 公路交通科技，2005,22(7):55-57. (ZHANG Bo, SHI Ming-lei. Research on Direct-Shear Test for Reinforcement-Sand-Clay Layer System[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development，2005, 22(7): 55-57.(in Chinese))