土-格柵界面強(qiáng)度參數(shù)和剪切剛度試驗(yàn)研究

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(1. 武漢大學(xué) a.巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b. 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072；2.武漢理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 武漢 430070； 3. 國網(wǎng)新源建設(shè)有限公司，北京 100053)

1 研究背景

土工加筋的主要作用在于增強(qiáng)土的整體性，使土由散體材料變?yōu)榫哂幸欢ㄟB續(xù)性的介質(zhì)[1]。土工合成材料與土之間的相互作用特性對于加筋土工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建造以及維護(hù)至關(guān)重要[2]；進(jìn)行加筋土結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬時(shí)，筋-土界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)也是關(guān)鍵參數(shù)之一[3]。

加筋作用的直接方面來自土與筋材的界面效應(yīng)。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者[4-14]采用直剪和/或拉拔試驗(yàn)研究了單向(或雙向)土工格柵與不同填料(黏性土、砂土、砂質(zhì)粉土、粉細(xì)砂、砂礫料或尾礦等)之間的界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)及其影響因素。探討了各種因素對土-格柵界面強(qiáng)度指標(biāo)的影響。

此外，加筋土結(jié)構(gòu)作為一種柔性結(jié)構(gòu)，在正常使用極限狀態(tài)下，其位移一般不會達(dá)到筋-土界面產(chǎn)生極限抗剪強(qiáng)度所對應(yīng)的界面剪切位移，此時(shí)加筋土結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)往往受界面剪切剛度(剪力除以剪切位移)的影響大于剪切強(qiáng)度的影響。

本文采用2種填料(黏土、砂礫石)和4種格柵(單向、雙向和三向)開展一系列大型直剪試驗(yàn)，系統(tǒng)研究填料類型、含水率、壓實(shí)度、格柵類型以及剪切速率等因素對筋-土界面強(qiáng)度指標(biāo)(似黏聚力和內(nèi)摩擦角)和剪切剛度的影響。

2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)用填料包括黏土和砂礫石2種。其中黏土取自武漢大學(xué)供變電大樓工程的地基開挖棄土；砂礫石取自武漢大學(xué)圖書館擴(kuò)建工程的建筑用材，不均勻系數(shù)為23.76，曲率系數(shù)為0.24，級配曲線見圖1。2種填料的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。加筋材料包括4種土工格柵：不同肋長的單向土工格柵2種(RE560，UX1500，其中后者縱肋長度為前者的2倍)、雙向土工格柵1種(SS30)、三向土工格柵(TX170)。上述4種格柵均由坦薩土工合成材料(武漢)有限公司生產(chǎn)，各型號格柵的外觀示意如圖2所示。

表1 2種填料的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 砂礫石級配曲線

試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式大型直剪儀。剪切盒內(nèi)凈尺寸(長×寬×高)為500 mm×500 mm×410 mm，法向力由液壓千斤頂通過鋼板施加于試樣的頂部，水平推力由一臺速度可控的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，施加于上剪切盒的一端，由力傳感器記錄；在上盒的另一端部設(shè)置2個(gè)位移傳感器，記錄上盒的水平剪切位移。剪切過程中下盒固定，格柵置于上下剪切盒之間。各型土工格柵試樣尺寸(寬×長)控制為510 mm×700 mm，目的是鋪設(shè)后使格柵試樣至少有一個(gè)完整的肋長在直剪盒內(nèi)(盒長L=500 mm)，試樣兩端超出盒長部分夾持固定于下剪切盒。

圖2 各型格柵外觀及尺寸

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

國內(nèi)相關(guān)規(guī)范[14-15]對加筋土結(jié)構(gòu)的筋-土界面強(qiáng)度參數(shù)，多采用填料內(nèi)摩擦角乘以一個(gè)<1的系數(shù)(摩擦因數(shù)比K)的方法。規(guī)范[16]采用針對不同填料的似摩擦因數(shù)的規(guī)定，但也有規(guī)范[17]并沒有給出筋-土界面強(qiáng)度的具體參數(shù)?！豆吠凉ず铣刹牧蠎?yīng)用技術(shù)規(guī)范》(JTJ/T 019—2012)對格柵-土界面的摩擦因數(shù)比(K)的建議值為0.9，《水利水電土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T 255—98)[15]中的建議值為0.8。所以后文中將定義如式(1)所示的摩擦因數(shù)比K值，以便和規(guī)范建議值進(jìn)行對比。

K=tanφsg/tanφ。

(1)

式中：φsg為筋-土界面的摩擦角；φ為填料的內(nèi)摩擦角。

在通常情況下，加筋土結(jié)構(gòu)失效時(shí)所對應(yīng)的筋-土界面變形狀態(tài)都沒有達(dá)到試驗(yàn)過程中界面剪應(yīng)力峰值所對應(yīng)的狀態(tài)，其性狀往往受界面剪切剛度的影響要多于剪切強(qiáng)度的影響。所以，如果要更加準(zhǔn)確評價(jià)加筋土結(jié)構(gòu)的性能，則需要對其進(jìn)行變形計(jì)算，而不是僅僅采用基于極限平衡理論的假設(shè)滑裂面方法，這樣就需要采用能夠反映筋土界面變形特性的參數(shù)。本文將采用剪切剛度變量來探討筋-土界面的變形特性。土-格柵的界面剪切剛度采用式(2)計(jì)算：

Ke=Fm/Sa。

(2)

式中：Ke為筋-土界面的等效剪切剛度(kN/mm);Fm為通過剪切面?zhèn)鬟f的最大剪力(kN);Sa為最大剪力時(shí)所對應(yīng)的接觸面滑動(dòng)位移(mm)。

3.1 筋-土界面強(qiáng)度指標(biāo)

表2列出了國內(nèi)部分學(xué)者對不同填料、不同類型格柵以及不同試驗(yàn)條件所得到的筋土界面強(qiáng)度。部分文獻(xiàn)中沒有進(jìn)行摩擦因數(shù)比K值的計(jì)算和總結(jié)，僅僅得出了界面強(qiáng)度參數(shù)。

從表2可以看出：

(1) 填料種類對筋-土界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)有明顯的影響，格柵-黏土(包括膨脹土)界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)要明顯小于格柵-砂礫料界面的強(qiáng)度參數(shù)。

(2) 試驗(yàn)測試方法對筋-土界面的強(qiáng)度參數(shù)也有很明顯的影響。相同條件下，拉拔試驗(yàn)所得到的界面強(qiáng)度參數(shù)要明顯小于直剪試驗(yàn)，拉拔試驗(yàn)所得到的摩擦因數(shù)比(K)一般也遠(yuǎn)小于規(guī)范[15]中的推薦值0.8。所以選取設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮實(shí)際工程加筋部位的筋土相互作用特征，正確選擇直剪或者拉拔參數(shù)。

(3) 對比16—19組試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對于膨脹土填料，壓實(shí)度主要影響筋土界面強(qiáng)度參數(shù)中的內(nèi)摩擦角；而對比18—19組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，填料含水率主要影響筋土界面的似黏聚力。

表2 相關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果

本文根據(jù)填料種類、格柵種類、填料壓實(shí)度、填料含水率以及剪切速率5個(gè)變量一共設(shè)置了15組試驗(yàn)。表3為本文中所進(jìn)行的試驗(yàn)方案以及得到的界面強(qiáng)度參數(shù)。

從表3可以看出：

(1) 在本文的試驗(yàn)中，除了含水率較大的黏土填料中筋土界面摩擦因數(shù)比為0.8以外，其他狀態(tài)下的摩擦因數(shù)比均大于0.9。所以在以黏土為填料時(shí)，需要嚴(yán)格控制其含水率狀態(tài)。另外，規(guī)范中對界面摩擦因數(shù)比的規(guī)定僅僅考慮了筋材種類(格柵、土工布)的區(qū)別，綜合表2和表3的研究成果，筆者認(rèn)為填料種類的影響是不容忽視的。

表3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

(2) 筋-土界面的強(qiáng)度均小于填料本身，但是筋-土界面的內(nèi)摩擦角與填料本身相差不大，二者抗剪強(qiáng)度參數(shù)差別主要體現(xiàn)在似黏聚力上。

(3) 對比1，6，10—11組試驗(yàn)的結(jié)果，雖然試驗(yàn)中黏土填料的壓實(shí)度(93%)比砂礫石(92%)的要高，但是格柵-黏土界面抗剪強(qiáng)度仍然明顯低于格柵-砂礫石界面。所以在填料方面，應(yīng)優(yōu)先選擇砂礫石。

(4) 對比1，5—7組試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)砂礫石的壓實(shí)度從92%降低到86%時(shí)，格柵-砂礫石界面和砂礫石本身的黏聚力值分別降低22.3%和11.3%，內(nèi)摩擦角分別降低7.0%和9.1%。這說明格柵-砂礫石界面的抗剪強(qiáng)度比砂礫石本身抗剪強(qiáng)度對填料壓實(shí)度的變化更為敏感，并且同時(shí)體現(xiàn)在黏聚力和內(nèi)摩擦角上。

(5) 對比6—9組試驗(yàn)，隨著剪切速率從1 mm/min增大到2 mm/min，格柵-砂礫石界面的抗剪強(qiáng)度隨之增大，且主要體現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增大，摩擦因數(shù)比K值也從0.94增大到0.97。其主要原因在于剪切過程中，筋-土界面附近會形成剪切帶，砂礫石顆粒將重新排列，但重新排列的過程并非瞬時(shí)完成。所以當(dāng)剪切速率增大時(shí)，剪切帶內(nèi)的顆粒來不及重新排列，從而增大了界面的內(nèi)摩擦角。

(6) 針對不同含水率的黏土填料的格柵-土界面抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化見圖3。

圖3 不同格柵-黏土界面抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化

(7) 在17%和20%的含水率下，格柵-黏土界面的摩擦因數(shù)比K分別為0.99和0.80。這說明格柵-黏土界面抗剪強(qiáng)度比黏土本身抗剪強(qiáng)度對含水率的變化更為敏感。所以對于黏土填料的加筋土結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營過程中，都應(yīng)特別重視排水問題。

(8) 當(dāng)含水率從17%增加到20%(最優(yōu)含水率濕側(cè))時(shí)，格柵-黏土界面的似黏聚力和內(nèi)摩擦角分別降低46.3%和65.2%，但對黏土本身的強(qiáng)度參數(shù)影響已不大。這說明含水率對格柵-黏土界面抗剪強(qiáng)度的影響同時(shí)體現(xiàn)在黏聚力和內(nèi)摩擦角2個(gè)方面，且對其界面內(nèi)摩擦角的影響更大，這是與其他因素的影響規(guī)律所不同的。

3.2 剪切剛度

圖4為相同剪切速率(1 mm/min)和相同的砂礫石填料壓實(shí)度(92%)，在不同法向壓力下，4種不同類型格柵對砂礫石-格柵界面剪切剛度的影響(圖例中的“-1”和“-2”分別代表剪切位移1 mm和2 mm)；圖5為相同剪切速率(1 mm/min) 和格柵類型(RE560)，在不同法向壓力下，壓實(shí)度(包括92%和86%)對砂礫石-格柵界面剪切剛度的影響；圖6為相同剪切速率(1 mm/min)和格柵類型從圖4至圖7可以看出：(RE560)，在不同法向壓力下，黏土填料含水率(包括接近最優(yōu)含水率的17%和大于最優(yōu)含水率的20%)對黏土-格柵界面剪切剛度的影響；圖7 顯示了相同格柵類型(RE560)和壓實(shí)度(86%)，在不同法向壓力下，剪切速率對砂礫石-格柵界面剪切剛度的影響。

圖4 不同類型格柵下的格柵-砂礫石界面在不同法向應(yīng)力下的剪切剛度

圖5 不同壓實(shí)度下格柵-砂礫石界面在不同法向應(yīng)力下的剪切剛度

圖6 不同含水率的格柵-黏土界面在不同法向應(yīng)力下的剪切剛度

圖7 不同剪切速率下格柵-砂礫石界面在不同法向應(yīng)力下的剪切剛度

(1) 界面剪切剛度會隨著剪切位移的增大而顯著降低，并隨法向應(yīng)力的增加而增大。在本文的試驗(yàn)中，法向應(yīng)力增大一倍時(shí)，剪切剛度增大50%以上。

(2) 格柵類型的影響：相同試驗(yàn)條件下，不同類型格柵的砂礫石-格柵界面剪切剛度不同(見圖4)，對本次采用的4種格柵，其界面剪切剛度從大到小的排序?yàn)椋嚎v肋較短的單向格柵(RE560)、三向格柵(TX170)、縱肋較長的單向格柵(UX1500)、雙向格柵(SS30)。

(3) 壓實(shí)度和含水率的影響(見圖5、圖6)：壓實(shí)度越高，界面剪切剛度越大；黏土填料的含水率越大，界面剪切剛度越小。

(4) 剪切速率的影響(見圖7)：在本文所采用的2種剪切速率中，界面剪切剛度會隨著剪切速率的增大而減小。

(5) 黏土-格柵界面的剪切剛度明顯小于砂礫石-格柵界面的剪切剛度；法向應(yīng)力對前者的影響相對較小，而含水率對前者影響較大。

上述因素(法向應(yīng)力、格柵類型、填料類型及初始狀態(tài)、剪切位移)對筋土界面剪切剛度都有較大影響。對于一個(gè)確定的加筋土工程，格柵類型填料類型及初始狀態(tài)是確定的，所以在使用剪切剛度參數(shù)對加筋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形計(jì)算時(shí)，就必須考慮界面剪切剛度參數(shù)隨法向應(yīng)力和剪切位移的變化。

4 結(jié) 論

通過對現(xiàn)有格柵-土界面強(qiáng)度相關(guān)研究文獻(xiàn)的總結(jié)，以及本文完成的室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)結(jié)果，探討了筋-土界面強(qiáng)度參數(shù)和剪切剛度的影響因素，可以得到以下幾個(gè)結(jié)論。

(1) 現(xiàn)行規(guī)范中常用的筋-土界面摩擦因數(shù)比，實(shí)際上并不僅與筋材類型有關(guān)，填料類型和填料狀態(tài)(含水率、壓實(shí)度)以及試驗(yàn)方法也會對其產(chǎn)生明顯影響；拉拔試驗(yàn)所得到的摩擦因數(shù)比要明顯小于直剪試驗(yàn)，同時(shí)也明顯小于規(guī)范推薦值。所以選取設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮實(shí)際工程加筋部位的筋土相互作用特征，正確選擇直剪或者拉拔參數(shù)。

(2) 對于黏土填料，格柵-黏土界面抗剪強(qiáng)度比黏土本身抗剪強(qiáng)度對含水率的變化更為敏感。含水率對格柵-黏土界面的影響會同時(shí)體現(xiàn)在似黏聚力和內(nèi)摩擦角上。因此，對于黏土填料的加筋土結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營過程中，都應(yīng)充分重視其排水問題。

(3) 法向應(yīng)力的增大、填料壓實(shí)度的增大、含水率的降低以及剪切速率的減小都會使筋土界面的剪切剛度增大。

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