混合式加筋填土的筋土界面剪切特性

張濤

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

混合式加筋填土的筋土界面剪切特性

張濤

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

利用大型直剪試驗(yàn)得出對于含有薄砂層的粘土對于純粘土抗剪強(qiáng)度的提升，本試驗(yàn)以粘土，粘土-砂土，粘土-土工格柵，砂土-土工格柵和粘土-砂土-土工格柵作為填料進(jìn)行研究。介于粘土層和土工格柵之間的薄砂層厚度以4，6，8,，10，12和14m m作為變量以期得出筋土界面抗剪強(qiáng)度最大情況下的砂層厚度，試驗(yàn)還以豎向應(yīng)力，格柵類型作為變量得出其對于界面抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明格柵兩側(cè)薄砂層的引入對于粘性土筋土界面抗剪強(qiáng)度的提高明顯。界面最大抗剪強(qiáng)度對應(yīng)的砂層厚度是10m m。隨著豎向應(yīng)力的增加，筋土界面抗剪強(qiáng)度隨之提升。

混合式加筋填土；界面強(qiáng)度；剪切

一、引言

筋土界面強(qiáng)度是加筋土工程的重要控制指標(biāo)，歷來都受到學(xué)術(shù)界和工程界的重視。近些年，加筋土的快速發(fā)展歸因于許多因素，包括經(jīng)濟(jì)、美觀、穩(wěn)定性以及建造簡單等。但是加筋土的發(fā)展被找不到很好更為經(jīng)濟(jì)和方便的填筑材料所限制。徐超等[1]等利用土工格柵、土工織物與砂土的直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，研究了剪切速率和筋材性質(zhì)對筋-土界面強(qiáng)度的影響。Chia-Nan Liu等[2,3]研究了砂土與土工格柵之間的界面特性，提出了界面摩擦系數(shù)的概念。Anubhav等[4]通過直剪試驗(yàn)，用兩種不同的土工布來測定土-土工格柵界面力和位移的關(guān)系.通過分析數(shù)據(jù)從而得到一個(gè)基本模型來預(yù)測達(dá)到最大應(yīng)力之前和之后界面的特點(diǎn).John[5]分析了534個(gè)大型直剪試驗(yàn)的的數(shù)據(jù)庫，用來評價(jià)土工合成材料和土工格室對于界面剪切強(qiáng)度。測試是用現(xiàn)在的測試水準(zhǔn)的步驟在獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析了1992-2003內(nèi)的試驗(yàn)，數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)字結(jié)果量化了土工織物、土工格室、豎向應(yīng)力和步驟對于直剪試驗(yàn)中界面的剪切強(qiáng)度的樣本整合。吳景海等[6]利用五種不同種類的國產(chǎn)土工合成材料為加筋材料，用直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)研究土工合成材料與填料的界面作用特性。劉文白等[7]研究了剪切位移較小時(shí)，砂土與土工格柵界面的作用特性。

M.R.Abdi[8，9]本文主要是研究了粘土、薄砂層以及嵌在薄砂層里面的土工格柵之間的相互作用。周健等[14]以室內(nèi)模型試驗(yàn)為基礎(chǔ),二次開發(fā)模擬真實(shí)砂樣的橢圓型顆粒,利用平行黏結(jié)來模擬土工格柵,建立二維顆粒流模型,從細(xì)觀角度驗(yàn)證了筋土接觸面的剪應(yīng)變集中帶、顆粒旋轉(zhuǎn)特征規(guī)律。

二、試驗(yàn)設(shè)備與材料選取

（一）試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用美國 Geocomp公司生產(chǎn)的ShearTracⅢ大型直剪儀。該儀器由機(jī)電一體化設(shè)備構(gòu)成，豎向反力框架用來施加豎向荷載，儀器右端具有終端操作面板，可對剪切試驗(yàn)過程中的荷載位移進(jìn)行調(diào)整。

圖1 室內(nèi)大型直剪儀Fig.1 Large-scale direct shear apparatus

直剪試驗(yàn)裝置如圖1所示。直剪試驗(yàn)上剪切盒的有效尺寸為305mm×305mm×100mm，下剪切盒比上剪切盒長，采用不同上下剪切盒尺寸可以避免試驗(yàn)過程中試樣接觸面積不斷減小而引起的試驗(yàn)誤差。水平向剪切速率采用高精度電機(jī)控制，范圍為0.00003～15mm/min。水平位移及豎向位移均通過LVDT進(jìn)行測量，運(yùn)行位移最大值為100mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由機(jī)載軟件自動(dòng)讀取、記錄并生成相關(guān)報(bào)表。

（二）試驗(yàn)材料

本次研究所使用的填料為福建標(biāo)準(zhǔn)砂和溫州龍灣取得的粘土。

試驗(yàn)粘土的制樣是在試驗(yàn)前，將土樣烘干、粉碎并加水?dāng)嚢瑁ㄈ鐖D1所示），制成目標(biāo)含水率28%的重塑土樣，密閉靜置24h以保證土樣均勻。土樣制備過程中，對試驗(yàn)土體基本物理參數(shù)進(jìn)行測試，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖2 試驗(yàn)用土工合成材料Fig.2 Geosynthetic specimens

表1 砂土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Technical indixes of testing sand

表2 軟粘土基本物理參數(shù)Table 2 Basic physical parameters of the soft clay

三、試驗(yàn)方案的選定

本文設(shè)計(jì)的直剪試驗(yàn)包含四種不同的筋土界面：土工格柵-粘土界面、土工格柵-砂土界面、土工格柵-新型混合式加筋土界面。所謂新型混合式加筋土界面就是在粘土加筋的基礎(chǔ)上在試樣填筑的過程中在加筋材料的兩側(cè)分別填入砂層。如圖5所示，那么試樣在填筑過程中的填筑順序分別是粘土、砂土、加筋材料、砂土和粘土。這種形如三明治一般的加筋方法，可稱之為：“sandwich”加筋。每種界面類型施加3種不同的豎向應(yīng)力，分別為50、90、130KPa；試驗(yàn)重點(diǎn)研究了這種新型混合式加筋填土的筋土界面的特性和不同級配砂土對這種混合式加筋筋土界面強(qiáng)度性能的影響，粘土的壓實(shí)度和砂土的相對密實(shí)度的控制都是采用分層壓實(shí)，每層的試樣采用稱重的方式控制其重量，以期讓每次試樣的壓實(shí)度和相對密實(shí)度盡可能相同。

圖5 新型混合式加筋填土示意圖Fig.5 New hybrid reinforced fill schematic diagram

四、試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）純粘土加筋對于筋土界面的影響

圖6為不同豎向壓力下純粘土加筋和不加筋的剪應(yīng)力-位移曲線。由圖可以看出，無論是對于加筋粘土還是不加筋粘土，隨著豎向應(yīng)力的增加，界面抗剪強(qiáng)度隨之增加。界面破壞發(fā)生的很早。另外，界面過早的破壞也說明粘土-土工格柵界面的抗剪強(qiáng)度太低，才導(dǎo)致了界面的過早破壞。因此，格柵對于界面抗剪強(qiáng)度所起的作用被大大降低了。

圖6 粘土在不同豎向應(yīng)力作用下加筋和不加筋的界面剪應(yīng)力-位移曲線Fig.6 Stress-strainbehaviorofinterfacewithorwithoutgeogridunderdifferentstresslevelsforclay

（二）純砂土加筋對于筋土界面的影響

圖7為不同豎向壓力下純砂土加筋和不加筋的剪應(yīng)力-位移曲線。由圖可知，無論是對于加筋砂土還是不加筋砂土，隨著豎向應(yīng)力的增加，界面抗剪強(qiáng)度隨之增加。在較小的豎向應(yīng)力作用下（50kPa）,加筋砂土和不加筋兩種情況下的最大抗剪強(qiáng)度很接近。隨著豎向應(yīng)力增加到130kPa，加筋效果明顯高于不加筋的情況。這些改變是因?yàn)槿绻Q向應(yīng)力不夠大，界面的顆粒在剪切的過程中不會(huì)克服界面的摩擦從而產(chǎn)生應(yīng)力的重新分布。

隨著豎向應(yīng)力的增加，加筋效果的愈發(fā)明顯是因?yàn)樵诟哓Q向應(yīng)力的作用下，砂土顆粒更容易嵌入格柵材料表面。這與M.R.Abdi[12，13]的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖7 砂土在不同豎向應(yīng)力作用下加筋和不加筋的界面剪應(yīng)力-位移曲線Fig.7 Stress-strain behaviorof interfacewith orwithoutgeogridunderdifferentstresslevelsforsand

（三）新型混合式加筋填土對于筋土界面的影響

圖8為在豎向應(yīng)力為90KPa的情況下，對含有薄砂層的新型混合式加筋粘土在不同薄砂層作用下的應(yīng)力-位移曲線?？梢院苊黠@的看出來含有薄砂層的這種新型混合式加筋填土相比于粘土加筋界面的抗剪強(qiáng)度的提升是非常明顯的。從拆卸后的格柵可以看出，這一現(xiàn)象有可能是因?yàn)樵谕凉じ駯艃蓚?cè)取代粘土位置的砂土有一部分嵌入土工格柵表面，在筋土界面建立了一個(gè)良好的粘結(jié)關(guān)系。也就是說，豎向應(yīng)力和試樣內(nèi)部剪應(yīng)力減小了土樣顆粒與土工格柵的距離。在含有薄砂層的情況下，剪切應(yīng)力在剪切初始的階段就急劇增加，在薄砂層厚度增大到10mm的時(shí)候，界面的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨著薄砂層厚度增加到14mm的過程中，界面抗剪強(qiáng)度出來出現(xiàn)減小的情況。試驗(yàn)結(jié)果與M.R.Abdi[12，13]結(jié)果一致，結(jié)果表明并不是一味的增加薄砂層厚度就能提高筋土界面的抗剪強(qiáng)度，這就意味著這種新型混合式加筋填土的薄砂層存在一個(gè)最優(yōu)厚度。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)候，土工格柵仍完好無損，這一現(xiàn)象表明土工格柵的模量和強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍的砂土。

圖8 不同薄砂層厚度的情況下下的筋土界面剪應(yīng)力-位移曲線Fig.8 Stress-strain behavior of interface with geogrid under different thickness of sand layer

五、結(jié)論

通過對含有薄砂層的Sandwich形加筋填土的界面進(jìn)行大量的室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）Sandwich形加筋填土界面強(qiáng)度相對于純粘土加筋界面強(qiáng)度的提高明顯；且Sandwich形加筋界面破壞時(shí)的位移比純粘土稍大。

（2）對于含有薄砂層的Sandwich形加筋填土，隨薄砂層厚度的增加，界面的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，薄砂層在10mm時(shí)界面剪切強(qiáng)度最大。

（3）對于薄砂層厚度相同的界面，隨著豎向應(yīng)力的增大，界面的剪切強(qiáng)度隨之提高。界面破壞時(shí)所對應(yīng)的的剪切位移與在豎向位移-剪切位移曲線屈服時(shí)所對應(yīng)的剪切位移幾乎在同一位置，表明界面破壞以后豎向位移幾乎不增大。

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TU411

A

1671－5993（2016）04－0050－03

2016-10-20

張濤（1988－），男，安徽滁州人，滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系教師，碩士研究生。