竹筋加筋土筋土界面摩擦特性影響因素分析

周治民

(西南科技大學， 四川綿陽 621000)

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竹筋加筋土筋土界面摩擦特性影響因素分析

周治民

(西南科技大學， 四川綿陽 621000)

【摘要】因具有環(huán)保、力學性能優(yōu)良等特點，竹筋漸漸作為筋材被運用于加筋土技術中。對于加筋土結構，筋-土界面處的摩擦特性是影響加筋土強度的重要因素。因而，文章通過大型直剪試驗對竹筋加筋土界面摩擦特性影響因素進行分析研究。結果表明：在相同條件下，竹筋加筋土界面特性遠遠優(yōu)于素土；竹筋的間距對加筋土界面強度的影響較大，間距越小，其界面強度越高；作用于竹筋加筋土的壓力大小直接影響加筋土的加筋效果，作用壓力越大，竹筋加筋土的嵌固力和咬合力越顯著，界面強度越高。

【關鍵詞】土力學；加筋土；界面摩擦；直剪試驗；竹筋；豎向壓力

近年來，竹筋因其具有環(huán)保、力學性能優(yōu)良、實現土地復耕等重要意義而在一些臨時工程中取代土工格柵成為一種新型的筋材運用于加筋土技術中[2]。

對于加筋土結構，在土體中加筋，以筋材作為抗拉構件，依靠筋材與土的界面摩擦作用，限制其上下土體的側向變形，提高土體的強度和剛度。因此，筋-土界面處的摩擦特性是影響加筋土強度的重要因素[3-5]。

目前，越來越多的人開始對竹筋加筋土筋土界面摩擦作用機理進行深入地研究，如通過大型直剪試驗對比性地分析了素土、石灰改良土、草灰改良土三種不同土樣下竹筋加筋土筋土界面摩擦特性[2]。但從以往對竹筋加筋土筋土界面摩擦特性的研究來看，并未從竹筋的間距及作用其上的豎向壓力大小兩方面對其界面摩擦特性進行過研究，而竹筋與土體的嵌固咬合作用與竹筋間距和豎向壓力有著密切關系。因此，本文結合大型直剪試驗對竹筋加筋土筋土界面摩擦特性的兩個影響因素竹筋間距和豎向壓力進行分析。

1試驗材料

1.1試驗用土

試驗用土為細粒土，棕黃色，其主要的物理力學性質指標見表1。

表1　路基填料的物理力學性質指標

1.2竹筋

竹筋選用四川本地資源較為豐富的斑竹。由于竹材的基本密度、順紋抗拉強度、徑向和弦向抗彎強度等隨竹齡的增加而增加[6]，5～6 年生竹子達最大值，干縮性隨竹齡增加逐漸減少。因此，項目選用5～6 年生、胸高直徑50mm以上、竹壁厚度4mm以上的毛竹，人工加工成寬50mm、厚4～5mm條狀，并分別按照間距為40mm、20mm和10mm用直徑為4mm的8#鐵絲進行綁扎，如圖1所示。

圖1　竹筋

2試驗方法

竹筋加筋土的界面摩擦特性試驗在巖土力學參數測試系統(tǒng)中進行。根據試驗設備條件，試樣尺寸為500mm×500mm，豎向可提供50t載荷，水平向可提供50t推力。

試驗時，將土樣加水，調至最優(yōu)含水率附近，將土樣分3層裝入剪切盒內并人工壓實(壓實度≥90%)。水平加載采用應變控制，按1.8mm/min速率等速施加荷載于下盒，水平位移采用電子位移計量測。

3試驗結果及分析

3.1竹筋對界面強度的影響

為了更好地驗證竹筋加筋土的界面摩擦特性，分別測試了竹筋加筋土(間距10mm)、土工格柵加筋土和素土的抗剪強度指標，并進行了對比分析，其試驗結果如表2所示。

由表2數據可以看出同一豎向壓力作用下，竹筋加筋土的抗剪強度明顯高于素土。一方面竹筋加筋土具有加筋土力學性能優(yōu)良的特點，在土體剪切過程中，加筋土依靠筋材與土體的界面摩擦作用有效地提高了其界面摩擦指標；另外網格狀的筋材形式在一定程度限制上下土體的側向變形，增強了土體的整體性，從而提高了土體的強度。另一方面竹筋作為一種特殊筋材有其重要的自身特點，竹筋具有抗拉強度高、彈性模量大、變形量小的優(yōu)點，從而有效地擴散土體的應力、增加土體模量，限制土體側向變形。更重要的方面是由于竹筋凹槽和竹節(jié)的存在，使材料表面與土體(填料)的接觸不僅僅是摩擦，還有竹片側面以及竹節(jié)(竹竿節(jié)隔)的咬合與嵌固作用，使加筋土整體的抗剪強度得到了大大地提高。

表2　不同土體的抗剪強度指標

3.2不同間距竹筋對界面強度的影響

筋材的間距在一定程度上會影響竹筋加筋土的界面強度。所以本次試驗選用間距為40mm、20mm和10mm3種不同編制形式的竹筋，在同一壓力區(qū)段上，分別測試竹筋加筋土界面摩擦強度并得出相關指標參數，試驗結果見表3。

表3　不同間距竹筋加筋土的抗剪強度指標

從試驗結果可以看出，在相同豎向壓力作用下，竹筋間距為10mm的加筋土的抗剪強度最高，竹筋間距為為40mm的加筋土的抗剪強度最低。這說明對于相同面積的3種竹筋，其中編制竹條間距越小，越密實的竹筋所對應的加筋土界面強度更高，力學性質更好。其原因主要跟竹筋凹槽的咬合和嵌固作用有著直接的關系。在相同面積下，竹筋間距越小，橫縱方向上所用的竹條就越多。試驗時，在一個方向上凹槽與土體的作用面積增大，有效地提高了筋土界面的摩擦力。所以選用密實的竹筋有利于提高加筋土的強度。

3.3不同范圍豎向壓力對界面強度的影響

本次試驗分別測試了間距為10mm的竹筋加筋土在不同豎向壓力區(qū)段作用下的抗剪強度指標，試驗結果見表4。

從試驗數據可以看出，竹筋加筋土在高壓力作用下，內摩擦角增大而粘聚力有所降低。在實際工程中豎向荷載一般很大，根據庫倫定律可知，相比于粘聚力的增加，內摩擦角的提高更能很大幅度地改善土體的強度。所以竹筋加筋土表現的這一界面特性對應用于實際有著重要的作用。產生這一現象的主要原因在于豎向壓力的增大使得竹筋更好地嵌入土體內，其凹槽的咬合和嵌固作用就體現地更充分(圖2)。

表4　不同壓力差下竹筋加筋土的抗剪強度指標

(a)凹槽咬合作用

(b)凹槽嵌固土料圖2　竹筋加筋土界面摩擦試驗

4結論

(1)在土料、試驗條件和周圍環(huán)境相同的情況下，竹筋加筋土的界面強度明顯高于素土，對工程應用具有重要的現實意義。

(2)在豎向壓力作用范圍相同的情況下，竹筋的間距對加筋土的界面強度影響較大。間距越小，其界面強度越高。

(3)作用于竹筋加筋土的壓力很大程度上影響著加筋土的界面強度。隨著其上作用壓力的增大，竹筋加筋土的嵌固力和咬合力提高，從而有效地提高了竹筋加筋土的整體強度。

(4)由于試驗條件和時間的限制，僅以個別狀態(tài)為例進行試驗，存在一定誤差，有待于進一步研究。

參考文獻

[1]周治民.竹筋加筋土界面摩擦試驗研究[J].山西建筑，2015,41(4):93-94.

[2]張玲玲，文華.川渝地區(qū)鉆前工程公路加筋土處治技術研究報告[R].綿陽：西南科技大學，2012.

[3]陳云勇.加筋土筋土界面特性試驗研究[J].公路交通技術，2010(1):8-11.

[4]楊廣慶,李廣信,張保儉.土工格柵界面摩擦特性試驗研究[J].巖土工程學報， 2006, 27(8): 948-952.

[5]楊廣慶，隋傳毅.土工格柵與土體界面摩擦特性試驗研究[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2010,23(2):46-52.

[6]劉亞迪, 桂仁意, 俞友明, 等.毛竹不同源竹材物理力學性質初步研究[J].竹子研究匯刊，2008,27(1)：50-54.

[基金項目]西南科技大學大學生創(chuàng)新基金項目資助(項目編號:CX15-045)

[作者簡介]周治民(1994～),男,本科。

【中圖分類號】TU472.3+4; TU432

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-01-08