壓實度對加筋土豎向變形影響的試驗研究

周芬+周智敏+杜運興

摘 要：采用兩種土工格柵研究了圓柱體加筋土試樣在無側(cè)向約束條件下的壓縮性能，通過單級加載/卸載的方式測試了壓實度為85%，90%和100%的加筋試樣的豎向變形規(guī)律.試驗得到如下結(jié)論：1）提高壓實度，可以有效增強加筋土抵抗變形的能力，使土體變形更快地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，且土體后期變形速度曲線也更加平緩；2）壓實度對加筋土力學(xué)性能的影響與加筋材料的拉伸模量、筋土間的有效接觸面積有密切的關(guān)系，拉伸模量較高的加筋材料對土體的約束更加有效.

關(guān)鍵詞：加筋土；壓縮試驗；豎向變形；壓實度

中圖分類號：TU 411.5； TU 472.34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-2974（2017）05-0073-07

Abstract：Compaction degree is an important factor that affects the mechanical property of reinforced soil. In this paper， two kinds of geogrids were adopted to study the compression performance of cylinder reinforced soil without lateral confinement. Through a single-stage loading/unloading way， the variation rules of vertical deformation for reinforced specimens with the compaction degree of 85%， 90%， and 100% were tested. The following conclusions can be drawn from the present study. 1） Improvement of the compaction degree effectively enhances the soil resistance to deformation， makes the soil deformation stable faster， and makes the velocity curve of deformation more smooth； 2） The impact of compaction degree on the mechanics performance of reinforced soil is closely related to the tensile modulus of reinforced materials and the effective contact area between reinforced materials and soil. Reinforced material with higher tensile modulus provides more effective restrain on the soil.

Key words： reinforced soil； compression test； vertical deformation； compaction degree

土體加筋技術(shù)是巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用于填方工程的填土增強技術(shù).目前已經(jīng)比較廣泛地應(yīng)用于公路、鐵路、水利、港口和建筑工程中.加筋土中的加筋材料通過與土體之間的相互作用提高土體的力學(xué)性能及減少土體的變形.

由于高速鐵路、高等級公路的建設(shè)需求，工程中對加筋土結(jié)構(gòu)的變形性能提出了更高的要求.吳景海等[1]對5種土工合成材料加筋砂土進(jìn)行了三軸壓縮試驗，研究了其應(yīng)力應(yīng)變特性；Cai等[2]采用三軸試驗研究了聚丙烯纖維和石灰摻合料對黏土力學(xué)性能的影響.Jafari等[3]研究了凍融條件下廢輪胎簾線作為加筋材料和石灰摻合料應(yīng)用于黏土的無側(cè)限強度.WANG等[4]采用三軸試驗和數(shù)值仿真研究了玻璃格柵對加筋土的增強作用.杜運興等[5]采用三軸試驗對FRP加筋中砂進(jìn)行了研究；胡幼常等[6]對不同壓實度和加筋層數(shù)的土工格柵加筋粉砂土進(jìn)行了室內(nèi)回彈模量試驗，總結(jié)并分析了雙向土工格柵加筋層的布設(shè)位置、加筋層數(shù)、土的壓實度等對回彈模量的影響規(guī)律；郭小川等[7]通過室內(nèi)試驗對格柵埋設(shè)于底部、中部和頂部等8種工況路堤模型進(jìn)行豎向加載，對比分析了各工況的總沉降量.杜運興等[8-9]對FRP加筋中砂模型路堤和加筋黏土路堤進(jìn)行了試驗研究，獲得了變形情況.Hejazi等[10]對天然材料和合成材料應(yīng)用于加筋土的力學(xué)性能進(jìn)行了比較.

加筋土結(jié)構(gòu)選用無黏性填料填筑，其力學(xué)性能通常較好.受取材的限制，國內(nèi)很多工程采用黏性土作為加筋土工程的填料.由于黏性土自身性質(zhì)的復(fù)雜性，所填筑的加筋土結(jié)構(gòu)性能更為復(fù)雜，其中該體系的變形性能直接影響著這種技術(shù)的應(yīng)用，因此，需要對該體系的變形性能進(jìn)行研究，特別是隨時間的變形發(fā)展規(guī)律.

本文以兩種國內(nèi)常用的土工合成材料（聚丙烯雙向拉伸塑料土工格柵、玻璃纖維土工格柵）為加筋材料，采用無側(cè)限的壓縮試驗研究壓實度對豎向變形的影響，主要目的是研究不同壓實度下加筋材料對試件的約束作用.如果采用有側(cè)限的試驗，加筋材料對填料的約束作用得不到發(fā)揮，豎向變形主要表現(xiàn)為孔隙率的改變.通過對圓柱體加筋土試樣進(jìn)行單級加載/卸載的方式探討不同加筋情況和壓實度情況下土體的變形規(guī)律，重點關(guān)注土體變形隨時間的變化情況，分析了其影響機理.本研究結(jié)果有助于進(jìn)一步認(rèn)識加筋土的豎向變形規(guī)律及其影響機理，對加筋土工程的變形沉降控制具有指導(dǎo)意義.

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 試驗裝置

試驗采用圖1所示的加載測試裝置，鋼梁固定在距離地面1.5 m高度的支墩上.試樣為圓柱體，其直徑為220 mm，截面積為380.13 cm2，高度為100 mm.圖2、圖3是試驗裝置現(xiàn)場實況圖.

1.2 試驗材料

加筋材料采用聚丙烯雙向拉伸塑料土工格柵（以下簡稱“塑料格柵”）和玻璃纖維土工格柵（以下簡稱“玻纖格柵”），物理參數(shù)如表1、表2所示.依據(jù)試樣的尺寸將其統(tǒng)一裁剪成直徑為215 mm的圓形規(guī)格，加筋材料布置在試樣的中間平面.

1.3 試驗方法

采用單因素法設(shè)計試驗，研究加筋情況和壓實度對加筋土壓縮特性的影響，設(shè)計9種試驗工況.加筋試樣內(nèi)僅布置一層加筋材料，試樣外圍用PE塑料膜包裹，近似于無側(cè)向約束情況，采用統(tǒng)一的加載（單級加載/卸載）和測試方式.

依據(jù)不同的壓實度要求，通過計算，設(shè)定3種分層擊實方法，具體見表4.試驗土樣采用《公路土工試驗規(guī)程》[11]規(guī)定制備.所有試樣的含水率均為25%.依據(jù)各工況的需要，先在擊實器側(cè)模上標(biāo)示出各層分界線，依次分層加入土樣，每層土樣的質(zhì)量和分層數(shù)目見表4，每層擊實到對應(yīng)層分界線的高度，各層接觸面用小刀刨毛.對于加筋試樣，則在試樣中間界面刨毛后布置加筋材料.擊實完成后，用推土器推出試樣，并用PE塑料膜將試樣緊密包裹，增強試樣的整體性，防止土粒脫落.圖4為試樣制備過程，圖5為制作成型的試樣.

依據(jù)試樣的截面積大小以及加載需求，在吊籃內(nèi)添加規(guī)定質(zhì)量的砝碼，并通過液壓千斤頂提前將吊籃支承起來，確保在試樣上方安裝鋼板時，試樣不受吊籃重物的影響.試樣制備完成后，將試樣安裝在鋼梁的指定位置，并根據(jù)試樣的位置，將鋼板居中安裝在試樣上方，利用鋼板上水平尺監(jiān)測其水平度，確保加載過程中試樣受力平衡.

在鋼板上對應(yīng)于試樣邊界的圓周上，等距布置3個位移傳感器，用于記錄試樣的軸向變形.試驗結(jié)果取3個位移測試點的平均值，任一測試點的測試結(jié)果與它們的平均值誤差超過5%時，加載終止，試驗結(jié)果不能用于最后的分析.

試樣和測試儀器安裝完成后，啟動位移傳感器的記錄儀（記數(shù)頻率：1 Hz），測試記錄全過程試樣的軸向應(yīng)變.打開液壓千斤頂?shù)幕赜烷y，重物緩慢加載到試樣上，使試樣所受壓力達(dá)到200 kPa，加載時間持續(xù)24 h.加載24 h后，用千斤頂將吊籃提升，使重物從試樣上卸載，卸載后36 min結(jié)束試驗.

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 加載后軸向應(yīng)變分析

加載后36 min和加載后24 h各工況試樣的軸向應(yīng)變值如表5所示.由表可知：

1）在任意壓實度情況下，加筋試樣的軸向應(yīng)變值均小于素土，玻纖格柵試樣的軸向應(yīng)變值小于塑料格柵試樣.這說明加筋材料能夠增強土體抵抗變形的能力.對于不同種類的加筋材料出現(xiàn)的差別，主要由于以下兩個方面：一是玻纖格柵的拉伸模量比塑料格柵的拉伸模量大，使得玻纖格柵試樣抵抗變形的能力更強；二是玻纖格柵的網(wǎng)格比塑料格柵的網(wǎng)格更密集，玻纖格柵和土體有更多的有效接觸面，增強了其對土體的約束作用.

2）不論是素土還是加筋試樣，壓實度的提高均能有效地減小試樣的軸向應(yīng)變，增強試樣抵抗變形的能力.對于素土，壓實度越大，說明其內(nèi)部土顆粒間的緊密程度越高，要使其內(nèi)部土顆粒發(fā)生錯動也越難；對于加筋試樣，除了前述原因外，壓實度的提高還能夠增強筋土間的摩擦作用，從而增強了加筋材料對土體的約束.

3）相對于同種壓實度情況下素土的軸向應(yīng)變值，各加筋試樣的軸向應(yīng)變減小幅度見表6.壓實度、加筋情況對試樣軸向應(yīng)變的影響程度不一樣，從表6可以得出以下趨勢：壓實度越大，加筋后試樣的軸向應(yīng)變降幅也越大.這說明提高壓實度可以更充分地發(fā)揮加筋材料的約束作用，可以更有效地控制加筋土的變形，控制加筋土工程填料的壓實度具有非常積極的意義.

2.2 卸載后36 min軸向應(yīng)變恢復(fù)量分析

由表6可知：卸載后36 min試樣的軸向應(yīng)變均有不同程度的恢復(fù).

從絕對值的角度而言，在同種壓實度情況下，素土和塑料格柵試樣的恢復(fù)值基本一致，而玻纖格柵試樣的恢復(fù)值明顯小于前述兩者.這是由于素土在受壓后的總變形量大，因此卸載后恢復(fù)量大；而塑料格柵試樣在受壓后的總變形量比素土小，但受壓時，其內(nèi)部加筋材料（塑料格柵）發(fā)生了受拉變形，所受的外荷載消失之后，加筋材料的變形也會恢復(fù)，在筋土界面就會對土體產(chǎn)生指向圓心的作用力，增大了土體的變形恢復(fù)量.玻纖格柵的拉伸模量比塑料格柵的大，同等受力情況下，玻纖格柵卸載后恢復(fù)的變形量遠(yuǎn)小于塑料格柵，所以玻纖格柵試樣卸載后的軸向應(yīng)變恢復(fù)量較小.

卸載后36 min軸向應(yīng)變恢復(fù)量與加載后24 h軸向應(yīng)變的比值則是從相對值的角度評價各工況試樣卸載后的變形恢復(fù)，素土和玻纖格柵試樣的比值較為接近，而塑料格柵試樣的比值則明顯高于前述兩者，也歸因于塑料格柵在試樣卸載后產(chǎn)生的可恢復(fù)變形導(dǎo)致了試樣軸向應(yīng)變恢復(fù)量的增加.

2.3 軸向應(yīng)變與時間關(guān)系曲線分析

試驗使用的高速數(shù)據(jù)記錄儀每間隔1 s采集一次位移數(shù)據(jù)，加載后100 s內(nèi)，試樣軸向應(yīng)變變化較為明顯，100 s后變化非常緩慢.以lgt2-lgt1=0.1為間隔提取部分?jǐn)?shù)據(jù)，在半對數(shù)坐標(biāo)系中繪制試樣軸向應(yīng)變與時間關(guān)系曲線，如圖6所示.

從圖6中可以看出：

1）若不考慮加載速度（千斤頂回油速度）的影響，各工況試樣的曲線走勢基本一致，前期的軸向應(yīng)變變化大，后期越來越穩(wěn)定，在半對數(shù)坐標(biāo)系中，各工況下試樣軸向應(yīng)變與時間關(guān)系曲線在100 s后基本呈現(xiàn)直線狀態(tài).

2）各工況試樣在達(dá)到某一應(yīng)變值之后，其軸向應(yīng)變與時間關(guān)系曲線即由急劇變化段進(jìn)入平緩上升段，我們將此應(yīng)變值稱為該工況的臨界應(yīng)變值.

各工況的臨界應(yīng)變值如表7所示.臨界應(yīng)變值的大小表示試樣進(jìn)入穩(wěn)定受力變形狀態(tài)所需要達(dá)到的應(yīng)變程度，臨界應(yīng)變值越小，說明試樣受力后越容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).從表7可知：對試樣進(jìn)行加筋、提高壓實度，均能顯著提高試樣的穩(wěn)定性，不同加筋材料的加筋效果有一定差別，玻纖格柵的加筋效果比塑料格柵的更好.

3）在試樣受壓的初期，各工況試樣的曲線吻合度較高，達(dá)到某一應(yīng)變值之后，各工況曲線才出現(xiàn)明顯的分化，這說明加筋材料需要試樣達(dá)到一定變形程度才能發(fā)揮作用，和文獻(xiàn)[12]得出的結(jié)論一致.

4）在受壓的初期，試樣的軸向應(yīng)變會急劇增加，這一階段的軸向應(yīng)變與時間關(guān)系曲線在半對數(shù)坐標(biāo)系中近似直線，通過對該段曲線進(jìn)行線性擬合，求得擬合后直線的斜率如表8所示.該直線斜率的大小表示試樣在受荷后變形的快慢，斜率越小，變形越慢.從表8可知：在同等受力條件下，加筋試樣的變形發(fā)展速度明顯比素土試樣慢，加筋有利于試樣減緩變形速度，具有更高的抵抗變形能力.

5）通過對比圖6（a）～（c）可以發(fā)現(xiàn)：壓實度為100%的工況曲線明顯比其他低壓實度工況更加平直，而且其平直段起點更加靠前.說明提高壓實度，可以使土體變形更早進(jìn)入變形穩(wěn)定狀態(tài).

2.4 t=1 072 s軸向應(yīng)變變化速度分析

由圖6可知，在半對數(shù)坐標(biāo)系中，各工況下試樣軸向應(yīng)變與時間關(guān)系曲線在100 s后基本呈現(xiàn)直線狀態(tài).為了對比各工況軸向應(yīng)變變化速度，本文選取各工況在t=1 072 s點處曲線斜率（見表9）進(jìn)行分析.

1）在壓實度較小（85%）的情況下，素土的斜率最小，玻纖格柵的次之，塑料格柵的最大，說明t=1 072時素土的軸向應(yīng)變變化速度比加筋試樣緩慢，抵抗變形能力更強.造成這種現(xiàn)象的主要原因有兩方面，一方面，壓實度較小的素土試樣經(jīng)歷較大的軸向變形后，其土顆粒靠攏擠緊，土孔隙體積減小，抵抗變形的能力隨之提高；另一方面，加筋材料對土體的約束作用主要通過其與土體的摩擦阻力發(fā)揮，在壓實度較小的情況小，筋土間的摩擦作用比較難以體現(xiàn).

2）在壓實度較大（90%和100%）的情況下，玻纖格柵的斜率最小，塑料格柵的次之，素土的最大，說明t=1 072 s時加筋試樣的軸向應(yīng)變變化速度比素土緩慢，加筋材料能夠增強土體抵抗變形的能力，減少土體的變形；玻纖格柵對土體的約束作用比塑料格柵更加明顯.

3）對于加筋試樣，壓實度越大，t=1 072 s軸向應(yīng)變變化速度也越小，這表明壓實度的提高能夠進(jìn)一步增強加筋材料對土體的約束作用，使得其擁有更強的抵抗變形能力.

3 結(jié) 論

本文采用無側(cè)限土試樣的壓縮試驗獲得了如下結(jié)論：

1）壓實度是影響加筋黏土豎向變形的重要因素.提高壓實度，可以有效地增強加筋土抵抗變形的能力，不僅能減小土體的總變形量、使土體變形更快地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而且土體變形速度曲線也更加平緩.

2）在土體中布置加筋材料能夠提高土體抵抗變形的能力，加筋材料的拉伸模量、筋土間的有效接觸面積和土體壓實度對加筋效果有重要影響，加筋材料對土體實際提供的摩阻力大小決定著加筋效果的發(fā)揮.壓實度的提高可以使加筋材料的約束作用更充分地發(fā)揮出來，可以更有效地控制加筋土的變形.

3）素土和加筋土在壓縮過程中的軸向應(yīng)變時間曲線變化趨勢相同，經(jīng)歷一定時間后，它們的軸向應(yīng)變與時間對數(shù)基本呈現(xiàn)線性關(guān)系.

4）土體卸載后會產(chǎn)生一定的變形恢復(fù)，增大加筋材料的拉伸模量、提高土體的壓實度均能減小土體卸載后的變形恢復(fù).

參考文獻(xiàn)

[1] 吳景海， 王德群， 陳環(huán). 土工合成材料加筋砂土三軸試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報， 2000， 22（2）： 199-204.

WU Jinghai， WANG Dequn， CHEN Huan.Study on geosynthetic reinforced sand by triaxial compression test[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22（2）： 199-204. （In Chinese）

[2] CAI Yi，SHI Bin， NG C W W， et al. Effect of polypropylene fibre and lime admixture on engineering properties of clayey soil[J]. Engineering Geology， 2006，87（3/4）： 230-240.

[3] JAFARI M， ESNA-ASHARI M. Effect of waste tire cord reinforcement on unconfined compressive strength of lime stabilized clayey soil under freeze-thaw condition[J]. Cold Regions Science & Technology，2012， 82（8）：21-29.

[4] WANG Qingbiao， ZHANG Cong， WEN Xiaokang，et al. Development and properties of glass fiber reinforced plastics geogrid[J]. Journal of Wuhan University of Technology：Material Science， 2015， 30（3）：520-527.

[5] 杜運興， 尚守平， 周芬. CFRP加筋中砂的試驗研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2005， 32（6）： 28-31.

DU Yunxing， SHANG Shouping， ZHOU Fen. Experimental study of medium sand reinforced with CFRP[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2005， 32（6）： 28-31. （In Chinese）

[6] 胡幼常， 鄧偉， 林漢清，等. 雙向土工格柵加筋土回彈模量試驗研究[J]. 巖土力學(xué)， 2008， 29（3）： 759-763.

HU Youchang， DENG Wei， LIN Hanqing， et al. Experimental study on resilient modulus of soil reinforced by biaxial geogrid[J]. Rock and Soil Mechanics， 2008， 29（3）： 759-763. （In Chinese）

[7] 郭小川， 劉德富， 肖衡林. 新型土工格柵加筋土路堤模型試驗研究[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2014， 29（2）： 5-9.

GUO Xiaochuang， LIU Defu，XIAO Henglin. Model tests on geogrid reinforced embankment[J].Journal of Hubei University of Technology， 2014， 29（2）：5-9. （In Chinese）

[8] 杜運興， 龍述堯， 尚守平. 預(yù)應(yīng)力加筋中砂路堤模型靜力試驗研[J] .湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2008， 35（2）： 27-30.

DU Yunxing， LONG Shuyao， SHANG Shouping. Static model-test study on reinforced medium-sandy embankment with prest[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2008， 35（2）： 27-30. （In Chinese）

[9] 杜運興， 劉新軍， 尚守平， 等. 預(yù)應(yīng)力CFRP加筋粘土路堤模型試驗研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2007， 34（7）： 6-10.

DU Yunxing， LIU Xinjun， SHANG Shouping，et al. Model test study of clay embankment reinforced by prestressed CFRP[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2007， 34（7）： 6-10. （In Chinese）

[10]HEJAZI S M， SHEIKNZADEH M， ABTAHI S M， et al. A simple review of soil reinforcement by using natural and synthetic fibers[J]. Construction & Building Materials， 2012， 30（5）：100-116.

[11]JTG E40-2007 公路土工試驗規(guī)程[S]. 北京：人民交通出版社， 2007.

JTG E40-2007 Test methods of soils for highway engineering[S]. Beijing： China Communications Press， 2007. （In Chinese）

[12]陳昌富，劉懷星，李亞平.草根加筋土的室內(nèi)三軸試驗研究[J]. 巖土力學(xué)， 2007， 28（10）： 2041-2045.

CHEN Changfu， LIU Huaixing， LI Yaping. Study on grassroots-reinforced soil by laboratory triaxial test[J]. Rock and Soil Mechanics， 2007， 28（10）： 2041-2045. （In Chinese）