高強(qiáng)土工格室加筋砂土性狀的三軸試驗(yàn)

彭艾鑫,張孟喜,朱華超

(上海大學(xué)土木工程系,上海200444)

高強(qiáng)土工格室加筋砂土性狀的三軸試驗(yàn)

彭艾鑫,張孟喜,朱華超

(上海大學(xué)土木工程系,上海200444)

通過(guò)三軸試驗(yàn)方法研究了高強(qiáng)土工格室加筋土的強(qiáng)度及其變形破壞特性,探論了在不同加筋情況下,土工格室加筋土強(qiáng)度影響因素及其變化規(guī)律,分析了在筋材用量相同的情況下,如何選擇更合理、更經(jīng)濟(jì)的加筋形式.試驗(yàn)結(jié)果表明:加筋后土體的強(qiáng)度和抵抗變形的能力明顯增強(qiáng);在圍壓一定的情況下,格室高度的提升對(duì)加筋土強(qiáng)度的提升程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)間距減小的影響;在筋材用量相同時(shí),選擇格室高度高但是相對(duì)層數(shù)少的加筋方式更合理;對(duì)加筋效果系數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)分析發(fā)現(xiàn),隨著圍壓的增加,加筋效果系數(shù)降低,土工格室加筋有助于提高土體的黏聚力和增大內(nèi)摩擦角,其中黏聚力的提高更顯著.

三軸試驗(yàn);高強(qiáng)土工格室;加筋土;筋材用量

加筋土概念是20世紀(jì)60年代初,由法國(guó)工程師Henri Vidal首先提出的.他通過(guò)三軸試驗(yàn)研究了土中摻入纖維的材料,發(fā)現(xiàn)可提高土體強(qiáng)度,從此將這種復(fù)合材料取名為加筋土,并提出了加筋土的新理念.目前,使用最廣泛的研究加筋土加筋機(jī)理的方法是三軸壓縮試驗(yàn).

Schdosser等[1]首先用三軸壓縮試驗(yàn)研究了金屬條加筋砂土.陳昌富等[2]對(duì)草根加筋土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了三軸試驗(yàn)研究,提出草根加筋土主要提高了土的黏聚力,而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小.施利國(guó)等[3]等則研究了聚丙烯纖維加筋灰土的三軸強(qiáng)度特性.陳群等[4]分別研究了玻纖塑料窗紗與有紡?fù)凉た椢锛咏钔翉?qiáng)度特性,這兩種不同材料加筋土樣的黏聚力與內(nèi)摩擦角均有明顯提高,只是提高的程度不同.劉芳等[5]進(jìn)行的三軸試驗(yàn)研究了玻璃纖維土的加筋效果,認(rèn)為玻璃纖維土的加筋效果與玻璃纖維的摻入量、玻璃纖維的密實(shí)度、試樣的密實(shí)度以及圍壓等因素有關(guān).魏紅衛(wèi)等[6]對(duì)土工合成材料加筋黏性土進(jìn)行了三軸試驗(yàn),認(rèn)為加筋對(duì)土體強(qiáng)度的增強(qiáng)作用存在滯后現(xiàn)象,而且加筋能夠明顯抑制土體的剪脹變形.雷勝友[7]以滌綸布為加筋材料,研究了加筋黃土的強(qiáng)度特性.趙川等[8]進(jìn)行了大型三軸試驗(yàn),探討了土工格柵加筋碎石土的強(qiáng)度及力學(xué)特性.吳景海[9]為了比較5種國(guó)產(chǎn)土工合成材料的加筋效果,分別對(duì)其進(jìn)行了三軸試驗(yàn).張孟喜等[10-12]通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)對(duì)立體加筋方式進(jìn)行了較為全面的研究和探討,結(jié)果表明立體加筋對(duì)比于傳統(tǒng)的水平加筋,其強(qiáng)度有了很大幅度的提高.Latha等[13]則研究了水平纖維加筋層、分散的纖維條、纖維土工格室3種加筋砂土的強(qiáng)度特性.Chen等[14]通過(guò)三軸試驗(yàn)研究了紙質(zhì)土工格室對(duì)加筋砂力學(xué)特性和強(qiáng)度的影響.Rajagopal等[15]研究了單層加筋和多層加筋砂土的強(qiáng)度特性.Nair等[16]通過(guò)大直徑三軸試驗(yàn)研究了土工格柵加筋土在靜力和循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度和剛度特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)平面加筋在達(dá)到3層后,如果再增加加筋層數(shù)不會(huì)再取得額外的加筋效果.這為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了最優(yōu)選擇的試驗(yàn)支持.

對(duì)于土工格室這種立體的新型土工合成材料,其加筋機(jī)理與傳統(tǒng)的平面加筋材料有很大區(qū)別.目前,對(duì)土工格室加筋體的研究還不夠完善,針對(duì)這種高強(qiáng)土工格室的研究也很缺乏,因此深入研究土工格室加筋土具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義.本工作以高強(qiáng)土工格室作為主要研究對(duì)象,通過(guò)三軸試驗(yàn)對(duì)不同形式的土工格室加筋砂的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究,探討了加筋土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、加筋效果系數(shù)以及在相同筋材用量下如何選擇更經(jīng)濟(jì)更合理的加筋形式,為加筋土理論研究和施工設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與流程

三軸剪力儀采用南京電力自動(dòng)化設(shè)備總廠生產(chǎn)的SJ-1A型應(yīng)變控制式三軸剪力儀.該設(shè)備由實(shí)驗(yàn)機(jī)、壓力室、測(cè)控系統(tǒng)、試樣制備工具4個(gè)部分組成.

把制備好的試樣用橡皮膜包裹好安放在壓力室的試樣座上,使其與測(cè)量系統(tǒng)連接,周?chē)鷫毫Φ拇笮∮烧{(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié).試驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),使壓力室以一定的速率上升,從而使試樣在活塞桿作用下產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變.根據(jù)量力環(huán)的變形量,即可確定對(duì)試樣施加的軸向應(yīng)力的大小.同時(shí)體變管可測(cè)體積變化量,通過(guò)空隙壓力測(cè)量單元測(cè)讀試樣內(nèi)部空隙壓力的變化,直至試樣剪損破壞為止.

1.2 試驗(yàn)材料

(1)砂樣.試驗(yàn)選用土樣為福建砂,為了減少填料水分對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,控制砂土的含水率w=5%,砂土的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示,其顆粒級(jí)配分布曲線如圖1所示.

表1 砂樣的物理特性參數(shù)Tab le 1 Physical parameters of the sand sample

圖1 砂樣的顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of the sand sample

(2)筋材.試驗(yàn)所用的高強(qiáng)土工格室為儀征市佳和土工材料有限公司特殊加工的土工格室.格室的條帶材質(zhì)為改性聚乙烯,格室的抗拉強(qiáng)度高于一般的土工格室,但其延伸率相對(duì)有所下降.由于格室的尺寸較小,所以條帶采用類(lèi)似訂書(shū)釘?shù)尼斪舆B接而成(見(jiàn)圖2),網(wǎng)帶厚度為0.45±0.10mm.

圖2 高強(qiáng)土工格室及節(jié)點(diǎn)圖F ig.2 High-strength geocell and nodes

1.3 試驗(yàn)方法和工況

在試樣制備過(guò)程中,將制作好的土工格室放置于砂中.由于土工格室為柔性結(jié)構(gòu),因此在安裝過(guò)程中需要用小木棒將每個(gè)網(wǎng)格單元完全撐開(kāi),并在規(guī)定位置上固定,以保證三層筋材在試樣中上下位置對(duì)齊.土工格室在試樣中的位置如圖3所示.為控制試樣有相同的密實(shí)度,用天平稱(chēng)量4份相同質(zhì)量的砂分層放入護(hù)筒中,每層用相同的擊實(shí)方法擊實(shí)相同的次數(shù).達(dá)到高度標(biāo)準(zhǔn)后,將砂層整平刮毛放入土工格室.裝樣完成后,用真空泵(連接孔壓閥門(mén))將試樣內(nèi)部抽成真空,使試樣在護(hù)筒拿下之后能夠豎立.試樣制備完成后,注水,加圍壓.當(dāng)圍壓增加到30～40 kPa后,將試樣孔壓閥門(mén)打開(kāi)卸真空,使試樣處于土層自然狀態(tài).當(dāng)圍壓到達(dá)指定值后,關(guān)上孔壓及排水閥門(mén),使試樣處于不固結(jié)、不排水狀態(tài).

圖3 筋材安裝及布置示意圖Fig.3 Rein forcement installation and layout diagram

本工作共設(shè)計(jì)了5種試驗(yàn)工況(見(jiàn)表2).各工況以格室高度、格室焊距、筋材層數(shù)為變量.設(shè)工況2的土工格室材料用量為M,工況4與工況2的筋材用量相同.設(shè)工況3的土工格室材料用量為N,工況5與工況3的筋材用量相同.工況2和工況3的試樣都均勻布置3層筋材,3層筋材上下對(duì)齊、位置統(tǒng)一,筋材間距為55 mm.工況4和工況5的試樣均勻布置2層筋材.為保證相同的埋置深度,選擇埋置最靠近試樣頂面的2層筋材.

表2 試驗(yàn)工況Tab le 2 Test conditions

工況2,3和工況4,5是為了比較格室焊距對(duì)加筋效果的影響,工況2,4和工況3,5是為了研究加筋率基本相同的情況下,格室高度和筋材層數(shù)對(duì)加筋效果的影響.每種工況均在50,100和200 kPa 3種圍壓下進(jìn)行三軸試驗(yàn).

試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)如下:①當(dāng)存在峰值時(shí),以σ1-σ3的峰值點(diǎn)為破壞點(diǎn);②當(dāng)無(wú)峰值時(shí),取15%軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差確定破壞點(diǎn).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及分析

2.1.1 節(jié)點(diǎn)間距d的影響

為了研究不同節(jié)點(diǎn)間距對(duì)加筋土應(yīng)力-應(yīng)變的影響,分析了工況2～工況5在相同圍壓不同節(jié)點(diǎn)間距時(shí)土工格室的應(yīng)力-應(yīng)變,結(jié)果如圖4和5所示.

圖4 加筋砂應(yīng)力-應(yīng)變曲線(h=2 cm)F ig.4 Stress-strain curves of the rein forced sand(h=2 cm)

圖5 加筋砂應(yīng)力-應(yīng)變曲線(h=3 cm)Fig.5 Stress-strain curves of the rein forced sand(h=3 cm)

從圖4和5可以看出,土工格室加筋土的峰值應(yīng)力是隨著格室高度的增加而增大的.當(dāng)格室高度相同時(shí),在不同圍壓下,純砂和不同節(jié)點(diǎn)間距的土工格室加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的基本趨勢(shì)相同,并且節(jié)點(diǎn)間距越小峰值應(yīng)力越大,只是差距不明顯.特別是當(dāng)圍壓很低時(shí),這種差距幾乎不存在.在格室高度為2 cm,圍壓為50 kPa時(shí),節(jié)點(diǎn)間距為5.0 cm的土工格室加筋土應(yīng)力-應(yīng)變曲線在出現(xiàn)峰值后軟化特別明顯,承載力最終降低到與純砂相似.這是因?yàn)楦袷以谶_(dá)到極限承載力時(shí),已經(jīng)遭到了破壞.但當(dāng)圍壓升高時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)這種現(xiàn)象,這說(shuō)明土工格室在高圍壓下更能發(fā)揮出約束土壤的作用.

2.1.2 格室高度h及層數(shù)n的影響

在保證筋材用量相同的情況下,對(duì)比了格室節(jié)點(diǎn)間距相同,而格室高度和加筋層數(shù)不同時(shí)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變的影響,結(jié)果如圖6所示.可以看出,在筋材用量相同時(shí),格室的高度在提高土工格室加筋土峰值應(yīng)力中起到了關(guān)鍵的作用.即使少加了一層土工格室,格室高的加筋土的峰值應(yīng)力較格室低的加筋土的極限承載力提高了200 kPa左右.與此同時(shí),節(jié)點(diǎn)間距起到的作用就不是特別明顯了.特別地,當(dāng)圍壓升高時(shí),節(jié)點(diǎn)間距減小對(duì)峰值應(yīng)力的提高效果更不明顯.這一結(jié)果說(shuō)明,在筋材使用量不變的情況下,可通過(guò)提高格室高度、減少加筋層數(shù)、簡(jiǎn)化加筋步驟來(lái)提高加筋效果.

圖6 加筋砂應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of the reinforced sand

2.2 加筋效果系數(shù)分析

不同形式的土工格室加筋砂的峰值主應(yīng)力在不同圍壓下均高于純砂的峰值主應(yīng)力,但是提高程度不同.為了更好地對(duì)比不同形式的土工格室加筋后砂樣的強(qiáng)度變化,引入了加筋效果系數(shù)Rσ:

式中,Rσ為強(qiáng)度加筋效果系數(shù),為加筋砂破壞時(shí)的主應(yīng)力差,(σ1-σ3)f為無(wú)筋砂破壞時(shí)的主應(yīng)力差.通過(guò)式(1)可計(jì)算出各組試樣的強(qiáng)度加筋效果系數(shù),如圖7所示.

圖7 不同工況的加筋效果系數(shù)F ig.7 Reinforced eff ect coeffi cients of diff erent conditions

從圖7可以看出,不同形式的土工格室加筋砂的加筋效果系數(shù)均大于1(在1.218～1.995之間),低圍壓下的加筋效果系數(shù)高于高圍壓.綜合來(lái)看,格室高度為2 cm的土工格室加筋砂的加筋效果系數(shù)小于高度為3 cm的土工格室,但是節(jié)點(diǎn)間距為2.5和5.0 cm的土工格室加筋砂的加筋效果系數(shù)相差不大.在實(shí)際工程中,結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮,使用格室高度較高、加筋層數(shù)較少的加筋方式更為經(jīng)濟(jì).

2.3 強(qiáng)度特性分析

各種工況的p-q具體數(shù)值如表3所示,曲線如圖8所示,其中p=(σ1+σ3)/2,q= (σ1-σ3)/2.由p-q曲線得到線性擬合回歸方程和總離差平方和,通過(guò)計(jì)算得到加筋土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ(見(jiàn)表4).

表3 不同工況的峰值偏應(yīng)力Tab le 3 Peak deviatoric stress of diff erent conditions

圖8 不同工況的p-q曲線Fig.8 p-q curves of diff erent conditions

表4 不同工況的強(qiáng)度參數(shù)Tab le 4 Strength parameters of diff erent conditions

從圖8和表4中的強(qiáng)度參數(shù)可以得出,無(wú)論何種形式的加筋都提高了純砂的c,φ值,其中對(duì)c值的提高較為明顯,從86.25 kPa提高至109.03 kPa,對(duì)φ值由0.80?提高至4.23?,相應(yīng)的tanφ也從0.014提高到0.074.這主要是因?yàn)楦袷覍?duì)土體提供的側(cè)向約束力大于摩擦力,所以土體的c值提升比φ值明顯.然而格室高度的變化對(duì)c,φ值的影響較節(jié)點(diǎn)間距的變化大很多.當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距相同時(shí),格室高度增加,相應(yīng)的c值會(huì)提高17 kPa左右.當(dāng)格室高度相同時(shí),節(jié)點(diǎn)間距減小,相應(yīng)的c值只提高了5 kPa左右.格室高度增加對(duì)c值的提高程度是節(jié)點(diǎn)間距減小的300%以上.這再一次證明了格室高度在提高加筋土強(qiáng)度方面起到的關(guān)鍵作用.

2.4 破壞形態(tài)

純砂試樣與加筋砂試樣剪切破壞后的形態(tài)如圖9所示,其中純砂試樣破壞形態(tài)如圖9(a)所示,呈現(xiàn)塑性破壞,中間鼓脹、兩端變形較小;土工格室加筋砂試樣破壞形態(tài)如圖9(b)所示,可以看出上下層由于土工格室的約束作用,變形較純砂試樣小了很多,中間層的變形也呈現(xiàn)出幾個(gè)凸出點(diǎn).這可能是因?yàn)樵诟袷移茐牡牡胤?砂體外部的約束力降低所造成的.

格室破壞形態(tài)(見(jiàn)圖10)均為節(jié)點(diǎn)破壞,在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中體現(xiàn)在突變點(diǎn)處.筋材節(jié)點(diǎn)破壞時(shí),軸向力會(huì)突然下降.隨著軸向應(yīng)變的增加,軸向力會(huì)有一定幅度的回升,原因是破壞的土工格室基本都位于中間一層,上下兩層的土工格室未被破壞,而且破壞的筋材一般是節(jié)點(diǎn)逐個(gè)破壞,在其他節(jié)點(diǎn)還沒(méi)完全破壞時(shí),整個(gè)加筋體還能繼續(xù)承受軸向力.

圖9 土樣破壞形態(tài)F ig.9 Failuremodes of the soil

圖10 筋材破壞形態(tài)Fig.10 Failuremodes of the rein forcementmaterials

3 結(jié)論

(1)高強(qiáng)土工格室加筋土的峰值應(yīng)力與格室高度和格室的節(jié)點(diǎn)間距有關(guān),并隨著高度的增加、節(jié)點(diǎn)間距的減小而提高,其中格室高度的影響更顯著.

(2)在土工格室用量相同的情況下,提高土工格室高度、減少加筋層數(shù)是更優(yōu)的選擇.

(3)不同形式的土工格室在加筋后均提高了砂土的強(qiáng)度,不僅增強(qiáng)了黏聚力c,也增大了內(nèi)摩擦角φ,但是增強(qiáng)的程度不同,其中土工格室加筋主要以增強(qiáng)砂土的黏聚力為主,對(duì)砂土的內(nèi)摩擦角也有一定的提高.

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Triax ial test of high strength geocell rein forced soil

PENG Aixin,ZHANG Mengxi,ZHU Huachao
(Deptartment of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Strength and deformation characteristics of geocell reinforced soilwere studied in a triaxial test.Factors that aff ected strength and their variation pattern were investigated under diff erent reinforcement conditions.W ith the same amount of reinforcement, choice of reasonable and economical rein forcement forms was analyzed.The follow ing results are obtained.Strength and anti-deformation capacity of the soilare clearly intensified with reinforcement.Strength is farmore improved by increasing the height of geocell than reducing the node spacing when the confining pressure is constant.W ith the same amount of reinforcement,using large cellheight and low rein forced layers ismore reasonable.Analysis of the reinforcement eff ect coeffi cient and strength shows that the coeffi cient is reduced with the increasing of confining pressure.Cohesive strength and angle of internal friction of the soil are improved by geocell reinforcement.The improvement of cohesive strength is more significant.

triaxial test;high strength geocell;rein forced soil;amount of rein forcement material

U 211.3

A

1007-2861(2017)04-0590-10

DO I:10.12066/j.issn.1007-2861.1721

2015-09-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372280)

張孟喜(1963—),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)樾滦屯凉ぜ咏罴夹g(shù)及地下結(jié)構(gòu).

E-mail:mxzhang@i.shu.edu.cn