大型直剪儀對(duì)筋土界面剪切特性的影響分析

張濤

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

一、引言

筋土界面剪切特性對(duì)于加筋土結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用，目前對(duì)于筋土界面剪切特性的研究是目前學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)。施有志等[1]在1.0mm/min和0.5mm/min兩種不同的剪切速率情況下下土工格柵界面剪切特性進(jìn)行研究，表明界面剪切強(qiáng)度會(huì)隨著剪切速率的增加而增大。Jewell以及Bauer等[2-3]學(xué)者通過在直剪儀設(shè)備大小的改進(jìn)進(jìn)行試驗(yàn)中以測(cè)得筋土界面特性。徐超等[4]利用不同土工合成材料對(duì)砂土的拉拔和直剪試驗(yàn)進(jìn)行分析對(duì)比，可以得出剪切速率約7mm/min為一個(gè)峰值，如果剪切速率高于此峰值，那么剪切速率對(duì)于界面強(qiáng)度的提升基本可以忽略不計(jì)。Anubhav[5]提出直剪試驗(yàn)中的直剪盒子的尺寸的改變對(duì)于界面強(qiáng)度的影響較大，如果剪切盒子尺寸較小，無法滿足剪切過程中界面強(qiáng)度的準(zhǔn)確測(cè)定。

近年，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備尺寸的問題，小型直剪設(shè)備造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)備的現(xiàn)象尤為明顯。對(duì)于加筋土而言，界面破壞的時(shí)間長(zhǎng)短，土工格柵有沒有起到應(yīng)有的作用就變得尤為重要。因此，本文采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)對(duì)筋土界面剪切特性行了研究，并對(duì)設(shè)備尺寸大小、剪切速率和法向應(yīng)力的改變等因素對(duì)筋土界面特性的影響進(jìn)行了分析。

二、試驗(yàn)設(shè)備與材料選取

（一）試驗(yàn)設(shè)備

圖1大型直剪儀

室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)裝置如圖1所示。直剪試驗(yàn)上剪切盒的有效尺寸為295mm× 295mm×95mm?？勺詣?dòng)記錄數(shù)據(jù)形成報(bào)表。

圖2小型直剪儀

室內(nèi)小型直剪試驗(yàn)裝置如圖2所示。直剪試驗(yàn)上剪切盒的有效尺寸為50mm×50mm×85mm。水平位移通過手工計(jì)時(shí)操作進(jìn)行測(cè)量。

（二）試驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)所使用的填料為福建標(biāo)準(zhǔn)砂作為實(shí)驗(yàn)填料。試驗(yàn)所用的土工合成材料為精編土工格柵。

三、試驗(yàn)方案

本文設(shè)計(jì)的直剪試驗(yàn)為土工格柵-砂土界面。實(shí)驗(yàn)以不同的剪切設(shè)備大小和剪切速率以及豎向應(yīng)力為變量，在試驗(yàn)過程中將剪切速率分別定為1.0、1.2、1.5mm/min。試驗(yàn)重點(diǎn)研究了剪切盒子尺寸的改變和不同剪切速率以及豎向應(yīng)力的改變對(duì)筋土界面性能的影響，試樣采用分層壓實(shí)法。

四、試驗(yàn)結(jié)果

（一）設(shè)備尺寸的改變于筋土界面的影響

圖3為設(shè)備尺寸的改變對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力-位移曲線。由圖可看出，設(shè)備尺寸的增大對(duì)于筋土界面的影響巨大。在其他條件相同的情況下，大型直剪設(shè)備對(duì)于筋土界面的強(qiáng)度明顯大于小型直剪設(shè)備對(duì)應(yīng)的界面，界面破壞發(fā)生的很早。對(duì)于此種情況發(fā)生的可能的原因是格柵的孔徑與粘土粒徑的大小相差過多，因此格柵限制了粘土顆粒的運(yùn)動(dòng)從而減小了粘土顆粒間的滑動(dòng)摩阻力。

圖3不同剪切設(shè)備對(duì)應(yīng)界面剪應(yīng)力-位移曲線

（二）不同剪切速率對(duì)于大型直剪筋土界面的影響

圖4為不同剪切速率情況下筋土界面曲線。由圖可知，界面強(qiáng)度隨著剪切速率的增大而增加。

當(dāng)剪切速率相對(duì)較小時(shí)，顆粒之間有比較充足的時(shí)間能夠重新定向排列；受到的阻力響度較小，但當(dāng)剪切速變大時(shí)，砂土顆粒在剪切的過程中來不及進(jìn)行定向排列，砂土顆粒之間的相互的嵌鎖作用以及砂土顆粒和土工格柵之間的咬合力，顆粒之間甚至出現(xiàn)了攀爬現(xiàn)象，因此產(chǎn)生的摩擦、嵌固能力強(qiáng)，故而界面對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度大。

圖4不同剪切速率對(duì)應(yīng)界面剪應(yīng)力-位移曲線

（三）不同豎向應(yīng)力對(duì)于大型直剪筋土界面的影響

圖5為不同豎向應(yīng)力情況下筋土界面對(duì)應(yīng)不同剪切位移曲線，在圖中三種不同豎向應(yīng)力情況下，豎向位移在前期的增大均比較快，表現(xiàn)為曲線初始斜率較大，隨后逐漸平緩。豎向應(yīng)力為50、90、130kPa對(duì)應(yīng)的筋土界面的豎向位移的最大值分別為2.3mm、4.2mm、5.6mm。隨著豎向應(yīng)力的增大，對(duì)應(yīng)筋土界面的豎向位移也隨之增大。

圖5不同豎向應(yīng)力作用界面剪切位移-豎向位移曲線

五、結(jié)論

通過對(duì)填土界面進(jìn)行的室內(nèi)大型和小型直剪試驗(yàn)，得到結(jié)論如下：

（1）對(duì)于加筋填土，實(shí)驗(yàn)試樣尺寸越大，界面的剪切強(qiáng)度也隨之增加。

（2）隨著剪切速度的增加，界面的剪切強(qiáng)度隨之降低。

（3）隨著豎向應(yīng)力的增大，對(duì)應(yīng)筋土界面的豎向位移也隨之增大。

[1]施有志.土工合成材料的工程特性與加筋墊層試驗(yàn)研究[D].華僑大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003:13-19.

[2]Jewell R A.Some fctors which influence the shear strength of reinforced sand [J].Symposium on Computer Application Geotech Problem in Highway Engineering.1980.

[3]Bauer G E,Zhao Y.Evaluation of shear strength and dilatancy behavior of reinforced soil from direct shear test[J].Geosynthetics soil testing procedure:138-151.

[4]徐超,孟凡祥.剪切速率和材料特性對(duì)筋土界面抗剪強(qiáng)度的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(10):3101-3105.

[5]Anubhav,P.K.Basudhar.Modeling of soil-woven geotextile interface behavior from direct shear test results.Geotextiles and Geomembranes,2010,28(1):403-408.