加筋體與土體界面力學(xué)特性試驗(yàn)研究進(jìn)展綜述

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(1.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

20世紀(jì)60年代初，法國(guó)工程師Vidal根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果首先提出加筋土的概念和原理，為現(xiàn)代加筋土技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1]。土工合成材料是巖土工程領(lǐng)域內(nèi)的一種新型材料，因其質(zhì)量輕、體積小，柔軟性能適應(yīng)土體的較大變形，具有加強(qiáng)土體的作用[2]。土工合成材料加筋土具有良好的抗剪強(qiáng)度，并且具有優(yōu)良的抗震性能，被廣泛應(yīng)用于路堤、擋土墻、邊坡等結(jié)構(gòu)中。

筋土界面的力學(xué)特性體現(xiàn)了加筋土結(jié)構(gòu)的加筋效果，并直接影響到加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。針對(duì)加筋土界面力學(xué)特性的研究，現(xiàn)階段的室內(nèi)試驗(yàn)主要有直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)。加筋體為土工格柵、土工織物、土工膜等。加筋土的填料為砂土、黏性土。

國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)加筋土界面力學(xué)特性進(jìn)行了研究，也取得了一定成果。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外加筋土界面力學(xué)特性試驗(yàn)研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，指出了當(dāng)前試驗(yàn)存在的問(wèn)題。新型GDS(global digital systems，全球數(shù)字系統(tǒng))界面剪切試驗(yàn)儀可以進(jìn)行土工合成材料與土體的界面剪切試驗(yàn)，克服了當(dāng)前試驗(yàn)方法的不足。針對(duì)該儀器在試驗(yàn)過(guò)程中不能嚴(yán)格控制排水條件以及量測(cè)試樣中孔隙水壓力的變化，提出了改進(jìn)建議。

1 加筋土界面試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

1.1 直剪試驗(yàn)研究

Abu-Farsakh等[4]通過(guò)直剪試驗(yàn)探究了不同含水率對(duì)格柵-黏土界面剪切特性的影響，認(rèn)為隨著含水率的增加，筋土界面抗剪強(qiáng)度顯著減小。Liu等[5-6]在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了土工格柵加筋效果明顯高于土工織物，且筋土界面強(qiáng)度與橫肋拉伸強(qiáng)度有關(guān)，與網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)孔面積比率基本無(wú)關(guān)。Lee等[7]通過(guò)直剪試驗(yàn)認(rèn)為邊界條件和試驗(yàn)方法對(duì)加筋土界面特性有很大影響。Nye等[8]采用直剪試驗(yàn)研究了土工合成材料與黏土界面剪切特性，認(rèn)為隨著剪切位移的增加，筋土界面抗剪強(qiáng)度先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定值；在循環(huán)剪切過(guò)程中，加筋體與土體界面強(qiáng)度主要受剪切位移幅度影響，與循環(huán)次數(shù)、頻率及波形基本無(wú)關(guān)。

劉飛禹[3]、徐超等[10]通過(guò)直剪試驗(yàn)對(duì)加筋砂土試樣進(jìn)行不同剪切速率下的直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)剪切速率對(duì)加筋體、土體界面的剪切特性影響不大，可以忽略。而劉文白等[11]認(rèn)為剪應(yīng)力峰值強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的剪切位移都隨著剪切速率的增大而逐漸減小。

吳海等[13]通過(guò)室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)研究了不同豎向應(yīng)力下各種加筋材料對(duì)加筋土界面特性的影響，認(rèn)為土工格柵的加筋效果明顯高于土工織物；隨著豎向應(yīng)力的增加，筋土界面抗剪強(qiáng)度提高。許多學(xué)者也得到了相同的結(jié)論[14, 19-20]。為了直觀并便于比較，匯總試驗(yàn)結(jié)果于表1。

表1 直剪試驗(yàn)對(duì)筋土界面特性的研究總結(jié)Tab.1 Summary of reinforcement-soil interface characteristics by using direct shear tests

1.2 拉拔試驗(yàn)研究

Lopes等[15]通過(guò)對(duì)砂土與土工格柵界面的拉拔試驗(yàn)，得出界面的抗剪強(qiáng)度與加載速率成正比。Moraci等[16]通過(guò)動(dòng)力下的拉拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所施加的動(dòng)力頻率對(duì)界面特性影響不明顯。Bergado等[17]研究了不同含水率對(duì)筋土界面抗剪強(qiáng)度的影響，得到了不同土工格柵界面抗剪強(qiáng)度公式。

劉文白等[11]利用拉拔試驗(yàn)研究了土工格柵與土的界面力學(xué)特性，認(rèn)為隨法向應(yīng)力的增大，剪應(yīng)力峰值及其對(duì)應(yīng)的位移均提高；許多學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律[18-20 ]。李齊仁[22]、汪明元[23]等分別研究了含水率和干密度對(duì)土工格柵與膨脹土界面拉拔形狀的影響，得出隨著含水率升高，拉拔力峰值及界面峰值強(qiáng)度迅速衰減；干密度對(duì)界面似摩擦角的影響顯著，而對(duì)似粘聚力的影響較小。同樣，拉拔試驗(yàn)對(duì)筋土界面特性研究匯總于表2。

表2 拉拔試驗(yàn)對(duì)筋土界面特性的研究總結(jié)Tab.2 Summary of reinforcement-soil interface characteristics using pull-out tests

1.3 三軸試驗(yàn)研究

Yang等[31]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)研究了筋土界面抗剪強(qiáng)度的影響因素，發(fā)現(xiàn)筋土界面抗剪強(qiáng)度隨著土工織物層數(shù)和土層厚度的增加而增大。Fabin等[32]研究了不同滲透系數(shù)的土工合成材料和淤泥質(zhì)黏土的界面特性，認(rèn)為在不排水的條件下，高滲透性的加筋體可以使筋土界面抗剪強(qiáng)度增加40%，而低滲透性的加筋體則相反；界面剪切強(qiáng)度的增加與試樣含水率有關(guān)，隨著含水率的增加，加筋體和土體之間的黏聚力逐漸增大。

對(duì)于特殊黏性土，土工合成材料也有很好的加筋效果。王協(xié)群等[33]通過(guò)不同圍壓下的三軸排水剪切試驗(yàn)探究土工格柵的加筋效果，認(rèn)為土工格柵加筋膨脹土形成排水通道，加速土體的排水固結(jié)；土工格柵的植入使剪切帶的發(fā)展受到抑制，內(nèi)摩擦角變化不大，而黏聚力則有明顯提高。三軸試驗(yàn)對(duì)筋土界面特性的研究如表3所示。

2 當(dāng)前試驗(yàn)存在的問(wèn)題與GDS界面剪切試驗(yàn)儀

2.1 存在的問(wèn)題

現(xiàn)階段對(duì)筋土界面力學(xué)特性的研究?jī)?nèi)容豐富，但方法各異，所用的試驗(yàn)儀器差別較大，筋材和填料也多種多樣，故得到的筋土界面力學(xué)特性具有較大差異。直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)雖能得到加筋土界面力學(xué)特性規(guī)律，但存在如下局限性：

表3 三軸試驗(yàn)對(duì)筋土界面特性的研究總結(jié)Tab.3 Summary of reinforcement-soil interface characteristics using triaxial tests

1) 直剪試驗(yàn)在剪切過(guò)程中，破壞面在上下剪切盒之間，且破壞邊緣會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使剪應(yīng)力在剪切面上分布不均勻。試驗(yàn)時(shí)不能嚴(yán)格控制排水條件，不能測(cè)量孔隙水壓力。

2) 拉拔試驗(yàn)在制樣過(guò)程中，土工合成材料會(huì)在土中發(fā)生凹凸變形，致使土體對(duì)加筋體產(chǎn)生一定的錨固作用，因此拉拔試驗(yàn)測(cè)得的界面抗剪強(qiáng)度比實(shí)際值大。

3) 三軸壓縮試驗(yàn)中，土體的受力狀態(tài)σ2=σ3，具有一定的特殊性；在直徑為十幾厘米到幾十厘米之間的試樣中分布幾層土工合成材料，其尺寸效應(yīng)十分明顯。

圖1 GDS界面剪切試驗(yàn)儀Fig.1 GDS interface shear test apparatus

2.2 GDS界面剪切試驗(yàn)儀

通過(guò)英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的界面剪切試驗(yàn)儀(圖1)對(duì)加筋土界面力學(xué)特性進(jìn)行深入研究，以改進(jìn)室內(nèi)試驗(yàn)方法所存在的問(wèn)題。該儀器能夠進(jìn)行土工合成材料與土體界面剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中可以保持剪切面積不變，豎向應(yīng)力與剪應(yīng)力在剪切面上均勻分布，土工合成材料不會(huì)發(fā)生凹凸變形，可以有效避免尺寸效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的偏差，無(wú)限轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)足夠大的剪切位移。施加的扭轉(zhuǎn)力與軸向壓力由精密電機(jī)控制，可以線性或跳躍性增加扭矩、軸向壓力和剪切速率，其中扭轉(zhuǎn)力最大可達(dá)200 N·m，軸向壓力最大可達(dá)5 kN。試驗(yàn)過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制精密電機(jī)運(yùn)行，并自動(dòng)記錄試驗(yàn)時(shí)間、扭轉(zhuǎn)力、軸向力、軸向變形等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此GDS界面剪切試驗(yàn)儀在一定程度上克服了上述3種試驗(yàn)方法的局限性，對(duì)分析研究加筋土界面力學(xué)特性具有較大的優(yōu)勢(shì)。

相對(duì)于直剪試驗(yàn)的快剪、固結(jié)快剪和慢剪試驗(yàn)，界面剪切試驗(yàn)根據(jù)不同的固結(jié)狀態(tài)和排水條件分為不固結(jié)不排水界面剪切試驗(yàn)、固結(jié)不排水界面剪切試驗(yàn)以及固結(jié)排水界面剪切試驗(yàn)。不同試驗(yàn)條件下，筋土界面力學(xué)特性具有差異性。相對(duì)土工合成材料與黏土的界面剪切試驗(yàn)而言，砂土的情況較為復(fù)雜。在界面剪切試驗(yàn)過(guò)程中，砂粒在孔隙中不斷滾動(dòng)嵌固，導(dǎo)致試樣中孔隙水壓力發(fā)生變化，進(jìn)而影響了筋土界面力學(xué)特性，故孔隙水壓力對(duì)筋土界面力學(xué)特性的影響不可忽略?，F(xiàn)有的GDS界面剪切試驗(yàn)儀可以有效控制試樣的固結(jié)狀態(tài)，但不能控制排水條件和量測(cè)孔隙水壓力的變化，建議增設(shè)排水控制設(shè)施及孔隙水壓力測(cè)力計(jì)，以進(jìn)一步確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

1) 土工合成材料能夠有效提高砂土的抗剪強(qiáng)度，改善黏性土的黏聚力和滲透性以及改良黃土和膨脹土的不良工程性質(zhì)。

2) 直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)及三軸試驗(yàn)都存在不同的局限性。直剪試驗(yàn)在剪切過(guò)程中剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻，拉拔試驗(yàn)在制樣過(guò)程中土工合成材料會(huì)在土中發(fā)生凹凸變形，三軸試驗(yàn)在試樣中分布幾層加筋材料，其尺寸效應(yīng)十分明顯。

3) GDS界面剪切試驗(yàn)儀能夠?qū)崿F(xiàn)豎向應(yīng)力及剪應(yīng)力均勻分布的假定，可以保持剪切面恒定，土工合成材料不會(huì)發(fā)生凹凸變形，克服了上述3種試驗(yàn)方法的不足。為進(jìn)一步研究排水條件和孔隙水壓力對(duì)筋土界面力學(xué)特性的影響，建議增設(shè)排水控制設(shè)施及孔隙水壓力測(cè)力計(jì)。

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（2）變化教學(xué)形式、活躍教學(xué)氣氛。開展法律知識(shí)講座與案例教學(xué)，在護(hù)理學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中應(yīng)用典型案例，將護(hù)理技術(shù)、操作規(guī)程中的相關(guān)法律問(wèn)題貫穿其中，增強(qiáng)學(xué)生護(hù)理法律意識(shí)[5]。案例教學(xué)強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)護(hù)理法規(guī)和常規(guī)潛在性法律問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，可激發(fā)學(xué)生興趣，活躍課堂氣氛，提高教學(xué)效果。

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