加筋粉煤灰砂混合料大型三軸試驗(yàn)研究

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

1 研究背景

粉煤灰是以煤炭為主要燃料的電廠和工業(yè)鍋爐燃燒產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物。近幾年來(lái)，粉煤灰排放量巨大，貯存堆放占用了大量土地，不僅污染環(huán)境，而且危害人體健康，所以對(duì)粉煤灰綜合利用開(kāi)發(fā)是非常必要的[1-2]。隨著對(duì)粉煤灰的開(kāi)發(fā)利用，粉煤灰應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中利用量較大的是用于工程回填材料和直接作為地基填筑材料[3-5]。Venkatesh[6]研究表明粉煤灰為建筑路基穩(wěn)定性較好的回填材料。粉煤灰具有自重輕、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，遇水強(qiáng)度損失小等優(yōu)點(diǎn)，利用粉煤灰作為路堤填筑材料，能夠發(fā)揮粉煤灰質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，減輕構(gòu)筑物的自重及路基沉降變形，提高穩(wěn)定性[7]。

郭鴻等[8]在粉煤灰中摻入一定質(zhì)量黃土進(jìn)行試驗(yàn)研究， 結(jié)果表明隨著黃土摻量的增加， 粉煤灰最大干密度呈線(xiàn)性增加， 滲透性減弱。 駱亞生等[9]通過(guò)在粉煤灰中摻入一定質(zhì)量黃土， 進(jìn)行了擊實(shí)、 固結(jié)壓縮、 直剪和三軸等試驗(yàn)研究不同黃土摻量下粉煤灰的工程特性， 得到不同摻土量對(duì)粉煤灰變形及強(qiáng)度特性的影響規(guī)律。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 粉煤灰中摻入少量黃土可以明顯提高土體的密度和凝聚力。 Kumar Sharma等[10]采用適當(dāng)粉煤灰和廢棄河砂改善黏土工程力學(xué)性能， 進(jìn)行了一系列擊實(shí)試驗(yàn)、 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)測(cè)試和滲透性試驗(yàn)， 結(jié)果表明， 粉煤灰可以有效提高無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和混合料滲透性能。 韓金[11]通過(guò)土工格柵加筋粉煤灰進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)、 拉拔試驗(yàn)， 研究土工格柵與粉煤灰的界面特性， 為土工格柵在粉煤灰結(jié)構(gòu)物中加筋應(yīng)用提供了理論依據(jù)。 王協(xié)群等[12]研究了土工格室加筋地基承載力試驗(yàn)， 結(jié)果表明格室側(cè)壁對(duì)土體產(chǎn)生側(cè)向約束， 并且產(chǎn)生的摩擦阻力可提高土體強(qiáng)度特性。 傅華等[13]通過(guò)大型三軸試驗(yàn)得出， 對(duì)于同一種加筋材料， 加筋層數(shù)越多， 加筋筋材豎向間距越小， 加筋效果越明顯。 梁波等[14]通過(guò)試驗(yàn)分析了加筋粉煤灰靜、 動(dòng)強(qiáng)度的拉力破壞和黏著破壞2種情況下的強(qiáng)度指標(biāo)； 所提出的等效側(cè)向約束力計(jì)算模型適用于靜力條件， 同時(shí)也適用于動(dòng)力條件下的加筋效應(yīng)分析。

本文進(jìn)行大型三軸試驗(yàn)，在試樣達(dá)到最佳含水量及壓實(shí)度在90%的情況下，分別進(jìn)行不加筋固結(jié)排水(固結(jié)慢剪，以符號(hào)CD表示)、固結(jié)不排水(固結(jié)快剪，以符號(hào)CU表示)和不固結(jié)不排水(快剪，以符號(hào)UU表示)三軸試驗(yàn)，分析不同固結(jié)和排水條件對(duì)試樣整體抗剪強(qiáng)度的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了加筋不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，研究筋材種類(lèi)對(duì)粉煤灰砂混合土的抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)所用設(shè)備為四川大學(xué)華西巖土儀器研究所研制的SZ30-4DA型大型三軸試驗(yàn)機(jī)(如圖1所示)。試樣為Φ300 mm×600 mm的圓柱體。該試驗(yàn)機(jī)設(shè)備分為油源泵站系統(tǒng)，軸向控制系統(tǒng)，圍壓控制系統(tǒng)，反壓控制系統(tǒng)，孔壓、體變測(cè)量系統(tǒng)等，能實(shí)現(xiàn)軸向壓力、軸向位移、周?chē)鷫毫Α⒖紫秹毫?、試樣體積變化、固結(jié)排水量等參數(shù)的自動(dòng)采集工作。

圖1 大型三軸試驗(yàn)儀和三軸試驗(yàn)試樣Fig.1 Large-scale triaxial test equipment andspecimen of large-scale triaxial test

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用粉煤灰來(lái)自于武漢市永恒基商品混凝土站， 其化學(xué)成分、 粉煤灰的性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1和表2； 砂土為武漢周邊地區(qū)的河砂， 通過(guò)篩分比試驗(yàn)確定， 粒徑主要集中在0.01～2.36 mm， 屬細(xì)砂。 試驗(yàn)砂土基本物理指標(biāo)如表3； 試驗(yàn)選用土工合成材料包括輪胎、 土工格室、 三向土工格柵、 雙向土工格柵， 其中土工格室尺寸為30 cm(長(zhǎng))×30 cm(寬)×5 mm(厚)， 廢舊輪胎沿中心線(xiàn)剖開(kāi)尺寸為Φ170 mm×寬50 mm， 雙向土工格柵尺寸和三向土工格柵的尺寸均為 30 cm(長(zhǎng))×30 cm (寬)。 為避免三向土工格柵、 雙向土工格柵和土工格室劃破乳膠膜， 將筋材剪成比試樣稍小的圓形， 直徑為29 cm。 試驗(yàn)輪胎各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)、 土工格室技術(shù)指標(biāo)、 雙向土工格柵主要技術(shù)指標(biāo)、 三向格柵主要技術(shù)指標(biāo)依次為表4—表7。

表1 粉煤灰的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of fly ash

表2 粉煤灰的性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Table 2 Test results of fly ash performance indicators

表3 試驗(yàn)砂土基本物理指標(biāo)
Table 3 Basic physical indicators of test sand

最大干密度/(g·cm-3)最小干密度/(g·cm-3)含水率/%相對(duì)密度不均勻系數(shù)Cu曲率系數(shù)Cc有效粒徑/mm限制粒徑/mm1.891.653.742.675.41.40.140.57

表4 輪胎各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)Table 4 Parameters of tire

表5 土工格室技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indices of geocell

表6 雙向格柵主要技術(shù)指標(biāo)Table 6 Main technical indices of the biaxial geogrid

表7 三向土工格柵技術(shù)指標(biāo)Table 7 Technical indices of the triaxial geogrids

2.3 試驗(yàn)方法與控制標(biāo)準(zhǔn)

基于大型直剪試驗(yàn)，對(duì)摻入一定質(zhì)量比例的粉煤灰砂混合料抗剪特性研究，摻入粉煤灰質(zhì)量比依次為0%，10%，20%，30%，40%，50%的粉煤灰砂混合料，試驗(yàn)得出20%的粉煤灰砂混合料的抗剪性能較好。試驗(yàn)前將粉煤灰和砂土分別按照比例進(jìn)行配制并悶料24 h后，試樣壓實(shí)度控制在90%，分層擊實(shí)制樣，試樣高度為60 cm，直徑為30 cm，分6層擊實(shí)，每層10 cm，直到制樣完成。之后進(jìn)行抽真空并檢查試樣的氣密性、壓力室的安裝、三軸試樣的預(yù)接觸、壓力室內(nèi)試樣周?chē)⑺?，并根?jù)試驗(yàn)要求選擇試樣飽和，施加試驗(yàn)所需的圍壓。然后根據(jù)試驗(yàn)選擇試樣固結(jié)方式，最后進(jìn)行三軸剪切。對(duì)不加筋試樣分別進(jìn)行UU，CU，CD三軸試驗(yàn)，對(duì)土工合成材料加筋試樣進(jìn)行系列UU三軸試驗(yàn)，每組試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)3個(gè)，圍壓σ3分別為200，400，600 kPa。由于該試驗(yàn)粉煤灰砂混合料試樣難以飽和，對(duì)于固結(jié)不排水和固結(jié)排水三軸試樣均采用以水頭飽和為主，在極難飽和下采用反壓飽和，以水頭飽和檢查試樣是否完全飽和的方式。三軸剪切速率為0.6 mm/min，軸向位移達(dá)到90 mm左右時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

三軸試驗(yàn)方案如表8所示，筋材在試樣中的位置示意圖，如圖2所示。

表8 大型三軸試驗(yàn)方案Table 8 Scenarios of large-scale triaxial test

圖2 筋材布筋方式Fig.2 Arrangements of reinforcement

圖3 20%粉煤灰無(wú)加筋試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3 Stress-strain curves of unreinforced sandspecimens dosed with 20% fly ash

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變特征分析

3.1.1 不同固結(jié)和排水條件下的應(yīng)力-應(yīng)變分析

摻入20%粉煤灰砂土混合料試樣在不同固結(jié)和排水條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)如圖3。圖3(a)—圖3(c)分別對(duì)應(yīng)固結(jié)不排水、固結(jié)排水和不固結(jié)不排水試驗(yàn)條件。由圖3可知，不同圍壓下試樣的應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增大而增大，在軸向偏應(yīng)力增加到峰值后逐漸趨于穩(wěn)定；在軸向應(yīng)變較小時(shí)，3組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)基本一致；隨著軸向應(yīng)變的增大，3組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)逐漸分離，出現(xiàn)較大的差異，這說(shuō)明圍壓對(duì)試樣起到一定的側(cè)向約束作用。當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%或達(dá)到試驗(yàn)儀器設(shè)定軸向位移終止條件時(shí)，剪切試驗(yàn)結(jié)束，隨后進(jìn)行試驗(yàn)拆樣時(shí)，發(fā)現(xiàn)試樣有明顯剪脹現(xiàn)象。

對(duì)比圖3中的(a)，(b)，(c)可以看出，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)峰值或破壞點(diǎn)處(σ1-σ3)f數(shù)值由大到小依次是快剪、固結(jié)慢剪和固結(jié)快剪。由于快剪時(shí)，試樣并未經(jīng)水頭飽和，此時(shí)試樣內(nèi)部的粉煤灰顆粒與砂顆粒是均勻緊密黏結(jié)在一起，能較好地共同承受荷載作用；CD三軸試驗(yàn)和CU三軸試驗(yàn)試樣是經(jīng)過(guò)水頭飽和固結(jié)，不同的是CD三軸試驗(yàn)剪切過(guò)程中排水閥保持打開(kāi)狀態(tài)，剪切過(guò)程中會(huì)從試樣中排出一部分水，這時(shí)試樣內(nèi)部的粉煤灰顆粒和砂顆粒部分流失，多數(shù)粉煤灰顆粒與砂顆粒相互黏結(jié)，共同承受所施加的荷載；而CU三軸試驗(yàn)剪切過(guò)程中排水閥門(mén)保持關(guān)閉狀態(tài)，剪切過(guò)程中試樣是一個(gè)封閉狀態(tài)，內(nèi)部充滿(mǎn)水，粉煤灰顆粒和砂顆粒是由水包圍著，故其在破壞時(shí)偏應(yīng)力減小。

圖4 20%粉煤灰1層筋材加筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)(UU試驗(yàn))Fig.4 Stress-strain curves of sand specimens reinforcedwith one layer of reinforcements dosed with 20%fly ash in unconsolidated undrained test

3.1.2 UU快剪試驗(yàn)下不同土工合成材料加筋應(yīng)力-應(yīng)變分析

圖4為摻入20%粉煤灰砂土混合料試樣在UU三軸試驗(yàn)下不同筋材加筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，圖4(a)—圖4(c)分別對(duì)應(yīng)圍壓200，400，600 kPa。由圖4可知在不同圍壓下，摻入20%粉煤灰砂土混合料試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)整體趨勢(shì)為：偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增大而增大，當(dāng)軸向應(yīng)變?cè)黾拥揭欢〝?shù)值時(shí)，其軸向偏應(yīng)力增加到最大峰值后保持穩(wěn)定。在軸向小應(yīng)變時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)基本一致；隨著軸向應(yīng)變的增大，曲線(xiàn)逐漸分離，出現(xiàn)明顯差異，這說(shuō)明筋材加筋在小應(yīng)變時(shí)，筋材加筋沒(méi)有發(fā)揮顯著的作用。然而，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加，各個(gè)曲線(xiàn)逐漸分離，并存在明顯差異，這是由于不同筋材的加入在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)揮明顯作用。

圖4中對(duì)于鋪設(shè)1層筋材加筋的試樣，輪胎加筋承載力提高較為明顯，依次為三向格柵、雙向格柵和土工格室，隨著圍壓的增加，試樣承載力提高得更加明顯。造成這種現(xiàn)象的原因是筋材各自的加筋機(jī)理不同，土工格室加筋主要通過(guò)提供給試樣單元側(cè)向約束作用，格室內(nèi)外壁對(duì)混合料產(chǎn)生摩擦力，從而形成一個(gè)較大抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的復(fù)合體結(jié)構(gòu)；而格柵加筋主要是格柵單元肋條與混合料土體之間的約束咬合作用，上下表面與料體產(chǎn)生相互摩擦作用，進(jìn)而提高承載能力；對(duì)于輪胎加筋，輪胎材料有較好的力學(xué)性能，強(qiáng)度較高，并且輪胎加筋是立體式加筋，通過(guò)給土體提供較強(qiáng)的側(cè)向約束力之外，輪胎內(nèi)外表面與混合料土體的接觸面，產(chǎn)生摩擦作用力，進(jìn)而提高其抗剪強(qiáng)度。

在施工過(guò)程中土工格室加筋由于施工控制方式的原因，會(huì)在施工過(guò)程中土工格室壁發(fā)生彎折，對(duì)加筋力學(xué)性能產(chǎn)生影響，輪胎加筋施工主要解決單個(gè)輪胎加筋向多個(gè)輪胎的力的傳遞，特別是輪胎之間的連接處力學(xué)強(qiáng)度比較薄弱。對(duì)于土工格柵加筋施工比較簡(jiǎn)單，由于是片狀筋材，只需鋪平進(jìn)行攤鋪填料碾壓壓實(shí)即可，筋材之間沒(méi)有較多的連接缺陷。根據(jù)開(kāi)口形狀將格柵分為正方形雙向土工格柵和正三角形的三向土工格柵，三向土工格柵可以在各個(gè)方向承受所施加的荷載，雙向格柵只能在2個(gè)方向承受荷載的作用，三角形的受力穩(wěn)定性要強(qiáng)于平行四邊形的雙向格柵。通過(guò)對(duì)比分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，可知三向格柵的加筋作用要比雙向格柵的作用要好。

3.1.3 快剪試驗(yàn)下不同層間距雙向土工格柵加筋應(yīng)力-應(yīng)變分析

圖5為摻入20%的粉煤灰砂土混合料的試樣在UU三軸試驗(yàn)下雙向土工格柵不同等間距加筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中筋材的布置，鋪設(shè)1層筋材，于試樣高度的1/2處布置，筋材間距為30 cm，依次類(lèi)推2層筋材加筋和5層筋材加筋的加筋層間距分別為20 cm和10 cm。圖5(a)—圖5(c)分別對(duì)應(yīng)圍壓200，400，600 kPa。由圖5可知在不同圍壓下，摻入20%粉煤灰砂土混合料的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)整體上表現(xiàn)為：偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增大而增大，當(dāng)軸向應(yīng)變?cè)黾拥揭欢〝?shù)值時(shí)，軸向偏應(yīng)力增加到最大峰值，并在該最大峰值保持穩(wěn)定，并有應(yīng)變軟化的趨勢(shì)。

圖5 20%粉煤灰多層雙向土工格柵加筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)(UU試驗(yàn))Fig.5 Stress-strain curves of sand specimens reinforcedwith multiple layers of biaxial geogrid dosed with20% fly ash in unconsolidated undrained test

從圖5可以看出：

(1)對(duì)于偏應(yīng)力峰值，5層筋材加筋(間距為10 cm)明顯高于2層筋材加筋(間距為20 cm)，高于1層筋材加筋(間距10 cm)，更加優(yōu)于無(wú)加筋工況。隨著圍壓的增加，試樣承載力特性明顯增加。

(2)低圍壓下，筋材層間距減小，試樣承載能力明顯增加；隨著圍壓的增加到較高圍壓時(shí)，試樣承載能力隨著加筋層間距的減小增加不顯著。低圍壓對(duì)試樣提供側(cè)向約束作用較小，需通過(guò)試樣自身來(lái)承受所施加的荷載，使得1層加筋對(duì)承載能力提高不明顯，需通過(guò)增加加筋層數(shù)來(lái)提高其承載性能；中等圍壓下，圍壓對(duì)試樣起到側(cè)向約束作用，同時(shí)筋材加筋對(duì)試樣提供側(cè)向約束，在試樣高度一定時(shí)，加筋層間距的減小使得承載性能有明顯提高，但是在高圍壓下，對(duì)試樣側(cè)向約束作用更強(qiáng)，1層筋材加筋能很好發(fā)揮作用，而2層和5層筋材加筋相對(duì)1層加筋效果而言，承載性能提高比較有限。

3.2 粉煤灰加筋土抗剪強(qiáng)度

依據(jù)Mohr-Columb強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算摻入20%粉煤灰砂混合料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如表9所示。

表9 摻入20%粉煤灰砂混合料試驗(yàn)工況及強(qiáng)度指標(biāo)Table 9 Test conditions and strength indices ofsand specimens dosed with 20% fly ash

由表9可知：①對(duì)于無(wú)加筋試驗(yàn)，摻入20%粉煤灰砂混合料CD三軸試驗(yàn)所得出的黏聚力較小， CU三軸試驗(yàn)中的內(nèi)摩擦角較小， UU三軸試驗(yàn)所得到的黏聚力較大，而內(nèi)摩擦角位于CU試驗(yàn)與CD試驗(yàn)之間。②對(duì)CU三軸試驗(yàn)中的有效黏聚力小于總的黏聚力，有效內(nèi)摩擦角大于總的內(nèi)摩擦角，這是孔隙水壓力存在所造成的影響。③對(duì)于單層、不同筋材加筋不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，根據(jù)黏聚力和內(nèi)摩擦角的評(píng)估結(jié)果，輪胎加筋效果最好，其余依次是三向土工格柵、雙向格柵加筋和土工格室加筋；黏聚力改善方面雙向格柵優(yōu)于土工格室，內(nèi)摩擦角方面兩者改善不明顯，說(shuō)明輪胎加筋的機(jī)理模式優(yōu)于片狀格柵類(lèi)筋材，更加優(yōu)于土工格室加筋。④對(duì)于不同層間距的雙向格柵加筋的不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，加筋層間距減小，黏聚力和內(nèi)摩擦角均有明顯提高。加筋層間距的減小，意味著單位高度內(nèi)鋪設(shè)筋材層數(shù)增加，混合料顆粒與筋材的接觸面積增加，從而筋材界面摩擦阻力增加，使得加筋復(fù)合體結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度增加。

3.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

在摻入20%粉煤灰砂混合料的砂中，加入筋材會(huì)有效限制砂體側(cè)向變形，使其具備準(zhǔn)黏聚力，目前對(duì)加筋機(jī)理有2種解釋[15]，分別如下。

(1)等效圍壓原理[16-17]。在三軸壓縮剪切試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)加筋試樣與不加筋試樣施加相同的圍壓，加筋試樣破壞主應(yīng)力差大，加筋試樣抗剪強(qiáng)度增大效果等同于提高作用于試樣的圍壓，即不加筋粉煤灰混合料試樣在圍壓σ3+Δσ3作用下的抗剪強(qiáng)度等效于加筋試樣在圍壓σ3作用下的抗剪強(qiáng)度，提高的圍壓就稱(chēng)為等效圍壓Δσ3[17]，并有如下定義：

(1)

(2)

(2)準(zhǔn)黏聚力原理[19]。加筋試樣與未加筋試樣的強(qiáng)度曲線(xiàn)可近似地視為平行，這樣可假定土體的內(nèi)摩擦角在加筋后基本保持不變，即φ=φ′，然而，加筋試樣的“黏聚力”則增加了，增加的“黏聚力”不是土體所固有的，而是由于加筋的結(jié)果，因此稱(chēng)為準(zhǔn)黏聚力cR[18]，并有如下定義:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中φ為素砂的內(nèi)摩擦角。

表10 摻入20%粉煤灰砂混合料與筋材復(fù)合加筋效果強(qiáng)度比較Table 10 Comparison of strengths of sand specimens dosed with 20% fly ash with composite reinforcements

表11 不同筋材加筋下的摻入20%粉煤灰砂混合料加筋強(qiáng)度及加筋效果系數(shù)Table 11 Values of reinforcement strength and reinforcement effect coefficient of specimens dosed with 20% fly ashwith different reinforcements

表10為摻入20%粉煤灰砂混合料與筋材復(fù)合加筋效果強(qiáng)度比較。根據(jù)等效圍壓原理和準(zhǔn)黏聚力原理計(jì)算分析得出結(jié)果為：①通過(guò)準(zhǔn)黏聚力原理計(jì)算的摻入20%粉煤灰砂混合料破壞時(shí)的加筋單位寬度所受拉力與等效圍壓原理計(jì)算的數(shù)值相等；②對(duì)于單層筋材加筋復(fù)合結(jié)構(gòu)體破壞時(shí)的單位寬度加筋所受拉力，輪胎加筋的拉力較大之外，其他土工合成材料加筋的拉力相近，變化范圍在38.9～49.4 kN/m；③對(duì)于多層雙向土工格柵加筋，隨著加筋層數(shù)的增加，加筋復(fù)合結(jié)構(gòu)體破壞時(shí)的單位寬度加筋所受拉力逐漸減小，而準(zhǔn)黏聚力和等效周?chē)鷫毫χ饾u增大。

3.4 加筋效果綜合評(píng)價(jià)

為了更好地評(píng)價(jià)各組試驗(yàn)加筋效果，引入強(qiáng)度加筋效果系數(shù)[16]Rσ，其定義為

(7)

表11為不同筋材加筋下的摻入20%粉煤灰砂混合料加筋強(qiáng)度及加筋效果系數(shù)。結(jié)果表明加筋效果系數(shù)計(jì)算結(jié)果整體上>1.0，說(shuō)明加筋破壞時(shí)的主應(yīng)力差均大于不加筋破壞時(shí)的主應(yīng)力差值。由表11可知筋材的加筋效果系數(shù)與圍壓變化相關(guān)性較差，整體對(duì)比可以看出，隨著圍壓的增加，加筋效果系數(shù)基本是增加的。在較低圍壓下，摻入20%粉煤灰砂混合料的側(cè)向變形較大，而筋材的加入使得側(cè)向變形得到有效的減小，進(jìn)而筋材與混合料顆粒發(fā)生界面摩擦和筋材肋單元對(duì)顆粒移動(dòng)進(jìn)行有效的鎖嵌效應(yīng)，使得加筋復(fù)合體結(jié)構(gòu)的承載性能得到改善。在高圍壓的情況下，摻入20%粉煤灰砂混合料的側(cè)向變形相對(duì)較小，那么筋材在對(duì)側(cè)向約束作用發(fā)揮得較小，故而加筋效果系數(shù)會(huì)有減小的趨勢(shì)。

表12為不同加筋層數(shù)下的摻入20%粉煤灰砂混合料加筋強(qiáng)度及加筋效果系數(shù)，結(jié)果表明加筋效果系數(shù)均>1.0，說(shuō)明加筋時(shí)破壞時(shí)的偏應(yīng)力均大于不加筋時(shí)的偏應(yīng)力值。

表12 不同加筋層數(shù)下的摻入20%粉煤灰砂混合料加筋強(qiáng)度及加筋效果系數(shù)Table 12 Values of reinforcement strength andreinforcement effect coefficient of 20% fly ash sandmixture with different layers of reinforcement

由表12可以看出，相同圍壓下隨著加筋層數(shù)的增加(加筋層豎向間距的減小)，加筋效果系數(shù)增加；在加筋層數(shù)固定時(shí)，加筋效果系數(shù)總體上是隨著圍壓增大而增加。這主要是因?yàn)樵谳^低圍壓下，摻入20%粉煤灰砂混合料的側(cè)向變形較大，而筋材的加入使得側(cè)向變形得到有效的減??；隨著筋材層數(shù)的增加，筋材與混合料顆粒接觸面積增加，筋材與混合料的界面摩擦阻力得到了大幅度的增加，也就很好地體現(xiàn)出加筋在復(fù)合結(jié)構(gòu)體發(fā)揮著較大作用，加筋效果系數(shù)從而得到增加。在高圍壓的情況下，摻入20%粉煤灰砂混合料的側(cè)向變形相對(duì)較小，筋材對(duì)試樣側(cè)向約束作用發(fā)揮得并不明顯，故而加筋效果系數(shù)降低。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)不加筋固結(jié)不排水(CU固結(jié)快剪)、固結(jié)排水(CD固結(jié)慢剪)和不固結(jié)不排水(UU快剪)大型三軸試驗(yàn)及加筋系列的固結(jié)快剪試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)摻入20%的粉煤灰砂土混合料在不同固結(jié)排水條件的大型三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，不固結(jié)不排水三軸破壞時(shí)的偏應(yīng)力高于固結(jié)排水三軸試驗(yàn)和固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)破壞時(shí)的偏應(yīng)力?？旒魲l件下得到的黏聚力大于固結(jié)慢剪的黏聚力，固結(jié)慢剪得到的黏聚力較?。粌?nèi)摩擦角三者變化差距不大。

(2)摻入20%粉煤灰砂混合料加筋及無(wú)加筋UU三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)單層筋材加筋的土工格室、雙向土工格柵、三向土工格柵和輪胎4種筋材而言，輪胎加筋效果最好，格柵片狀筋材次之，再者是土工格室加筋。

(3)摻入20%粉煤灰砂混合料不同加筋層數(shù)快剪三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著加筋層數(shù)的增加，相應(yīng)強(qiáng)度加筋效果系數(shù)增加，破壞時(shí)的主應(yīng)力差值增加。

(4)不同層數(shù)加筋三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，在多層加筋時(shí)，隨著試驗(yàn)圍壓的增加，加筋試樣破壞時(shí)的偏應(yīng)力隨之增加，但加筋效果會(huì)有所下降。

(5)加筋層豎向間距越小，加筋筋材層數(shù)越多，加筋效果越好；但是加筋層豎向間距過(guò)小，筋材與土體的接觸面積太小，加筋作用難以發(fā)揮，建議采用加筋層豎向間距為20 cm的粉煤灰砂混合料，其相應(yīng)加筋性能較優(yōu)，同時(shí)也比較經(jīng)濟(jì)。