加筋含細(xì)粒土砂的大型三軸試驗(yàn)分析

賀志軍，阿斯嘎，鄒金鋒

加筋含細(xì)粒土砂的大型三軸試驗(yàn)分析

賀志軍1，阿斯嘎2，鄒金鋒2

(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

為研究在不同加筋情況下土工格柵加筋土的力學(xué)特征及加筋效果進(jìn)行大型三軸實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行土工實(shí)驗(yàn)確定土壤參數(shù)及最佳含水率，然后進(jìn)行大型三軸實(shí)驗(yàn)以確定在不同加筋及圍壓條件下加筋土的性質(zhì)變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得知，土的性質(zhì)隨加筋情況和圍壓的變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律特征，可利用Duncan-Chang模型參數(shù)對加筋效果進(jìn)行定量分析。試驗(yàn)結(jié)果表明:加筋后土體的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；對加筋效果系數(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)會降低；土工格柵加筋主要提高了土體的黏聚力。

土工格柵加筋土；大型三軸實(shí)驗(yàn)；Duncan-Chang模型；加筋形式；剪切強(qiáng)度

在工程應(yīng)用中，在自重或外荷載作用下，土體易于產(chǎn)生變形或塌陷現(xiàn)象。在土中加入土工材料以改善土的力學(xué)性質(zhì)是工程中的常用手段。加筋材料與土之間的摩擦力限制了土的側(cè)向變形，并提高了土的抗剪強(qiáng)度。由于土工織物尺寸較大，常規(guī)尺寸實(shí)驗(yàn)較難取得良好結(jié)果，為精確取得加筋土力學(xué)參數(shù)，常采用大型三軸實(shí)驗(yàn)。通過三軸試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在土中摻入纖維的材料可以提高土體強(qiáng)度[1]。不同土質(zhì)在加筋材料加筋下的力學(xué)性質(zhì)可由三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究[2?5]。除了材料外，加筋形式、圍壓等條件也會影響三軸實(shí)驗(yàn)中得到的加筋土力學(xué)特 性[6?9]。Duncan-Chang模型是應(yīng)用比較廣泛的地基模型，也被用來描述三軸實(shí)驗(yàn)中的本構(gòu)關(guān)系[10]。而土工格柵與土交界面的力學(xué)特性可以由實(shí)驗(yàn)室拉拔試驗(yàn)得到，并建立有限元模型[11]。而直剪實(shí)驗(yàn)得到的筋土界面的剪切特性[12?15]表明加筋土的應(yīng)力?位移關(guān)系呈明顯的非線性，可以使用Duncan-Chang模型對其進(jìn)行分析。本文結(jié)合加筋情況，利用大型三軸實(shí)驗(yàn)取得加筋土的實(shí)驗(yàn)曲線及力學(xué)特征。通過與素土的比較，研究在不同工況下加筋土的性質(zhì)變化。研究結(jié)果對土工格柵加筋含細(xì)粒土砂在工程中的應(yīng)用具有一定的參考價值。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自婁衡高速檀山咀服務(wù)區(qū)現(xiàn)場中使用的填料，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)，取得土樣的級配曲線；進(jìn)行擊實(shí)實(shí)驗(yàn)取得土樣的含水率?干密度曲線；進(jìn)行液塑限實(shí)驗(yàn)取得土樣的液塑限。

根據(jù)公路土工試驗(yàn)規(guī)程( JTG E40—2007)，判斷土樣為含細(xì)粒土砂，最優(yōu)含水率為22.4%，液限平均值為L=58.2%；塑限平均值為p=20.7%；塑性指數(shù)P=37.5。

試驗(yàn)采用的玻璃纖維土工格柵的尺寸和強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

表1 玻璃纖維土工格柵的物理尺寸和拉伸參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本次的試驗(yàn)方案是將素土樣，加1~3層筋土樣在不同圍壓情況下進(jìn)行三軸試驗(yàn)，研究含細(xì)粒土砂隨加筋形式及圍壓的變化產(chǎn)生的力學(xué)特性改變。

將試樣攪拌均勻至最佳含水率(23.5%)，置入圓柱形模具中分層壓實(shí)，在每層壓實(shí)完成后，需將表面刮花以提高與下一層之間的結(jié)合力。為了研究加筋層數(shù)對土樣力學(xué)性質(zhì)的影響，采用以下4種加筋方案，素土及1層、2層、3層加筋土，將土工格柵剪成圓型放入試樣中，具體加筋方式見圖1。

單位：mm

利用大型三軸試驗(yàn)儀對試樣施加圍壓，分別為200，300和400 kPa，采用的剪切速率為2 mm/min，當(dāng)試樣破壞，或軸向應(yīng)變達(dá)到15%時停止實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試樣破壞形態(tài)及應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系

按試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，取得了一系列剪應(yīng)力、剪應(yīng)變，試樣破壞形態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。表2為破壞應(yīng)力情況。

破壞形態(tài)如圖2所示。與試樣原形狀比較，有剪切破壞，中部鼓脹和頂部鼓脹3種形態(tài)。實(shí)驗(yàn)顯示破壞形式與加筋形式有關(guān)，剪切破壞出現(xiàn)在素土試樣中，中部鼓脹出現(xiàn)在1~2層加筋試樣中，頂部鼓脹出現(xiàn)在3層加筋試樣中。

在加筋情況下，滑動面長度減小，而位置上移，這是因?yàn)榻钔灵g抗力減小了試樣中活動部分的破壞率。此外，筋土間抗力在加筋層數(shù)增加時增大，使試樣強(qiáng)度顯著提高。

圖3為應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系圖。

表2 實(shí)驗(yàn)中的破壞應(yīng)力情況

(a) 剪切破壞；(b) 中部鼓脹；(c) 頂部膨脹

(a) σ3=200 kPa; (b) σ3=300 kPa; (c) σ3=200 kPa

由圖3可知，在低圍壓下，加筋土的剪切強(qiáng)度顯著大于素土，但隨著加筋層數(shù)增加，加筋效果并不明顯。而在高圍壓下，1和2層筋與素土剪切強(qiáng)度相差較少，而3層筋強(qiáng)度顯著提高?？芍咏羁商岣吆?xì)粒土砂的力學(xué)性能，在工程應(yīng)用中，應(yīng)考慮不同荷載來決定加筋層數(shù)。在不同圍壓下，應(yīng)力都隨應(yīng)變增長而提高，沒有明顯的峰值。

2.2 加筋效果分析

引入強(qiáng)度加筋效果系數(shù)[16]以評價含細(xì)粒土砂加筋后的強(qiáng)度，如下：

為研究加筋行為對含細(xì)粒土砂黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，繪制加筋土的Mohr-Coulomb包線圖，如圖5所示。

圖4 Rσ與σ3關(guān)系

圖5 實(shí)驗(yàn)Mohr-Coulomb包線圖

由圖4~5可知：

1) 在不同圍壓下，不同加筋層數(shù)下含細(xì)粒土砂的強(qiáng)度加筋效果系數(shù)均大于1.0，加筋土的破壞應(yīng)力大于素土的破壞應(yīng)力，說明不論圍壓大小，土工格柵都可以提高含細(xì)粒土砂的強(qiáng)度。

2) 隨圍壓不同，1層筋土的值的范圍為1.07~1.59，2層筋土的值的范圍為1.15~1.53，3層筋土的值的范圍為1.39~1.50。不論加筋層數(shù)如何，在低圍壓下的加筋效果都大于高圍壓下的加筋效果。說明在低圍壓下，土工格柵對含細(xì)粒土砂的強(qiáng)度提升效果較為明顯。

3) 在圍壓為200 kPa時，1層筋土的值最大，3層加筋土的值最小。而在圍壓為300 kPa或400 kPa時，3層筋土的值最大，而1層加筋土的值最小。說明圍壓變化對1層加筋土的影響較大，而對多層加筋的影響較小。

4) 在圍壓較低時，加筋層數(shù)對值并無明顯影響，而在圍壓較大時，3層筋土的值明顯大于1層與2層加筋土，說明在高圍壓的情況下，增加加筋層數(shù)可以更有效地起到增加含細(xì)粒土砂強(qiáng)度的作用。

5) 在加筋前后，含細(xì)粒土砂的Mohr-Coulomb包線近乎平行。對含細(xì)粒土砂的加筋強(qiáng)化主要提高了填料的黏聚力，而內(nèi)摩擦角基本不變。

綜上所述，加入土工格柵可以顯著提高含細(xì)粒土砂的強(qiáng)度。在低圍壓下加筋效果較為明顯，且與加筋層數(shù)關(guān)聯(lián)性較小，用較少加筋層數(shù)也可顯著提高含細(xì)粒土砂的破壞強(qiáng)度，而在高圍壓情況下，加筋層數(shù)對破壞強(qiáng)度影響非常顯著，需增加加筋層數(shù)以達(dá)到增加強(qiáng)度的目的。加筋主要提高了含細(xì)粒土砂的黏聚力。

2.3 加筋效果驗(yàn)證

土的加筋效果與圍壓、加筋層數(shù)、加筋密度和加筋材料等有關(guān)。本文在前文不同加筋層數(shù)下，研究填料各個參數(shù)的變化情況。在加筋層數(shù)增加時，由圖3可見，填料最大應(yīng)力(1?3)隨之增加；由圖4可見，填料加筋系數(shù)也隨之增加；由圖5的抗剪強(qiáng)度包線中可以觀察到，隨著加筋層數(shù)增加，填料的內(nèi)摩擦角幾乎保持不變，而黏聚力有所提高。

在本節(jié)中，在加4層筋的情況下，針對不同圍壓下進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證加筋層數(shù)對參數(shù)的影響。

4層加筋土的加筋效果系數(shù)如圖6所示。

4層加筋土的效果系數(shù)大于3層加筋土的系數(shù)，范圍在1.41~1.51之間?？梢婋S圍壓提高，加筋系數(shù)減少；在低圍壓時系數(shù)比1層加筋土低，而高圍壓時比其他加筋層數(shù)高，總體符合3.2節(jié)中總結(jié)的規(guī)律。但4層筋圖的強(qiáng)度系數(shù)增長與其他加筋形式相比較并不明顯，說明加筋效果系數(shù)并不是線性提高。從2.2節(jié)中可知，高圍壓下可通過增加加筋系數(shù)來提高含細(xì)粒土砂的強(qiáng)度，但由圖6可知一味提高加筋層數(shù)并不能顯著提高土的強(qiáng)度。

圖6 4層加筋Rσ與σ3關(guān)系

由2.2節(jié)中可知，隨著加筋層數(shù)的增多，在內(nèi)摩擦角不明顯變化的情況下，黏聚力會隨之提高。而黏聚力的增長近似呈線性關(guān)系，線性擬合如圖7所示。由此得到加筋土黏聚力與加筋層數(shù)間的關(guān)系，可求得4層筋土的預(yù)測黏聚力。在4層加筋下進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)，將所得強(qiáng)度包線與預(yù)測值進(jìn)行比較，如圖8所示。

圖7 黏聚力與加筋層數(shù)關(guān)系圖

圖8 實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度包線與預(yù)測包線比較

從圖8中可觀察到，預(yù)測抗剪強(qiáng)度包線與實(shí)際抗剪強(qiáng)度包線趨勢相近?？芍咏詈?xì)粒土砂的強(qiáng)度滿足等效黏聚力原理，即加筋前后填料的內(nèi)摩擦角不變，而黏聚力增加，表現(xiàn)為不同加筋層數(shù)下的抗剪強(qiáng)度包線近乎平行。

3 Duncan-Chang模型分析

3.1 Duncan-Chang模型參數(shù)計(jì)算

表3 Duncan-Chang 模型參數(shù)

模型參數(shù)均為無量綱參數(shù)。由表3可以看出：

1) 初始變形模量E的基數(shù)隨加筋層數(shù)增加而增加，說明加筋可以明顯提高值，提高含細(xì)粒土砂的初始變形模量。反映E隨3增長的關(guān)系，隨加筋層數(shù)增加而逐步增加。說明土的初始變形模量E會隨圍壓增大而增大。

2) 破壞比R的含義為：

3)反映v隨增長的關(guān)系，其值加筋層數(shù)增加而增加，這也可以說明加筋層數(shù)較大時，其軸向應(yīng)變和側(cè)向變形的比值隨的增長，變化幅度減小。為初始泊松比v的基數(shù)，隨加筋層數(shù)不同并無明顯規(guī)律，說明土工格柵對土的初始泊松比并無顯著影響。反映初始泊松比v隨圍壓3增長而降低的速率，隨加筋層數(shù)增加明顯減小，說明隨加筋層數(shù)的增加，試樣初始泊松比隨圍壓增加而變化的速率減小。

綜上所述，加筋層數(shù)會影響含細(xì)粒土砂的各項(xiàng)性質(zhì)。隨著加筋層數(shù)及圍壓的增加，含細(xì)粒土砂的變形模量會隨之增加，破壞強(qiáng)度也隨加筋層數(shù)增加。而初始泊松比并不隨加筋層數(shù)顯著提高，但會受到軸向位移及圍壓的影響。

3.2 Duncan-Chang模型參數(shù)驗(yàn)證

為確定得出的Duncan-Chang模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，利用參數(shù)繪制不同情況下的(1?3)?ε關(guān)系曲線，并與實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行對比。

根據(jù)Duncan和Chang[17]及Janbu[18]模型，可得：

將圍壓、模型參數(shù)代入式中，可繪制(1?3)?ε曲線如圖9。

由圖9可知，由Duncan-Chang模型求得的曲線并不存在明顯峰值，不同圍壓下含細(xì)粒土砂由參數(shù)獲得的曲線趨勢與實(shí)驗(yàn)曲線類似。由相關(guān)性分析可知，擬合曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的相關(guān)性都在0.8以上，顯著性均小于0.05，滿足由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)的規(guī)律。由此可知，加筋土的應(yīng)力?應(yīng)變性質(zhì)可以由Duncan- Chang模型模擬，且實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以正確反映加筋含細(xì)粒土砂的性質(zhì)。

(a) σ3=200 kPa；(b) σ3=300 kPa; (c) σ3=400 kPa

4 結(jié)論

1) 三軸實(shí)驗(yàn)中觀察到3種破壞形式：剪切破壞出現(xiàn)在素土試樣中，中部鼓脹出現(xiàn)在1~2層加筋試樣中，頂部鼓脹出現(xiàn)在3層加筋試樣中，試樣破壞形式表明土工格柵加筋和圍壓提高了了應(yīng)變硬化趨勢。

2) 加筋可以提高含細(xì)粒土砂的強(qiáng)度。圍壓對加筋效果影響較大，在圍壓較低時，加筋效果較好，且加筋效果與加筋層數(shù)間的關(guān)系并不明顯，而高圍壓下3層加筋土的加筋效果明顯高于1層及2層加筋土。在工程應(yīng)用中，圍壓較低時可采用較少層數(shù)的加筋，而多層加筋土適用于圍壓較高的情況。但不宜盲目增加加筋層數(shù)，加筋效果系數(shù)不隨加筋層數(shù)線性提高。

3) 通過在不同加筋形式和圍壓下的實(shí)驗(yàn)，利用Duncan-Chang本構(gòu)模型獲得了一系列模型參數(shù)。各參數(shù)隨加筋層數(shù)變化表現(xiàn)出了一定的變化規(guī)律。模型參數(shù)可以反映加筋土各項(xiàng)性質(zhì)的變化，可為土工格柵加筋對含細(xì)粒土砂強(qiáng)度的改善提供參考。

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Research for reinforced fine-grained sand based on large-scale triaxial tests

HE Zhijun1, A Siga2, ZOU Jinfeng2

(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to study the variation law of the strength and reinforcement effect of the geogrid reinforced soil under different reinforced conditions, the triaxial test were carried out for fine-grained sand. Firstly, geotechnical experiments were carried out to determine the parameters of soils and the optimum water content. Secondly, tests were carried out under different conditions to obtain mechanical properties of reinforced soil. According to the experimental results, it was found that the mechanical properties of reinforced soil showed certain regular characteristics with the changes of reinforced conditions and confining pressure. The Duncan-Chang model parameters can be used in numerical analysis of the reinforcement effect. The results show that: The strengths of the geogrid reinforced soil are improved obviously; the coefficient of reinforcement effect reduces with the increase in confining pressure; the strength for geogrid reinforced soil is improved by increasing the cohesion of soil.

geogrid reinforced soil; large-scale triaxial test; Duncan-Chang model; reinforced condition; shear strength

TU192

A

1672 ? 7029(2019)10?2451 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.010

2018?11?19

國家重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2017YFB1201204)

鄒金鋒(1978?)，男，河南新縣人，教授，博士，從事巖土與地下工程研究；E?mail：zoujinfeng_csu@163.com

(編輯 涂鵬)