不同直徑的加筋土三軸試驗(yàn)

張遠(yuǎn)航

（信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，重慶 401120）

加筋土是筋材和土體的復(fù)合體，在現(xiàn)代土木工程中受到越來越多的認(rèn)可。筋材和土體的結(jié)合有效改變了土體原有的應(yīng)力-應(yīng)變場，改善了土體變形條件，提高了土體的工程性能。前人研究多注重加筋的形式、材料，以及不同種類的土體對(duì)加筋土強(qiáng)度特性的規(guī)律研究。基于加筋形式的復(fù)雜和多樣性，對(duì)于加筋材料的尺寸研究還相對(duì)較少。本文通過黏土的三軸試驗(yàn)，以土工格柵為加筋材料，分析了不同加筋尺寸的加筋土強(qiáng)度特性，以期找到加筋土材料的最佳尺寸。

一、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用GDS三軸試驗(yàn)儀，可精確控制應(yīng)變進(jìn)尺，使用其配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)詳細(xì)方法參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007），試驗(yàn)過程中應(yīng)變速率控制為1.5mm/min，每次采集后開展數(shù)據(jù)分析，為下次試驗(yàn)做調(diào)整。試驗(yàn)時(shí)以主應(yīng)力差峰值點(diǎn)為破壞點(diǎn)，選取3種圍壓開展試驗(yàn)，分別為100kPa、200kPa和300kPa，目的是為確保試驗(yàn)后試樣繪制強(qiáng)度包絡(luò)線的完整性。

（二）試驗(yàn)材料

填料為黏性土，該土呈棕色，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）測定該土體的物理性質(zhì)指標(biāo)，包括容重、含水率、密度等，得到該黏土的比重為2.69%，最大干密度為2.01g·cm-3，最佳含水率為11.2%。根據(jù)三軸試驗(yàn)試件的尺寸（直徑10cm，高度20cm），結(jié)合土工格柵的材料特性，選用易于制樣的玻璃纖維土工格柵為試驗(yàn)筋材，其網(wǎng)眼尺寸為20mm×20mm。

（三）試件制備

三軸試驗(yàn)將土體作為單元。根據(jù)三軸儀的規(guī)格，試件直徑為10cm，高度為20cm。先將硬紙板以圓規(guī)畫作不同直徑的圓，并將之剪切備用，再以硬紙圓作為模板覆蓋于土工格柵上，標(biāo)記出圓外輪廓并將土工格柵材料沿著外輪廓剪出，制備土工格柵試樣作為加筋材料。在剪切過程中，注意保持土工格柵結(jié)構(gòu)完整，盡可能減少對(duì)土工格柵的折疊。

由于土體強(qiáng)度對(duì)土中含水率的變化非常敏感，在制備土體試樣時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土體含水率的控制。土體在配置過程中，經(jīng)過篩分、噴灑拌勻后，裝入保鮮密封盒中靜置養(yǎng)護(hù)，1天后再進(jìn)行試樣制備?？刂茐簩?shí)度是制備試驗(yàn)試樣的關(guān)鍵，結(jié)合目前路基常用參數(shù)指標(biāo)，參考公路路基規(guī)程，回填土一般控制壓實(shí)度為93%，因此試驗(yàn)的制樣壓實(shí)度控制為93%。

試樣制備時(shí)筋材分3層加入，呈對(duì)稱布置。采用分層填筑的方式，將每層土體盡量均勻地放入模具中，在擊實(shí)過程中及時(shí)測量進(jìn)尺深度，嚴(yán)格控制壓實(shí)度并在每層土體填筑完成時(shí)施行刨毛處理，保證土體之間的咬合摩擦。而對(duì)于筋材的加入位置亦要施行刨毛處理，保證土體與筋材之間的相互結(jié)合。

（四）試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的目的是研究不同直徑加筋材料對(duì)土體強(qiáng)度特性的影響規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)4種不同加筋直徑，得出4種工況。工況M1為普通土樣，沒有加筋；工況M2～M4采用與M1相同的土樣，保證具備可對(duì)比性。經(jīng)過調(diào)研，結(jié)合試件尺寸，加筋方式采用分層加筋，分為三層。豎直方向上盡量與試件模具中軸線重合，水平方向盡量保證水平，呈對(duì)稱布設(shè)狀，減少筋材在試件中的錯(cuò)層和傾斜。不同的加筋直徑用以測定加筋直徑大小對(duì)土體的其抗剪強(qiáng)度的影響。每組測試經(jīng)過多次試驗(yàn)，剔除干擾試驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)和有效性。

二、加筋土應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)，剔除干擾數(shù)據(jù)，整理分析有效數(shù)據(jù)，得出三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。從該圖中可以得出，加筋土和土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線一致，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)力都隨著應(yīng)變的增加而增加，特別是在應(yīng)變2%以內(nèi)時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性變化。

從該圖中還可以得出，在軸向應(yīng)變達(dá)到4%之前，應(yīng)力在急劇攀升后，達(dá)到最大值。加筋土的抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度后，應(yīng)力隨應(yīng)變的變化情況有所區(qū)別，應(yīng)力不再隨著應(yīng)變的增加而增大，而是逐漸減小。研究認(rèn)為，這與土體的材料特性有關(guān)，土體作為一種特殊材料，其粒狀結(jié)構(gòu)特性是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因，同時(shí)這也符合土體的強(qiáng)度特性。從試驗(yàn)結(jié)果還可以得出，土體中筋材的加入不僅提升了土體的峰值抗剪強(qiáng)度，也提升了土體的殘余強(qiáng)度。

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，加筋土的抗剪強(qiáng)度增長速率是高于土體本身的，并沒有出現(xiàn)前人研究中所出現(xiàn)的加筋土強(qiáng)度較土體本身的延后情形。筋材與土體的結(jié)合隨加筋土的強(qiáng)度提升是從試驗(yàn)一開始就貫穿至試驗(yàn)結(jié)束的。研究認(rèn)為，這與試樣的制作流程有關(guān)，由于是分層填筑，試樣在制作過程中，已經(jīng)對(duì)筋材和土體實(shí)施了擠密和壓實(shí)措施，筋材與土體之間的相互結(jié)合已經(jīng)施加了應(yīng)力，筋材一開始就能和土體牢牢咬合，使之一起發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)土體強(qiáng)度的提升。

筋材的直徑大小與加筋土抗剪強(qiáng)度的提升密切相關(guān)。從直徑4cm～8cm的過渡過程中，無論圍壓大小，加筋材料的直徑越大，筋材的峰值應(yīng)力及殘余應(yīng)力也越大，同時(shí)加筋土材料的抗剪強(qiáng)度增長速率也越快。隨著圍壓提升，加筋土的抗剪強(qiáng)度提升與土體規(guī)律保持一致，但加筋直徑與強(qiáng)度提升幅度有所區(qū)別。從圖中可以得出，直徑從4cm增大到6cm時(shí)，相較于直徑從6cm增大到8cm，加筋土抗剪強(qiáng)度的提升幅度相對(duì)較大。這種現(xiàn)象在低圍壓下（100kPa）表現(xiàn)明顯，這說明低圍壓有利于發(fā)揮出筋材與土體的共同作用，而高圍壓下，筋材不容易發(fā)揮出與土體的共同作用。因此，如何合理有效且最大限度的發(fā)揮加筋土的強(qiáng)度特性，需要恰當(dāng)選擇加筋材料直徑，避免不必要的浪費(fèi)，最終確定試驗(yàn)中的加筋最佳直徑為6cm。

三、加筋土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

土體是一種彈塑性材料，區(qū)別于彈性和塑性材料，其強(qiáng)度特性同時(shí)具有彈性和塑性兩種材料的特性。土體的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高，抗拉強(qiáng)度較低，土體的強(qiáng)度指標(biāo)一般指抗剪強(qiáng)度。因此，對(duì)筋材土體結(jié)合后的復(fù)合土體-加筋土的抗剪強(qiáng)度研究，有利于研究筋材在土體中的共同作用效果，是研究加筋土的重要方法。

結(jié)合加筋土的三軸試驗(yàn)結(jié)果，將有效數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中整理分析。根據(jù)土體三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度理論和試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

結(jié)合加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知：

（一）筋材對(duì)土體的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ有著不同影響

對(duì)黏聚力c，加筋土黏聚力比無筋土黏聚力高，并且加筋土黏聚力隨著筋材直徑的增大而逐漸增大。對(duì)內(nèi)摩擦角φ，加筋土內(nèi)摩擦角φ大于無筋土，內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律有別于黏聚力。加筋土內(nèi)摩擦角并沒有隨筋材直徑的增大而增大，只在一定程度內(nèi)有所增加。因此，筋材的加入有利于土體抗剪強(qiáng)度提高，改善了土體的黏聚力c值和內(nèi)摩擦角。

（二）匯總加筋土各個(gè)工況的黏聚力和內(nèi)摩擦角值

加筋土的黏聚力上升速率與筋材直徑有關(guān)，隨著筋材直徑的增加，雖黏聚力值一直在增大，但黏聚力上升速率并非一直增加，在筋材直徑4cm～6cm時(shí)，黏聚力增長速率最大，這與前面分析的存在最佳加筋筋材直徑的結(jié)果相符。

加筋土內(nèi)摩擦角的變化相對(duì)較小，但出現(xiàn)在筋材直徑為6cm時(shí)，加筋土內(nèi)摩擦角最大，由此可見，加筋土內(nèi)摩擦角的增加有限。

四、結(jié)語

筋材不僅提升了土體的峰值強(qiáng)度，也提升了土體的殘余強(qiáng)度；加筋土的抗剪強(qiáng)度增長速率高于普通土體，其抗剪強(qiáng)度的提升沒有延后性；加筋土的抗剪強(qiáng)度隨著筋材直徑的增加而增大，但提升幅度并不隨著直徑的增大而增大，存在一個(gè)最佳直徑為6cm；加筋土在低圍壓下有利于發(fā)揮筋材與土體的相互作用，提升加筋土抗剪強(qiáng)度；筋材的加入提高了土體抗剪強(qiáng)度，改善了土體的黏聚力c值和內(nèi)摩擦角；加筋土隨著筋材直徑的增加，黏聚力上升速率并不是一直增加，在筋材直徑6cm時(shí)，黏聚力增長速率最大，內(nèi)摩擦角增長有限。