金剛格結(jié)構(gòu)抗壓強度試驗研究

廖 鴻, 楊 陽，2， 易有元， 徐 超

(1.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院地下建筑與工程系， 上海 200092；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098；3.上海萊韋環(huán)?？萍加邢薰荆?上海 200131)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，我國各等級公路的總里程快速增加，半剛性基層材料以其優(yōu)良的工程特性在公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。然而半剛性材料自身具有脆性和對溫度敏感等特性，在交通荷載和溫度變化作用下，半剛性基層易形成裂縫并逐漸延伸到面層，形成反射裂縫[1]。這種裂縫的存在會極大影響車輛的行駛安全，破壞路面結(jié)構(gòu)的整體性，在一定程度上削弱了路面結(jié)構(gòu)的強度。當(dāng)雨水通過裂縫滲入基層，引起路基軟化，將進一步加速路面的破壞[2]。

以為了克服公路路面的反射裂縫，土工合成材料被越來越多地應(yīng)用到路基工程中。Correia等[3]研究了不同強度的無紡?fù)凉た椢镌趹?yīng)力吸收系統(tǒng)中防治反射裂縫的效果，表明高強度無紡?fù)凉た椢锬軌蛴行Э刂茷r青路面的反射裂縫產(chǎn)生；Ferrotti等[4]通過重復(fù)循環(huán)加載，研究了在應(yīng)力吸收層中鋪設(shè)土工格柵可以降低層間阻力，起到防治反射裂縫的作用；Fereidoon等[5]通過室內(nèi)模型試驗研究了5種土工合成材料加筋對路面裂縫的影響，發(fā)現(xiàn)在厚覆蓋層中使用高模量的土工合成材料可以有效減少路面裂縫產(chǎn)生，降低裂縫拓展速率；張晶等[6]研究了聚丙烯土工布在西藏地區(qū)半剛性基層瀝青路面防反射裂縫的效果，結(jié)果表明聚丙烯土工布能夠減少或抑制反射裂縫的產(chǎn)生。

在路面和基層之間鋪設(shè)土工合成材料，可一定程度減少反射裂縫的產(chǎn)生。例如利用土工格室側(cè)向約束、網(wǎng)兜效應(yīng)等優(yōu)點，加固路基碎石墊層，從而提高柔性路面的整體承載能力[7]。近年來，隨著新型合成材料和制造技術(shù)的發(fā)展，金剛格在國外開始被越來越多地應(yīng)用在重載堆場及道路工程中。金剛格是由PP復(fù)合材料制成、集地面加固與排滲功能于一體的新型土工材料，其力學(xué)性能強，且具有抗蠕變、耐腐蝕、抗UV耐老化等優(yōu)點。國外眾多相關(guān)工程案例表明，金剛格在提高地坪抗壓性能、延緩路面反射裂縫產(chǎn)生以及控制不均勻沉降等方面有顯著效果。

為對金剛格材料的力學(xué)特性進行更加深入地研究，本文通過對不同填充方案下金剛格試樣的抗壓強度測試，對比分析其破壞行為，為其在國內(nèi)路面加固工程實踐中的應(yīng)用與推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 金剛格無側(cè)限抗壓強度測試

1.1 金剛格

試驗所用金剛格產(chǎn)自上海萊韋環(huán)?？萍加邢薰?。如圖1所示，成品金剛格試件整體長500 mm，寬500 mm，厚40 mm。金剛格內(nèi)部為多個正方形格室，可填充土、混凝土、瀝青、碎石等材料；每個格室四周均有鎖扣，方便互相鏈接安裝拼接;底部中央開孔，孔徑約35 mm，可用于填充材料內(nèi)部流體的排滲。

圖1 金剛格結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

1.2 試樣準(zhǔn)備

金剛格在用于路面工程時，通常向格室內(nèi)填充如黏土、混凝土、瀝青、碎石等材料，可有效提高路面的抗壓強度并改善道路不均勻沉降問題。本文首先針對上述無填充金剛格整體結(jié)構(gòu)進行抗壓強度測試，然后選取局部金剛格進行不同填充方案測試。切割后的局部金剛格如圖2所示分為單個格室(圖2a)、無邊框四聯(lián)格室(圖2b)、有邊框四聯(lián)格室(圖2c)3種類型，其尺寸(長×寬×高)依次為65 mm×65 mm×40 mm、120 mm×120 mm×40 mm和130 mm×130 mm×40 mm。

a) 單個格室

b) 無邊框四聯(lián)格室

c) 有邊框四聯(lián)格室圖2 切割后的局部金剛格結(jié)構(gòu)

填充方案包含混凝土與黏土2類。按照《混凝土設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)[8]配置混凝土，強度等級為C30，水泥標(biāo)號為P·O32.5。水、水泥、砂、石子等材料配合比為1∶0.90∶1.92∶0.41，坍落度為55～70 mm。黏土采用上海第四層灰色淤泥質(zhì)黏土，含水率約30%，無側(cè)限抗壓強度約125 kPa。

針對單個格室，采取填充混凝土和黏土2種方案，另外測試同等尺寸的素混凝土試樣強度以作對比。針對無邊框四聯(lián)格室，采取填充混凝土方案。針對有邊框四聯(lián)格室，采取填充混凝土方案并另外測試同等尺寸的素混凝土試樣。待測試樣情況匯總?cè)绫?所示。

表1 試樣情況匯總試樣尺寸(長×寬×高)空金剛格素混凝土金剛格填充混凝土金剛格填充黏土500 mm×500 mm×40 mmA0///65 mm×65 mm×40 mmADFG120 mm×120 mm×40 mmB/H/130 mm×130 mm×40 mmCEI/

1.3 測試過程

本研究采用2臺電液伺服加載儀器對上述試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，豎向加載閾值分別為600 kN與2 000 kN。對含混凝土的試樣，加載速率為2 MPa/min(應(yīng)力控制)，其余試樣均載速率為1.5 mm/min(應(yīng)變控制)。當(dāng)試樣出現(xiàn)明顯破壞或軸向應(yīng)變達到15%時終止試驗。每類試樣進行3組平行試驗，取平均值進行結(jié)果分析。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 未切割金剛格抗壓強度

圖3為未切割金剛格試樣(A0)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖中可見完整的金剛格試樣壓縮形變量隨豎向荷載的增加而增加。試樣破壞時的平均應(yīng)力峰值約為728.96 kN，計算得到極限抗壓強度約2.92 MPa。其破壞時的最大形變量約5.5 mm，約為原試樣高度的13.7%。

圖3 未切割金剛格壓力-位移關(guān)系曲線

接近極限狀態(tài)時，金剛格試樣產(chǎn)生碎裂現(xiàn)象并伴有明顯聲響，整體產(chǎn)生較大壓縮變形。試件中心區(qū)域大多格室發(fā)生壓縮變形及輕微折裂，試件四周邊角區(qū)域產(chǎn)生明顯破碎跡象，格室原有結(jié)構(gòu)徹底破壞，如圖4所示。

圖4 未切割金剛格破壞形態(tài)

2.2 不同填充方案下單個格室抗壓強度比較

圖5為單個格室尺寸試樣(A、D、F、G)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。其中，A類試樣為無填充單個格室，3組平行試驗測得的無側(cè)限抗壓強度較為接近，豎向極限壓力平均值為13.2 kN，對應(yīng)極限抗壓強度約3.12 MPa，破壞時的最大豎向形變量約2.78 mm。D類試樣為A類試樣同規(guī)格素混凝土試塊，豎向極限壓力平均值為85.39 kN，極限抗壓強度約20.2 MPa，破壞時的最大豎向形變量約1.77 mm。

圖5 單個格室尺寸試樣壓力-位移變化關(guān)系曲線

F類試樣為A類試樣填充混凝土，豎向極限壓力平均值為146.9 kN，極限抗壓強度約34.79 MPa。破壞時的F類試樣最大豎向形變量約3.26 mm，為原試樣高度的8.1%;破壞后在格室四周邊界均產(chǎn)生顯著開裂，混凝土表面無明顯裂紋，四周壓碎破壞現(xiàn)象明顯，部分骨料漏出格室(見圖6)。

圖6 F類試樣破壞形態(tài)

G類試樣為A類試樣填充黏土，豎向極限壓力平均值為14.3 kN，對應(yīng)極限抗壓強度約3.38 MPa。破壞時的G類試樣最大豎向形變量約2.81 mm，約為原試樣高度的7.03%;內(nèi)部黏土與外部格室產(chǎn)生變形差異，金剛格室角部邊緣開裂，有明顯變形及折痕，如圖7所示。

圖7 G類試樣破壞形態(tài)

由測試結(jié)果可見，4類單個格室尺寸試樣的無側(cè)限抗壓強度大小關(guān)系為F>D>G>A，破壞時所對應(yīng)豎向形變量的大小關(guān)系為F>G>A>D。以黏土為填充方案(G)，對提高金剛格的抗壓強度有限，但試樣破壞后仍保持較好完整性。以混凝土作為填充方案(F)，相比于無填充格室(A)抗壓強度由3.12 MPa提高至34.79 MPa，較同尺寸純混凝土試塊(D)抗壓強度也有約72%的顯著提高，其抵御變形能力也為4類試樣中最佳。

2.3 不同填充方案下四聯(lián)格室抗壓強度比較

圖8、圖9為四聯(lián)格室試樣的應(yīng)力 — 應(yīng)變關(guān)系圖。其中，B、H為無邊框試樣，C、E、I為有邊框試樣。

圖8 無填充四聯(lián)格室試樣壓力-位移變化關(guān)系曲線

圖9 四聯(lián)格室填充混凝土試樣壓力-位移變化關(guān)系曲線

B類試樣為無邊框的四聯(lián)金剛格室。由于無側(cè)向邊界，3組平行試驗所得極限抗壓強度出現(xiàn)較大差異。取試驗2及試驗3所測結(jié)果平均值，得最大豎向壓力為10.39 kN，極限抗壓強度約0.72 MPa。其破壞時的最大豎向形變量約1.37 mm，約為原試樣高度的3.43%。C類試樣為有邊框的四聯(lián)金剛格室，測得豎向極限壓力平均值為40.1 kN，極限抗壓強度約2.37 MPa。其破壞時的最大豎向形變量約1.88 mm，約為原試樣高度的4.71%。

E類試樣為B類試樣同尺寸素混凝土試塊，3組平行試驗測得的豎向極限壓力平均值為1 247.1 kN，對應(yīng)極限抗壓強度約73.79 MPa。其破壞時的最大豎向形變量約6.12 mm，約為原試樣高度的15.3%。受壓后試樣中心部位無明顯變形裂縫，邊界區(qū)域產(chǎn)生較大程度變形破壞現(xiàn)象，混凝土碎石骨料亦出現(xiàn)不同程度破碎，如圖10所示。

圖10 E類試樣破壞形態(tài)

H類試樣為無邊框四聯(lián)格室(B類)填充混凝土，破壞時的豎向極限壓力平均值為840.6 kN，對應(yīng)極限抗壓強度約58.38 MPa，最大豎向形變量約6.3 mm，約為原試樣高度的15.8%。H類試樣的變形特征與E類試樣較為接近，而極限破壞狀態(tài)下的軸向變形略小。試樣外表面無明顯裂紋，四周邊界混凝土破壞程度顯著，碎石等粗骨料壓碎剝落。試樣內(nèi)金剛格室橫縱肋條均無顯著變形，試樣中心區(qū)域混凝土與金剛格產(chǎn)生局部分離現(xiàn)象，如圖11所示。

圖11 H類試樣破壞形態(tài)

I類試樣為有邊框四聯(lián)格室(C類)填充混凝土，測得豎向極限壓力平均值為1 415.1 kN，對應(yīng)極限抗壓強度約83.73 MPa。其破壞時的最大豎向形變量約7.9 mm，約為原試樣高度的19.7%。加載過程中試樣整體產(chǎn)生顯著變形破壞現(xiàn)象，如圖12所示。其中混凝土填充區(qū)域因致密壓裂而區(qū)域光滑，碎石等粗骨料均明顯破碎。格室四周邊界處金剛格材料發(fā)生斷裂，與混凝土分離。側(cè)面肋條產(chǎn)生明顯折痕至斷裂或向外鼓出?；炷恋钠屏熏F(xiàn)象亦集中于邊角處。

圖12 I類試樣破壞形態(tài)

匯總所測試樣極限抗壓強度及破壞時對應(yīng)的豎向變形至表2。比較A、B、C 3類無填充金剛格室的測試數(shù)據(jù)可知，單個金剛格格室的無側(cè)限抗壓強度及破壞時所對應(yīng)的豎向變形量均最大，四聯(lián)有邊框金剛格次之，而無邊框的四聯(lián)金剛格最小，說明側(cè)向邊界對提高試樣承載力及限制整體變形有明顯作用。對比E、H、I 3類含混凝土試樣，有邊框的I類填充試樣無側(cè)限抗壓強度及豎向極限變形均為最大，證實了側(cè)向約束對提高試樣承載力及抗變形能力的有效性。I類試件加載破壞之后，雖四周外框已開裂，導(dǎo)致邊角部位混凝土剝落，但其內(nèi)部縱橫肋仍保持較好的完整性，且在豎向變形量接近試樣高度30%的條件下仍保有約85%的殘余強度。H類無邊框填充混凝土試樣極限抗壓強度最小，原因在于金剛格內(nèi)部肋條的存在使得試樣完整性受到影響。純混凝土試樣較無邊框填充試樣而言，極限抗壓強度大，但抵抗變形能力稍差。

表2 測試結(jié)果匯總試樣編號試樣描述極限抗壓強度/MPa豎向變形/mmA0完整金剛格2.925.50A單個格室3.122.78B無邊框四聯(lián)格室0.721.37C有邊框四聯(lián)格室2.371.88DA型同尺寸混凝土20.201.77EC型同尺寸混凝土73.796.12F單個格室填充混凝土34.793.26G單個格室填充黏土3.382.81H無邊框四聯(lián)格室填充混凝土58.386.30I有邊框四聯(lián)格室填充混凝土83.737.90

3 相關(guān)工程建議

綜合以上測試分析可以看出，金剛格填充混凝土后，相較于同尺寸混凝土試樣，強度得到較大提升。由于金剛格長期性能穩(wěn)定，澆筑、填充施工便利，在對強度要求較高的路基、重載廠房和庫房地坪加固等工程中較為適用，可發(fā)揮更好的工程加固效果。同時，填充混凝土后的金剛格試樣在抗變形能力方面也有所提升，達到峰值強度時所需變形更大。在殘余變形較大的地基填土、基坑、墊便道和停車場等工程中使用，可有效減輕施工變形及工后沉降造成的材料破壞，發(fā)揮較好的工程服役性能。

由于有邊界束縛作用，金剛格填充混凝土試樣在峰值強度后仍保持較好的完整性，且隨著變形增加仍維持較高的殘余強度。因此，在不考慮邊角局部破損的情況下，對于安全系數(shù)要求較高的重大道路工程中可優(yōu)先考慮使用金剛格，以有效保證其整體安全性。

在加載過程中填充黏土的金剛格試樣能夠保持較好的完整性，抗變形能力強。適用于對承載負荷及長期變形有一定要求的路面、地坪工程，例如進場道路及停車場等，能在提供穩(wěn)定停載地坪的基礎(chǔ)上兼顧植被美化。且金剛格本身具有極好的導(dǎo)水性能，可有效滿足老城區(qū)停車綠化和排水的雙重需求，契合海綿城市建設(shè)的發(fā)展理念。

4 結(jié)論

為探討金剛格在道路工程中的加固效果，研究了不同尺寸、不同填充材料對金剛格抗壓強度及破壞行為的影響，得出以下結(jié)論：

1) 本文所述生產(chǎn)尺寸金剛格試樣在豎向應(yīng)變約13.7%時達到極限破壞狀態(tài)，極限抗壓強度約2.92 MPa。

2) 填充壓實黏土對提高金剛格無側(cè)限抗壓強度效果有限，但試樣抗變形能力得到提高，受壓過程中金剛格整體結(jié)構(gòu)可得到較好保持，且內(nèi)部填充黏土在壓密過程中無擠出現(xiàn)象。

3) 單個格室填充混凝土后，其極限抗壓強度較同尺寸混凝土試件增加72.2%，變形協(xié)調(diào)能力亦有所提高?；炷撂畛湓嚇悠茐男螒B(tài)多為格室邊角鼓裂，試樣破碎程度小，其內(nèi)部肋條仍與格室側(cè)壁連接，結(jié)構(gòu)完整性較好。