不同土工合成材料與再生混凝土骨料界面動(dòng)剪切特性研究

吳建奇， 李 磊， 王 軍

(1.江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000；3.溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

廢舊混凝土的再生利用是響應(yīng)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的基本戰(zhàn)略，所以就如何使廢舊混凝土在實(shí)際工程領(lǐng)域高效利用的問(wèn)題成為現(xiàn)階段研究重點(diǎn)之一。國(guó)外許多學(xué)者對(duì)廢舊混凝土直剪特性進(jìn)行了研究，Arulrajah等[1]發(fā)現(xiàn)建筑垃圾中的廢舊混凝土具有較高的抗剪強(qiáng)度，可在加筋結(jié)構(gòu)中作為填料使用。Poon等[2-3]發(fā)現(xiàn)C&D中的再生混凝土骨料(RCA)在實(shí)際工程中是良好的替代材料。而土工格柵作為加筋墊層材料在路基工程、支護(hù)擋墻工程中應(yīng)用較為廣泛[4-5]，且加筋界面的相互作用對(duì)實(shí)際工程的安全及穩(wěn)定性有顯著影響[6]。趙雨朦等[7]分析不同格柵數(shù)量和格柵分布方式對(duì)加筋土界面力學(xué)特性的影響，抗剪強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)厚度及相對(duì)開(kāi)孔面積正相關(guān)，與肋條的長(zhǎng)度寬度負(fù)相關(guān)。Ybriancon等[8]用一種稱為“標(biāo)準(zhǔn)位移程序”的新方法對(duì)描述斜面確定土工合成材料界面摩擦角的方法進(jìn)行改進(jìn)。黃大維等[9]用高爐渣改良填料進(jìn)行大型直剪試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)法向應(yīng)力小于150 kPa時(shí)黏聚力很小,法向應(yīng)力大于150 kPa時(shí)表現(xiàn)出較好的黏聚力。Arulrajah等[10]通過(guò)使用改進(jìn)的大型直剪儀研究了RCA與土工合成材料的界面抗剪性能。研究表明改進(jìn)的直剪試驗(yàn)裝置下土工格柵加筋混凝土與界面抗剪強(qiáng)度高于常規(guī)試驗(yàn)方法，且在不同加筋填料中RCA的抗剪強(qiáng)度最高。

但在實(shí)際工程，有些加筋土結(jié)構(gòu)通常會(huì)受到地震、交通荷載、機(jī)械引起的震動(dòng)等動(dòng)力作用的影響，因此研究者對(duì)筋土界面作用特性的研究不再局限于靜載作用，開(kāi)始關(guān)注循環(huán)荷載等動(dòng)力作用的影響。Vieira等[11]通過(guò)單調(diào)直剪試驗(yàn)和循環(huán)直剪試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)力控制與位移控制下砂土與土工織物界面剪切試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)位移控制循環(huán)直剪試驗(yàn)的剪切剛度和阻尼比稍高。劉飛禹等[12-14]對(duì)不同剪切速率、填料密實(shí)度、循環(huán)剪切幅值等因素下筋土界面的剪切特性進(jìn)行了研究，研究表明剪切速率對(duì)循環(huán)剪切后的筋土界面剪切特性有較大影響，對(duì)單調(diào)直剪的筋土界面的剪切特性影響不大。密實(shí)度對(duì)循環(huán)剪切后的筋-土界面剪切特性影響顯著，密實(shí)度越大，剪縮量越小。王軍等[15]對(duì)不同顆粒級(jí)配砂土-格柵進(jìn)行了界面靜，動(dòng)剪切特性對(duì)比研究，研究表明顆粒級(jí)配良好的筋土界面抗剪強(qiáng)度最大，循環(huán)剪切后砂土的筋土界面抗剪強(qiáng)度顯著提高，界面似黏聚力減小，內(nèi)摩擦角增加。

綜上所述，RCA的研究主要集中在材料本身的直剪特性，且研究都在靜力試驗(yàn)方面。關(guān)于不同土工合成材料對(duì)RCA-加筋界面的靜力與動(dòng)力特性的影響還未見(jiàn)報(bào)道。為更好了解不同土工合成材料對(duì)RCA-加筋界面的靜、動(dòng)力特性的影響，采用室內(nèi)大型直剪儀，對(duì)RCA與不同土工合成加筋種類進(jìn)行了不同剪切幅值條件下的單調(diào)直剪試驗(yàn)、循環(huán)剪切試驗(yàn)和循環(huán)剪切后單調(diào)直剪試驗(yàn)，探討了不同土工合成材料，不同剪切幅值對(duì)RCA與筋材界面靜、動(dòng)力特性的影響，為工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料選取

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)研究所用設(shè)備為美國(guó)Geocomp公司制造的ShearTrac III室內(nèi)大型直剪儀，直剪儀的上盒及下盒的尺寸大小及設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造如圖1(a)所示,加載波形如圖1(b)所示。下剪切盒在剪切方向上的長(zhǎng)度較上剪切盒長(zhǎng)，采取此不同直剪盒大小是保障剪切面積不變的同時(shí)以避免剪切面積減小而產(chǎn)生的試驗(yàn)影響。剪切位移運(yùn)行范圍為0～100 mm，可調(diào)控的最大剪切速率為15 mm/min。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由機(jī)載軟件實(shí)時(shí)自動(dòng)讀取,記錄儲(chǔ)存并生成相關(guān)圖表。

(a) 直剪儀內(nèi)部構(gòu)造詳圖

(b) 循環(huán)剪切加載波形圖圖1 室內(nèi)大型直剪儀(mm)Fig.1 Large-scale direct shear apparatus(mm)

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用的廢舊混凝土通過(guò)人工翻撿的方式取自茶山鎮(zhèn)附近的拆遷現(xiàn)場(chǎng)，將廢舊混凝土運(yùn)至試驗(yàn)場(chǎng)地風(fēng)干，初步的篩選之后進(jìn)一步使用破碎機(jī)進(jìn)行破碎，以減小廢舊混凝土的顆粒尺寸增大其均勻程度。根據(jù)JTJF10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[16]，將破碎后的廢舊混凝土進(jìn)行篩分，并取4.75～26.5 mm作為試驗(yàn)樣本，簡(jiǎn)稱再生混凝土骨料(RCA)。根據(jù)GBT 20123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]，將不同粒徑區(qū)間的RCA按一定比例配制成級(jí)配良好的材料S1，RCA的級(jí)配曲線如圖3所示，物理參數(shù)見(jiàn)圖3。試驗(yàn)所用土工合成材料如圖4所示，包括5種不同種類的土工合成材料，筋材的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)分別進(jìn)行了在不同法向應(yīng)力(60 kPa、90 kPa、120 kPa)，剪切幅值(5、10、15 mm)條件下，針對(duì)RCA與5種不同土工合成材料界面進(jìn)行單調(diào)直剪(MDS)，循環(huán)剪切(CDS)和后循環(huán)單調(diào)直剪(PCDS)試驗(yàn)，如表2所示。根據(jù)JTG E50—2006《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》和劉博等[18]的研究來(lái)看,設(shè)定各組試驗(yàn)的剪切速率設(shè)定為1 mm/min。為減少RCA與剪切盒壁之間的摩擦影響，試驗(yàn)前在盒壁四周涂凡士林。試驗(yàn)材料RCA的密實(shí)度控制是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)相對(duì)密實(shí)度Dr的分類標(biāo)準(zhǔn)，選取90%密實(shí)度的RCA試樣進(jìn)行研究。由于直剪盒的體積不變，所以可以通過(guò)控制裝入直剪盒內(nèi)的RCA的質(zhì)量來(lái)控制，采用分層裝填法來(lái)控制填料密實(shí)度。將總質(zhì)量一定的試樣分5層(每層2 cm)，控制每層填入相同質(zhì)量的RCA，并用普式錘夯實(shí)至標(biāo)定高度，就可使每次試驗(yàn)具有同樣的密實(shí)度。土工合成材料通過(guò)下剪切盒前后的鋼板、螺栓等固定在裝好填料的下剪切盒上。

圖2 試驗(yàn)所用RCA試樣Fig.2 RCA specimens for testing

(a) PG

(b) FG

(c) WK

(d) WG

(e) GT圖4 試驗(yàn)用土工合成材料Fig.4 Geosynthetics for testing

表1 土工合成材料的技術(shù)指標(biāo)

表2 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 循環(huán)剪切試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5在法向應(yīng)力90 kPa、剪切幅值15 mm、剪切速率為1 mm/min的循環(huán)剪切試驗(yàn)條件下5種不同加筋界面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，RCA作為對(duì)比組。由圖可以看出，在循環(huán)剪切過(guò)程中，5種不同加筋界面的剪應(yīng)力-剪切位移滯回曲線隨循環(huán)剪切圈數(shù)的增加由內(nèi)逐漸向外擴(kuò)大，表現(xiàn)出明顯的界面剪切硬化現(xiàn)象，并且在同一循環(huán)圈數(shù)下，5種加筋界面在初始剪切方向上的峰值抗剪強(qiáng)度大于相反方向上的峰值抗剪強(qiáng)度。這表明不同土工合成材料與RCA的界面循環(huán)特性在不同剪切方向上是不同的，這種現(xiàn)象可能與初始剪切過(guò)程中RCA的各向異性有關(guān)。在CDS的試驗(yàn)中，最后一個(gè)循環(huán)滯回圈中5種加筋界面與RCA界面的界面抗剪強(qiáng)度從大到小依次為PG-RCA、GT-RCA、FG-RCA、WK-RCA、RCA、WG-RCA界面，其值大小依次為294.5 kPa、265.4 kPa、242.4 kPa、222.5 kPa、211.7 kPa、199.6 kPa。分析原因可能為PG、GT、FG、WK等加筋材料在循環(huán)剪切過(guò)程中發(fā)生明顯的顆粒-孔徑互鎖，加筋材料的橫肋提供了良好的“被動(dòng)阻力”作用，顯著加強(qiáng)了筋土界面的抗剪強(qiáng)度，而WG的加入阻礙了顆粒與顆粒的互鎖，且沒(méi)有格柵橫肋的“被動(dòng)阻力”作用，導(dǎo)致加筋效果不明顯。

圖5 不同土工合成材料與RCA界面剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.5 Shear stress-shear displacement curve at the interface between different geosynthetics-RCA interface

圖6為法向應(yīng)力90 kPa下5種不同加筋界面的界面剪切位移與豎向位移關(guān)系曲線，RCA作為對(duì)照組。由圖6可知，5種加筋界面在CDS試驗(yàn)中表現(xiàn)出明顯的剪縮現(xiàn)象，在每次循環(huán)周期中，RCA、PG-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、GT-RCA界面的剪縮與剪脹現(xiàn)象交替出現(xiàn)，在前期循環(huán)圈數(shù)下，界面剪縮量非常明顯，隨后在后后期的循環(huán)剪切作用下，5種加筋界面的剪縮量的增長(zhǎng)速率在逐漸降低。5種加筋界面的剪縮量比RCA界面的剪縮量都明顯減小，表明土工合成材料的加入能明顯改善RCA界面的剪切變形，且PG-RCA界面改善效果最好。5種加筋界面與RCA界面在CDS試驗(yàn)中界面豎向位移與循環(huán)圈數(shù)的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，RCA、PG-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、GT-RCA界面的界面最大收縮值(λC)依次為14.62、10.57、13.79、12.94、12.89、11.63 mm。加筋材料之所以能改善RCA的剪切變形的直接原因就是能很好的限制RCA自由運(yùn)動(dòng)，減小爬坡效應(yīng)。

3.2 循環(huán)剪切作用對(duì)加筋界面的剪切剛度與阻尼比的影響

土的剪切動(dòng)態(tài)響應(yīng)通常由割線剪切模量和阻尼比來(lái)表示，Desai等[19]對(duì)該方法進(jìn)行了修改，使其適用于砂和混凝土界面。本試驗(yàn)用相似方法對(duì)5種不同加筋界面與RCA界面循環(huán)響應(yīng)進(jìn)行表征。引入割線剪切剛度與阻尼比的概念[20]，定義剪切剛度K值為

(1)

(2)

式中:D1，D2分別為第一個(gè)和第二個(gè)半周期的阻尼比;A為滯回圈圍起來(lái)的總面積;A1，A2為圖8中定義的面積。

利用式(1)與(2)得到了5種加筋界面與RCA界面的剪切剛度和阻尼比，5種加筋界面與RCA界面的剪切剛度和阻尼比隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖9所示。RCA界面的剪切剛度隨循環(huán)次數(shù)的增加數(shù)值變化不大，而5種不同加筋界面的界面剪切剛度隨循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)出整體上升趨勢(shì)，界面剪切剛度有升有降，可能原因是由于RCA的破損與顆粒的重新排列所導(dǎo)致界面抗剪強(qiáng)度的變化有關(guān)。比較5種加筋的界面剪切剛度可知，剪切硬化程度大小依次為PG-RCA、GT-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、RCA界面。對(duì)于阻尼比而言，它通常隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。如圖9(b)所示，從PG-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、GT-RCA 5種加筋界面測(cè)得的第1圈與第10圈的界面阻尼比之差的大小分別為0.016、0.038、0.037、0.22、0.049、0.02。5種加筋界面的阻尼比整體趨勢(shì)減小，相比于RCA界面，5種加筋界面的阻尼比大小變化更加明顯，最大的為WG-RCA界面，其次是PG-RCA界面，最小的為GT-RCA界面。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因?yàn)镃DS試驗(yàn)中加劇了RCA顆粒的剪碎與重排，而土工合成材料中格柵橫肋提供的“被動(dòng)阻力”作用更加明顯，從而導(dǎo)致5種加筋界面的阻尼比相較于RCA界面變化更明顯。

圖6 不同土工合成材料與RCA剪切位移-豎向位移曲線Fig.6 Shear displacement-vertical displacement curves of different geosynthetics-RCA interface

3.3 循環(huán)剪切幅值對(duì)RCA加筋界面的影響

圖10顯示了不同循環(huán)剪切幅值(Δa)下CDS試驗(yàn)中PG-RCA界面的剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系圖，PCDS試驗(yàn)中Δa值為5、10、15 mm的界面峰值剪應(yīng)力分別為241.9 kPa、270.6 kPa、316.27 kPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，幅值從5 mm增加到15 mm，PG-RCA界面的PCDS階段的界面峰值剪應(yīng)力隨剪切位移幅值的增大而增大。同時(shí)還表明當(dāng)Δa值越大時(shí)，PCDS階段的界面峰值剪應(yīng)力出現(xiàn)在越大的剪切位移處。圖11顯示了CDS試驗(yàn)中Δa值為5、10、15 mm的剪切位移-豎向位移關(guān)系曲線，由圖11可知，對(duì)于每個(gè)Δa值，PG-RCA界面在CDS試驗(yàn)中表現(xiàn)出整體收縮的現(xiàn)象，并且在每個(gè)循環(huán)直剪中收縮和膨脹交替出現(xiàn)，并且當(dāng)Δa值越大，收縮與膨脹交替程度更加明顯。當(dāng)Δa值為5、10、15 mm時(shí)，CDS試驗(yàn)階段中PG-RCA界面的整體收縮量為8.53 mm、9.46 mm、10.57 mm，收縮量隨循環(huán)剪切幅值增大時(shí)增幅分別為18.6%，22.2%。這意味著CDS試驗(yàn)作用引起的收縮量隨Δa值增加而顯著增大。這種現(xiàn)象的可能原因?yàn)楫?dāng)Δa值越大時(shí)，RCA的磨損與啃斷效應(yīng)更加明顯。

(a)

(b)

圖10 不同循環(huán)剪切幅值下PG-RCA界面剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.10 Shear stress displacement curves of PG-RCA interface under different cyclic shear amplitudes

圖11 不同循環(huán)剪切幅值下PG-RCA界面剪切位移-豎向位移曲線Fig.11 Shear displacement-vertical displacement curve of PG-RCA interface under different cyclic shear amplitude

3.4 循環(huán)剪切歷史對(duì)RCA加筋界面的影響

圖12 MDS和PCDS試驗(yàn)剪切應(yīng)力-剪切位移曲線的比較Fig.12 Comparison of the MDS and the PCDS tests for the shear stress-shear displacement curves

圖13 MDS和PCDS試驗(yàn)中不同土工合成材料與不同法向應(yīng)力對(duì)c和θ的影響Fig.13 Influence of different geosynthetics on c and θ in MDS and PCDS tests under various normal stresses

表3 MDS與PCDS測(cè)試的界面似黏聚力和摩擦角比較結(jié)果Tab.3 Comparison of the MDS and PCDS tests for the interface apparent adhesion and for the friction angle

4 結(jié) 論

(1) 在CDS試驗(yàn)中，5種不同加筋界面均明顯出現(xiàn)循環(huán)剪切硬化現(xiàn)象，基于不同加筋界面的剪切剛度值，界面硬化程度從大到小依次為PG-RCA、GT-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA界面。5種加筋界面的界面剪切剛度隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，阻尼比隨循環(huán)次數(shù)的增加而整體趨勢(shì)減小。在循環(huán)剪切初期，5種加筋界面的剪縮量增加明顯，隨著循環(huán)次數(shù)增加剪縮量的增長(zhǎng)速率在逐漸降低。土工合成材料的加入能明顯改善RCA界面的剪切變形，且PG材料改善效果最好。

(2) 在CDS試驗(yàn)中，從循環(huán)剪切幅值因素影響來(lái)看，當(dāng)Δa值逐漸增大時(shí)，PG-RCA界面在PCDS階段的界面峰值剪應(yīng)力隨Δa值的增大而增大。CDS試驗(yàn)階段中PG-RCA界面表現(xiàn)出整體收縮的現(xiàn)象，每個(gè)循環(huán)圈中收縮和膨脹交替出現(xiàn)，Δa值越大收縮與膨脹交替程度更加明顯，并且PG-RCA界面在CDS試驗(yàn)作用引起的收縮量隨Δa值的增大而顯著增加。

(3) 在MDS與PCDS試驗(yàn)階段中，5種不同加筋界面均出現(xiàn)明顯的峰后剪切軟化的現(xiàn)象，PCDS試驗(yàn)中的軟化現(xiàn)象比MDS試驗(yàn)更加明顯，且達(dá)到峰值剪應(yīng)力所需的剪切位移更小，且PG-RCA界面最為明顯。對(duì)比PCDS和MDS試驗(yàn)結(jié)果，5種加筋界面的峰值、殘余似黏聚力與內(nèi)摩擦角在循環(huán)剪切作用后均增大。