土工袋單元體循環(huán)剪切特性試驗

陳 爽，魯 洋,2，劉斯宏 ，方斌昕，賈 凡，張呈斌

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038； 4.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 330110)

近年來，土工袋作為一種新型加筋土材料，因具有抗壓強度高[1-3]、可就地取材、防凍脹性能好[4]、經(jīng)濟環(huán)保[5-6]等優(yōu)點得到工程界的認(rèn)可，已廣泛應(yīng)用于邊坡[7-8]、擋墻[9]、公路路基[10-11]、堤防[12]及房屋基礎(chǔ)[13]等工程中。實踐證明，土工袋結(jié)構(gòu)不僅具有穩(wěn)定的層間摩擦特性[14-15]，還具有良好的減振消能性能，若將其用于地震多發(fā)區(qū)村鎮(zhèn)的減震防災(zāi)工程中，將具有廣闊的應(yīng)用前景。

在實際工程中，土工袋大多是采用豎直堆疊或交錯堆疊形成組合體的布置方式。李玲君等[16]采用室內(nèi)大型直剪儀開展了一系列豎直堆疊土工袋的循環(huán)剪切試驗，研究了袋內(nèi)填充土體在不同粒徑、級配和黏粒含量時對土工袋基礎(chǔ)減振消能效果的影響，發(fā)現(xiàn)粒徑和級配對土工袋減振消能效果影響不大。Wang等[17-18]采用激振試驗對比分析了不同層數(shù)、不同排列方式對土工袋組合體豎向減振效果的影響，發(fā)現(xiàn)沿高度方向的加速度衰減主要集中于頂部3層土工袋內(nèi)，且交錯排列方式效果更好。劉斯宏等[19-20]開展了一系列土工袋擋墻大型振動臺模型試驗，研究了實際地震波作用下土工袋擋墻的加速度放大系數(shù)、擋墻位移、墻后動土壓力等因素的變化規(guī)律，印證了土工袋擋墻具有一定的柔性，在地震中可以表現(xiàn)出良好的抗震性能。可以發(fā)現(xiàn)，目前針對土工袋動力特性方面的研究主要集中在土工袋組合體結(jié)構(gòu)上，對于土工袋單元體動力特性的研究較少。土工袋作為一種特殊的柔性加筋土材料，不僅其層間界面可以起到良好的阻尼消能效果，其單元體自身也會通過剪切變形產(chǎn)生阻尼消能效果。實際上，土工袋單元體是土工袋構(gòu)筑物中的最小結(jié)構(gòu)單元，其動力特性及減振耗能效果將直接影響土工袋組合體乃至整個構(gòu)筑物的動力響應(yīng)。因此，研究土工袋單元體的動力特性對于深入揭示土工袋組合體結(jié)構(gòu)減振消能作用機理至關(guān)重要。

本文采用室內(nèi)大型剪切系統(tǒng)，通過變剪切應(yīng)變幅值條件下土工袋單元體的系列循環(huán)剪切試驗研究填充率、豎向應(yīng)力、剪切應(yīng)變幅值等因素對土工袋單元體基本動力參數(shù)的影響，以期為土工袋地基、擋墻等工程的抗震設(shè)計提供參考。

1 試驗裝置與試驗材料

1.1 試驗裝置

試驗在河海大學(xué)自主研制的室內(nèi)大型剪切系統(tǒng)上進行，該系統(tǒng)主要由豎向加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、量測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成，如圖1所示。豎向加載系統(tǒng)主要由安裝在反力架橫梁上的豎向伺服作動器和加載板兩部分組成，作動器通過加載板將豎向荷載均勻地施加到土工袋試件的上表面，在作動器和加載板之間設(shè)置滑輪裝置，用來消除水平剪切過程中二者之間的摩擦力，加載系統(tǒng)可提供的最大豎向荷載為30 kN。水平張拉系統(tǒng)由兩側(cè)的電機和柔性鏈條組成，試驗過程中為保證水平剪切過程連續(xù)且穩(wěn)定，設(shè)置電機驅(qū)動螺桿以2 mm/min的剪切速率同向移動，通過柔性鏈條拉動加載板做往復(fù)剪切運動。為防止剪切過程中土工袋上下表面與加載裝置產(chǎn)生相對滑移，在加載板下表面和反力架底板處均粘貼強摩擦型砂紙。量測系統(tǒng)主要由安裝在水平張拉系統(tǒng)上的LTR-1型拉壓力傳感器和安裝在加載板上表面的DTH-A-100型位移傳感器組成。數(shù)據(jù)采集裝置為UCAM-60B型靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，水平拉力傳感器和位移傳感器均連接在該數(shù)據(jù)采集儀上進行試驗數(shù)據(jù)的同步采集，采集頻率為2 Hz。

圖1 土工袋循環(huán)剪切試驗裝置Fig.1 Cyclic shear test device for soilbags

1.2 試驗材料

試驗材料為定制的方形土工編織袋，原材料為聚丙烯(PP)，克重為200 g/m2，尺寸為0.4 m×0.4 m×0.125 m。通過抗拉強度試驗測得編織袋經(jīng)、緯向極限抗拉強度與伸長率的關(guān)系曲線如圖2所示，其中，經(jīng)、緯向極限抗拉強度分別為47.36 kN/m和44.11 kN/m，經(jīng)、緯向極限伸長率分別為13.70%和15.98%。袋內(nèi)填充材料為自然風(fēng)干的天然河砂，不均勻系數(shù)為4.034，曲率系數(shù)為0.882，最大粒徑為4.75 mm，最大干密度為1.871 g/cm3，最小干密度為1.525 g/cm3，成型壓實后袋內(nèi)砂土的相對密度為0.433，細(xì)度模數(shù)為2.496，屬于中密砂。河砂填充率將影響土工袋的成型尺寸，本文規(guī)定對于同一規(guī)格的土工編織袋，填入土料后，按照土工袋成型高度計算袋內(nèi)材料填充率δ，并將土工袋成型高度12.5 cm定義為100%填充率，不同袋內(nèi)材料填充率情況下的土工袋如圖3所示。

圖2 土工袋極限抗拉強度與伸長率關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between limit tensile strength and elongation of soilbags

圖3 不同袋內(nèi)材料填充率情況下的土工袋Fig.3 Photos of soilbag under different material filling rates

2 試驗方案

本文試驗的目的是研究袋內(nèi)材料填充率δ、豎向應(yīng)力σ和剪切應(yīng)變幅值γ等因素對土工袋單元體動力特性的影響。試驗分為3步：①先進行3種不同豎向應(yīng)力作用下的土工袋單元體單調(diào)直剪試驗，根據(jù)單調(diào)直剪試驗過程中加載板發(fā)生滑移時峰值剪切應(yīng)力對應(yīng)的剪切應(yīng)變確定循環(huán)剪切試驗中剪切應(yīng)變幅值的合理范圍；②參考土工合成材料筋土界面循環(huán)剪切特性方面的相關(guān)研究[21]，進行同一豎向應(yīng)力作用下3種不同袋內(nèi)材料填充率的土工袋單元體循環(huán)剪切試驗，研究填充率對土工袋動力參數(shù)的影響，并確定最優(yōu)填充率；③在最優(yōu)填充率的基礎(chǔ)上，采用控制變量法，進行3種不同豎向應(yīng)力作用下土工袋單元體變剪切應(yīng)變幅值的循環(huán)剪切試驗，以分析豎向應(yīng)力和剪切應(yīng)變幅值等因素對土工袋單元體動力特性的影響。具體試驗工況如表1所示，循環(huán)剪切應(yīng)變加載過程如圖4所示。

圖4 循環(huán)剪切試驗加載過程Fig.4 Loading process of cyclic-shear test

表1 試驗工況

3 試驗結(jié)果與分析

圖5為不同豎向應(yīng)力作用下，河砂土工袋單元體單調(diào)直剪試驗的結(jié)果。從圖5可以看出，不同豎向應(yīng)力作用下土工袋單元體剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出相類的規(guī)律，即剪切應(yīng)力隨著剪切應(yīng)變的增大而增大，而后逐漸趨于穩(wěn)定。值得注意的是，當(dāng)豎向應(yīng)力為40 kPa時，剪切應(yīng)變達(dá)到8%左右后剪切應(yīng)力基本不再繼續(xù)增大；而當(dāng)豎向應(yīng)力為160 kPa時，可以發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)變達(dá)到10%以后，剪切應(yīng)力仍有繼續(xù)增大的趨勢，但增幅逐漸變緩。

圖5 土工袋單元體單調(diào)直剪試驗結(jié)果Fig.5 Results of monotonously direct shear tests of single soilbag

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是當(dāng)豎向應(yīng)力較小時，土工袋張力不能充分發(fā)揮出來，水平抗剪應(yīng)力主要由袋體與袋內(nèi)填料之間的摩擦力提供；當(dāng)豎向應(yīng)力增加到足夠大時，袋體膨脹，土工袋的張力得到充分發(fā)揮，水平抗剪應(yīng)力主要由袋體與袋內(nèi)填料之間的摩擦力以及土工袋張力共同提供，并且在剪切過程中，隨著剪切應(yīng)變幅值的增大，編織袋的張力也在逐漸增大，所以當(dāng)豎向應(yīng)力為160 kPa時，單調(diào)直剪試驗表現(xiàn)出剪切應(yīng)力持續(xù)增大的現(xiàn)象。根據(jù)單調(diào)直剪試驗結(jié)果，為了防止在進一步開展的循環(huán)剪切試驗過程中土工袋單元體上下砂紙表面發(fā)生相對滑動，將循環(huán)剪切試驗中的最大剪切應(yīng)變幅值初步設(shè)定為8%。

3.1 袋內(nèi)材料填充率的影響

3.1.1 滯回圈和骨干曲線

圖6為豎向應(yīng)力為80 kPa時，不同袋內(nèi)材料填充率情況下，土工袋單元體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從不同袋內(nèi)材料填充率的滯回曲線形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，袋內(nèi)材料填充率越大，滯回曲線越飽滿，其滯回耗能特征越好，說明袋內(nèi)材料填充率對土工袋單元體動力特性具有較為明顯的影響。

圖6 土工袋單元體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(σ=80 kPa)Fig.6 Stress-strain relation curve of single soilbag (σ=80 kPa)

圖7為豎向應(yīng)力為80 kPa時，不同袋內(nèi)材料填充率情況下土工袋單元體峰值剪切應(yīng)力隨剪切應(yīng)變幅值變化的關(guān)系曲線(骨干曲線)，可以看出，袋內(nèi)材料填充率分別為80%、90%和100%時，峰值剪切應(yīng)力隨剪切應(yīng)變幅值變化的關(guān)系曲線基本重合，說明在循環(huán)剪切過程中，土工袋單元體峰值剪切應(yīng)力受袋內(nèi)材料填充率的影響較小。這主要是因為土工袋單元體的水平抗剪應(yīng)力主要由袋體張力提供，袋內(nèi)材料填充率的大小主要影響張力發(fā)揮的快慢，并不會影響峰值剪切應(yīng)力的大小。值得注意的是，不同袋內(nèi)材料填充率情況下，土工袋單元體峰值剪切應(yīng)力在循環(huán)剪切初始階段的增幅略有差別，主要表現(xiàn)為袋內(nèi)材料填充率越大，在剪切初始階段峰值剪切應(yīng)力的增幅也越大，但當(dāng)達(dá)到一定剪切應(yīng)變時不同袋內(nèi)材料填充率情況下的峰值剪切應(yīng)力基本重合。主要原因可能是袋內(nèi)材料飽滿程度不同，導(dǎo)致土工袋張力發(fā)揮的快慢不同，袋內(nèi)材料越飽滿，在相同豎向應(yīng)力作用下，土工袋越容易膨脹，張力發(fā)揮作用的速度也相對越快。

圖7 土工袋單元體骨干曲線(σ=80 kPa)Fig.7 Backbone curve of single soilbag (σ=80 kPa)

3.1.2 動力參數(shù)

動剪切模量G和阻尼比λ是土工袋結(jié)構(gòu)動力設(shè)計及其安全性能評價中需要考慮的2個關(guān)鍵參數(shù)，其中，動剪切模量反映結(jié)構(gòu)在動荷載作用下抵抗變形的能力，動剪切模量越大表明結(jié)構(gòu)保持自身穩(wěn)定的性能越好；阻尼比反映結(jié)構(gòu)在周期性動荷載作用下的減振消能效果。為了達(dá)到良好的減振效果，結(jié)構(gòu)必須具備足夠的阻尼比，并且阻尼比越大表明結(jié)構(gòu)的減振消能性能越好。

圖8為豎向應(yīng)力為80 kPa時，不同剪切應(yīng)變幅值條件下，土工袋單元體動力參數(shù)隨袋內(nèi)材料填充率變化的關(guān)系曲線。從圖8(a)可知，在相同剪切應(yīng)變幅值條件下，土工袋單元體阻尼比隨著袋內(nèi)材料填充率的提高呈現(xiàn)出增長的趨勢，說明袋內(nèi)材料填充率越大，即裝填得越飽滿，土工袋單元體的減振消能效果越好。值得注意的是，當(dāng)剪切應(yīng)變幅值小于4%時，此時剪切應(yīng)變幅度較小，隨著袋內(nèi)材料填充率的提高，阻尼比均表現(xiàn)為增長的規(guī)律，并且剪切應(yīng)變幅值越大，土工袋單元體的阻尼比越高；當(dāng)剪切應(yīng)變幅值達(dá)到8%時，此時剪切應(yīng)變幅度較大，隨著袋內(nèi)材料填充率的提高，阻尼比并不是持續(xù)增大，而是表現(xiàn)為先增大而后略有降低的趨勢。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是隨著袋內(nèi)材料填充率的提高，袋內(nèi)材料的顆粒增多，顆粒之間的總耗能增大，所以表現(xiàn)為阻尼比隨著袋內(nèi)材料填充率的提高而增大。但是，當(dāng)袋內(nèi)材料填充率達(dá)到100%時，由于袋內(nèi)材料充填過多，在豎向荷載作用下，張力迅速發(fā)揮作用，在袋體約束產(chǎn)生的“附加黏聚力”作用下土工袋的整體柔性反而有所減弱，在一定程度上限制了袋體在水平方向的活動范圍，此時土工袋只能在較小應(yīng)變幅值范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的阻尼特性。

圖8 土工袋動力參數(shù)隨袋內(nèi)材料填充率變化關(guān)系曲線(σ=80 kPa)Fig.8 Variation curves of dynamic parameters of soilbag with material filling rate (σ=80 kPa)

由圖8(b)可以看出，當(dāng)剪切應(yīng)變幅值較小時，動剪切模量基本不隨袋內(nèi)材料填充率的增大而變化；當(dāng)剪切應(yīng)變幅值較大時，動剪切模量隨著袋內(nèi)材料填充率的增大略有提高?？傮w來看，袋內(nèi)材料填充率對土工袋單元體動剪切模量的影響不明顯。

在實際工程中，從加固的角度看，土工袋多以交錯層疊的形式進行布置，較高的袋內(nèi)材料填充率可以保證同層相鄰兩個土工袋之間形成縫隙，堆筑土工袋組合體結(jié)構(gòu)時，上層土工袋的一部分可以嵌入到下層土工袋袋間的縫隙中形成穩(wěn)固的層間嵌固作用，以達(dá)到增強層間抗滑穩(wěn)定性的目的，有效保證土工袋結(jié)構(gòu)的整體性[22]。值得注意的是，在實際施工過程中如果袋內(nèi)材料填充率太高則會大大降低土工袋的封口效率。綜合考慮上述因素，本文建議選取90%作為土工袋單元體的最優(yōu)填充率。該參數(shù)是在豎向應(yīng)力為80 kPa時給出的建議值，是否在其他豎向應(yīng)力作用時具有普遍適用性，還有待后續(xù)試驗進一步驗證。

3.2 豎向應(yīng)力的影響

3.2.1 滯回圈和骨干曲線

圖9為袋內(nèi)材料填充率為90%時，不同豎向應(yīng)力作用下土工袋單元體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以看出，隨著豎向應(yīng)力的增大，滯回圈主對角線的傾角越來越大，動剪切模量也隨之增大。

圖9 土工袋單元體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(δ=90%)Fig.9 Stress-strain relation curve of single soilbag (δ=90%)

圖10為袋內(nèi)材料填充率為90%時，不同豎向應(yīng)力作用下土工袋單元體峰值剪切應(yīng)力隨剪切應(yīng)變幅值變化的關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)，曲線基本圍繞原點呈中心對稱分布。當(dāng)剪切應(yīng)變幅值較小時，峰值剪切應(yīng)力迅速增大，隨著剪切應(yīng)變幅值的增大，峰值剪切應(yīng)力的增長趨勢逐漸趨于緩慢，這表明當(dāng)剪切應(yīng)變幅值較大時，土工袋單元體可以達(dá)到相對穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。

圖10 土工袋單元體骨干曲線(δ=90%)Fig.10 Backbone curves of single soilbag (δ=90%)

3.2.2 動力參數(shù)

圖11為袋內(nèi)材料填充率為90%時，不同剪切應(yīng)變幅值條件下，土工袋單元體動力參數(shù)隨豎向應(yīng)力變化的關(guān)系曲線。由圖11(a)可知，隨著豎向應(yīng)力的增大，土工袋單元體的阻尼比整體呈現(xiàn)出略有減小的趨勢，其中當(dāng)剪切應(yīng)變幅值小于4%時，這種減小的趨勢并不明顯。這可能是因為當(dāng)剪切應(yīng)變較小時，土工袋表面張力可以很好地發(fā)揮作用，將內(nèi)部土體緊緊地束縛，此時豎向應(yīng)力的大小對阻尼比的影響并不明顯。當(dāng)剪切應(yīng)變較大時，豎向應(yīng)力越大，袋體表面張力發(fā)揮越明顯，土工袋整體性越好，阻尼效果也相對較小。

圖11 土工袋動力參數(shù)隨豎向應(yīng)力變化關(guān)系曲線(δ=90%)Fig.11 Variation curves of dynamic parameters of soilbag with vertical stress (δ=90%)

從圖11(b)可知，在相同剪切應(yīng)變幅值條件下，土工袋單元體動剪切模量均隨豎向應(yīng)力的增大而增大；在相同豎向應(yīng)力作用下，隨著剪切應(yīng)變幅值的增大，土工袋單元體的動剪切模量減小。說明土工袋具有可變的動剪切模量。

3.3 剪切應(yīng)變幅值的影響

圖12為袋內(nèi)材料填充率為90%時，不同豎向應(yīng)力作用下土工袋單元體動力參數(shù)隨剪切應(yīng)變幅值變化的關(guān)系曲線。從圖12(a)可知，在不同豎向應(yīng)力作用下，隨著循環(huán)剪切應(yīng)變幅值的增大，土工袋單元體的阻尼比均逐漸增大，說明水平方向剪切變形越大土工袋單元體的減振效果越好。這可能是因為當(dāng)剪切應(yīng)變幅值增大時，維持土工袋整體穩(wěn)定性的表面張力被破壞，土工袋整體發(fā)生剪切變形，在往復(fù)剪切過程中，由于編織袋經(jīng)絲和緯絲的張弛作用以及袋內(nèi)土體顆粒之間的摩擦作用而大量耗能。

圖12 土工袋動力參數(shù)隨剪切應(yīng)變幅值變化關(guān)系曲線(δ=90%)Fig.12 Variation curves of dynamic parameters of soilbag with amplitude of shear strain (δ=90%)

從圖12(b)可知，在相同豎向應(yīng)力作用下，隨著剪切應(yīng)變幅值的增大，土工袋單元體的動剪切模量均逐漸衰減。此外還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)剪切變形相同時，作用在土工袋上的豎向應(yīng)力越大，土工袋單元體的動剪切模量也越大，說明土工袋具有可變的動剪切模量。這可能是因為當(dāng)?shù)卣饠_動較小時，土工袋整體變形較小，袋體表面張力充分發(fā)揮作用，可以有效保證上部結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生較大的滑移；當(dāng)?shù)卣饠_動較大時，袋內(nèi)土體發(fā)生剪切破壞，同時編織袋的經(jīng)絲和緯絲持續(xù)張弛變形，袋體不能保持穩(wěn)定的表面張力，但由于編織袋對土體的束縛作用，此時土工袋整體仍具有一定的動剪切模量以保持上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

a.土工袋單元體的減振消能特性受袋內(nèi)材料填充率的影響，在豎向應(yīng)力為80 kPa時，袋內(nèi)材料填充率越大，土工袋減振消能效果越好。綜合考慮實際施工過程中，袋內(nèi)材料填充率過大會降低土工袋封口效率等因素，建議土工袋單元體最優(yōu)填充率為90%。該建議值是否在其他豎向應(yīng)力作用時具有普遍適用性，還有待后續(xù)試驗進一步研究。

b.在循環(huán)剪切過程中，土工袋單元體的峰值剪切應(yīng)力主要受豎向應(yīng)力和剪切應(yīng)變幅值的影響，基本不受袋內(nèi)材料填充率的影響。即峰值剪切應(yīng)力隨豎向應(yīng)力的增大而增大，隨剪切應(yīng)變幅值的增大而增大，當(dāng)剪切應(yīng)變幅值增大到一定程度時峰值剪切應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。

c.土工袋單元體具有可變的阻尼比和動剪切模量，是一種良好的減振消能材料。在一定范圍內(nèi)，水平剪切變形越大，土工袋單元體阻尼比越大；豎向應(yīng)力越大，土工袋單元體動剪切模量越大。