不同含水率花崗巖殘積土-格柵界面剪切特性

劉飛禹，陳舒祺，孫宏磊，劉洪波

（1.上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444；2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；3.廣州環(huán)投增城環(huán)保能源有限公司，廣東 廣州 511300）

加筋土結(jié)構(gòu)作為一種綠色經(jīng)濟(jì)的加固方法在工程中應(yīng)用廣泛，其穩(wěn)定性受到回填土、筋材、筋土界面力學(xué)性質(zhì)的影響［1-2］?；◢弾r殘積土可作為回填土應(yīng)用于加筋土結(jié)構(gòu)，該殘積土風(fēng)化劇烈，遇水極易軟化。從南方多雨的氣候條件以及殘積土的力學(xué)特性出發(fā)，研究不同含水率下花崗巖殘積土及其筋土界面的剪切特性具有重要意義。從南方多雨的氣候條件以及殘積土的力學(xué)特性出發(fā)，研究不同含水率下花崗巖殘積土-格柵界面的剪切特性和土工格柵加筋效果具有工程應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)風(fēng)化花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)的研究已有一些成果。安然等［3］通過干濕循環(huán)下的三軸剪切試驗(yàn)來研究多雨氣候?qū)◢弾r殘積土抗剪強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)等的影響。茆大煒等［4］通過大型三軸試驗(yàn)研究了含水率、應(yīng)力水平、浸水濕化對(duì)全風(fēng)化蝕變帶花崗巖力學(xué)性能的影響，并基于試驗(yàn)規(guī)律構(gòu)建了巖土體濕化數(shù)學(xué)模型。李凱等［5］通過直剪試驗(yàn)研究了飽和度對(duì)不同風(fēng)化程度花崗巖抗剪特性的影響，發(fā)現(xiàn)飽和度對(duì)土體黏聚力影響大，且存在最優(yōu)飽和度使土體抗剪強(qiáng)度最高。尚彥軍等［6］通過CT監(jiān)測(cè)的三軸試驗(yàn)研究了風(fēng)化花崗巖的宏觀力學(xué)性能和細(xì)觀損傷演化進(jìn)程。We等［7］研究了含水率對(duì)不同風(fēng)化程度花崗巖剪切特性的影響，探討其各向異性特征和土體抗剪強(qiáng)度等力學(xué)特性。

筋土界面研究領(lǐng)域已有許多的成果。劉飛禹等［8-12］通過大型直剪試驗(yàn)研究了不同顆粒粒徑、級(jí)配、?？妆?、筋材肋厚及剪切速率下筋土界面靜、動(dòng)剪切特性，對(duì)筋土界面抗剪強(qiáng)度、體變特性等指標(biāo)進(jìn)行了全面的分析。徐超等［13］、周健等［14］利用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)筋土界面剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)中界面相互作用特性、顆粒運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了細(xì)觀分析。Lashkari等［15］分析了不同顆粒形狀、粒徑、初始相對(duì)密度條件下砂土-土工合成材料界面的摩擦性能、剪切帶厚度。Liu等［16］研究了不同抗拉強(qiáng)度、開孔率和孔徑類型的土工格柵與不同類型土體的界面抗剪強(qiáng)度，并提出了一種計(jì)算土工格柵橫肋承載阻力的簡(jiǎn)單模型。在眾多因素中，含水率能夠體現(xiàn)降雨對(duì)土質(zhì)特性的作用，是影響土體與筋土界面剪切特性的重要因素之一。尹光志等［17］研究了密實(shí)度、含水率及豎向荷載對(duì)筋土界面作用特性的影響，分析細(xì)尾礦加筋的作用機(jī)制，研究表明含水率對(duì)界面似摩擦系數(shù)有較大影響。王協(xié)群等［18］研究了黏土、砂礫石和4種不同類型的土工格柵之間的界面剪切特性，分析了含水量、剪切速度等因素的影響，提出了改進(jìn)的筋土界面強(qiáng)度模型。徐林榮等［19］通過拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含水量對(duì)膨脹土-格柵界面摩擦阻力系數(shù)影響較大。Abu-Farsakh 等［20］通過大型直剪試驗(yàn)研究了含水率及干密度對(duì)砂土、黏土加筋效果的影響，并提出了加筋時(shí)黏土參數(shù)的合理取值。Ferreira 等［21］分析了不同類型筋材、含水率、土體密度等因素對(duì)花崗巖殘積土直剪特性的影響，結(jié)果表明雙向土工格柵加筋效果最佳，土體密度及含水率影響較大。

綜上所述，目前在筋土界面研究領(lǐng)域，探究含水率對(duì)花崗巖殘積土-格柵界面剪切特性影響的研究較少，缺乏系統(tǒng)深入研究不同含水率下花崗巖殘積土-格柵界面剪切特性和土工格柵加筋效果。因此本文利用大型直剪儀對(duì)花崗巖殘積土-格柵界面展開一系列單調(diào)直剪試驗(yàn)，探究含水率對(duì)筋土界面剪切特性曲線、抗剪強(qiáng)度、剪縮剪脹等方面的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備是型號(hào)為HM-5780.3F的室內(nèi)大型直剪儀（圖1）。直剪儀可以按照恒定速率對(duì)下剪切盒施加應(yīng)力或應(yīng)變。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過傳感器采集，機(jī)載軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄并顯示。

圖1 大型直剪儀Fig.1 Large scale direct shear apparatus

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括向聚丙烯土工格柵和花崗巖殘積土（圖2）。土工格柵技術(shù)指標(biāo)見表1。試驗(yàn)所用的花崗巖殘積土取自廣州市增城區(qū)，呈褐色、黃褐色，呈土狀，含有較多中粗礫粒及碎石，偶見塊石，其基本物理指標(biāo)見表2。顆粒級(jí)配曲線如圖3所示，不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為38.1、0.42。其中粒徑小于0.075mm土粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占45.15%，粒徑大于2mm的占19.62%。

表1 土工格柵技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of geogrid

表2 花崗巖殘積土基本物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of granite residual soil

圖2 試驗(yàn)材料與筋材Fig.2 Test material and geogrid

圖3 顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Curve of particle distribution

1.3 試驗(yàn)方案

在實(shí)際工程中，加筋結(jié)構(gòu)的回填土常就近取材，而廣泛分布于我國(guó)東南沿海地區(qū)的花崗巖殘積土就可作為回填土應(yīng)用于加筋土結(jié)構(gòu)，該土體風(fēng)化劇烈，遇水極易軟化，含水率對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)影響較大。因此，對(duì)花崗巖殘積土和殘積土-格柵界面進(jìn)行了一系列單調(diào)直剪試驗(yàn)，研究含水率和豎向應(yīng)力對(duì)界面剪切特性和加筋效果的影響。根據(jù)花崗巖殘積土相關(guān)含水率參數(shù)及工程中邊坡豎向應(yīng)力的分布對(duì)含水率及豎向應(yīng)力進(jìn)行取值，本試驗(yàn)對(duì)殘積土和殘積土-格柵界面在不同含水率（13%、19%、25%、32%）和不同豎向應(yīng)力（50、100、150、200kPa）下進(jìn)行單調(diào)剪切試驗(yàn)。不同含水率下土顆粒形態(tài)如圖4所示。為控制各組試樣干密度均勻一致，花崗巖殘積土按一定的干密度計(jì)算每組試驗(yàn)的用量，土體分層裝樣并擊實(shí)至指定高度，土工格柵由螺栓固定于上下剪切盒之間，水平剪切速率為1mm·min-1。

圖4 不同含水率下土顆粒形態(tài)Fig.4 Soil particle morphology at different water contents

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 筋土界面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

為分析加筋的作用，對(duì)比圖5和圖6。顯著差異在于：含水率為13%、豎向應(yīng)力為50kPa 時(shí)，殘積土剪應(yīng)力隨剪切位移的升高先增大后降低，呈現(xiàn)剪切軟化趨勢(shì)，而從圖6a可見，同條件下筋土界面在剪切后期的降幅微弱，這說明土工格柵加筋對(duì)于提高殘積土整體剪切強(qiáng)度有一定的促進(jìn)作用，能有效緩解剪應(yīng)力達(dá)到峰值后大幅降低的剪切軟化趨勢(shì)。

圖5 不同含水率殘積土剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系Fig.5 Curve of interface shear stress-shear displacement of residual soil at different water contents

從圖6 可見，在50kPa 豎向應(yīng)力作用下，含水率為13%時(shí)的筋土界面剪應(yīng)力隨著剪切位移的增大先逐漸升高，當(dāng)剪切位移超過20mm，剪應(yīng)力小幅下降，剪切軟化現(xiàn)象較弱。筋土界面在其余含水率和豎向應(yīng)力條件下剪應(yīng)力先大幅升高后趨于穩(wěn)定或仍小幅上升，主要呈現(xiàn)出剪切硬化特征。低含水率土樣土顆粒小且分散（圖4a），裝樣擊實(shí)后已非常密實(shí)，在剪切過程中，剪切面附近土顆粒發(fā)生滑移和錯(cuò)動(dòng)，土體變疏松，而在低豎向應(yīng)力作用下界面受壓實(shí)作用弱，此時(shí)剪切作用對(duì)界面強(qiáng)度的弱化作用更強(qiáng)，因此在50kPa豎向應(yīng)力作用下筋土呈現(xiàn)一定的剪切軟化特征。當(dāng)豎向應(yīng)力提高至100kPa及以上，壓實(shí)作用明顯提高，易發(fā)生剪切硬化。中高含水率下筋土界面發(fā)生剪切硬化，這是因土顆粒在水的作用下易因結(jié)合水膜及膠結(jié)作用而團(tuán)聚在一起，形成大小不一的碎球體［22］（圖4b），孔隙大且含水率越高，土樣初始孔隙率越高，在豎向應(yīng)力以及剪切作用下，顆粒間孔隙逐漸減小，土體逐漸密實(shí)，界面強(qiáng)度有所提高。

圖6 不同含水率筋土界面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系Fig.6 Curve of shear stress-shear displacement of reinforced soil at different water contents

2.2 抗剪強(qiáng)度分析

由圖7可見，隨著含水率的升高，筋土界面的抗剪強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)。為反映含水率從13%升至32%時(shí)抗剪強(qiáng)度降低的程度，量化水分對(duì)筋土界面抗剪強(qiáng)度的弱化作用，將含水率為32%和13%下得到的剪切強(qiáng)度相除，得到50、100、150、200kPa 豎向應(yīng)力下的比值分別為0.48、0.32、0.28、0.27?？梢钥闯?，水分對(duì)界面抗剪強(qiáng)度的弱化作用十分明顯。此外，豎向應(yīng)力越高，弱化作用越強(qiáng)，而高含水率下豎向應(yīng)力影響較小。水分對(duì)土顆粒間膠結(jié)連接、土顆粒與土工格柵接觸均有明顯的潤(rùn)滑作用，宏觀表現(xiàn)為界面抗剪強(qiáng)度的顯著降低。

圖7 不同豎向應(yīng)力下筋土界面抗剪強(qiáng)度隨含水率變化規(guī)律Fig.7 Shear strength versus water content at dif?ferent normal stresses

在中高豎向應(yīng)力下（>50kPa），含水率為25%時(shí)的筋土界面抗剪強(qiáng)度降幅較小。這可能是因?yàn)楹蕿?5%時(shí)，土體孔隙率大，在中高豎向應(yīng)力的作用下，土樣密實(shí)度顯著提高，使土顆粒與顆粒、土與土工格柵的相互作用增強(qiáng)，能夠減緩抗剪強(qiáng)度的下降。土體中的水分大多通過非飽和土中細(xì)顆粒土基質(zhì)吸力的作用而吸持于土顆粒表面，含水率的增大使土顆粒表面結(jié)合水膜變厚，顆粒間膠結(jié)力逐漸弱化［23］。當(dāng)含水率增長(zhǎng)至32%時(shí)，土體已經(jīng)接近飽和狀態(tài)，土體孔隙間存在較多的自由水，且在豎向應(yīng)力下無法較好地排出，因此抗剪強(qiáng)度降幅仍較大。

利用Liu等［16］提出的界面抗剪強(qiáng)度系數(shù)（式（1））以定量地研究不同豎向應(yīng)力下含水率對(duì)土工格柵加筋效果的影響。

式中：α為界面抗剪強(qiáng)度系數(shù)；τgeogrid為筋土界面抗剪強(qiáng)度；τsoil為土體抗剪強(qiáng)度。

圖8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，界面抗剪強(qiáng)度系數(shù)的變化范圍為0.81～1.10。此外可見，含水率為19%和25%土樣的界面抗剪強(qiáng)度系數(shù)整體上高于含水率為13%和32%的土樣，可見19%～25%含水率下筋土界面的加筋效果較好。含水率為13%和32%時(shí)，α值整體上隨著豎向應(yīng)力的升高而升高，而19%和25%含水率下α值隨著豎向應(yīng)力的升高而降低。

將同一含水率土體在4 種豎向應(yīng)力下4 個(gè)值取平均值，可得含水率為13%、19%、25%、32%土體的平均值分別為0.96、1.04、1.02、0.87，變化幅度分別為8.30%、—1.92%、—14.70%?？梢姡S含水率的增加，加筋效果先增大后減小，界面加筋效果降幅增大。當(dāng)土體含水率達(dá)到32%時(shí)，4 種豎向應(yīng)力下的值均小于1.0，表明土體接近飽和時(shí)土工格柵加筋增強(qiáng)效果不佳，筋土界面可成為潛在滑動(dòng)面，反而進(jìn)一步加劇水的弱化效果使筋土界面抗剪強(qiáng)度下降。

2.3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

由圖9 可見，筋土界面黏聚力隨含水率升高先增后減，在含水率25%時(shí)達(dá)到峰值。當(dāng)含水率為19%～32%時(shí)，筋土界面黏聚力整體變化趨勢(shì)與土體變化規(guī)律相似。其中19%和25%含水率下筋土界面黏聚力明顯大于土體內(nèi)部黏聚力，說明土工格柵橫肋阻力發(fā)揮了良好作用。13%和32%含水率下筋土界面黏聚力明顯小于土體黏聚力，這可能由于土顆粒間的相互作用力強(qiáng)于土顆粒與筋材間的作用力，且筋土界面作用力受水分弱化效果更顯著。

圖9 黏聚力與含水率關(guān)系Fig.9 Cohesion versus water content

由圖10可見，不同含水率下筋土界面內(nèi)摩擦角變化范圍為6.1°～33.7°，降幅約81.9%，表明筋土界面內(nèi)摩擦角隨含水率的升高顯著降低。當(dāng)土體含水率升高，土中較粗顆粒周圍被細(xì)顆粒所形成的“泥漿”包裹［23］，粗顆粒表面變光滑，土顆粒間相互作用減弱。對(duì)比筋土界面與土體內(nèi)摩擦角的差異，可見在13%和32%含水率時(shí)二者內(nèi)摩擦角相差不大，這可能因含水率為13%時(shí)土體最為密實(shí)，土顆粒間摩擦特性均較好，內(nèi)摩擦角已達(dá)到一個(gè)較高值，而加筋后土顆粒與格柵的咬合作用能使內(nèi)摩擦角有小幅提升。含水率為32%時(shí)，土體接近飽和，水的潤(rùn)滑作用最強(qiáng)，加筋效果微弱。含水率為19%和25%時(shí)，筋土界面內(nèi)摩擦角更小，這可能由于隨含水率進(jìn)一步升高，土體顆粒間形成一定厚度的結(jié)合水膜，筋材與土體相互作用減弱，而筋土界面對(duì)水分潤(rùn)滑作用更為敏感，滑動(dòng)摩擦降幅更大，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角較小。

圖10 內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系Fig.10 Internal friction angle versus water content

2.4 體變特性分析

在剪切過程中，試樣底面積保持不變，因此豎向位移量可反映剪切過程中的體積應(yīng)變。圖11 中最終豎向位移為正值時(shí)代表土體發(fā)生剪縮，反之為剪脹。由圖可見，筋土界面體積應(yīng)變以剪縮為主，只有含水率為13%的筋土界面在50kPa豎向應(yīng)力條件下發(fā)生了剪脹，這是因?yàn)榧羟忻娓浇令w粒松散，低應(yīng)力下土顆粒難充分填充土樣剪切產(chǎn)生的孔隙［23］。含水率從13%升至25%，筋土界面的豎向位移量大致呈遞增趨勢(shì)。含水率越高，土樣的初始孔隙越大，壓縮性強(qiáng)，土顆粒受剪切作用而移動(dòng)，孔隙率減小，土樣逐漸密實(shí)，剪縮現(xiàn)象更為明顯。由圖12 可見，各含水率界面豎向位移量隨著豎向應(yīng)力的升高而升高。在高含水率（32%）條件下，最終剪縮量整體較小，這是因?yàn)榻咏柡蜁r(shí)土體由土顆粒和自由水組成，由于試驗(yàn)條件的限制導(dǎo)致這些自由水無法較好地排出，而固體土顆粒與水的壓縮量微小，宏觀表現(xiàn)為剪縮量較小。

圖11 不同含水率下筋土界面豎向位移-剪切位移曲線Fig.11 Curves of vertical displacement-shear displacement at different water contents

圖12 不同含水率條件下筋土界面最終豎向位移Fig.12 Final vertical displacement of reinforced soil interface at different water contents

3 結(jié)論

（1）含水率為13%、豎向應(yīng)力為50kPa 時(shí)，花崗巖殘積土-格柵界面在剪切過程中剪應(yīng)力先增加后小幅下降，其余條件下呈遞增趨勢(shì)；含水率為13%、豎向應(yīng)力為50kPa 時(shí)，花崗巖殘積土-格柵界面在剪切過程中先發(fā)生剪脹，其他條件下筋土界面均只發(fā)生剪縮。

（2）格柵加筋能夠緩解花崗巖殘積土剪應(yīng)力達(dá)到峰值后大幅降低的剪切軟化趨勢(shì)，且含水率為19%～25%時(shí)土工格柵加筋效果較好，而當(dāng)土體接近飽和含水率時(shí)加筋效果不佳。

（3）筋土界面抗剪強(qiáng)度隨著含水率的升高大幅降低，筋土界面黏聚力隨著含水率的增加先增大后減小，內(nèi)摩擦角隨著含水率的升高顯著降低。

作者貢獻(xiàn)聲明：

劉飛禹：負(fù)責(zé)論文的研究思路，方案，及整體框架的指導(dǎo)，參與論文寫作、修改的全過程。

陳舒祺：負(fù)責(zé)進(jìn)行試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，論文撰寫。

孫宏磊：參與論文方案討論，并指導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果分析，論文修改。

劉洪波：負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)和協(xié)調(diào)，策劃和設(shè)立橫向課題，參與論文的審定和修改討論。