不同剪切速率和孔徑下立體格柵筋土界面剪切特性

熊 勃 童艷光 何江薈

（1.廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙 410083；3.廣州環(huán)保投資集團有限公司，廣東廣州 510330；4.上海大學力學與工程科學學院，上海 200444）

0 引言

加筋土技術(shù)是將具有良好拉伸模量和抗拉性能的筋材按一定的方向布設(shè)在構(gòu)筑物或土體中，從而增強土體的穩(wěn)定性，提高土體強度和抵抗不均勻沉降以及限制水平位移的能力[1]?，F(xiàn)有的加筋土加固機理有摩擦機理、等效黏聚力機理[2]。在此基礎(chǔ)上，有學者提出了直接加筋和間接加固兩種作用機理[3]。大部分觀點表示加筋材料與填料之間的界面相互作用特性直接影響加筋土結(jié)構(gòu)的整體性能[4]。因此，研究筋土界面作用特性對于深入加筋土結(jié)構(gòu)研究、提升加筋土結(jié)構(gòu)在實際工程應(yīng)用中的效能有著重要意義。對此，國內(nèi)外學者采用了不同類型的試驗進行研究。其中，拉拔試驗和直剪試驗是現(xiàn)階段研究筋-土界面特性的最普遍且最為有效的方法[4]。通過兩種試驗方法研究筋材、填料等工況[5-8]對筋土界面特性的影響，并分析其加筋效果。

通過大型直剪試驗可以了解加筋土結(jié)構(gòu)筋材與土之間的抗剪強度，即其黏聚力、摩擦角等參數(shù)。吳景海等[9]認為直剪試驗中，填料與土工合成材料的界面摩擦角由填料與填料之間的摩擦角、土工合成材料表面與填料的摩擦角、填料對土工合成材料橫格的部分被動土壓力產(chǎn)生的摩擦角三部分組成。李麗華等[10]研究了三種不同材料筋材的筋土界面抗剪特性。Han 等[11]采用不同開口形狀的土工格柵，研究了粒徑對筋土界面抗剪強度的影響。劉飛禹等以礫石作為填料通過循環(huán)剪切試驗研究了法向應(yīng)力、法向荷載振幅、法向加載頻率、剪切速率等對筋土界面剪切特性的影響以及筋土界面的軟化特性[12-13]。Chenari 等[14]、劉開富等[15]利用直剪試驗對土工格柵兩側(cè)為不同填料的界面特性展開研究。

考慮到土工格柵屬于開口立體式筋材，針對平面格柵進行試驗研究不能全面反映其在加筋土結(jié)構(gòu)中展現(xiàn)出的界面特性。有學者通過粘貼、綁扎、螺栓連接等方式對傳統(tǒng)土工格柵進行二次加工，制作出立體格柵并進行了一系列的研究[16-19]，但制作方式繁瑣、局限性強。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展可以打破原有的技術(shù)局限與束縛，實現(xiàn)三維立體土工格柵的整體化設(shè)計和制作。劉飛禹等[20]基于3D 打印技術(shù)制作出5 種不同橫肋厚度的格柵網(wǎng)，研究了立體格柵網(wǎng)中增強型橫肋對筋土界面剪切特性的影響。

基于此，本文利用3D 打印機制作出3 種不同孔徑大小的三維立體土工格柵，通過室內(nèi)大型直剪儀進行單調(diào)直剪試驗，重點討論不同剪切速率下立體格柵孔徑對界面剪切特性的影響，為三維立體土工格柵加筋土的加筋效果評價和格柵優(yōu)化提供參考。

1 試驗設(shè)備、材料及試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

通過巨影PMAX T10000 型3D 打印機制作三維立體格柵。直剪試驗通過Humboldt 產(chǎn)HM-5780室內(nèi)大型直剪儀完成（見圖1）。

圖1 HM-5780 室內(nèi)大型直剪儀

1.2 試驗材料

試驗所用三維立體式土工格柵通過3D 打印機制作，格柵縱/橫肋寬5 mm，縱肋厚度3 mm，加厚橫肋厚度9 mm，其余部分橫肋厚度3 mm（見圖2）。三維立體式土工格柵物理力學特性見表1。試驗采用的填料為中國ISO 標準砂，其物理性質(zhì)指標見表2。

圖2 3D 打印三維立體土工格柵

1.3 試驗方案

本試驗旨在研究不同剪切速率下土工格柵孔徑對筋土界面剪切特性的影響，為此設(shè)計了3 種不同孔徑大小的立體土工格柵模型（25 mm×25 mm、35 mm×35 mm、45 mm×45 mm），分別在豎向應(yīng)力為30 kPa、60 kPa、90 kPa 的條件下以三種剪切速率（0.5 mm/min、1 mm/min、2 mm/min）進行單調(diào)直剪試驗。試驗時在土工格柵固定端包裹一層土工布后用螺絲固定在剪切盒下盒上，固定前輕拽土工格柵末端，使土工格柵固定孔前端與螺絲完全接觸，旋緊螺絲時應(yīng)按住土工格柵以確保土工格柵完全處在下剪切盒內(nèi)。試驗填砂密實度為87%，通過分批填入、逐次抹平擊實的方式裝樣，裝樣后填料表面距上盒頂部距離為25±5 mm，即密實度為87%。試驗參數(shù)見表3。

表3 直剪試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 格柵孔徑對筋土界面剪切特性的影響

圖3 為不同孔徑的三維立體土工格柵以1 mm/min剪切速率進行的直剪試驗的結(jié)果。由圖可知：（1）試驗開始時3 種不同孔徑土工格柵的剪切應(yīng)力都快速增大，在剪切位移2.5～6 mm 時達到峰值，曲線在峰后表現(xiàn)出軟化再硬化的變化趨勢，這是因為三維立體土工格柵的加厚橫肋在剪切過程中產(chǎn)生被動側(cè)阻力，提高了筋土界面剪切強度；（2）孔徑為35 mm×35 mm的格柵剪切應(yīng)力峰值最大，45 mm×45 mm 孔徑格柵的剪切應(yīng)力峰值大于25 mm×25 mm 孔徑格柵；（3）豎向應(yīng)力越大，筋土界面剪切應(yīng)力峰值越大。取剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線中剪切位移前6 mm 內(nèi)剪切應(yīng)力峰值為抗剪強度。

圖3 三維立體格柵筋土界面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

將圖3（a）-圖3（c）中的剪切應(yīng)力峰繪制在圖4中。圖中顯示了包絡(luò)曲線的擬合公式，其中表示擬合出的包絡(luò)曲線的相關(guān)系數(shù)。3 種孔徑大小格柵對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)均為0.99，趨近于1，這表明試驗中界面峰值剪應(yīng)力與豎向應(yīng)力擬合效果好，線性相關(guān)程度高。因此，可以通過莫爾-庫侖強度理論描述，并得出筋土界面的似黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。試驗中界面似黏聚力和內(nèi)摩擦角值如表4 所示。

表4 三維立體土工格柵筋土界面似黏聚力和內(nèi)摩擦角

圖4 三維立體土工格柵筋土界面峰值剪應(yīng)力包絡(luò)曲線圖

從表4 中數(shù)據(jù)可以得出，隨著格柵孔徑的增大，界面似黏聚力減小，35 mm×35 mm 孔徑格柵的筋土界面似黏聚力相比于25 mm×25 mm 格柵減小了31.01%，45 mm×45 mm 孔徑格柵的筋土界面似黏聚力相比于35 mm×35 mm 格柵減小了58.26%?？讖綖?5 mm×35 mm 時內(nèi)摩擦角最大（42.6°）。

2.2 剪切速率對筋土界面剪切特性的影響

圖5 為45 mm×45 mm 孔徑格柵在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線。可以看出不同剪切速率下，剪切應(yīng)力-剪切位移曲線都呈現(xiàn)出先快速上升，通過峰值拐點后快速下降，經(jīng)歷一段平緩過程后又緩慢上升的規(guī)律。表5 為45 mm×45 mm 孔徑格柵在不同剪切速率下峰值剪應(yīng)力的比較，不同剪切速率下峰值剪應(yīng)力的相對變化率在-4%～12%，最大變化率為11.19%。即剪切速率對三維立體格柵筋土界面的剪切特性有一定的影響，但影響程度不大。

表5 45 mm×45 mm 孔徑立體格柵在不同剪切速率下峰值剪應(yīng)力比較

圖5 立體格柵在不同剪切速率下剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

2.3 豎向應(yīng)力對筋土界面剪切特性的影響

圖6 為25 mm×25 mm 孔徑三維立體土工格柵在不同豎向應(yīng)力作用下的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線?？梢钥闯觯海?）3 種豎向應(yīng)力下的剪切應(yīng)力都隨著剪切位移的增加而呈現(xiàn)相似的變化趨勢；（2）豎向應(yīng)力大時，曲線整體高于豎向應(yīng)力小的曲線，即豎向應(yīng)力越大，剪切應(yīng)力越大；（3）如圖6（a）中，剪切應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在剪切位移5 mm 附近，剪切弱化后的低值點基本位于剪切位移8 mm 附近，可以看出豎向應(yīng)力越大，峰值點與低值點之間的差值越大，且由于峰值點與低值點對應(yīng)的剪切位移基本相同，所以曲線的下降幅度也越大。

圖6 三維立體格柵的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

表6 為25 mm×25 mm 孔徑格柵在不同豎向應(yīng)力下的剪切應(yīng)力峰值及相對變化率。表中所示不同豎向應(yīng)力下峰值剪應(yīng)力間的相對變化率均在20%以上，最小為20.95%，最大為71.16%。

表6 25 mm×25 mm 孔徑立體格柵在不同豎向應(yīng)力下峰值剪應(yīng)力比較

圖7 為不同豎向應(yīng)力下不同孔徑格柵界面最終剪脹量。可以看出，豎向應(yīng)力越大，最終剪脹量越小，且35 mm 孔徑格柵對應(yīng)的最終剪脹量最大。

圖7 三維立體格柵界面最終剪脹量

結(jié)合上述情況，豎向應(yīng)力對三維立體格柵筋土界面的剪切特性影響明顯。

3 結(jié)論

（1）35 mm×35 mm 孔徑的土工格柵筋土界面剪切應(yīng)力峰值剪應(yīng)力、內(nèi)摩擦角最大。格柵孔徑越大，界面似黏聚力越小。

（2）隨著剪切速率倍增，峰值剪應(yīng)力的相對變化率處于4%到11%之間。剪切速率對筋土界面的剪切特性有一定的影響，但不明顯。

（3）豎向應(yīng)力越大，筋土界面剪切應(yīng)力峰值越大，剪切弱化效應(yīng)越明顯。3 種豎向應(yīng)力（30 kPa、60 kPa、90 kPa）下，筋土界面峰值剪應(yīng)力相對變化率大于20%，即豎向應(yīng)力對筋土界面的剪切性能有明顯影響。