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    探討土工格柵加筋砂土加固機(jī)理

    2012-06-14 01:28:44金順浩柳俊哲
    山西建筑 2012年36期
    關(guān)鍵詞:格柵土工剛性

    金順浩 柳俊哲,2*

    (1.東北林業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150040;2.寧波大學(xué),浙江 寧波 315211)

    0 引言

    在土工合成工程中,土工格柵補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛,但是對(duì)此類加筋土的加固機(jī)理以及變形破壞的理論研究還顯得比較薄弱,至今尚未能形成一套成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算理論。為了定量地分析土工格柵在加筋砂土地基中配置長(zhǎng)度以及剛性效果,本研究利用7種不同素材及不同剛性的面狀和格子狀土工格柵加筋材,把它們水平配置在密實(shí)砂中,通過(guò)平面壓縮破壞試驗(yàn)和承載力試驗(yàn),對(duì)土工格柵加筋材的素材及其剛性的加固效果進(jìn)行了考察和分析。

    1 數(shù)字圖像變形量測(cè)技術(shù)應(yīng)用

    數(shù)字照相量測(cè)的圖像分析方法可簡(jiǎn)單分為質(zhì)心法和相關(guān)分析法。而變形量測(cè)法,可根據(jù)是否在試驗(yàn)?zāi)P蜕喜贾昧繙y(cè)物理標(biāo)志點(diǎn),簡(jiǎn)單分為標(biāo)點(diǎn)法和無(wú)標(biāo)點(diǎn)法。前者一般采用質(zhì)心法進(jìn)行圖像分析,而后者一般采用相關(guān)分析法。

    2 試驗(yàn)方法

    2.1 補(bǔ)強(qiáng)材料的種類及物理性能

    7種不同素材及不同剛性的面狀和格子狀土工格柵補(bǔ)強(qiáng)材料的物理性能如表1所示。

    2.2 土工格柵加筋砂土試體的平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)

    把抗拉加筋土從受垂直壓縮到破壞為止的流程,用圖1水平布置土工格柵加筋亞溝砂土立方體試件的平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)結(jié)果來(lái)探討。這試驗(yàn)是在ε2水平方向上保持變形為零的平面應(yīng)變條件下,從外部施加一定拘束應(yīng)力σ3(不是一個(gè)定值)和軸方向壓縮條件上進(jìn)行。試件要從σ3水平方向上往外延伸,但因?yàn)橛欣煅a(bǔ)強(qiáng)材料受到阻礙。但是,試體內(nèi)部的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)不一樣,局部的σ1和σ3值是越靠近試體內(nèi)部越大。這例試驗(yàn)破壞的原因是局部開始發(fā)生剪切破壞連帶著在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)全體內(nèi)發(fā)生剪切破壞。

    表1 補(bǔ)強(qiáng)材料的物理性能

    圖1 土工格柵補(bǔ)強(qiáng)砂土平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)(單位:cm)

    圖2表示的是高7.5 cm×σ3方向的寬度8.0 cm×σ2方向的厚度4.0 cm上下斷面里沒有摩擦的小型試件壓縮破壞試驗(yàn)結(jié)果。還表示了試件:在無(wú)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)和在1/2高度布置一層各種平面狀補(bǔ)強(qiáng)材料來(lái)補(bǔ)強(qiáng)時(shí),試件的平均軸應(yīng)力與定值拘束應(yīng)力的比(σ1/σ30=49 kPa)與試件平均橫方向伸長(zhǎng)變形ε3的關(guān)系,當(dāng)然,抗拉剛性和表面摩擦系數(shù)大的粗黃銅板土工格柵補(bǔ)強(qiáng)的試件強(qiáng)度最大。而剛性大表面容易出現(xiàn)滑動(dòng)的光滑黃銅板土工格柵補(bǔ)強(qiáng)的試件強(qiáng)度稍微低。補(bǔ)強(qiáng)材料雖然有非常大的剛性,但在補(bǔ)強(qiáng)材料表面砂出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象,所以它的高剛性沒充分得到發(fā)揮。

    圖2 小型試件平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)結(jié)果

    圖3是圖1的試件在接近破壞載荷階段B和C之間時(shí),從σ2面角度觀測(cè)照相描繪得到變位分布,求得局部主應(yīng)變?chǔ)?和ε3的分布。

    圖3 試件破壞時(shí)的等剪斷應(yīng)變的等值線

    1)粗黃銅板補(bǔ)強(qiáng)時(shí):試件的下半部出現(xiàn)了滑移層,雖然發(fā)生了破壞,滑移層沒穿透補(bǔ)強(qiáng)材料表面。

    2)光滑黃銅板補(bǔ)強(qiáng)時(shí):補(bǔ)強(qiáng)材料表面的一部分出現(xiàn)滑移。

    3)無(wú)紡布補(bǔ)強(qiáng)時(shí):滑移層沒完全穿透補(bǔ)強(qiáng)材料表面。

    4)人造橡膠,合成橡膠,橡漿補(bǔ)強(qiáng)時(shí):滑移層穿透補(bǔ)強(qiáng)材料表面。

    5)無(wú)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)形成了明顯的滑移層。但是,有補(bǔ)強(qiáng)效果時(shí)滑移層的自由形成受到阻礙,加筋土的破壞常常伴隨著滑移層的形成。

    2.3 土工格柵加筋土地基的條形基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)

    圖4是密實(shí)干燥加筋砂水平模型地基,因土工格柵拉伸補(bǔ)強(qiáng),使條形基礎(chǔ)(寬度B=10 cm)承載力增大的平面應(yīng)變模型試驗(yàn)結(jié)果。砂層的側(cè)面和砂箱側(cè)面的透明丙烯板之間,為了除掉摩擦布置薄橡膠板。薄橡膠板上與砂同步活動(dòng)的格子交點(diǎn)動(dòng)態(tài)用照相來(lái)描繪,格子交點(diǎn)動(dòng)態(tài)用照片讀取,求得砂地基內(nèi)部局部應(yīng)變。

    無(wú)補(bǔ)強(qiáng)地基均布荷載達(dá)到最大時(shí)刻,地基內(nèi)應(yīng)變?cè)诰己奢d中心的正下方領(lǐng)域集中(見圖4b))。地基的破壞進(jìn)程不像(古典承載力理念設(shè)想中圖5顯示的滑移線)那樣一口氣生成。地基破壞進(jìn)程沿著潛在的滑動(dòng)面,變形有不一樣特點(diǎn)。

    在補(bǔ)強(qiáng)地基中把補(bǔ)強(qiáng)材料布置在出現(xiàn)變形大又多的區(qū)域(最小主應(yīng)力σ3)方向,這是拉伸補(bǔ)強(qiáng)工法的基本。圖4b)中變形只在均布荷載中心的正下方集中,這個(gè)區(qū)域內(nèi)的伸長(zhǎng)變形ε3方向幾乎是水平。所以,在圖5中比均布荷載正下方點(diǎn)a還要遠(yuǎn)的部位即使布置補(bǔ)強(qiáng)材料,可以想象到很大的補(bǔ)強(qiáng)效果是期盼不來(lái)的。另外,在均布荷載寬度與長(zhǎng)度相同(L/B=1)的正下方,在砂箱寬40 cm范圍內(nèi)只布置10根3層橫斷面寬度3 mm,厚度0.5 mm的帶狀黃銅板土工格柵補(bǔ)強(qiáng)材料,承載力就長(zhǎng)了2倍(見圖4a))。均布荷載正下方地基內(nèi)變形分布就像圖4b)的那樣發(fā)生了很大變化,均布荷載正下方的補(bǔ)強(qiáng)部分就如同剛基礎(chǔ)注入了耐力,承載力增加了。并且,實(shí)際基礎(chǔ)的載荷問(wèn)題因受荷載的偏心以及傾斜要素影響很大,所以補(bǔ)強(qiáng)材料比基礎(chǔ)寬度長(zhǎng)2~4成是合理的。

    圖4 土工格柵加筋土地基的條形基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)

    圖5 古典承載力理念中滑動(dòng)面

    受垂直中心載荷時(shí),補(bǔ)強(qiáng)材料做得長(zhǎng)就像圖4a)顯示的那樣承載力得到增加。其實(shí)從圖4b)的表示中,地基內(nèi)均布荷載的兩肋正下方鉛垂地產(chǎn)生的變形集中區(qū)域,隨著補(bǔ)強(qiáng)材料長(zhǎng)度增長(zhǎng)變形集中區(qū)域逐漸消失。這是因?yàn)?,隨著補(bǔ)強(qiáng)材料長(zhǎng)度增長(zhǎng)加強(qiáng)領(lǐng)域得到擴(kuò)展,顯示出均布荷載在基礎(chǔ)地基范圍內(nèi)已經(jīng)得到充分?jǐn)U散。但補(bǔ)強(qiáng)材料長(zhǎng)度超過(guò)了某一種限度,則變形分布變化就少,與其對(duì)應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)效果的增加率也變小。補(bǔ)強(qiáng)材料長(zhǎng)度再增長(zhǎng),補(bǔ)強(qiáng)效果的增加就變?yōu)?。

    3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

    通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn),利用數(shù)字照相標(biāo)點(diǎn)變形量測(cè)系統(tǒng)求地基內(nèi)剪切應(yīng)變分布和σ1/σ30-ε3,N—S曲線來(lái)研究分析加筋土的加筋機(jī)理和破壞模式及試驗(yàn)結(jié)果,得出如下結(jié)果:

    1)加筋土的破壞常常伴隨著滑移層的形成。但是,有補(bǔ)強(qiáng)效果時(shí)滑移層的自由形成受到妨礙。

    2)與無(wú)紡布、光滑黃銅板相比,有抗拉剛性和表面摩擦系數(shù)大的粗黃銅板土工格柵補(bǔ)強(qiáng)效果更好。

    3)作為土工格柵補(bǔ)強(qiáng)材料來(lái)說(shuō)剛性大的較好,但對(duì)補(bǔ)強(qiáng)土的強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是每單位體積的補(bǔ)強(qiáng)材料總剛性顯得更重要。

    4)在地基的淺層布置補(bǔ)強(qiáng)材料,能起到很好的補(bǔ)強(qiáng)效果。補(bǔ)強(qiáng)材料長(zhǎng)度L與荷載接觸底面寬度B相等時(shí)的加筋土地基承載力比無(wú)加筋土地基承載力明顯提高。

    5)隨加筋寬度增加,加筋效果越好。但是加筋長(zhǎng)度超過(guò)4倍基礎(chǔ)寬度時(shí),承載力提高不大,即補(bǔ)強(qiáng)材料長(zhǎng)度超過(guò)了某一種限度,則相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)效果增加率逐漸變小。

    6)增加土工格柵加筋材與砂土之間的接觸面積,可以明顯提高加筋砂土的壓縮強(qiáng)度。其加筋加固效果優(yōu)于提高加筋材用量或增加剛性所帶來(lái)的加筋加固效果。

    4 結(jié)語(yǔ)

    在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能地考慮加筋材的形狀效果,通過(guò)合理配置加筋材的方法來(lái)提高土工合成工程的加固效果,而不能單純靠提高加筋素材的剛性或增加加筋材用量來(lái)提高,只有這樣才能取得良好的工程經(jīng)濟(jì)效益。

    [1]劉 霖,李桂英,李 馳.土工格柵與風(fēng)積砂土界面作用特性的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸,2003(1):4-6.

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